（物理电子学专业论文）便携式多通道肿瘤细胞调亡参数检测系统研究.pdf

摘要 i s f e t 是基于m o s 结构，用于生化参数测量的传感器。论文研制的多参数 生化检测系统采用具有不同的敏感区域的i s f e t 传感器，达到多参数测量的目 的。多参数生化检测系统具有灵敏度高、稳定性好、所需样品少、检测时间短、 测量范围宽等优点。 本文阐述了生化检测系统的基本原理和便携式仪表的一般设计原则，并介 绍了一个用于针对肿瘤细胞凋亡参数检测的多参数生化检测系统。本系统以 a t 8 9 c 5 2 或t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 为核心来控制采样，换算，显示，存储和按键操作， 包括传感器，多路选择电路，前级电路，a d 转换，控制器，电源，通讯控制 电路，p c 机监控软件，数据库，打印机，显示器，键盘等部分。结构紧凑，具 有良好的可扩展性。测量过程实现了计算机监控，并能够将全部实验数据以图 形方式显示和自动保存在数据库中，并随时导出至e x c e l 电子表格。 便携式无标记肿瘤细胞凋亡参数检测微系统样机，已在山西长治医学院附 属和平医院( 三甲医院) 和中山大学基础医学院完成临床试用工作，得到微传 感器及系统方法与现有医学检测方法( 病理组织学和流式细胞仪) 的临床对比 结果基本相符。本论文以肿瘤消退及评价疗效为研究对象，研究了生化检测系 统的原理和设计方法，为8 6 3 项目“肿瘤细胞凋亡参数检测微系统实用化研究” 建立了一个实用的、可扩充的测试系统，对判定肿瘤消退及评价疗效具有积极 意义。 关键词：i s f e t 、生化检测、便携仪表 r e s e a r c ho i lp o c k e tm u l t i c h a n n e l a p o p t o s i sd e t e c t i n gs y s t e m g o n gx i a n g p e n g ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o x i as h a n h o n g i s f e ti sb a s e do nm o s f e ts t r u c t u r ea n du s e dt om e a s u r eb i o c h e m i c a l p a r a m e t e r t h em u l t i p a r a m e t e rb i o c h e m i c a lm e a s u r es y s t e mu s e si s f e t sw h i c h h a v ed i f f e r e n ts e n s i t i v ea r e at or e a l i z em u l t i p a r a m e t e rd e t e c t i o n i th a sh i 【曲 s e n s i t i v i t ya n dh i 曲s t a b i l i t y t h es y s t e mc a r ld e t e c tb i o c h e m i c a lp a r a m e t e rt h r o u l 曲 l i t t l es a m p l er a p i d l y t l l i sp a r l e l d e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo f b i o c h e m i c a lm e a s u r es y s t e ma n dt h er u l e s o f d e s i 印i n gd o c k e ti n s t r u m e n t am u l t i p a r a m e t e rb i o c h e m i c a lm e a s u r es y s t e mu s e d t od e t e c tt n f - r e l a t e da p o p t o s i s i n d u c e dl i g a n d ( t r a i l li si n t r o d u c e d t h es y s t e m c o n s i s t s8s e n s o r s ，ad s po rm c u ，ac i r c u i tf o rs e l e c t i o na n dt r a n s f o r m ，aa d c o n v e r t o r , ap o w e rs u p p l ym o d u l e ，am o n i t o rs o f t ：w a r eo np c ，ap r i n t e r , ad i s p l a ya n d ak e v b o a r d t h ew h o l ep r o c e s so fm e a s u r ei sm o n i t o r e db yp c a l lt h ee x p e r i m e n t d a t ac a nb ed i s p l a y e db yg r a p h i c sa