一種血液樣本量測量儀器的設(shè)計

顧希，叢美華，王建，楊小紅，韓玉珠

1. 南通市婦幼保健院，江蘇 南通 226018；2. 南通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 南通 226001；3. 南通市第一人民醫(yī)院，江蘇 南通 226001

引言

危重患者尤其早產(chǎn)兒在住院期間可由多種原因造成不同程度的貧血，期間由于診斷、檢查、治療等措施造成的貧血稱為“醫(yī)源性貧血”[1]。多項臨床研究表明醫(yī)源性貧血已成為危重患者的一個潛在危機，大量靜脈采血導(dǎo)致的失血是醫(yī)源性貧血的一個獨立危險因素[2-3]。因此，我院在危重患者日常護理中，主要通過規(guī)范采血技術(shù)，減少血液標本的浪費[4]來盡量減少貧血的發(fā)生。規(guī)范采血就是做到盡量降低住院期間的抽血總量和抽血次數(shù)，盡量減少醫(yī)源性的失血[5]。我們通過為每個危重患者建立采血單，及時記錄每次的采血量，以此積極控制采血時機和采血量。目前，醫(yī)院在進行血液樣本量測量時，多采用帶刻度線的試管采集后進行讀數(shù)，并將讀數(shù)輸入設(shè)備用于后期的數(shù)據(jù)處理。但由于主客觀原因，會出現(xiàn)讀錯漏記現(xiàn)象，且所記錄的采血量與實際采血量存在偏差。另一方面，過低的采血量對檢測結(jié)果是有影響的，因為病情的需要，過少的檢測次數(shù)也是不現(xiàn)實的。隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的不斷推進，以監(jiān)測采血量為重心，建立更加有效快捷的體系很有必要。通過查新，國內(nèi)外無可以監(jiān)測危重患者血液標本采集量的系統(tǒng)。本項目研制的系統(tǒng)能準確及時記錄每次的采血量，為醫(yī)護人員結(jié)合危重患者病情及血紅蛋白等指標，提供采血的警惕數(shù)值。其中血液樣本量的測量是本系統(tǒng)的首要核心部分。本設(shè)計目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的讀數(shù)不準確、容易讀錯、輸入錯誤和自動化程度低等缺陷和不足，提供一種血液樣本量測量儀器，用于解決上述問題。

1 設(shè)計原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

所設(shè)計的血液樣本量測量儀器由激光發(fā)生器、光學(xué)斬波器、聚光透鏡、容納腔、試管、光學(xué)信號處理裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機等組成[6]。圖1為結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為系統(tǒng)硬件關(guān)系圖。

本系統(tǒng)采用光纖透射法測量原理，激光通過光學(xué)斬波器將連續(xù)光調(diào)制成有固定頻率的兩個光信號，兩個信號的頻率是相同的，一個是參考信號，一個是調(diào)制后的光信號。調(diào)制后的光信號照射采集裝置中的血液樣本，發(fā)出采集光信號。鎖相放大器是利用采集光信號和參考信號的乘法運算原理，再經(jīng)過低通濾波器處理來實現(xiàn)對信號的窄帶化處理，有效地抑制噪聲，實現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤[7]，最終輸出反比于血液樣本的模擬信號。此信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換交由計算機處理，得到血液樣本的毫升數(shù)。

圖1 血液樣本量測量儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)硬件關(guān)系圖

2 具體設(shè)計

2.1 光學(xué)信號發(fā)生器及聚光透鏡

激光發(fā)生器生成的連續(xù)光通過光學(xué)斬波器調(diào)制成固定頻率的調(diào)制光信號，并輸出參考光信號；調(diào)制光信號經(jīng)聚光透鏡實現(xiàn)匯聚射入試管的血液樣本中。激光發(fā)生器可選市售常見電子儀器儀表氮分子激光器，光學(xué)斬波器可選用市售的用于光譜發(fā)生器的光學(xué)斬波器。

2.2 采集裝置

采集裝置用于將調(diào)制光信號照射在裝有血液樣本的試管后輸出采集光信號。試管可選用醫(yī)院常規(guī)使用的型號，容納腔底部形狀與試管底部形狀相適配。

2.3 光學(xué)信號處理裝置

光學(xué)信號處理裝置用于將采集光信號和參考光信號轉(zhuǎn)換為采集模擬信號和參考模擬信號，并抑制采集模擬信號中的噪聲，輸出正比于血液樣本量的模擬信號。光學(xué)信號處理裝置包括采集信號處理模塊、參考光信號處理模塊和鎖相放大器。

