一种血液样本量测量仪器的设计

顾希，丛美华，王建，杨小红，韩玉珠

1. 南通市妇幼保健院，江苏 南通 226018；2. 南通大学医学院，江苏 南通 226001；3. 南通市第一人民医院，江苏 南通 226001

引言

危重患者尤其早产儿在住院期间可由多种原因造成不同程度的贫血，期间由于诊断、检查、治疗等措施造成的贫血称为“医源性贫血”[1]。多项临床研究表明医源性贫血已成为危重患者的一个潜在危机，大量静脉采血导致的失血是医源性贫血的一个独立危险因素[2-3]。因此，我院在危重患者日常护理中，主要通过规范采血技术，减少血液标本的浪费[4]来尽量减少贫血的发生。规范采血就是做到尽量降低住院期间的抽血总量和抽血次数，尽量减少医源性的失血[5]。我们通过为每个危重患者建立采血单，及时记录每次的采血量，以此积极控制采血时机和采血量。目前，医院在进行血液样本量测量时，多采用带刻度线的试管采集后进行读数，并将读数输入设备用于后期的数据处理。但由于主客观原因，会出现读错漏记现象，且所记录的采血量与实际采血量存在偏差。另一方面，过低的采血量对检测结果是有影响的，因为病情的需要，过少的检测次数也是不现实的。随着医院信息化建设的不断推进，以监测采血量为重心，建立更加有效快捷的体系很有必要。通过查新，国内外无可以监测危重患者血液标本采集量的系统。本项目研制的系统能准确及时记录每次的采血量，为医护人员结合危重患者病情及血红蛋白等指标，提供采血的警惕数值。其中血液样本量的测量是本系统的首要核心部分。本设计目的在于针对现有技术中存在的读数不准确、容易读错、输入错误和自动化程度低等缺陷和不足，提供一种血液样本量测量仪器，用于解决上述问题。

1 设计原理及系统结构图

所设计的血液样本量测量仪器由激光发生器、光学斩波器、聚光透镜、容纳腔、试管、光学信号处理装置、A/D转换器、计算机等组成[6]。图1为结构示意图，图2为系统硬件关系图。

本系统采用光纤透射法测量原理，激光通过光学斩波器将连续光调制成有固定频率的两个光信号，两个信号的频率是相同的，一个是参考信号，一个是调制后的光信号。调制后的光信号照射采集装置中的血液样本，发出采集光信号。锁相放大器是利用采集光信号和参考信号的乘法运算原理，再经过低通滤波器处理来实现对信号的窄带化处理，有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪[7]，最终输出反比于血液样本的模拟信号。此信号经过A/D转换交由计算机处理，得到血液样本的毫升数。

图1 血液样本量测量仪结构示意图

图2 系统硬件关系图

2 具体设计

2.1 光学信号发生器及聚光透镜

激光发生器生成的连续光通过光学斩波器调制成固定频率的调制光信号，并输出参考光信号；调制光信号经聚光透镜实现汇聚射入试管的血液样本中。激光发生器可选市售常见电子仪器仪表氮分子激光器，光学斩波器可选用市售的用于光谱发生器的光学斩波器。

2.2 采集装置

采集装置用于将调制光信号照射在装有血液样本的试管后输出采集光信号。试管可选用医院常规使用的型号，容纳腔底部形状与试管底部形状相适配。

2.3 光学信号处理装置

光学信号处理装置用于将采集光信号和参考光信号转换为采集模拟信号和参考模拟信号，并抑制采集模拟信号中的噪声，输出正比于血液样本量的模拟信号。光学信号处理装置包括采集信号处理模块、参考光信号处理模块和锁相放大器。

参考光信号处理模块通过图像传感器B将光学斩波器输出的参考光信号转换为参考模拟信号。采集信号处理模块包括图像传感器A和缓冲放大器。图像传感器A用于将采集到的光信号转换为模拟信号。图像传感器A和图像传感器B均采用能将光信号转换成电荷信号的CCD图像控制器。缓冲放大器用于对采集到的模拟信号进行放大并低阻抗输出，可选用市售常见模块ADA4800。ADA4800是一个内置有源负载的电压缓冲器，该缓冲器是一个低功耗、低噪声、高压摆率、高速、具有固定增益1的单芯片放大器，适合CCD应用。

锁相放大器用于将经缓冲放大器放大后的采集模拟信号与参考模拟信号共同输入其内部的混频器，混频器输出的结果，再经过其内部的低通滤波器滤波处理后输出，对采集模拟信号进行窄带化处理，抑制采集模拟信号噪音，实现对采集模拟信号的检测和跟踪[8]。

2.4 A/D转换器和计算机

A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号，并发送给外部计算机进行处理。A/D转换器为常见市售电子元件，通过一定的电路将模拟量转变为数字量，A/D转化器选用TI公司的A/D转换芯片ads5422。ads5422是14 bit的最高采样频率可达62 msps的高速A/D转换芯片，采用单一5 V电源供电，在采样频率为10 m时其最大动态范围为82 dB，最高信噪比达到72 dB，其数字量输出可以直接和5 V或者3.3 V的cmos芯片连接，模拟量输入的峰值为4 V，可以直接输入0.5～ 4.5 V的模拟量，封装形式为64脚的扁平四方封装[9]。