n ds a v e di nd a t a b a s e am u l t i - p a r a m e t e rb i o c h e m i c a lm e a s u r es y s t e mw ed e v d o p e dt od e t e c t t n f r e l a t e da p o p t o s i s - i n d u e e dl i g a n d ( t r a i l ) h a sb e e nu s e di na f f i l i m e dh o s p i t a l o fc h a n g z h im e d i c a lc o l l e g ea n db a s a lm e d i c a lc o l l e g eo fs u ny a t s e nu n i v e r s i t y p r a c t i c a l l y t h ed e t e c tr e s u l tw a sa e c o r dw i t hp r e s e n td e t e c tm e t h o d w eh a v e c o m p l e t e dt h e “8 6 3 ”p r o j e c t “t h er e s e a r c h f o rp r a c t i c a lu s eo ft n f - r e l a t e d a p o p t o s i s i n d u c e dl i g a n dm e a s u r es y s t e m ”a n dd e v e l o p e daam u l t i p a r a m e t e r b i o c h e m i c a lm e a s u r es y s t e mt h a tc o u l db eu s e dp r a c t i c a l l y t h es y s t e mi sv e r y 。 一 p r o m i s i n g 。 k e y w o r d s ：i s f e t , b i o c h e m i c a ld e t e c f i o n ，p o c k e ti n s t r u m e n t i i y l 、 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究 工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院电子学 研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对 此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名1 时洳迅签字日期：加年仁月册 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的规定，其 中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；电 子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存学位论文；电子所可允许 学位论文被查阅或借阅；电子所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论 文；电子所可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守 此规定) 。 学位论文作者签名：1 r 旨p 鸣 导师签名 聪 2 签字日期：扣年牛月r g 日 签字日期产。嶂q 月f 3 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位：中冶赛迪工程技术股份有限公司 电话：( 0 2 3 ) 6 3 8 5 0 4 3l 通讯地址：重庆市渝中区双钢路1 号 邮编：4 0 0 0 1 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 生物传感器 传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器 件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器 中能直接感受被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件输出量转换 为适于传输和测量的电信号部分。 生物传感器是利用各种生物或生化物质做成的、用以检测与识别生物体内 的化学成分的传感器。生物物质是指酶、微生物、抗体等。对生物传感器来说， 它的敏感元件指的是生物敏感膜。生物传感器的转换元件与其它传感器类似， 采用的是电化学器件、热敏器件、光敏器件、声敏器件等可以产生电信号的元 件。生物传感器的基本原理如图1 1 所示。本文研究的是以场效应型f e t 电化 学器件作为转换元件的电位型便携式多参数生化检测系统【2 】。 