（系统分析与集成专业论文）新型半自动生化分析系统的研究与设计.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 生化分析仪主要用于对人体体液中的各种生化指标进行检测，根据生化指 标的差异，为医生确定病人病情提供科学依据。它的出现大大改变了原来由于 采用手工生化分析而导致的操作繁琐，操作者主观因素影响大，错误几率大的 状况。目前，我国生化分析仪的研制水平较低，全自动生化分析仪的开发才刚 剐起步，国内中、小型医院生化实验室采用的大部分仍是半自动生化分析仪。 因此开展半自动生化分析仪的研究，对提高我国生化分析仪器的研究和设计水 平具有一定的意义和价值。本文旨在介绍一种操作方便、功能完善、具有中文 用户界面的新型半自动生化分析仪。该生化分析仪用于体外诊断时使用，主要 用来对人体的血液和其他体液中的各种生化指标进行分析，通过光电法测定待 测液体浓度。 本文首先介绍了半自动生化分析仪的工作原理与测量方法，根据生化分析 仪的性能指标，对生化分析仪控制系统进行总体结构设计，对硬件和软件功能 做出明确和合理的分配。 以p i c l 6 f 7 7 4 单片机为核心，实现了生化分析仪的硬件系统。完成硬件平 台、接口模块、小信号放大和对数放大电路模块的开发设计，并使该硬件平台 具有一定的抗干扰能力。利用光电法进行信号检测，同时选用暗电流较小的硒 光电池s 1 1 3 3 作为光电检测元件，提高了生化分析仪的检测精度。 p i c m a t e 2 0 0 4 集成开发调试环境下使用p i c 汇编语言进行软件程序的编 制，完成生化分析仪控制系统的软件设计。按照系统功能要求，将软件分成若 干个功能相对独立的模块，包括串行通信模块、显示模块、键盘处理模块、a d 转换模块、数据处理模块等。各个模块部分的内容相互独立，便于程序编写和 调试。 本文最后阐述了误差的概念、来源、分类以及处理方法，并分别从吸液模 块，光路模块、温度控制模块、数据采集模块和整机p c b 的设计这几方面对仪 器的误差处理作了详细的论述。 在检测过程中生化分析仪要求试样处于恒温条件，温度控制方面的因素对 仪器的分析性能也有较大影响，本设计采用模糊控制算法，用集成温度传感器 a d 5 9 0 测温，p i c 单片机控制帕尔贴升温或者降温。该方法控制动态性能好、 _ 稳定性强 南京信息工程大学硕士学位论文 本设计顺应了医疗仪器国产化的发展趋势，随着仪器的开发完成与推向市 场，必将产生良好的社会效益与经济效益。 关键词：生化分析仪，模数转换，信号检测，硬件设计 h 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i a u t o m a t i cb i o c h e m i m ya n a l y z e ri sm a i n l yu s e di nt h ed e t e c t i o no f v a r i o u s b i o c h e m i c a li n d e x e so fb o d yf l u l d 1 1 硷d i f f e r e n c eo ft h ei n d e x e sb r i n g sm u c h s c i e n t i f i ci n f o r m a t i o nt h a tc a nh e l pd o c t o r sm a k ea j u d g ea b o u tt h es t a t eo fp a f i e n t s s i n c et h ei n t r o d u c t i o no ft h et r a d i t i o n a lm a n u a lb i o c h e m i c a la n a l y s i sm a yl e a dt o s o p h i s t i c a t e do t m r a d o n , t h eg r e a te f f e c tf r o mt h eo p e r a t o r s s u b j e c t i v ef a c t o r s , a n d t h es e r i o u se r r o r , t h ea p p e a r a n c eo ft h eb i o c h e m i c a la n a l y z e rc h a n g e st h i ss i t u a t i o n s i g n i f i c a n t l y p r e s e n t l y , t h ed e v e l o p m e n to f b i o c h e m i c a la n a l y z e ri nc h i n ai ss t i l la ta p 阳l i | n i n a r ys t a g e b i o c h e m i c a ll a b o r a t o r i e sm a i n l yu s ei m p o r t s t h e r e f o r e ，t h es t u d y o ns e m i a u t o m a t i cb i o c h e m i s t r ya n a l y z e