血紅蛋白濃度測量系統的設計與實現

陳煒鋼，朱清，陳友凱

（浙江藥科職業大學醫療器械學院，浙江寧波 315100）

在臨床醫學中，血紅蛋白(HGB)濃度在醫學上是一項重要的指標[1-7]。對于HGB 濃度的測量，目前主要采用的測量方法是光電容積脈搏波描記法、雙波長分光度法以及動態光譜法等[8-10]。

傳統的HGB 檢測是將射出光強強度I轉化為頻率，再通過對頻率的測量來計算HGB 濃度，而且多采用開環控制，系統穩定性差，會降低測量的精度。該文設計了一種基于STM32 閉環控制的HGB 測量系統，它利用單波長分光光度法，用ADC 直接把電壓轉換成數字量，實現對HGB 的測量并通過DAC 自動將空白稀釋液穩定至參考值，形成閉環，提高系統的穩定性。

1 HGB濃度測量原理

該系統的HGB 測量原理主要采用單波長分光光度法，圖1 為氰化高鐵血紅蛋白溶液中可見光波長和吸光度的關系[11]。從圖1 中可以看出，波長在540 nm（綠光）附近的可見光達到了吸光度的峰值。

圖1 吸光系數曲線

單波長測量HGB 步驟如下：

1）采用光強為Iin的綠光入射空白稀釋液。假設射出光強強度為I0，光的散射和折射的光吸收度為AS0；

2）采用同樣的光強Iin入射待測血樣，設此時射出光線強度為I1，光的散射和折射的光吸收度為AS1。

由Lambert-Beer 定律[12-13]可得出：

其中，K為吸光系數（與入射光波長λ、液層厚度及溫度有關），L為比色池的厚度，C0為空白稀釋液的濃度，其值為0。同理可得出加入血樣后的濃度關系式：

假設測量過程中輸入光強不變，則將以上兩式相減，可推導出：

由于采用同一個系統，因此外界吸收AS0和AS1基本不變，所以可以進一步得出：

由式（4）可以得出，樣本濃度與兩次出射光強比值的對數成正比。

2 系統架構

根據單波長測量原理可以設計相應的電路來測量HGB 的濃度。該系統包括以微控制器為核心的控制和數據處理單元、壓控恒流源模塊、光電轉化模塊、按鍵顯示模塊。具體的系統構架如圖2 所示。

圖2 系統結構框圖

3 硬件電路設計

3.1 壓控恒流源電路

該系統利用DAC 和電壓轉電流電路來完成壓控恒流源[14]的設計。電路結構框圖如圖3 所示。

圖3 壓控恒流源電路結構圖

3.1.1 基于STM32F107的最小系統

該系統中STM32F107 的最小系統主要是由時鐘電路、電源電路、復位電路、調試接口電路構成，其處理器STM32F107 是ST 公司研發的，具有主頻高、處理速度快、性價比高等優點，且它是Cortex-M3 32 位RISC 內核；內部有兩個12 位DAC，雙DAC 通道獨立或同步轉換，數據可以DMA 傳輸，非線性誤差達到±0.5LSB。因此DA 轉換器選用STM32F107 集成的12 位DAC，參考電壓為2.43 V。當DAC 輸出的電壓改變時，由于電流和輸入電壓成線性關系，所以只要改變電壓，電流也會相應改變，且負載在一定范圍內，電流的值保持不變。實現了電壓控制的恒流源的設計。

3.1.2 電壓電流轉換電路

該系統設計的電壓電流轉換器由運算放大器LM358 構成，LM358 是雙運放放大器，內部有兩個高增益的、獨立的運算放大器，且內部具有頻率補償；它既可以在電壓范圍很寬的單電源下工作，也可以在正負電壓下工作；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；具有低輸入失調電壓和失調電流。其特性非常適合用在該系統的電壓轉電流電路中，電路如圖4 所示。

圖4 電壓電流轉換電路

圖中R6是負載電阻，Iout是輸出電流，假定，R4＞＞R5，R4＞＞R6，即電阻R4對輸出電流Iout的分流作用可以忽略，令R4/R3=R2/R1，得：

這是一種電路簡單同時又有較高精度的電壓(Vin)/電流(Iout)轉換器。其輸出電流Iout的范圍為0～20 mA，且與負載大小無關。

3.2 光電轉換電路

PN 結可以光電導效應工作，處于反相偏置的PN 結，在無光照時，具有高阻特性，反向電流很小[15]。當有光照時，電子向N 區運動，空穴向P 區運動，形成光電流，方向與反相電流一致。因為光電二極管對波長為λ的光波的敏感性為Sλ=Isc/Iλ，又因為放大電路Vout=-Isc×R，即Iλ與Vout成正比，從而可以通過測量Vout即可知道光電二極管接受的光強Iλ。由于單片機采集的電壓范圍為0～2.43 V，所以將光電轉換電路的輸出負壓通過反相器轉換為正壓U0輸入到ADC。電路如圖5 所示。

