（电力电子与电力传动专业论文）多参数血细胞自动分析仪系统的研究.pdf

a b s t r a c t m u l t i p a r a m e t e rb l o o dc e l la n a l y z e ri s a ni n s t r u m e n to f t h em o s tc o m m o nu s ei nc l i n i c t e s to ft h e h o s p i t a l b e c a u s et h ei n s t r u m e n tr e l a t e t o m a n ys t u d y s u c ha s p h o t i c s ， m e c h a n i s m ，e l e c t r i c i t y , c o m p u t e r ，t e s t i n g ，s i n g l et r e a t m e n t ，b i o l o g yc h e m i s t r y ，m e d i c i n e ， i ti so n eo ft h em o s td i f f i c u l ti n s t r u m e n t s i n s t u d y o ft e s t i n gi n s t r u m e n t s t h i s i n s t r u m e n tp r i m a r i t yd e p e n d so ni m p o r t a t i o nf r o mf o r e i g nc o u n t r ya tp r e s e n t i no u r c o u n t r yn o w t h ep r o b l e mt op i c k u pw e a k s i g n a li ss o l v e db yt h ea p p l i c a t i o no f t h et h e o r yo f c o u l t e r b e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt od e t e c tt h eb l o o dc e l ls i g n a lb yu s i n go ft h et h e o r yo fc o u l t e r , t h em e t h o do f d e t e c t i n gi sp r e s e n t e df i r s t l yt o s o l v et h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sr u b y p o r ef o r m i n g 、l o wa n dh i g hs t a b i l i t y a n d i m p r o v et h es e n s i t i v i t y o fs i g n a l p r o b i n g g r e a t l y t h ef a i n t s i g n a la m p l i f i e ra n dp e a kd e t e c t o rc i r c u i t s a r ed e s i g n e dt h em a i n i n t e r f e r i n go f t h ea n a l y z e rh a sb e e na n a l y z e da n dt h ea n t i - d i s t u r b a n c es t e pi st a k e nt h i s p a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs e n s eo r g a n ，d u c t w o r k ，t e s t i n gs y s t e mo fb l o o d r e d a l b u m e n ，d r i v i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fm o t o ra n de l e c t f o m a g n e t i s mv a l u e ，i n p u t a n d o u t p u to ft h ec o m p u t e gp h o t o e l e c t r i c i t yq u a n t i f i c a t i o nu n i ta n dd a t ap r o c e s s i n g t h e c i r c u i th a sb e e na p p l i e dt ot h ea u t o m a t i cb l o o dc e l l a n a l y z e rs u c c e s s f u l l yt h ea n a l y z e r c o n t e n t sc o m p l e t e l yc l i n i c a ld e m a n db yt h ep r o b a t i o no fc l i n i cb e c a u s ei ti st h es t a b i l i t y a n dc r e d i b i l i t y k c ) 、7 0 r d s ：b l o o dc e l la n a l ) z e r ，p r i n c i p l eo f c o u l t e r ，c o m p u t e r a i d en l e a s u r e ，s 、f s t e md e s i g n 南京航空航天人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和选题依据 血细胞自动分析仪是用来测量单位容积血液中的红细胞、白细胞、血小板及血 红蛋白等参数的仪器，这些参数对临床诊断有很大的参考价值。