rh a sag r e a ts i g n i f i c a n c eo fe n h a n c i n go u r l e v e li nr e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gb i o c h e m i s l r ya n a l y z e r t h i sp r o j e c ti sc o n c e i v e d t od e s i g nan e ws e m i a u t o m a t i cb i o c h e m i s 扛 ya n a l y z e r , w h i c hi se a s yt ob cu s e dw i t h i m p r o v e df u n c f i o m 1 1 1 eb i o c h e m i s t r ya n a l y z e ri sm a i n l yu s e df o re x o s o m a t i c d i a g n o s i st oa n a l y s e st h ev a r i o u sb i o c h e m i c a lg u i d el i n eo f b l o o da n do t h e rb o d y f l u i d s ，i tm e n s u r a t e sc o n c e n t r a t i o no fo b j e c t sb yp h o t o v o l t a j cm e t h o d m a i nr e s e a r c h c o n t e n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ep r i n c i p l e so fb i o c h e m i c a la 越l y z e ra n dt h e t e s t i n gm e t h o d s a n da c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so ft h eb i o c h e m i c a l a n a l y z e rt ob ea c h i e v e d ，t h ea r c h i t e c t u r e so fc o n t r o ls y s t e mo ft h eb i o c h e m i c a l a n a l y z e ri sd e s i g n e d , a n dac l e a ra n dr e a s o n a b l ed i s l r i b u t i o nf o rt h eh a r d w a r ea n d s o r w a r ef u n c t i o n si sm a d e 啊】eh a r d w a r es y s t e mo fb i o c h e m i c a la n a l y z e rw i t ht h ep i c l 6 f 7 7 4a st h ec o 坤 i sr e a l i z e d s i g n a ld e t e c t i o nw a sa c h i e v e db yu s i n gp h o t o v o l t a i cm e t h o d ，a n dt h es i p h o t e d i o d cs l1 3 3w i t hl o wd a r kc u r r e n tw a su s e da st h ed e t e c t i n gc o m p o n e n t , w h i c hi m p r o v e dt h ed e t e c t i o na c c u r a c yo f t h eb i o c h e m i c a la n a l y z e i nt h ed eo f p i c m a 卫2 0 0 4 ，t h es o r w a md e s i g no f t h eb i o c h e m i c a la n a l y z e r h a sb e e nf i n i s h e db a s e do np i ca s s e m b l el a n g u a g e a c c o r d i n gt ot h e s y s t e m f u n c t i o n a ld e m a n 0 , t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，k e y b o a r d m o d u l e ，a d c o n v e r s i o n m o d u l ea n dd a t a p r o c e s s i n gm o d u l e 瓣d e s i g n e d 南京信息工程大学硕士学位论文 i nt h ee n d , t h i sd i s s e r t a t i o ne x p o u n d st h ec o n c e p t i o n , s o u r