參考光信號處理模塊通過圖像傳感器B將光學(xué)斬波器輸出的參考光信號轉(zhuǎn)換為參考模擬信號。采集信號處理模塊包括圖像傳感器A和緩沖放大器。圖像傳感器A用于將采集到的光信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。圖像傳感器A和圖像傳感器B均采用能將光信號轉(zhuǎn)換成電荷信號的CCD圖像控制器。緩沖放大器用于對采集到的模擬信號進行放大并低阻抗輸出，可選用市售常見模塊ADA4800。ADA4800是一個內(nèi)置有源負載的電壓緩沖器，該緩沖器是一個低功耗、低噪聲、高壓擺率、高速、具有固定增益1的單芯片放大器，適合CCD應(yīng)用。

鎖相放大器用于將經(jīng)緩沖放大器放大后的采集模擬信號與參考模擬信號共同輸入其內(nèi)部的混頻器，混頻器輸出的結(jié)果，再經(jīng)過其內(nèi)部的低通濾波器濾波處理后輸出，對采集模擬信號進行窄帶化處理，抑制采集模擬信號噪音，實現(xiàn)對采集模擬信號的檢測和跟蹤[8]。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器和計算機

A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送給外部計算機進行處理。A/D轉(zhuǎn)換器為常見市售電子元件，通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，A/D轉(zhuǎn)化器選用TI公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片ads5422。ads5422是14 bit的最高采樣頻率可達62 msps的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，采用單一5 V電源供電，在采樣頻率為10 m時其最大動態(tài)范圍為82 dB，最高信噪比達到72 dB，其數(shù)字量輸出可以直接和5 V或者3.3 V的cmos芯片連接，模擬量輸入的峰值為4 V，可以直接輸入0.5～ 4.5 V的模擬量，封裝形式為64腳的扁平四方封裝[9]。

計算機用于將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為血液樣本量的具體數(shù)值[10-12]。

3 血液樣本量的確定

血液樣本量的確定是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是本研究的技術(shù)重點，即對鎖相放大器的輸出量與血液樣本量關(guān)系進行標定。

我們總是希望系統(tǒng)的輸出和輸入成唯一的對應(yīng)關(guān)系，最好是線性關(guān)系，輸出的數(shù)據(jù)能反映被測量的真實值。但是一般情況下，因測量系統(tǒng)存在電子噪聲等原因，輸出與輸入不會符合所要求的線性關(guān)系。以鎖相放大器輸出的信號為輸入x，要求計算機顯示的血液樣本量為輸出y，對系統(tǒng)進行標定，即確定該輸入與輸出之間數(shù)學(xué)關(guān)系y=f(x)。為保證測量的準確，通過試驗，建立系統(tǒng)的輸出-輸入特性及其偏差關(guān)系。

標定工作環(huán)境溫度20℃±5℃，濕度≤85%RH，大氣壓760 mm汞柱。標準量具的精度等級比待標定的系統(tǒng)至少高一個等級，附加設(shè)備又比標準量具至少高一個等級。選取Eppendorf Research pro單道電動移液器，量程100～5000 μL，使用標準計量方法對其校準，直至偏差在ISO8655的要求內(nèi)為止。選取賽多利斯BSA224S萬分之一電子天平。

首先用4℃ ddH2O（ρ=1 g/mL）作為測量物質(zhì)，用移液器取至試管，再用電子天平秤重的方法取0.5～5 mL ddH2O作為輸入量，全量程等間隔分點標定，測試計算機顯示的相應(yīng)輸出量，并與輸入量進行比較，調(diào)整鎖相放大器增益按鈕，使輸入輸出在一定量程內(nèi)完全成線性相關(guān)。最終一組測量數(shù)值如表1，并作出標定圖標，如圖3所示。

表1 ddH2O（ρ=1 g/mL，T=4℃）作為測量物質(zhì)時系統(tǒng)測量值

圖3 ddH2O（ρ=1 g/mL，T=4℃）作為測量物質(zhì)時系統(tǒng)輸入輸出圖

X軸為鎖相放大器輸出電壓值，Y軸為樣本量值。可見，被測溶液量越多，透過的光越少，鎖相放大器輸出電壓越低，A/D數(shù)值越小，計算機顯示的樣本量值越大。系統(tǒng)輸入與輸出之間數(shù)學(xué)關(guān)系y=f(x)的形式是一個直線方程，這個方程一般可表示為y=a-bx，稱為一元線性回歸方程，x和y完全負線性相關(guān)，求出a=5，b=1，得方程式為y=5-1x。

