一种简易半自动生化分析仪的设计.doc

一种简易半自动生化分析仪的设计李传林 ，舒邦久(中国地质大学（武汉）机械与电子信息工程学院，湖北武汉 430074)摘要：生化分析仪是当今各医院、血站等医疗机构使用的重要仪器之一，人体器官各种功能如肝功能、肾功能、心肌功能等临床指标都需要这种仪器来提供诊断参数。本文从生化分析仪的工作原理入手，介绍了一种简易半自动生化分析仪的设计。关键词：生化分析仪；吸光度；朗伯-比尔定律A simple design of semi-automatic biochemical analyzerLi Chuan-lin Shu Bang-jiu( College of Mechanical and Electronic Information Engineering,China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China)Abstract: Biochemical analyzer is currently available in hospitals, blood banks and other major equipment used in medical institutions, one of the various functions of human organs such as liver function, kidney function, cardiac function and other clinical indicators are in need of such equipment to provide diagnostic parameters. In this paper, the working principle of biochemical analyzer start, introduced a simple semi-automatic biochemical analyzer design.Key words: biochemical analyzer; absorbance; Lambert - Beer law0 绪论临床检验医学中要对人体血液或其他体液中的生化指标进行检测，在得到的数据中分析各项指标的异常，从而对各器官功能做出评价，帮助诊断疾病并进行治疗。例如，对肝功能的诊断需要检测白蛋白、总蛋白、转氨酶、胆红素等参数；对肾功能的诊断需要检测尿素氮、尿酸、肌酐；诊断血糖的高低需要检测血清中葡萄糖的浓度；另外还有血脂，心肌功能，胰腺功能等等。生化分析仪就是一种对这些生化参数做出检测的仪器。目前市场上的生化分析仪主要可分为两大类：半自动生化分析仪和全自动生化分析仪。全自动生化分析仪1把分析过程中的取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、结果计算和显示以及清洗等步骤全部由机器来完成，而半自动生化仪的取样，加试剂，混匀，清洗步骤则需要手工操作。本文主要介绍的是一款简单低成本半自动生化分析仪的设计。1. 1生化分析仪的工作原理生化分析仪是一种光学分析仪器。它基于不同分子结构的物质对光的选择性吸收的原理，通过对样品溶液的吸光度进行分析，利用朗伯-比尔定律来求出溶液中吸光物质的浓度。样本溶液 反射光强Ib 入射光强Io 透射光强I 吸收光强Ia 图2-1 光分析示意图如图2-1所示，一束强度为Io的单色平行光照射到均匀、非散射的溶液时，被溶液吸收的光强为Ia，比色皿反射光强为Ib，透射光强为I。在相同的比色皿中进行吸光度分析时，可以忽略其反射光强的影响，因此我们可以简单地认为Io=Ia+I，因此该溶液中此单色平行光的透过率T=I/Io。朗伯-比尔定律2的表达式A=-logT=-log(I/Io )=log(Io/I)= bc，其中A为吸光度，T为光的透过率，为常数，我们称为摩尔吸收光系数或消光系数，b是溶液中的光程长度，c是吸光物质的浓度。从该表达式中，我们可以看出：吸光度是光强透过率的负对数，在相同的比色皿中，光程强度一定，溶液中某物质的吸光度与其浓度成正比。生化分析仪正是利用这一原理，将透射光强I转化为电信号，通过放大，AD采集，计算出吸光度，从而得出被测物质的浓度。