c e , c l a s s i f i c a t i o na n d t h em e t h o do ft h ee r r o rd i s p o s a l ，f u r t h e r m o r e ，t h ee i t o rd i s p o s a li si l l u m i n a t e di nt h e a s p e c t so fs u c t i o nm o d u l e ，t i g h tm o d u l e ，t e m p e r a m r ec o n t r o lm o d _ i l l e ，d a mg a t h e r i n g a n dp c b d e s i g n i nt h ec o u i s eo ft e s t i n g ，s p e c i m e ns h o u l ds t a ya tt h ec o n s t a n tt e m p e c o n d i t i o n s ，a n dt e m p e r a t u r ec o n t r o lh a sag r e a t e ri m p a c to nt h ep e r f o r m a n c e so f f i l e b i o c h e m i c a la n a l y z e r t h ed e s i g nc o n t r o la l g o r i t h ma d o p t sf u z z yt h e o r y , u s k n g i n t e g r a t e dt e m p e r a t u r e5 e r 塔o p 5 ，a n du s i n gt h ep e l l i e rt o c o n t r o lt h et c m p e r a u n - e 也m u g ht h es i g n a lo fp l cm i c r o p r o c e s s o r b yt h i sm e a n s ) t h es y s t e ma c h i e v e da g o o dd y n a i l l i cp e r f o r m a n c ea n d w e l ls t a b i l i t y t h ed e s i g nc o n f o r m s t ot h et r e n d so f m e d i c a le q m p m e n td o m e s t i c a l l y , a n dw i t h t h ec o m p l e t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ea n a l y z e ra n db e i n gm a r k e t , i ti sb o u n dt o h a v eg o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：c l i n i ca l l a l y z e r , a dc o n v e r t e r , s i g n a ld e t e c t i n g , h a r d w a r ed e s i g n 学位论文独刨性声明 本人郑重声明： 1 ，垒持以。求实、创新的辩学精神从事研究工作 2 ，本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果 3 ，本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果 5 ，其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意 作耆签名：丝盏 l e t 期：z ! 挈：互：必 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留，使用学位论文的摄定，学校 有权保留学位论文并向田家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利日的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容缩入有关致据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后适甩本规定 作者签名；主丝趁 日 期：纽2 ；! 王p 1 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阋；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者签名： 日期： 霾链壑导师签名： 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究背景和意义 临床化学实验操作中的吸样，吸试剂、混合、去干扰物、保温、检测、结果计算和报告 的仪器操作被称为临床化学的自动化分析，其仪器称为自动生化分析仪。自动生化分析仪 常用于生化、免疫、微生物、血液、体液等的临床检验，它减少了手工操作步骤可能产生 的误差，提高了准确性和精密度，加快了分析速度并提高了经济效益。