再次用同一頭豬的血作為測量物質(zhì)，用上述移液器取液，正反行程往復(fù)循環(huán)一次逐點標定，測量數(shù)值如表2。標定圖如圖4。

圖4 豬血作為測量物質(zhì)時系統(tǒng)輸入輸出圖

可用最小平方法來確定式中的兩個系數(shù)a和b。

得出此一元線性回歸方程為y=4.8517-1.0007x。

這里還有一個問題，人血液樣本有個體差異，比如顏色、濃度、密度的差異，這些差異可以影響測量結(jié)果，為此，我們增加了一個參比測量電路[13-15]，如圖5所示。

圖5 參比測量電路

從圖中可以看到增加了一組測量電路，可以對血液樣品的差異進行檢測，用來修正血液樣本量的結(jié)果。參比測量電路的輸出CCD1的數(shù)字量即可修正公式y(tǒng)=a-bx中的常數(shù)a和b。

表2 豬血作為測量物質(zhì)時系統(tǒng)測量值

4 使用方法

該測量儀使用方法為：① 常規(guī)準備，護理人員規(guī)范洗手、戴口罩，核對患者姓名、床號；② 對成人或嬰幼兒進行采血，系統(tǒng)支持適合成人和嬰幼兒采血量的兩種試管規(guī)格；③ 接通電源，輸入患者姓名，門診號或床號，選擇試管規(guī)格；④ 將試管放置容納腔內(nèi)；⑤ 首次使用，需系統(tǒng)初始化，然后點擊開始測量；⑥ 系統(tǒng)自動測量并讀取數(shù)據(jù)顯示，也可反復(fù)測量，計算平均值顯示；⑦ 點擊存儲功能，可對同一患者的采血量累計計算顯示；⑧ 關(guān)閉機器，拔下電源，清洗。

5 應(yīng)用效果

同一頭豬血隨機分成不等體積樣本40例，分別標上序號。工作環(huán)境為溫度20℃±5℃；濕度≤85%RH；大氣壓760 mm汞柱。選取賽多利斯BSA224S萬分之一電子天平，對40例樣本逐一稱重3次，并記錄，取其平均值。豬血的密度ρ=1.05 g/mL，再根據(jù)液體體積的計算公式是V=m/ρ求出每一份樣本體積，作為本次試驗的標準讀數(shù)。計量單位：質(zhì)量m的單位用g，密度ρ的單位用g/mL，體積V用mL。具體測量結(jié)果如表3。

表3 電子天平隨機豬血樣本質(zhì)量m示值

將40例豬血樣本隨機分為兩組，觀察組20例，對照組20例。對照組采用帶刻度線的試管采集后進行讀數(shù)，并將讀數(shù)輸入設(shè)備用于后期的數(shù)據(jù)處理，使用兩名工作人員，一人讀數(shù)，一人將讀數(shù)輸入到電腦。觀察組采用本實用新型血液樣本量測量儀，將試管放置容納腔內(nèi)，自動測量顯示并存儲本次采血量，只需一人操作即可。對兩組分別計時。將豬血樣本體積讀數(shù)與表3體積值對比。

觀察組總用時、平均使用時間均遠遠短于對照組，對照組漏讀數(shù)2例，輸入錯誤3例，觀察組滿意度高于對照組，具體統(tǒng)計見表4。

表4 兩組數(shù)據(jù)比較

試驗測量結(jié)果表明，本測量儀測量準確，完全達到了設(shè)計要求，儀器具有一定的有效量程，對成人和嬰幼兒采血量皆適合使用，不存在漏讀和輸入錯誤，準確迅速，用時用工少，效率高，臨床試用效果滿意。此系統(tǒng)不是用于血液成分的檢測，而是對血液樣本量多少進行測量。臨床上存在一種對所采集的血液樣本量沒達到測定值而報警的檢驗儀器，未見對血液樣本量多少進行測量的儀器的報道，因此這種血液量測量儀目前在臨床上是空白。

6 討論和結(jié)論

本設(shè)計通過將光學(xué)信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制光信號經(jīng)采集裝置后轉(zhuǎn)化為采集光信號，將采集光信號與參考光信號經(jīng)光學(xué)信號裝置處理后，輸出正比于血液樣本量模擬信號，將模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入計算機處理得到血液樣本量的具體數(shù)值，這種測量儀器實現(xiàn)自動化測量試管中的血液樣本量并直接輸入計算機儲存作為后續(xù)使用，準確度高、操作方便且自動化程度高。可用于對危重病人或早產(chǎn)兒等采血量進行監(jiān)測分析，減少醫(yī)源性貧血的發(fā)生率。