被测 物质 生 物理化学变化 电化学器件测量 卜 物 卜 热敏器件 电信号 或控 j 敏 光敏器件 、 制装 矿感 产生热、光、声p 声敏器件 v 置 膜 图1 - 1 生物传感器的基本原理 1 2 生化检测系统的发展现状 人类文明的进步与人类医疗技术的进步息息相关。二十世纪初，由于相关 基础学科和相关技术的发展，带来了生化检测系统的飞速发展。生化检测系统 以高新技术为基础，以高准确性、精密度、灵活性和高效率为特点，在现代临 床实验室中承担大部分的常规工作，成为实验室必备的检验仪器。生化检测系 统按自动化程度可分为全自动和半自动；按复杂程度可分为大、中、小型；按 性能和应用范围可分为通用型和专门型。 便携式多参数生化检测系统的研制 上世纪8 0 年代，全自动化临床实验技术在日本出现，采用标本传送系统和 自动化控制技术，检验人员只需将标本放放传送带，分析仪器便可根据设计好 的程序工作，检验人员不再接触标本，自动取样、自动报告，减少了使用人员 的感染疾病的机率，节省了劳动力。如a e r o s e t 型每年可完成1 5 0 万次检验，检 验5 9 个项目，每个小时可完成2 0 0 0 次检测。 9 0 年代初，我国开始从日本和德国进口生化分析系统。9 0 年代中期，开始 出现国产生化检测仪，当时国内自行研制的品种绝大多数属于半自动。2 0 0 0 年 后开始出现国内合资企业开发的中、低档全自动生化检测系统。 目前，我国医院购置的生化分析仪多为进1 2 产品，如日立公司、奥林巴斯 光学工业株式会社、拜耳公司、杜邦公司。由于装备全自动检验系统所需费用 较高，限制了在中小医院和经济欠发达地区的发展。目前我国装备全自动临床 检验系统的医院还不多。 各种中小型的检验仪器使原本繁琐的采集标本一送检一检验一报告的过程 变得简单，如血糖仪、血氧仪、血气分析仪等，有着操作简单、无创或微创的 特点。将多项检测项目集中于一个台式仪器中，为急诊检测带来方便，如 a v l o m n i 型多参数分析仪，可为临床提供血气、电解质、血氧、血红蛋白、 生化测量、能存储5 万份检测结果。小型化、即时检测的仪器不仅用于急救、 重症监护、手术中、还可广泛用于社区或家庭医疗。 小型便携、轻便、快捷、价格低廉是临床实验仪器发展的方向，在生产线、 野外、病床前，环境监测、生物医学、农业科技、军事分析以及工业流程监控 等领域迫切需要小型化、轻量化分析仪器。轻巧、牢固的便携式生化检测系统， 不但社会、经济、军事效益重大，而且市场前景广阔口4 j 。 1 3 论文研究的背景和意义 本论文是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “肿瘤细胞凋亡参数检测微 系统实用化研究”的一部分。“肿瘤细胞凋亡参数检测微系统实用化研究”是针 2 第一章绪论 对肿瘤细胞凋亡参数检测，基于m e m s 技术与生物医学免疫原理，研制出便携 式无标记肿瘤细胞凋亡参数检测微传感器及系统样机。其主要研究内容包括生 化微传感器的m e m s 优化制造；生物大分子在m e m s 尺度上的生物敏感膜制 备：生化微传感器特殊封装；微弱信号检测及便携式微系统等方面研究。 目前随着人民生活水平的提高，对医疗保健的需求也越来越高，医疗保健 正逐渐社区化、家庭化。然而目前的情况是，一方面，大多生化参数的测量仍 然需要在大型医院内进行，需要大型的生化分析仪器以及专业的操作人员，测 试过程复杂，成本高，不便于社区医疗保健、家庭和个人使用。另一方面，虽 然已经有一些便携式产品问世并进入市场，但大都是针对单一生化参数的检测， 如血糖仪、乳酸仪等，多参数生化检测仪仍然为数不多。 本论文针对这种情况，研制了一种可用于检测多种生化参数的手持式多通 道生化检测微系统。该微系统与传统的大型生化分析仪相比，具有无需进行标 记、需要的样品量少、检测快速、操作简单、体积小、成本低等优点。与单一 功能的系列化参数检测仪相比，则功能更全面、性价比更高。 j 、 本论文以肿瘤消退及评价疗效为研究对象，研究了生化检测系统的原理和 设计方法，建立了一套实用的多参数生化检测微系统。 1 4 本文所研究的内容 本论文是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划)“肿瘤细胞凋亡参数检测 微系统实用化研究”的一部分，主要是针对其中微弱信号检测及便携式微系统 等方面的研究。 要解决的主要技术问题包括： 智能仪表数据采集与处理分析技术研究： 人机对话病理分析界面的设计与研究； 便携式多参数生化检测系统的研制 小型测试系统整机实用化设计与研究。 本论文实现了具有多参数测量功能小型生化检测系统，研制出4 台微传感 器系统样机，样机主要技术指标达到设计的要求，并已在山西长治医学院附属 和平医院( 三甲医院) 和中山大学基础医学院完成临床试用工作，得到微传感 器及系统方法与现有医学检测方法( 病理组织学和流式细胞仪) 的临床对比结 果基本相符。 4 第二章 多参数生化检测系统的基本原理和设计原则 第二章多参数生化检测系统的基本原理和设计原则 2 1 离子敏感场效应管原理撅述 离子敏感场效应管( i s f e t ) 是一种7 0 年代发明并迅速发展的微型半导体 化学传感器。利用绝缘层或在上面涂覆一层对离子有选择作用的敏感膜代替 m o s f e t 金属铝栅，让敏感膜直接与溶液接触，从而调制i s f e t 的漏源电流的 变化，利用这个特性就能检测溶液中离子的活度。