2. 设计方案密封光路 流动式比色池 光电池 微型计算机 MCU LCD显示 微型打印机 键盘 实时时钟 光路选择 吸样电机 数据采集 信号放大 恒温控制 单色平行光 透射光 电信号 样本溶液 液路 光源 图3-1 半自动生化仪设计方案图下面简单介绍下半自动生化仪的工作步骤。首先开机将仪器的反应装置加热并保持在恒定温度（一般在摄氏37度），打开光源并选择特定波长的单色光。第二步将被测样本（血清）与检测试剂按所需比列混合后，通过液路将溶液吸入比色池内。第三步测试该溶液的吸光度，根据朗伯-比尔定律计算出溶液中被测物质的浓度。最后显示测试的结果并打印出检测报告。从上面的工作步骤中我们可将半自动生化仪分为三大部分，光路部分、液路部分和电路部分，其各部分的组成关系如图3-1所示。半自动生化仪硬件设计光路部分设计从朗伯-比尔定律中，我们知道半自动生化仪主要是通过测试溶液的吸光度来计算物质的浓度。因为光源是同一个，即可认为入射光强是固定的，所以我们只要检测出透射光强即可。通过硅光电池，我们将透射光转化为电信号，再进行AD采样数据，计算吸光度。光源采用6V12W卤钨灯，其发光强度大，便于检测。通过滤光片后选出特定的波长，形成单色平行光。通过滤光片选出七个波长的单色光（分别是340nm，405nm，505nm，546nm，578nm，630nm，670 nm），就可以满足大部分的生化测试。卤钨灯采用开关稳压器LM2576提供稳定的6V电压，其特点是输出电流大，可简单地由其ON-OFF脚的逻辑电平来控制其是否工作。液路部分采用蠕动式泵管来吸取溶液和排出反应后的废液，其原理是由步进电机来控制泵管蠕动的步数，从而来达到所需要的吸液量。1.1 电路部分设计4.2.1 微处理器的选用测试的控制与数据分析处理器用的是Atmega128单片机，这是一款高性能，低功耗的微处理器。其主要特点有：丰富的指令集，且大多数可以在一个时钟周期内完成，数据处理速度快；128K 字节的系统内可编程Flash及4K字节的EEPROM，4K 字节的内部SRAM，存储空间大；53个可编程I/O 口线，64引脚TQFP封装，接口资源丰富使得扩展外部设备更加方便；自带8路10 位ADC。图4-1 恒温控制电路 4.2.2 恒温控制电路一些生化测试受温度的影响较大，比如酶类，在一定范围内，温度越高，其反应越剧烈，测试的结果就会越高。为了保证临床测试结果的准确性和重复性，反应装置（比色池）必须在恒温状态。恒温控制电路如图4-1所示，温度半导体元件采用帕尔贴，其原理是改变通过电流的方向来达到制热或制冷的状态。我们用四个MOS管构成的桥式电路来控制其电流的方向，由于帕尔贴工作电流较大，控制信号必须进行光耦隔离。4.2.3 光信号检测电路要检测吸光度，首先我们必需把光信号转化成电信号，然后再进行数据采样。光电转换器我们用的是硅光电池SPS0606，其适用工作于300nm到1000nm光谱范围内的各种光学仪器，暗电流A。模数转换器件选用德州仪器的产品ADS1110，这是一款16位带有片内基准电压的模数转换器，封装为小型SOT23-6，使用可兼容的I2C串行接口传输数据。ADS1110 可每秒采样15 、30、 60 或240 次以进行转换。在单周期转换方式中ADS1110 在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少了电流消耗。光信号检测电路如图4-2所示，光在转化成电流信号后被放大，再经过ADS1110将模数转换后传送至单片机进行数据分析(对数运算等)。图4-2 光信号检测电路4.2.4 其他外部设备电路外部设备包括键盘、显示、打印机、实时时钟等电路的设计。系统只用简单的四个按键来实行仪器的操作，设计就采用独立的按键方式，逐个扫描来判断按键的状态。显示器件使用LCD12864，驱动芯片T6963。打印机采用北京荣达的RD-M系列的热敏式微型打印机，有效打印宽度48mm，驱动程序简单，便于使用。实时时钟使用DS1302，串行数据传输。节省I/O资源。3. 总结本文是在朗伯-比尔定律的基础上，从原理上介绍了生化分析仪是如何设计出来的。软件部分文章中未作具体介绍，但在整个系统的设计中也是非常重要的一环。友好的人机操作界面，会使仪器更容易受