自动生化分析仪是 各种现代科学，特别是电子学、光学、计算机技术和各种生物化学分析技术进步及临床医 学对临床化学检验需求的质和量不断增长的结果。生化分析仪自2 0 世纪5 0 年代末面世以 来，发展十分迅速。它可用于药品、水质，食品和临床分析等领域。在临床分析方面，生 化分析仪主要用来对人体的血液和其他体液中的各种生化指标如血红蛋白、胆固醇、转氨 酶，葡萄糖、淀粉酶、尿素氮、自蛋白、无机磷、尿酸、钙等进行分析。由于生化分析仪 可以给医生提供受检者的综合性信息，近些年来，生化分析仪成为临床分析最重要的检验 仪器之一f 1 1 在2 l 世纪。临床实验室将迅速发展，临床检验技术将迅速达到敏感、准确、快速，安 全的水平，检验仪器的自动化，检验方法的标准化和实验室管理的科学化进程越来越快。 随着临床检验仪器向着机械化，自动化，精密化和简单化的方向发展，一些高灵敏度，多 功能，高智能化的检测仪器不断涌现并被广泛应用。自动生化分析仪的开发它完全模仿并 代替了手工操作，不仅提高了工作效率，而且减少了主观误差，稳定了检验质量。由于这 类仪器一般都具有灵敏、准确、快速，节省和标准化等优点，使得生化分析仪在临床生化 分析中得到了广泛应用，因此对生化分析仪的研究具有重要的意义和价值吲。 生化分析仪是医院临床分析不可或缺的一种检验仪器。而目前由于开发经验的滞后和 国内加工业整体水平的落后。全自动生化分析仪的技术仍被日本，美国、意大利一些医疗 仪器厂商把持。图内生产厂商一般生产工艺要求相对简单的半自动生化分析仪中、小型 社区医院对半自动生化分析仪和国产小型全自动生化分析仪需求量逐年提高，这就给国内 医疗仪器生产商提供了商机 新型半自动生化分析仪测量过程中需要手动添加样品，这不利于提高测量的一致性和 测量速度因此不适合大医院大规模的病患样品测量。但对于小型医疗机构、社区医院来 南京信息工程大学硕士学位论文 说，它们没有大量的病人，无需大量高速的测量，同时，手动添加样品又可以有效的节省 试剂，节省病息的化验费用由于仪器的体积小、操作方便，适用于作急诊生化检测时使 用。因此新型半自动生化分析仪正迎合了它们的需求。 1 2 生化分析仪的发展历程 世界上第一台自动生化分析仪是美国泰克尼康公司于1 9 7 5 年根据s k e g g s 教授的设计 方案制造的，称为a u t o a n a l y z e r 。此后，该类仪器发展十分迅速，出现了单通道、双通道、 多通道仪器( 单通道为一次测一个项目，多通道为一次测多个项目) 。并且成为上世纪5 0 年代到7 0 年代末世界市场上销售量最大的仪器。 1 9 6 5 年又诞生了分立式自动生化分析仪，它是一种开敞式的仪器，其工作原理与手工 操作相似，样品在彼此分立的反应杯中进行化学反应。8 0 年代初，美国泰克尼康公司为克 服样品之间和试剂之间交叉污染，发明任选式测定方式的仪器，把自动生化分析仪的水平 提高到了一个新的高度。随后，相继又有很多任选式的仪器推出，可替代多通道的功能， 而且多种项目可以任选，傲到化验项目的个体化。 7 0 年代，和干化学试剂相配套的反射光分析仪的发展，开辟了自动生化分析仪的另一 分支，提高了准确性、精密度、高效率、低功耗。在参与实验室管理方面更好的满足了不 同层次的要求。 近几十年来，随着科学技术特别是医学科学的发展，各种自动生化分析仪器和试剂均 得到了很大发展，它们采用的尖端技术、可测的反应类型和相应的项目增加。与之相对应 的是，样品量减少；试剂消耗量减少；硬件部分减少；人工参与减少。因而自动生化分析 仪在实验室和临床检验中均获得了广泛的应用。 1 3 生化分析仪的种类及国内外现状 从不同的角度来分类，生化分析仪的种类较多 如按照结构形式来分，可分为连续式、离心式、分立式和干片式四种。按自动化程度 来分，生化分析仪可以分为全自动和半自动两种。按仪器同时测定的项目分，可分为单通 道和多通道两种单通道型的生化分析仪，每次进样只能测定一个项目，多通道的一次进 样可以同时测量多个项目。按仪器复杂程度来分，可以分为大型、中型和小型三种。 半自动生化分析仪是指在分析过程中的部分操作( 如加样、保温、吸入比色、结果记 2 南京信息工程大学硕士学位论文 录等某一步骤) 需手工完成，而其余步骤则可由仪器自动完成。这类仪器的特点是体积小、 结构简单、灵活性大，既可分开单独使用，又可与其他起配合使用，价格便宜，一般在 分立式分析仪中常见。 全自动生化分析仪，从加样至出结果的全过程完全由仪器自动完成。操作者只需把样 品放在分析仪的特定位置上，选用程序开动仪器即可等取检验报告。由于分析中没有手工 步骤，故主观误差很少，且由于这类仪器一般都具有自动报告异常情况，自动校正自身工 作状态的功能，因此系统误差也较小，给使用者带来很大的便利。 同全自动生化分析仪相比，半自动生化分析仪在操作过程中虽然依赖手工混合试剂和 样品，但测量过程完全是由仪器完成的，同样可以保证测量的准确性。同时由于其价格低 廉，灵活方便，运行费用低，特别适合中小型医院病房、急诊化验，防疫站、计划生育服 务站等门诊化验。同时这类仪器一般不受试剂、方法的限制。国产试剂，自己配置的试剂 及自行设计的方法均可在仪器上进行检测，而且由于仪器的体积小，操作方便、反应迅速， 尤其适合中，小型检验单位作为日常生化检测的主要仪器，也适用于作急诊生化检测时使 用f “。 