圖5 光電轉換電路

3.3 空白稀釋液參考值選定

該系統定義的空白稀釋液參考值是指綠光入射空白稀釋液，經光電轉換后由AD 轉換到的值(單位為mV)。由于該系統使用的ADC 本身存在一定的誤差，在電壓較低的情況下，轉換的電壓值誤差會相對偏大。若Io過小，不僅會導致ADC 精度的浪費，而且在血樣濃度很高時，會影響系統的精度和穩定性；又因為ADC 采樣電壓范圍為0～2.43 V，為了防止超出采樣范圍，應留有一定的余量，所以該系統所選的參考值為2 000 mV。

4 系統軟件設計

系統初始化后等待測量命令，當第一次測量命令來到時，系統檢測空白稀釋液是否到達參考值：若沒有，則通過PI 調節至參考值；若到達參考值，則記錄此時空白稀釋液的電壓值。等血樣稀釋完成后，等待檢測血樣命令，當檢測血樣命令到來時，系統采樣血樣電壓值。將空白值和血樣值進行存儲，并由單片機計算出其濃度值，顯示至數碼管。系統總體流程圖如圖6 所示。

圖6 系統總體流程圖

4.1 數字PI控制器

PID 控制本質上是一個二階線性控制器，通過整定比例(P)、積分(I)、微分(D)參數，提高控制系統的性能。在該系統中，要求系統調節精度高，所以采用PI 控制器[10]，計算公式為：

式中的比例(P)控制用來成比例地反映控制系統的偏差信號e(k)；積分(I)控制主要用于消除靜態誤差，提高系統的無差度。這里通過PI算法結合DAC、被控對象（光源）以及放大電路和ADC 使基準值形成閉環調節。

4.2 PI控制子程序

由于發光管的老化，光接收管受損，或者放大倍數改變等都會使系統偏移參考值，從而影響HGB 濃度的計算。因此該系統引入PI 控制器[16]來消除這些因素的影響，使參考值穩定。

當空白稀釋液時，系統檢測ADC 轉換電壓是否與參考值相等，若不相等，則將輸入偏差給PI 控制器進行調節直到達到參考值。如當放大倍數減小，系統相應增強發光管入射強度，從而使系統穩定。PI控制器流程圖如圖7 所示。

圖7 PI控制流程圖

5 測試結果與分析

電路制作完成后，分別將硬件的子電路進行測試。壓控恒流源測試如下：輸入電壓在0～2.43 V 內取值，得到相應的輸出電流值，以檢驗電路是否能夠達到預期效果；待硬件電路測試完成后，將進行整個系統的性能測試。

5.1 空白稀釋液穩定性測試

空白稀釋液的穩定性是HGB 濃度測量的重要指標之一，其穩定性直接影響血樣濃度結果的準確性。在空白稀釋液電壓值為2 000 mV 的情況下，連續測10 次空白值，得到如表1 所示的數據。

表1 空白稀釋液穩定性測試

從表中可以得出，第二次空白值與空白參考值的最大誤差為0.5%，滿足系統設計的要求。

5.2 HGB濃度線性測試

表2 HGB濃度線性測試結果

所測濃度偏移擬合曲線的最大偏差為0.412 μL，非線性誤差為2.42%FS。

5.3 HGB穩定性測試

由于濃度與lg(I0/I1)呈線性關系，所以lg(I0/I1)的穩定性即為HGB 濃度的穩定性。在加入血樣濃度為13 μL 的情況下，連續測量10 次，記錄每次所測血樣的lg(I0/I1)，得到如圖8 所示的曲線。

圖8 穩定性測試結果

6 結論

該文論述了基于STM32 的HGB 測量系統的設計與實現，系統主要包括壓控恒流源模塊、光電轉化模塊，其中HGB 計算和自動調節環節都由單片機來完成。系統測試的結果表明，空白稀釋液的最大誤差為0.5%，血樣濃度偏離平均值的程度小，濃度的非線性誤差達到2.42%，滿足實際應用的要求。該系統可移植到血液分析儀產品中，主控制器只需向其發送測量命令和讀取結果命令便可完成對HGB濃度的測量，也可做成便攜式HGB 濃度測量儀，應用前景廣泛。