血红蛋白浓度测量系统的设计与实现

陈炜钢，朱清，陈友凯

（浙江药科职业大学医疗器械学院，浙江宁波 315100）

在临床医学中，血红蛋白(HGB)浓度在医学上是一项重要的指标[1-7]。对于HGB 浓度的测量，目前主要采用的测量方法是光电容积脉搏波描记法、双波长分光度法以及动态光谱法等[8-10]。

传统的HGB 检测是将射出光强强度I转化为频率，再通过对频率的测量来计算HGB 浓度，而且多采用开环控制，系统稳定性差，会降低测量的精度。该文设计了一种基于STM32 闭环控制的HGB 测量系统，它利用单波长分光光度法，用ADC 直接把电压转换成数字量，实现对HGB 的测量并通过DAC 自动将空白稀释液稳定至参考值，形成闭环，提高系统的稳定性。

1 HGB浓度测量原理

该系统的HGB 测量原理主要采用单波长分光光度法，图1 为氰化高铁血红蛋白溶液中可见光波长和吸光度的关系[11]。从图1 中可以看出，波长在540 nm（绿光）附近的可见光达到了吸光度的峰值。

图1 吸光系数曲线

单波长测量HGB 步骤如下：

1）采用光强为Iin的绿光入射空白稀释液。假设射出光强强度为I0，光的散射和折射的光吸收度为AS0；

2）采用同样的光强Iin入射待测血样，设此时射出光线强度为I1，光的散射和折射的光吸收度为AS1。

由Lambert-Beer 定律[12-13]可得出：

其中，K为吸光系数（与入射光波长λ、液层厚度及温度有关），L为比色池的厚度，C0为空白稀释液的浓度，其值为0。同理可得出加入血样后的浓度关系式：

假设测量过程中输入光强不变，则将以上两式相减，可推导出：

由于采用同一个系统，因此外界吸收AS0和AS1基本不变，所以可以进一步得出：

由式（4）可以得出，样本浓度与两次出射光强比值的对数成正比。

2 系统架构

根据单波长测量原理可以设计相应的电路来测量HGB 的浓度。该系统包括以微控制器为核心的控制和数据处理单元、压控恒流源模块、光电转化模块、按键显示模块。具体的系统构架如图2 所示。

图2 系统结构框图

3 硬件电路设计

3.1 压控恒流源电路

该系统利用DAC 和电压转电流电路来完成压控恒流源[14]的设计。电路结构框图如图3 所示。

图3 压控恒流源电路结构图

3.1.1 基于STM32F107的最小系统

该系统中STM32F107 的最小系统主要是由时钟电路、电源电路、复位电路、调试接口电路构成，其处理器STM32F107 是ST 公司研发的，具有主频高、处理速度快、性价比高等优点，且它是Cortex-M3 32 位RISC 内核；内部有两个12 位DAC，双DAC 通道独立或同步转换，数据可以DMA 传输，非线性误差达到±0.5LSB。因此DA 转换器选用STM32F107 集成的12 位DAC，参考电压为2.43 V。当DAC 输出的电压改变时，由于电流和输入电压成线性关系，所以只要改变电压，电流也会相应改变，且负载在一定范围内，电流的值保持不变。实现了电压控制的恒流源的设计。

3.1.2 电压电流转换电路

该系统设计的电压电流转换器由运算放大器LM358 构成，LM358 是双运放放大器，内部有两个高增益的、独立的运算放大器，且内部具有频率补偿；它既可以在电压范围很宽的单电源下工作，也可以在正负电压下工作；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；具有低输入失调电压和失调电流。其特性非常适合用在该系统的电压转电流电路中，电路如图4 所示。

图4 电压电流转换电路

图中R6是负载电阻，Iout是输出电流，假定，R4＞＞R5，R4＞＞R6，即电阻R4对输出电流Iout的分流作用可以忽略，令R4/R3=R2/R1，得：

这是一种电路简单同时又有较高精度的电压(Vin)/电流(Iout)转换器。其输出电流Iout的范围为0～20 mA，且与负载大小无关。

3.2 光电转换电路

PN 结可以光电导效应工作，处于反相偏置的PN 结，在无光照时，具有高阻特性，反向电流很小[15]。当有光照时，电子向N 区运动，空穴向P 区运动，形成光电流，方向与反相电流一致。因为光电二极管对波长为λ的光波的敏感性为Sλ=Isc/Iλ，又因为放大电路Vout=-Isc×R，即Iλ与Vout成正比，从而可以通过测量Vout即可知道光电二极管接受的光强Iλ。由于单片机采集的电压范围为0～2.43 V，所以将光电转换电路的输出负压通过反相器转换为正压U0输入到ADC。电路如图5 所示。