目前国内外诊断技术趋于两极化发展。一种是高度集成、自动化的仪器诊断，向大型， 多通道、全自动方向发展，以适应大中医院工作量大、速度快、精度高、测定项目多的要 求；另一种是简单、快速便于普及的快速诊断，向小型、单通道、分立式、可编程自动化 的方向发展，以适应中小医院的工作需要。而后一种诊断方法更符合我们国家目前社会发 展的需要。目前，我国生化分析仪生产水平较低，仅限于半自动和刚刚起步的小型全自动 生化分析仪的生产，难以满足临床检验的需求。国内大中医院均耗巨资购买进口全自动生 化分析仪，因价格昂贵，难以在一般中小医院普及。本课题定位于上述生化分析仪的第二 种发展方向，研究的就是一种价格相对低廉，灵活方便的半自动生化分析仪。旨在开发操 作方便，功能强的小型半自动生化分析仪在提高国产仪器的竞争力，适应广大中小型医 疗部门的临床需要方面，具有重要的意义和实用价值1 3 j 。 1 4 本文研究的主要工作 本文从系统设计、硬件设计和软件设计三个方面对生化分析仪进行了分析研究，并对 系统设计中的几个关键性问题进行了论述。本文研究的主要工作如下： 阐述生化分析原理及定量方法，讨论生化分析仪的温度控制方案，根据生化分析仪性 能指标要求，对生化分析仪控制系统的总体结构进行设计，对硬件和软件功能做出明确和 南京信息工程大学硕士学位论文 合理舸分配。 医学检验仪器多属于精密仪器，为了改善低浓度试剂信号的信噪比，提高信号采集的 准确性，采用高精度运放a d 8 2 2 芯片设计了小信号多级放大电路，同时利用光电法进行信 号检测，选用暗电流较小的硒光电池$ 1 1 3 3 作为光电检测元件，提高了生化分析仪的分析 精度。 以p i c l 6 f 7 7 4 为核心，实现生化分析仪的硬件系统，并使该硬件系统具有一定的抗干 扰能力完成电源电路、复位电路及晶振电路等核心电路的设计，然后从键盘电路、l c d 显示电路、串行接口电路、实时时钟和e 2 p r o m 电路等外围电路分析了生化分析仪的硬件 电路结构，最后对信号检测电路、对数运算电路、温度控制单元电路和电压转换电路进行 了较为详细的论述。 p i c m a t e 2 0 0 4 集成开发调试环境下使用p i c 汇编语言进行软件程序的编制，完成生 化分析仪控制系统的软件设计设计中采用模块化程序设计方法，根据系统的功能，将软 件分成若干个功能相对独立的模块，包括串行通信模块、显示模块、键盘处理模块、温度 控制模块、数据处理模块等。对各个程序模块分别进行设计、编程和调试，最后把各个调 试好的程序模块连成一个完整的程序。 阐述了误差的概念、来源、分类以及处理方法，并分别夙吸液模块、光路模块、温度 控制模块、数据采集模块和整机p c b 的设计这几方面对仪器的误差处理作了详细的论述。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章新型半自动生化分析仪的原理 2 1 生化分析方法 紫外及可见分光光度法是根据物质分子对紫外及可见光谱区光辐射的吸收特征和吸收 程度对物质进行定性和定量分析的一种吸收光谱法。临床检验中的生化分析仪就是根据这 种方法对人体血清中各种成分定量进行分析的，是医疗机构进行临床诊断所必需的仪器之 一，它主要用于测定人体体液中的各种生化指标，如血塘、血脂、无机离子、血清酶、肝 功、蛋白质及非氮类化合物等常规生化指标州 最早生化分析是通过分光光度计实现的，在三个同样的比色杯中放入等量的试剂，再 分别加入等量的水、标准样品和被测样品，把三个比色杯加热一段时间，使样品和试剂发 生显色反应，最后测量它们的吸光度，在这三个吸光度值的基础上。由比尔定律计算被测 样品的浓度。比尔定律的数学表达式为： 厂，、 a = l o g i 尘i = 茸b e ( 2 - 0 l 一 式( 2 1 ) 中a 为吸光度，i o 为入射辐射强度，k 为透过辐射强度，b 为吸收层厚度( 锄) 。c 为吸收物的摩尔浓度( m ) ，8 为摩尔吸光系数( l t o o l _ c l n 1 ) 此定律广泛应用于紫外可见一红外光谱区吸收测量，半自动生化分析仪中各项生化 指标的检验也依据于此定律。 欲使比尔定律成立，需满足以下条件： ( 1 ) 入射辐射为单色辐射； ( 2 ) 吸收过程中各物质无相互作用，但各物质的吸光度具有加和性； ( 3 ) 辐射与物质的作用仅限于吸收过程，没有荧光、散射和光化学现象； ( 4 ) 吸收物是一种均匀分布连续体系。 如不满足上述任意一点，吸光度与浓度( 或吸收层厚度) 的线性关系将受影响，从而 影响分析结果的准确度。其中条件( 1 ) 由生化分析仪的光学系统保证；条件( 2 ) 、( 3 ) 由所选用 的生化试剂特性来保证；条件( 4 ) 由加样前操作员来保证 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 显色反应 z z l 显色反应的定义 利用比尔定律测液体的浓度，若待测物质本身有较深的颜色，直接测定；待测物质是 无色或很浅的颜色，需要选适当的试剂与被测离子反应生成有色化合物再进行测定，此反 应称为显色反应，所用的试剂称为显色剂( c o l o rr e a g e n t ) 。 按显色反应的类型来分，主要有氧化还原反应和络合反应两大类，而络合反应是最主 要的。 