图2 1 显示了i s f e t 的基本 结构。 图2 - 1i s f e t 的基本结构 由以下n e m s t 方程可以得到离子敏感膜的膜电位为： = 厶等蜘。 ( 1 ) 式中，t 为温度，r 为气体常数，f 为法拉第常数，a i 为响应离子的活度， z i 为响应离子的电荷数。在饱和区 工作时漏源电流表达式为： = 眩一巧) 2 ( 2 ) 其中为常数，v g s = e m + v g 。 由( 1 ) ( 2 ) 可以看出，如果保持漏源电流i d 。恒定，则参比电极上的控制 电位v g 与a i 的对数呈线性关系引。按照原理设计出的前级电路如图2 - 2 。 便携式多参数生化检测系统的研制 l m b i m 图2 - 2 前级电路示意图 该前级电路采用反馈补偿的模式，其优点有：反馈补偿电路工作在i s f e t 的饱和区，饱和区的工作范围比非饱和区的工作范围宽的多，这就大大方便了 电路的制作和调试，而且i s f e t 工作在在饱和区时和v d s 无关，提高了前级电 路的精确度。 2 2 场效应型免疫传感器检测原理 场效应型f e t ( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 生物传感器是利用生物功能性膜与绝缘 栅的离子敏场效应管( i s f e t ) 相结合构成的。场效应f e t 基本上是一种测量带电 的装置，任何在外层绝缘体表面的界面电荷的增加将引起f e t 反向层同等的电 改变，若f e t 的溶液一膜界面极化得很理想，电荷不能跨过界面，f e t 便可测定 界面吸附的带电物质。由于蛋白质分子通常带负电荷，一只极化的f e t 能在溶 液一绝缘层界面进行非特异性吸附，如果将某种抗体或抗原固定到f e t 的表面便 能对相应的抗原或抗体产生特异性结合，这种f e t 称为免疫f e t 。i s f e t 敏感 膜电位改变和待测溶液中的离子活度遵循n e r n s t 原理，场效应型免疫传感器是 利用抗体和抗原免疫反应的特异性结合构成的，具有高度专一性。抗体被固定 在敏感栅表面，固定化抗体识别待测液中与它相对应的抗原形成稳定的复合体， 抗原抗体的结合产生的荷电状态，会引起膜电位的变化，利用这种现象可以构 成免疫场效应型传感器。i s f e t 从最初的离子检测已经发展到了可以对蛋白质 6 第二章多参数生化检测系统的基本原理和设计原则 等大分子进行免疫分析。 t r a i l ( t n f r e l a t e da p o p t o s i s i n d u c e dl i g a n d ) 中瘤坏死因子相关凋亡诱导 配体，属i i 型跨导蛋白质，针对其生物学的最大特点选择性细胞毒作用，即仅 诱导肿瘤细胞凋亡而不引起正常的细胞凋亡，开展国内尚无人建立的t r a i l 受 体微传感器检测系统的研究，为进一步使用t r a i l 治疗肿瘤提供基础材料，对 判定肿瘤消退及评价疗效具有积极意义。将t r a i l 受体的抗体固定在场效应传 感器敏感栅上，形成生物敏感膜，能特异性识别被测细胞上的t r a i l 受体。 t r a i l 受体与其抗体结合后可引起膜电位的变化，利用这种现象可以实现免疫 f e t 传感器对t r a i l 受体的检测9 - 1 0 1 。 图2 - 3i s f e t 带电吸附的测量电子模型 测量带电粒子是否吸附的前提是电荷不能跨过界面，此时f e t 犹如一只完 整的电容，界面电容量可以用双电层理论解释【9 】，在双电层中g o u y c h a p m a n 区电容为c o ，h e l m h o l t z 区的电容为c h ，总电容量c d l 为： 百2 百+ 巧 ( 3 ) c mc gc h 、。 具有理想极化的c h e m f e t 电路可认为是c g 和c h 以及c 。的系列结合( 见 图2 3 ) 。c 。是绝缘体的电容量，左边是外部溶液，c h 的右边是绝缘体，v g 是 参比电极，提供给溶液和半导体之间的电压。当带电物质吸附发生时，电容双 边电荷发生变化并建立新的电荷平衡。电容c 。的电荷变化量q i 与f e t 转化层 习 苷 便携式多参数生化检测系统的研制 电荷有关，由被吸附的带电分子转化的电量记为q a d 。，在c 。的电荷变化q i 可表 示为： q i 2 q a d s c d ( c o + c d i ) 】 ( 4 ) 在吸附发生时，由于系统必须保持电中性，要有等量的反电荷进入f e t 的 转化层，在f e t 反相层反映的电荷定义为b ，即 b 。c o ( c 。+ c d l ) ( 5 ) 或 b = q i q a d s ( 6 ) 在一个典型的c h e m f e t 中，c 。o 0 3 u f c m 2 ，当电解质浓度为0 1 m o l l 时，c o 一1 0 0uf c m 2 ，大约o 3 的吸附电量能在f e t 转化层被反映出来。1 3 估 计值约在1 0 4 数量级，已知c h e m f e t 的漏电流是溶液一膜界面电势差( 中。l _ m 。) 