图5 光电转换电路

3.3 空白稀释液参考值选定

该系统定义的空白稀释液参考值是指绿光入射空白稀释液，经光电转换后由AD 转换到的值(单位为mV)。由于该系统使用的ADC 本身存在一定的误差，在电压较低的情况下，转换的电压值误差会相对偏大。若Io过小，不仅会导致ADC 精度的浪费，而且在血样浓度很高时，会影响系统的精度和稳定性；又因为ADC 采样电压范围为0～2.43 V，为了防止超出采样范围，应留有一定的余量，所以该系统所选的参考值为2 000 mV。

4 系统软件设计

系统初始化后等待测量命令，当第一次测量命令来到时，系统检测空白稀释液是否到达参考值：若没有，则通过PI 调节至参考值；若到达参考值，则记录此时空白稀释液的电压值。等血样稀释完成后，等待检测血样命令，当检测血样命令到来时，系统采样血样电压值。将空白值和血样值进行存储，并由单片机计算出其浓度值，显示至数码管。系统总体流程图如图6 所示。

图6 系统总体流程图

4.1 数字PI控制器

PID 控制本质上是一个二阶线性控制器，通过整定比例(P)、积分(I)、微分(D)参数，提高控制系统的性能。在该系统中，要求系统调节精度高，所以采用PI 控制器[10]，计算公式为：

式中的比例(P)控制用来成比例地反映控制系统的偏差信号e(k)；积分(I)控制主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。这里通过PI算法结合DAC、被控对象（光源）以及放大电路和ADC 使基准值形成闭环调节。

4.2 PI控制子程序

由于发光管的老化，光接收管受损，或者放大倍数改变等都会使系统偏移参考值，从而影响HGB 浓度的计算。因此该系统引入PI 控制器[16]来消除这些因素的影响，使参考值稳定。

当空白稀释液时，系统检测ADC 转换电压是否与参考值相等，若不相等，则将输入偏差给PI 控制器进行调节直到达到参考值。如当放大倍数减小，系统相应增强发光管入射强度，从而使系统稳定。PI控制器流程图如图7 所示。

图7 PI控制流程图

5 测试结果与分析

电路制作完成后，分别将硬件的子电路进行测试。压控恒流源测试如下：输入电压在0～2.43 V 内取值，得到相应的输出电流值，以检验电路是否能够达到预期效果；待硬件电路测试完成后，将进行整个系统的性能测试。

5.1 空白稀释液稳定性测试

空白稀释液的稳定性是HGB 浓度测量的重要指标之一，其稳定性直接影响血样浓度结果的准确性。在空白稀释液电压值为2 000 mV 的情况下，连续测10 次空白值，得到如表1 所示的数据。

表1 空白稀释液稳定性测试

从表中可以得出，第二次空白值与空白参考值的最大误差为0.5%，满足系统设计的要求。

5.2 HGB浓度线性测试

表2 HGB浓度线性测试结果

所测浓度偏移拟合曲线的最大偏差为0.412 μL，非线性误差为2.42%FS。

5.3 HGB稳定性测试

由于浓度与lg(I0/I1)呈线性关系，所以lg(I0/I1)的稳定性即为HGB 浓度的稳定性。在加入血样浓度为13 μL 的情况下，连续测量10 次，记录每次所测血样的lg(I0/I1)，得到如图8 所示的曲线。

图8 稳定性测试结果

6 结论

该文论述了基于STM32 的HGB 测量系统的设计与实现，系统主要包括压控恒流源模块、光电转化模块，其中HGB 计算和自动调节环节都由单片机来完成。系统测试的结果表明，空白稀释液的最大误差为0.5%，血样浓度偏离平均值的程度小，浓度的非线性误差达到2.42%，满足实际应用的要求。该系统可移植到血液分析仪产品中，主控制器只需向其发送测量命令和读取结果命令便可完成对HGB浓度的测量，也可做成便携式HGB 浓度测量仪，应用前景广泛。