计算机用于将A/D转换器输出的数字信号转换为血液样本量的具体数值[10-12]。

3 血液样本量的确定

血液样本量的确定是本系统的关键，也是本研究的技术重点，即对锁相放大器的输出量与血液样本量关系进行标定。

我们总是希望系统的输出和输入成唯一的对应关系，最好是线性关系，输出的数据能反映被测量的真实值。但是一般情况下，因测量系统存在电子噪声等原因，输出与输入不会符合所要求的线性关系。以锁相放大器输出的信号为输入x，要求计算机显示的血液样本量为输出y，对系统进行标定，即确定该输入与输出之间数学关系y=f(x)。为保证测量的准确，通过试验，建立系统的输出-输入特性及其偏差关系。

标定工作环境温度20℃±5℃，湿度≤85%RH，大气压760 mm汞柱。标准量具的精度等级比待标定的系统至少高一个等级，附加设备又比标准量具至少高一个等级。选取Eppendorf Research pro单道电动移液器，量程100～5000 μL，使用标准计量方法对其校准，直至偏差在ISO8655的要求内为止。选取赛多利斯BSA224S万分之一电子天平。

首先用4℃ ddH2O（ρ=1 g/mL）作为测量物质，用移液器取至试管，再用电子天平秤重的方法取0.5～5 mL ddH2O作为输入量，全量程等间隔分点标定，测试计算机显示的相应输出量，并与输入量进行比较，调整锁相放大器增益按钮，使输入输出在一定量程内完全成线性相关。最终一组测量数值如表1，并作出标定图标，如图3所示。

表1 ddH2O（ρ=1 g/mL，T=4℃）作为测量物质时系统测量值

图3 ddH2O（ρ=1 g/mL，T=4℃）作为测量物质时系统输入输出图

X轴为锁相放大器输出电压值，Y轴为样本量值。可见，被测溶液量越多，透过的光越少，锁相放大器输出电压越低，A/D数值越小，计算机显示的样本量值越大。系统输入与输出之间数学关系y=f(x)的形式是一个直线方程，这个方程一般可表示为y=a-bx，称为一元线性回归方程，x和y完全负线性相关，求出a=5，b=1，得方程式为y=5-1x。

再次用同一头猪的血作为测量物质，用上述移液器取液，正反行程往复循环一次逐点标定，测量数值如表2。标定图如图4。

图4 猪血作为测量物质时系统输入输出图

可用最小平方法来确定式中的两个系数a和b。

得出此一元线性回归方程为y=4.8517-1.0007x。

这里还有一个问题，人血液样本有个体差异，比如颜色、浓度、密度的差异，这些差异可以影响测量结果，为此，我们增加了一个参比测量电路[13-15]，如图5所示。

图5 参比测量电路

从图中可以看到增加了一组测量电路，可以对血液样品的差异进行检测，用来修正血液样本量的结果。参比测量电路的输出CCD1的数字量即可修正公式y=a-bx中的常数a和b。

表2 猪血作为测量物质时系统测量值

4 使用方法

该测量仪使用方法为：① 常规准备，护理人员规范洗手、戴口罩，核对患者姓名、床号；② 对成人或婴幼儿进行采血，系统支持适合成人和婴幼儿采血量的两种试管规格；③ 接通电源，输入患者姓名，门诊号或床号，选择试管规格；④ 将试管放置容纳腔内；⑤ 首次使用，需系统初始化，然后点击开始测量；⑥ 系统自动测量并读取数据显示，也可反复测量，计算平均值显示；⑦ 点击存储功能，可对同一患者的采血量累计计算显示；⑧ 关闭机器，拔下电源，清洗。

5 应用效果

同一头猪血随机分成不等体积样本40例，分别标上序号。工作环境为温度20℃±5℃；湿度≤85%RH；大气压760 mm汞柱。选取赛多利斯BSA224S万分之一电子天平，对40例样本逐一称重3次，并记录，取其平均值。猪血的密度ρ=1.05 g/mL，再根据液体体积的计算公式是V=m/ρ求出每一份样本体积，作为本次试验的标准读数。计量单位：质量m的单位用g，密度ρ的单位用g/mL，体积V用mL。具体测量结果如表3。

表3 电子天平随机猪血样本质量m示值

将40例猪血样本随机分为两组，观察组20例，对照组20例。对照组采用带刻度线的试管采集后进行读数，并将读数输入设备用于后期的数据处理，使用两名工作人员，一人读数，一人将读数输入到电脑。观察组采用本实用新型血液样本量测量仪，将试管放置容纳腔内，自动测量显示并存储本次采血量，只需一人操作即可。对两组分别计时。将猪血样本体积读数与表3体积值对比。

观察组总用时、平均使用时间均远远短于对照组，对照组漏读数2例，输入错误3例，观察组满意度高于对照组，具体统计见表4。

表4 两组数据比较

试验测量结果表明，本测量仪测量准确，完全达到了设计要求，仪器具有一定的有效量程，对成人和婴幼儿采血量皆适合使用，不存在漏读和输入错误，准确迅速，用时用工少，效率高，临床试用效果满意。此系统不是用于血液成分的检测，而是对血液样本量多少进行测量。临床上存在一种对所采集的血液样本量没达到测定值而报警的检验仪器，未见对血液样本量多少进行测量的仪器的报道，因此这种血液量测量仪目前在临床上是空白。

6 讨论和结论

本设计通过将光学信号发生器产生的调制光信号经采集装置后转化为采集光信号，将采集光信号与参考光信号经光学信号装置处理后，输出正比于血液样本量模拟信号，将模拟信号经A/D转换器转换为数字信号，输入计算机处理得到血液样本量的具体数值，这种测量仪器实现自动化测量试管中的血液样本量并直接输入计算机储存作为后续使用，准确度高、操作方便且自动化程度高。可用于对危重病人或早产儿等采血量进行监测分析，减少医源性贫血的发生率。