的函数，而且一个导体的电势正比于其自身的电量，反比于其电容量，即 中”i m e n = q i c 0 2bq a d 8 c o ( 7 ) 如果界面的抗原( a g ) 抗体( a b ) 结合为复合物a b a g ， a a g - - a b a g ( 8 ) 平衡常数 k 爿a h a g 】【a b 【a g 】 ( 9 ) 设【s 】为表面固定化抗体未结合以前的浓度，即抗体总浓度， s _ 【a n g 】+ 【a b ( 1 0 、 在反应达到平衡时， a b 】。 s 】【a 划 ( 1 1 ) a b 】_ 【a h a g 】 a d ( 1 2 ) 第二章多参数生化检测系统的基本原理和设计原则 合并式( 1 1 ) 和( 1 2 ) ，解出【a b a j ， 【a b a d = k a g 【s ( 1 + a d ) ( 1 3 、 当发生免疫结合反应时，吸附的电量为q a d s q a d s = z f a b m ( 1 4 ) 即 q a d s = z fk a g 【s ( 1 + a d ) ( 1 5 ) 在界面由于结合而发生的总电量改变q i 为 q i = 1 3q a d s = 1 3z fk a g s 】，( 1 + n ) ( 1 6 ) z 和f 有其通常含义，由式( 7 ) 和式( 1 6 ) 得到【l l - 1 4 咄m “2 q - c 。2bq c 。bz fk n s c “1 + n ) ( 1 7 ) 2 3 便携式生化检测系统的设计原则 在生物医学研究过程中，经常需要对生物体所携带的各种信息参数进行检 测和综合分析。由于生物信息的特殊性，在检测时需要使用各种传感器将特定 的信息从生物体中各种复杂的信号中提取出来，例如心电信号、血液参数信号 等。目前，随着家庭监护方式的推广，针对生物医学信息检测的便携式检测仪 器的设计越来越受到重视。由于被检测的生物信息大多属于微弱信号，淹没在 生物体的各类复杂信号中，如何利用便携式仪器有效地提取、检测这类信息， 并做到性能与体积兼顾，是非常值得研究的。在设计这类检测仪器时应着重考 虑以下六方面：信号的提取和处理、控制器件的选择、低功耗、抗干扰、微小 型化和人机对话界面。 便携式多参数生化检测系统的研制 2 3 1 被测信号的提取和处理 在许多情况下，生物信息无法直接检测，而是需要用特定的传感器将被测 信息转换为检测仪器可以识别的电压或电流信号。由于生物体的复杂性，被测 的信息常淹没在大量的相互迭加的干扰信号中，造成信号提取、甄别上的困难。 为了克服这些困难，必须选用优质的传感器和设计合适的后处理电路和软件。 在选用传感器时，要求传感器： ( 1 ) 具有较高的灵敏度系数 ( x ) = d y d x ) 年f 1 分辨率，能响应微弱信号的微小 变化； ( 2 ) 在检测范围内，具有好的线性度，输入信号与输出信号间能保持基本不 变的比例关系： ( 3 ) 具有较高的信嗓比，使其对噪声具有相当的抑制能力，以利于信号的提 取； ( 4 ) 具有较高的可靠性。 这样，才能确保被测信号在转换过程中的失真尽量小，以利于信号携带的 信息更完整地被传送到检测仪器中。由于通过传感器提取出的被测信号多为模 拟信号，且多为微伏微安级，在设计后处理电路时，首先要考虑的是放大电 路的设计，由于信号强度弱，需对其进行高倍放大，放大倍数有时高达上万倍， 放大电路特性( 如温漂、失调、共模抑制比等) 的差异会对放大结果产生非常大的 影响，根据放大电路方程： 一址+ ( 1 + r i r ，) 扛一l p ( r ，- r ) 一扣i ( 即胄) = 吣v ( 1 8 ) 其中r i - = 凡r 以+ r f ) 可知( 1 8 ) 式中v 。为输入失调电压，i 。为输入失调电流，i 。为输入偏置电流， 第二章多参数生化检测系统的基本原理和设计原则 r 为补偿电阻，r 。为传感器源电阻，r f 为反馈电阻) ，应选择v 。、i 。，i 。值低的 运算放大器：对于高倍放大应用，应设计成多级放大方式，因为放大器的反馈 电阻不能过大，大电阻本身的热噪声会对被测信号产生不良影响，同时还可能 引起放大电路自激。其次是滤波电路的设计，由于被测信号一般有其固定的频 率范围，或即使是直流信号，为了增强抗干扰性常将直流被测信号加载在一定 频率的载波信号上，为将被测信号从干扰频率和载波频率中提取出来，需要使 用滤波电路。在设计滤波电路时，需根据被测信号的实际情况决定滤波方法， 由于滤波电路的频率特性与q 值有很大关系，q 值不同，其幅频特性和相频特 性会有明显的差别，选取合适的q 值，可有接近理想的滤波特性。 当被测信号通过放大和滤波后，送入a d 转换器转换为数字信号，进行 采样，送入单片机，通过特定的软件对其进行处理以得到需要的结果。例如： 当被测信号是周期性重复信号时，可编写多次同步迭加法软件予以检测，对被 测信号的m 次扫描进行等间隔采样，将每一位置的采样值迭加m 次后，信噪比 与迭加前相比，提高了m “2 1 倍，当m 足够大时，就能将微弱信号从噪声中 提取出来。由此可见，合适的信号处理程序对信号的甄别是非常重要的【l 5 1 。 2 3 2 选择合适的单片机 对于便携式检测仪器，由于其体积的限制，一般采用单片机( m c u ) 进行控 制和数据处理，因为单片机与微机比较，有很大的体积优势；加之便携式检测 仪器的功能一般比较单一，所需处理的数据量不大，非常合适选用单片机。