在分析血液中不同物质的含量时，需要有不同的显色反应，就要使用不同的生化试剂。 z2 2 显色反应的选择 在与待测物质相关的众多显色反应中，应找到最适合应用于临床检验的一种，在选择 采用哪种显色反应时，应着重考虑以下几点： ( 1 ) 选择性好。干扰少，或干扰容易消除。 ( 2 ) 灵敏度高，生化检验中一般要求样品的量越少越好，一般样品量和试剂量的比例 达到i ：1 0 0 左右，因此要选择摩尔吸光系数大的显色反应。通常有色物质的摩尔吸光系数 应大于1 0 4 。 ( 3 ) 有色化合物的组成恒定，符合一定的化学式，并有足够的化学性质稳定。至少保 证在测量过程中溶液的吸光度基本恒定。这就要求有色化合物不容易受夕 界环境条件的影 响，这样才能保证测量的重现性好，误差小 ( 4 ) 有色化合物与显色剂之间的颜色差别要大，即显色剂对光的吸收与络合物的吸收 有明显区别，要求两者的吸收峰波长之差九( 称为对比度) 大于6 0 n t o 。此时，显色剂在 测定波长处无明显吸收，检验时试剂空白值比较小，显色反应颜色变化明显。 满足了上述条件。在仪器波长精度、带宽、吸光度测试稳定度和精度等指标一定的条 件下，有助于提高检验的分辨率和准确度。 乞乞3 酒量波长的选择 为了使测定结果有较高的灵敏度，应选择被测物质的最大吸收波长的光作为入射光， 6 南京信息工程大学硕士学位论文 这称为“最大吸收原则”( m a x i m u ma b s o r p t i o n ) 选用这种波长的光进行分析，不仅灵敏 度高，而且能减少或消除由非单色光引起的对朗伯一比尔定律的偏离 但是，在最大吸收波长处有其他吸光物质干扰测定时，则应重新选择入射光波长例 如，用丁= 酮肠光度法测钢中镍时，络合物丁二酮肠镍的最大吸收波长为4 7 0 h m ，但试样 中的铁。用酒石酸钠掩蔽后，在4 7 0 h m 处也有一定吸收，干扰镍的测定。为避免铁的干扰， 可以选择波长5 2 0n m 进行测定，虽然测镍的灵敏度有所降低，但酒石酸铁不干扰镍的测 定。 生化检验项目中的各种生化试剂，都有自己特定的工作波长范围，只有在相应的波长 范屡内进行吸光光度法测试，才能得到正确结果。 2 3 生化分析中的一般定量方法 乞& l 生化分析的一般过程 利用比尔定律检测人体血液中某种物质含量时，一般要进行如下几步操作过程： ( 1 ) 血清分离。通过离心机，把血清从全血中分离开来，以消除血细胞对生化检验的 影响。 ( 2 ) 加入试剂。检验不同的物质，需要有不同的显色反应，即用不同的试剂盒。按照 试剂盒说明书的要求，结合生化分析仪的实际情况，把合理比例的待测血清样品和试剂混 合在一起，搅拌均匀。在许多试莉盒中，存在两种试剂，在加入显色剂前，要加入掩蔽和、 氧化剂或还原剂，以消除干扰物质的影响。 ( 3 ) 恒温反应。试剂和样品的反应情况，受反应温度的影响很大，所以，为了得到一 个重现性比较好的反应结果，要求反应过程中，试剂和样品应处于一个恒温环境。现在， 大多数试剂盒的反应温度在3 7 c ，少数在2 5 ，3 0 ( 2 ，要求其它温度的比较少见。 ( 4 ) 吸光度检验。每种试剂盒都有其特定的分析方法：吸光度法、终点法、动力学法、 双波长法等。不同的分析方法对吸光度检验的要求也不同，吸光度法，终点法只关心显色 反应结束时反应液的吸光度，动力学法要求对反应过程中的吸光度都要检测。 ( 5 ) 计算结果在得到吸光度数值后，可根据试剂盒说明书上给定的计算方法计算结 果 7 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3 2 吸光度法 由比尔定律，如果被测样品的吸收层厚度b 已知，即比色池的光程已知，被测样品的 摩尔吸光系数c 也可以通过有关手册或文献查到，在测得被测样品的吸光度a 后，通过比 尔定律便可求出被测样品的浓度，即： c = 彳0 6 ) ( 2 - 2 ) 这种方法称为吸光度法，又叫绝对法。 2 3 3 终点比色法 利用终点法进行定量分析时要分别对空白、标准、待测样品三个试样进行测量，得到 三个吸光度值，分别为：如自、a 标准、一待捌样晶，然后按照下式计算得到待测样品浓度。 c 待嗣样品= c 标准“荷测样品一j 4 空白) 舭标撞一a 空白) ( 2 - 3 ) 其中爿空自：1 1 毫升蒸馏水加入到m 毫升试剂中，在恒温环境中反应确定的时间后，反 应液的吸光度。 一标准：n 毫升标准液加入到1 1 1 毫升试剂中，在恒温环境中反应确定的时间后，反应液 的吸光度。 一静嗣样品：n 毫升待测样品液加入到m 毫升试剂中，在僵温环境中反应确定的时间后， 反应液的吸光度。 c 标准：试剂盒中标准液的给定浓度。 n m 的数值由试剂盒给定，或者根据试剂盒按比例确定。反应温度和反应时间也由试 剂盒给定。 不难看出，终点分析法试剂盒中，血清中待测物质的含量和反应液的最终吸光度成正 比，而与反应过程无关。它属于分析化学中的标准对照法。在应用时应注意试剂空白的测 量，一般当掺比溶液选择蒸馏水时，如果采用上式进行计算，要先计算试剂空白的吸光度， 然后再从标准和待测样品反应液吸光度中扣除。也可以直接采用试剂空白作为掺比溶液， 检测吸光度，即可认定一空自为0 。 