在 选单片机时，要综合考虑以下因素： ( 1 ) 单片机的接口性能：由于在仪器工作时，单片机要同时完成驱动显示器 件、控制软硬件工作及数据输入输出等多项工作，需使用若干接口来完成这 些工作。需完成的工作越多，占用的接口越多。在选择单片机前，先要仔细分 析检测仪器的工作程序和方式，计算所需接口的数目，在兼顾单片机体积与功 便携式多参数生化检测系统的研制 能的前提下，选择合适的单片机型：例如：m i c r o c h i p 公司生产的p i c l 6 c t x 系 列单片机非常适用于对体积要求比较严格而对检测精度没有过高要求的便携式 检测仪器，它内带8 位a d 转换器，可以节省很多设计空间； ( 2 ) 单片机的存储空间：其存储空间是否足够存放控制和处理程序以及在检 测过程中需要处理的数据。 ( 3 ) 单片机的可扩展性：如果单片机自身存储空间不足，它是否允许外接扩 展存储器，可扩展的最大存储空间是否满足使用需要； ( 4 ) 单片机的精度：它的精度是否满足检测仪器所要求的精度； ( 5 ) 单片机的功耗：由于便携式仪器一般使用电池供电，为了延长供电周期， 减少耗电量，需选择具有低功耗模式( 睡眠方式) 的小功耗单片机 1 6 - 1 7 】。 2 3 3 低功耗设计 便携式生物医学信息检测仪器主要用于家庭病房或病人日常监护，一般用 电池作为供电电源，由于电池的储能量有限，如何利用有限的电能保证仪器正 常工作，是仪器设计时必须解决的问题。在设计时，要尽量降低仪器的功耗， 以满足电池供电要求。设计低功耗仪器，应从软件、硬件两方面着手。 设计硬件时应遵循： ( 1 ) 选用低功耗器件：首先应选用低功耗传感器，随着传感器技术的发展， 传感器的转换效率提高很快，同时传感器的微型化和集成化成为主流趋势，并 且与半导体技术、光电技术和生物技术的结合日趋紧密，越来越多的低功耗新 型传感器面市，为仪器设计者提供了多种选择机会；其次应选用微功耗模拟电 路或数字电路器件以及微功耗的单片机产品。目前m a x i m 公司的产品是最佳 选择，因为该公司专功微功耗器件的开发，新产品也不断问世，可供选择的品 种非常多，缺点就是价格偏高。 第二章多参数生化检测系统的基本原理和设计原则 ( 2 ) 选用满电源幅度输出的放大器件：在检测仪器的工作电路中，器件的供 电电压一般有3 v 和5 v 两种，采用5 v 供电方式时耗电量高于3 v 供电方式。 一般的运算放大器的最大输出电压无法达到电源电压，即使采用5 v 供电，输出 最大也只能达到4 v 左右；而采用满电源幅度输出放大器，可以在较低电压供电 的情况下，得到尽量大的输出信号，既减少了耗电量又提高了效率。这是设计 低功耗仪器时应该注意的。 ( 3 ) 选用高效率的升压转换器：由于电池的标定电压一般是1 5 v 或1 2 v ， 而检测仪器多采用5 v 或3 v 方式供电，这就需要使用d c 一d c 升压转换器将电 池提供的电压升高至3 v 或5 v 。转换效率是选择d c _ 一d c 转换器时最重要的参 考依据，越高的转化效率意味着在完成等量工作的前提下所消耗的电源能量越 少，仪器系统的功耗也就越小。 ( 4 ) 选用合适的电池：电池的种类非常多，有碳锌电池、碱性电池、锂离子 电池、镍一氢充电电池等，其中锂离子电池的容量晟大，是碱性电池的6 1 0 倍，在其寿命的9 0 范围内具有稳定的加载电压特性，但是价格偏高；碳锌电 池的价格便宜但容量小，加载电压不稳定；碱性电池容量较碳锌电池高5 0 1 0 0 ，价格适中，具有较好的价格性能比，镍镉充电电池的能量容量与碳锌电 池相近，但由于可重复使用，也有其优势。在设计仪器时，需根据仪器的工作 特性选用合适的电池。一般，选用碱性电池作为供电电源的仪器比较多。设计 仪器的控制处理软件时，应尽量使单片机工作在低功耗状态，如果单片机处于 等待的工作状态时，应使单片机进入睡眠方式，有外来信号需处理时再用中断 方式将其“唤醒”，这样可以有效降低单片机的功耗【1 8 】。 2 3 4 抗干扰设计 便携式检测仪器所受干扰主要来自两方面：来自外界的空间辐射干扰和来 自自身信号通道干扰。空间辐射干扰来自于自然界，如雷电、辐射等，还有来 自外界大功率的工作设备，干扰的频率范围很宽，从几k h z 至甚高频域都存在。 便携式多参数生化检测系统的研制 空间辐射干扰以电磁感应的方式通过仪器的壳体、导线、敏感探头等形成接收 回路，对仪器产生干扰。便携式检测仪器自身信号通道干扰主要包括共模干扰、 静电耦合干扰、传导耦合干扰等，此外仪器使用的传感器由于自身的材料、结 构也会产生一些噪声干扰，例如半导体传感器的热噪声等。 为了减少干扰对检测结果的影响，在设计时使用下列方法： ( 1 ) 屏蔽：由于使携式仪器多采用塑料外壳，对空间辐射干扰的屏蔽作用弱。 可以通过真空溅射方法，在塑料壳的内表面镀一层均匀致密的金属膜作为屏蔽 层，也可以直接在电路板外包裹一层金属箔作为屏蔽层，屏蔽部分空间辐射干 扰；金属屏蔽层对频率高于1 0 0 0 h z 的噪声较有效；另外，因生物医学信息多属 微弱信号，抗干扰能力弱，在传输这类信号时，在信号线外应加接地屏蔽线， 可以有效地防止干扰信号耦合在传输线上。 ( 2 ) 使用载波：当被检测信号为直流信号时，电路器件和传感器的直流漂移 信号会迭加在被测信号上，造成干扰，这类干扰在电路设计上难以克服。在这 种情况下，常将被测直流信号加载在高频载波信号上进行传输和处理后再转换 为直流信号输出，以去除漂移信号的干扰。 ( 3 ) 硬件滤波：包括信号滤波和电源滤波。使用信号滤波电路是为了将给定 频率范围的被测信号从其他频率的干扰信号中滤除出来，消减干扰信号对被检 测信号的影响；电源滤波是在集成运放的供电端加去耦电容，防止非检测信号 经过电源及供电线路反馈到输入端引起干扰和共振。 ( 4 ) 数字滤波：经硬件处理后的被测信号，并不能完全除去迭加在其上的干 扰，信号数据送入单片机内存后，可以通过软件进行数字滤波，进一步去除干 扰。数字滤波方法很多，常用的有中值滤波、算术平均滤波、移动加权平均滤 波以及一阶滞后滤波等方法。可以根据仪器的设计要求选用相应的方法 1 9 - 2 2 】。 第二章多参数生化检测系统的基本原理和设计原则 2 3 5 微小型化设计 设计便携式检测仪器，除了要考虑以上四个方面，仪器的体积限制也是需 要重视的问题。由于需要将仪器必需的功能器件限制在有限的空间里，在设计 时： ( 1 ) 要选择那些具有多个功能的器件，这样可减少器件数量。例如可选用 带a d 转换器的单片机： ( 2 ) 要选择集成度高的器件，例如m a x i m 公司设计的滤波器件将四级 滤波器集成在一个器件上，既保证了滤波效果又大大节省了空间； ( 3 ) 选定了功能器件后，要尽量使用s o 规格封装的器件，这种封装有利 于节约电路板的布线空间； ( 4 ) 设计电路板时可考虑多层板的设计方法，以使器件尽量紧密地排列在 线路板上 2 3 。2 4 。 2 3 6 人机对话界面 界面是软件与用户交互的最直接的接口，界面的好坏决定用户对软件的第 一印象。设计良好的界面能够引导用户自己完成相应的操作，起到向导的作用， 并且具有吸引用户的直接优势。设计合理的界面时必须注意以下规则： ( 1 ) 易用性 菜单、窗口中的控件名称的描述应该简单易懂用词准确，摒弃模棱两可 的字眼。 ( 2 ) 菜单设置的细则 菜单通常采用“常用主要工具帮助”的位置排列，符合流行 的w i n d o w s 风格。下拉菜单要根据菜单选项的含义进行分组，并且按照一定的规 则进行排列，用横线隔开。对与进行的操作无关的菜单要用屏蔽的方式加以处 便携式多参数生化检测系统的研制 理，尽量采用动态加载方式 ( 3 ) 功能模块窗口的设置细则 完成相同或相近功能的按钮用f r a m e 框起来，常用按钮要支持快捷方式。 界面上首先应输入的和重要信息的控件在t a b j t 顷序中应当靠前，位置也应放在窗 口上较醒目的位置。 ( 4 ) 默认按钮要支持e n t e r 即选操作，即按e n t e r 后自动执行默认按钮对应操 作。 ( 5 ) 重要的命令按钮与使用较频繁的按钮要放在界面上注目的位置。错误使 用容易引起界面退出或关闭的按钮不应该放在易点位置。与正在进行的操作无 关的按钮应该加以屏蔽( w i n d o w s q i 用灰色显示，没法使用该按钮) 。 ( 6 ) 对可能造成数据无法恢复的操作必须提供确认信息，给用户放弃选择的机 会。 针对生物医学信息的便携式检测仪器的设计是一项比较复杂的工作，涉及 许多方面的问题，在设计时要综合考虑各方面的要求，并进行一些折中处理， 使仪器和系统兼顾上述五方面的利益，最终能够符合临床使用的要求。 6 第三章生化检测系统的设计和实现 第三章生化检测系统的设计和实现 在生物医学研究过程中，经常需要对生物体所携带的各种信息参数进行检 测和综合分析。由于生物信息的特殊性，在检测时需要使用各种传感器将特定 的信息从生物体中各种复杂的信号中提取出来，例如心电信号、血液参数信号 等。目前，随着家庭监护方式的推广，针对生物医学信息检测的便携式检测仪 器的设计越来越受到重视。由于被检测的生物信息大多属于微弱信号，淹没在 生物体的各类复杂信号中，如何利用便携式仪器有效地提取、检测这类信息， 并做到性能与体积兼顾，是非常值得研究的。在设计这类检测仪器时应着重考 虑以下六个方面：信号的提取和处理、控制器件( 单片机) 的选择、低功耗、抗干 扰、微小型化和人机对话界面。 本论文根据循序渐进的原则，首先开发出单参数生化检测仪，进而在其基 础上开发出带有打印和数据分析管理功能的多参数生化检测系统。此外还进一 步研究了具有图形显示功能的新型仪表。 论文的进展情况表明，这种由易到难的开发顺序是可行有效的，不仅保证 了整个论文研究工作的进度和节点，也为今后进一步的研究工作打下了基础。 在最初设计单参数生化检测仪时，为保证系统具有良好的可扩展性，采用 了以单片机为核心的仪表结构，包括传感器，前级电路，a d 转换器，单片机， 存储器，电源转换和显示器等七个部分。整个仪表操作简便，可以方便地检测 待测样品，为添加新的功能打下了基础。 在单参数生化检测仪的基础上，扩展了多路选择电路，打印机，通讯电路， 键盘和p c 机数据分析管理程序后，形成了实用的多参数生化检测系统。这套多 参数生化检测系统与单参数仪表相比，功能更加完善，外形更加美观。经临床 试用表明，其设计达到了要求。 便扔式多参数生化检测系统的研制 在此后的进一步研究中，多参数生化检测系统更换显示器，并把单片机换 为速度更快的d s p 处理器，开发出具有图形显示功能的新型仪表。 以下各节将详细的介绍各种仪表和系统的组成部分。 