s 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3 4 动力学法 动力学分析法是以测量反应物浓度与反应速率之间的关系为定量基础的，它一般可用 分光光度计、荧光分光光度计、化学发光仪作为检测手段。与传统的热力学方法不同。动 力学法是在反应达到平衡态前就开始测定，因而扩大了可利用的化学反应范围，克服了经 典分光光度法的弱点，使分光光度法有了新的发展。在分析化学中，动力学法是一种重要 的定量分析方法：在临床检验中。动力学法是研究人体中各种酶的重要手段。 临床检验中，酶的测定通常包括两种类型：一种是以酶为分析对象的分析，这就是通 常所说的酶活力测定法：另一种是以酶为分析工具或分析试剂的分析。一般可称为酶分析 法前者的目的在于测定样品中某种酶的含量或活性；后者则主要用酶作试荆测定样品中 酶以外的其它物质的含量。二者检测的对象虽有所不同，但原理和方法都是以酶能唯一而 高效地催化某化学反应为基础，通过对酶反应速度的测定或对生成物等浓度的测定而检测 相应物质的含量。 2 3 5 双波长暖光光度分析法 使两束不同波长的单色光以一定的时间间隔交替地照射同一吸收池，测量并记录两者 吸光度的差值a a 。a 与吸光物质浓度成正比，这是双波长法定量的理论依据。 与单波长法不同，双波长法在同一样品、同一吸收池条件下分别检验两个不同波长单 色光下的吸光度，得到吸光度差。它有如下优点： ( 1 ) 排除来自样晶内部的干扰 当被测样品存在吸收干扰物或散射干扰物时，由于两个波长吸光度的测量值来自于同 一比色池，相减后。可以基本消除干扰，区分出待测物的浓度，它改善了单波长吸收测量 的选择性、灵敏度和准确度，在一定程度上也改善了测量的精密度。 ( 2 ) 降低吸收池误差 在单波长法中，为了提高测量的准确度，要求样品池和空白掺比池的透光性质完全一 样，否则会产生误差。但在双波长法中，由于两柬光沿着相同的光程通过同一吸收池，因 而吸收池的透光性引起的误差可以忽略。 正是因为双波长法有着单波长法无可比拟的优点，在许多临床生化检验试剂盒中，都 同时给出了单波长法和双波长法两种检验参考波长1 4 j 9 南京信息工程大学硕士学位论文 2 4 生化分析仪的总体结构设计 本文设计的是一种典型且性能比较好的半自动生化分析仪，能应用于动力学法、两点 法及终点法的检测。它有一个微量流动比色池，因此每次检测所需反应液很少。温度控制 器采用的是帕尔帖，它能够直接控制比色池中液体的温度，在控制过程中，需要由温度传 感器反馈当前的温度。出于精度的要求，传感器采用高灵敏度的a d 5 9 0 ，它是一种接触式 的单片集成两端式感温电流源，非线性误差4 - 0 3 以内。 该半自动生化分析仪以p i c l 6 f 7 7 4 作为主控芯片，由吸，洗液电路模块、滤光轮转动模 块、多级放大电路模块、温度检测与控制模块以及微型打印机、l c d 液晶显示模块和薄膜 键盘等外围输入输出设各组成。测量结果不仅可以以字符的形式显示在l c d 液晶屏上，美 观、方便，便于直接读取数据，也可以通过微型打印机将测量数据打印出来，便于进一步 分析与研究。薄膜键盘的使用可实现翻页查询、数据录入等功能由于p i c l 6 f 7 7 4 单片机 的i 0 端口资源有限，l c d 液晶显示模块和微型打印机接口均以串行方式与p i c l 6 f 7 7 4 单 片机交换数据，有效地解决了接口问题。l c d 液晶显示模块的应用也为整个系统的低功耗 设计提供了保障。 2 tl 生化分析仪主机控制框圈 生化分析仪的主机是用来实现检测与控制的核心，它包括人机交互、信号检测，数据 传送、控制输出等内容。其具体实现的功能如下： ( 1 ) 进行上电自检、初始化各种参数； ( 2 ) 进行l c d 液晶显示； ( 3 ) 进行湿度控制，保证测试过程恒温； ( 4 ) 进行系统参数设置和时间调整的键盘输入和参数存储： ( 5 ) 利用光电法检测信号并进行信号处理，检测出待测物浓度； ( 6 ) 对检测到的数据进行保存，可供历史数据查询。 生化分析仪的主体控制框图如图2 - i 所示： 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 - i 生化分析仪的主体框图 p i c 系列单片机采甩精简指令集( r i s c ) 、哈佛总线( h a r v a r d ) 结构、二级流水线取 指令方式，具有实用、低价、指令集小，低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易学等 特点。因此，本文生化分析仪的主控芯片采用美国m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 公司生产的 p i c l 6 f 7 7 4 ，f i c l 6 f 7 7 4 属于p i c 中档系列单片机的一种，采用1 4 位的r i s c 指令系统，该 c p u 在片内集成了众多功能强大的外围接口，如p w m 接口、z c 和s p i 接口、异步串行 通信( u s a r t ) 接口、模拟电压比较器、l c d 驱动、f l a s h 程序存储器等许多功能，是一款 功能非常强大的微控制嚣。 通讯接口采用串口通讯方式，串口通讯控制器采用芯片m a x 2 3 2 ，这样就可以实现生 化分析仪与微型打印机的连接，实现分析结果的打印输出。