3 1 单参数生化检测仪的设计和实现 单参数多参数生化检测仪的原理如图3 1 所示，前级电路将待测离子活度 的对数值转化为电压信号。再经a d 转换器将电压信号转换成数字信号由单片 机进行计算和显示【2 6 】。 3 1 1 前级电路 图3 1 便携式多参数生化检测仪原理图 由公式( 1 8 ) 可知，放大电路应选择v o ；、i 。，i 。值低的运算放大器，本仪表 采用o p 2 7 a 高精度仪表放大器。 州 图3 2 前级电路 如图3 - 2 所示，v s = 0 v 不变，因而i d s 保持不变，运放1 的输出等于v g 第三章生化检测系统的设计和实现 二二以 运放2 的正相输入为2 。，由于运放两输入端间的电压近似为零，即v b = 2 。， 所以v o = 2 v b v a = v g v a ，调整v a 可以使前级电路输出v o 在o 一5 v 之间。 3 1 2a d 转换电路 m a x l 8 7 是美信公司推出的1 2 位a d 转换芯片，故转换速率高且功耗 低，特别适合对体积、功耗和精度有较高要求的便携式智能化仪器仪表产品。 其关键参数为： ( 1 ) 1 2 位分辨率； ( 2 ) 8 通道单端或4 通道差分输入，输入极性可用软件设置： ( 3 ) 单一5 v 工作电压，工作电流1 5 m a ，关断电流2 u a ： ( 3 ) 内部跟踪保持电路，7 5 k s p s 采样速率( m a x l 8 7 1 8 9 ) ； ( 5 ) 与s s p i 、q s p l 及m i c r o w i r e 兼容的3 线串行接口 ( 6 ) 1 2 l s b 整体非线性度。 m a x l 8 7 有8 脚d i p 封装和1 6 脚s o 封装2 种，下图给出d 1 p 封装的引脚 排列。 s c l k 墨 i t ) o u t g n d 图3 3m a x l 8 7 封装引脚图 m a x l 8 7 用采样保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换为 1 2 位的数字信号，其采样保持电路不需要外接电容。m a x l 8 7 有2 种操作模 式：正常模式和休眠模式，将置为低电平进入休眠模式，这时的电流消耗降到 便携式多参数生化检测系统的研制 1 0 u a 以下。置为高电平或悬空进入正常操作模式。 完整的操作时序如图所示。c s 为有效时，在时钟s c l k 的每一个上升沿 把一个最高位为”l ”的控制字节的各位送入输入移位寄存器，控制器收到控制字 节后，选择控制字中给定的模拟通道并在s c l k 的下降沿启动转换。其控制字 节的格式如表l 所示。在启动转换后m a x l 8 6 1 8 8 可使用外部串行时钟或内部 时钟来完成逐次逼近转换。在两种时钟方式中，数据的移入输出都由外部时钟 来完成。在外部时钟方式时，外部时钟不仅移入和输出数据，而且也驱动每一步模 数转换。在控制字节的最后一位之后，s s t r b 有一个时钟周期的脉冲高电平，在 其后的1 2 个s c l k 的每一个下降沿决定逐次逼近的各位并出现在d o u t 端。 其使用内部时钟方式的时序见图3 - 4 。变换必须在较短时间内完成，否则采样保 持电容器上电压的降低可能导致变换结果精度的降低，如果时钟周期超过1 0 s ，或 者由于串行时钟的中断使得变换时间超过1 2 0 s ，则要使用内部时钟方式。在内部 时钟方式时，m a x l 8 6 在内部产生它们自己的转换时钟，并允许微处理器以 1 0 m h z 以下的任何时钟频率读回转换结果。s s t r b 在转换开始时变为低电平， 在变换完成时变为高电平。s s t r b 保持最长为1 0 s 的低电平，为了得到最佳的 噪声性能，在此期间s c l k 应保持低电平。在s s t r b 变为高电平之后的下一个 时钟下降沿转换结果的最高有效位将出现在d o u t 端。 蠢 。厂 刚 n n 几几同门nn 同nnn 霜n 几nn 几 _ 一n 甄9 回瞰殴强 回固 猫固西广 、竹t r 毒嬲 曼苎! i 璺i t 甚- 毒 i 坚! 卜呲 - _ f h 卜一，s - 缸l 卜一 群珏- 争氆，i 叫一o - s + - ，l _ + 一 - - - - - - - - - - - - - - 一l 口l p 秘，i - - - - - - - - - - _ - - - - - - _ _ - - - - - - _ - - - - - 图3 - 4m a x l 8 7 完整操作时序 m a x l 8 7 电源需要加去耦合电容，常见的方法是用一个4 7 9 f 电容和一 个0 1 心电容并联。为保证采样精度，最好将m a x l 8 7 与单片机分开供电。 第三章生化检测系统的设计和实现 4 脚为参考端接一个4 7 9 f 的电容，这是使用内部4 0 9 6v 参考电压方式。 输入模拟信号的电压范围为o 4 0 9 6v ，如模拟输入电压不在这个范围要外加 电路进行电压范围的变换。m a x l 8 7 只有一路模拟输入通道，如输入为多路信 号，要外加多路模拟开关。 图3 - 5m a x l 8 7 硬件连接图 当被测信号通过放大和滤波后，送入a d 转换器转换为数字信号，进行 采样，送入单片机。