键盘输入部分主要是进行生化 分析过程中的一些参数设置。l c d 液晶显示用来做人机交互界面，显示实时的分析结果和 时间等数据采用p c f $ 5 6 3 时钟芯片作为系统时钟。可以记录每次检测的时间，比较试剂 是否过期等。生化仪器在检测过程中，一般要求试剂处于某恒定的温度下进行检测，因 此常常要求对温度进行控制。温度检测部分采用美国模拟器件公司的高精度传感器 a d f l 9 0 。它是一种接触式的单片集成两端式感温电流源，具有标准化的输出( i 拉a k ) ，固 定的线往关系，因而易于使用，不需要电桥，不需要低电平测量设备和线性化电路。因为 它输出的是电流，易于远距离传输且不会因为电压降或者感应噪声电压产生误差又因为 n 南京信息工程大学硕士学位论文 它是一个高阻抗的电流源，对激励电压的变化也是不敏感的。所以本文采用了a d 5 9 0 作为 温度传感器。温度控制属单片机的p w m 方式来实现对帕尔帖元件的温度控制。p i c 首先 通过测量电路测定一次试剂现在的温度，将其值与系统所要设置的温度作比较，通过模糊 控制算法调整p w m 的占空比从而控制帕尔帖的加热或降温时间t 达到对温度进行控制 的目的 z 毛2 系统主要性能指标 光源：卤钨灯3 0 w 1 2 v 输入： 1 6 按键的薄摸键盘 输出：1 6 3 0 个字符液晶显示 2 4 点阵打印机 准确度；仪器检测已知含量的正常和异常质控物。其检测结果的偏差应。 电源要求：a c 2 1 0 v 2 3 0 v , 5 0 6 0 h z , 0 5 a 测量杯：配套测定杯( 比色杯为一次性使用，反复多次使用会导致结果不准。) 2 t3 几个关键性技术的实现 生化分析仪属于医学检验仪器的一种，是用于疾病诊断、疾病研究和药物分析的现代 化实验室仪器，医学检验仪器具体说是用来测量某些物质的存在、组成、结构及特性的， 并给出定性或定量的分析结果，所以要求精度非常高。在生化分析中，信号采集的准确性、 温度控制方面等因素决定整个仪器的分析精度。信号误差主要由以下三个方面产生：第一， 传感器本身的零点；第二，由于电源波动造成的入射光源本身的不稳定；第三，由于一次 反应杯差异本身造成的误差。有些误差是我们在设计时应予以重视。并可以尽量减少的。 在生化分析仪的设计过程中，需要解决好以下的几个向题以减少误差，提高仪器的性能， 这也是论文的关键内容。 ( 1 ) 温度控制电路 温度控制用单片机的p w m 方式来实现对加热元件的温度控制。由集成温度传感器 a d s 9 0 将当前温度值反馈给单片机，然后把设定的温度值与实际读取到的温度值进行比 较，通过模糊控制算法调整p w m 的占空比，从而控制帕尔帖的加热时间，达到对温度进 行控制的目的。 ( 2 ) 数据采集和数据处理 南京信息工程大学硕士学位论文 在得到采样数据后，一般还要对采样数据进行预处理，使采样数据更加接近真实值a 本设计在2 m s 时间内等间隔采集1 0 个数据，将这1 0 个数据分别送入a d 转换的某个模拟 通道进行转换得到所对应的数字量，去掉其中的最大值和最小值，对其余8 个数求平均值， 该值即为一次采集数据的a d 转换结果。然后根据不同的生化反应特性，用特定的方法求 取反应吸光度的，通过分析吸光度变化情况进行生化分析，求取待测物的浓度。 2 5 生化分析仪的温控方案设计 乞5 1 温度控髓方案设计 从生化实验的结果可以看出，试剂基础温度对测定结果影响很大，该生化分析仪采用 的是手工加样，但并不是样品与试剂的简单混合，它要求试剂必须具有与反应系统一致的 基础温度，即必须经过试剂前预温。所以在仪器设计时，必须采用温度控制，使试剂在一 恒定的温度下进行检测。一般的温控系统就是一个大迟延大滞后系统，其典型的传递函数 是一个一阶惯性环节如式( 2 - 4 ) 所示，式中f 称为纯滞后时间。 矿 g 6 ) = 一p 毋( 2 - 4 ) 、 四+ l 纯滞后往往给系统带来很多缺点，如降低系统的反馈性能并引起系统不稳定为了达 到对温度这种纯滞后系统的精确控制，多年来人们一直在不断的研究各种控制方法，以期 达到最小稳态误差、最好动态过程，即最小的超调量和最短的稳定时间。目前对温度的控 制方法主要有以下几种： 最简单的就是开关控制方法，如热水器的温度控制，这种方法理论简单实现容易，它 能使系统以最快速度向平街点靠近，但是在实际应用中却容易造成系统在平衡点附近振荡， 且控制精度最差。 p i d 控制方法由于具有算法简单、稳定性好和可靠性高等特点，因而在实际控制系统 设计中得到了广泛的应用但是p i d 控制存在参数整定的难题。 经典控制理论和现代控制理论都是建立在被控对象精确模型基础上的控制理论，然而， 实际上许多被控对象的精确数学模型很难建立，虽然自适应自校正控制理论可以对缺少 数学模型的被控对象进行在线辨识，但是这种推理算法复杂，实时性差，使用范围受到一 定限制。 近年来，人们发展了能表达和处理有关被控对象的一些不确定性信息，利用人的经验 南京信息工程大学硕士学位论文 知识，技巧和直觉推理的智能控制方法。如模糊控制、神经网络控制及模糊神经网络控制 等。这些智能控制的优点是不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于有较大滞后 特性的被控对象。以模糊数学为基础的模糊控制动态性能好、稳定性强，特别