传统的血细胞计 数是将血液稀释后，滴在有分划的玻璃片上，在显微镜下用人工汁数，这种计数 方法速度慢、劳动强度大、眼睛容易疲劳，操作人员长期在黑暗的环境下观察微 小的颗粒，会引起视力严重下降。特别是用这种方法所得的结果精度低，且误差 因人而异，通常在5 1 0 。随着检验件数的增加和对精度要求的提高，这种传 统的方法显然己不能满足实际工作的需要。随着电子技术的发展，人们开始研制 舡细胞自动计数仪对血细胞进行检测，测试过程实现了自动化，且误差仅为1 3 ， 并能为疾病的诊断提供更多的参数，因此使用多参数血细胞自动分析仪不但能大 大提高测试速度和精度，更重要的是它为临床疾病，尤其是血液疾病的诊断与治 疗提供了快速、准确、及时和可靠的手段。 血细胞自动分析仪的原理五十年代就已提出，但由于受电子技术等相关高新 技术的发展制约，其实用化产品直到八十年代以后才逐渐被丌发出来。近年来， 随着各项高新技术的飞速发展，特别是微型计算机的普及与应用，血细胞分析仪 也在不断的发展更新，自动化程度越来越高，测量参数不断增加。特别是将激光 散射、射频技术等新技术综合地应用到该仪器之后，使陔类仪器的性能和功能不 断提高和完善。因此，多参数血细胞自动分析仪技术的研究，具有非常重要的实 用价值。 目前，世界上有能力生产该类仪器的国家有美国、日本、法函、瑞士等，总 计约二十个左右厂家生产。在中国进行过销售的厂家有：日本东亚电子仪器公司、 l 兰叁墼垒塑堕鱼塾坌堑堡堕墨竺堑塞 r 立制作所、日本埃尔玛公司，美国的c e l l - d y n e 公司、c o u l t e r 公司、d o m n a m 公司，瑞ts w e l a b 公司、r c h e 公司，法国的s e b i a 公司、l a v b o r 公司。其中在国 内较有影响的为：同本东亚公司的f - 8 0 0 ，其特点是便宜、实用；f 1 本埃尔玛公司 p c 6 0 3 、6 0 4 ，仪器低档、便宜，但故障率高：美国c o u l t e r 公司的产品，性能最 优，价格昂贵；美国的c e l l d y n e 公司c e i l d y n e 系列质量优，价格贵。近年美国 的d o m n a m 公司h c 系列，瑞士a c 系列，因经销商的大力推广在我国占有了 较大的市场。 国内对多参数血细胞自动分析仪研制丌发时怕j 虽然较早，但其水平上却远远 落后于国外的各工业发达国家。八十年代，山东三联电子公司试研过此仪器，生 产出三参数的血细胞计数仪，该机体积庞大、结构复杂、自动化程度低、可测参 数少、准确性差、故障率高，该仪器现在早已停产。八十年代中期，北京生化仪 器厂组装日本埃尔玛公司产品p c 1 0 3 ，p c 1 0 4 该机器自动化程度稍高，但测量 参数少( 三项，五项) ，由于故障高，加之管理原因，该产品也已停产。九十年代 后，南京半导体总厂开始研制血细胞分析仪，丌发出了三参数( 红细胞、白细胞 和血红蛋白) 的仪器。其质量较为稳定，面向基层医院销售，并有批量向亚、非、 拉出口。综上情况，国内目前只有南京半导体总厂在生产低档血细胞分析仪。多 参数中、高档的血细胞分析仪在我国基本上为空白。 血细胞分析仪是一种普及性的仪器，每家医院都可使用。然而，国内目前使 用的血细胞分析仪基本都是进口产品。据我们调研，国内目前各地区的医院对血 细胞分析仪的使用情况不平衡。广东省普及率最高，已向乡镇的医院推广。其它 沿海向县级医院推广。而内地的地市级医院近年才开始添置。县级医院基本为空 白。另外，根据医疗仪器的特点，其仪器更新换代的周期一般为3 5 年，而且不 少医院都有添置血细胞分析仪的愿望。可见，该仪器的市场潜力是很大的。同时 南京航空航天人学硕十学位论文 出于进口仪器价格昂贵，售后服务跟不上等原因，医疗单位都希望生产出适和蚓 内需求的高陛能、低价格的国产多参数血细胞自动分析仪。 1 2 本文研究的主要内容 tj i 于多参数血细胞分析仪是集机械、电子、光学、计算机等学科和技术于 体的光机电一体化仪器，因此，该项目的研究涉及的内容广泛，工作难度和工作 量大，并且由于国外对该仪器的关键技术高度保密，我们只有根据可以查找到的 资料，采用边设计、边制作、边调试的方法进行研制。 在多参数血细胞自动分析仪的丌发研制过程中，我们研究了国内外有关的资 料，做了许多方案设汁，进行了多次实验测试，最终形成了样机。作为本文的研 究重点，在整个多参数血细胞自动分析仪的研制丌发中，主要包括以下内容： 【1 ) 首先对c o u l t e r 原理进行了详细的分析，针对血细胞的特点，提出了血细胞 提取和计数的方案。解决了在血细胞信号转换过程中所用到的红宝石微孔成 型术，低电解率、高稳定性的电极等关键技术： ( 2 ) 在机械部分和液压部分，针对不同的参数测试需要不刷的血液样品流动管 道t 殴计了采用负压泵、电磁阀和专用橡胶管构成的m 液洋品流动的管道系 统。针对血红蛋a 测试的特点，对测量血细胞中血红蛋白测量原理进行了分 析，并设计了相应的光路系统。 ( 3 ) 解决了微弱信号的提取和放大问题，对于必要的预处理电路，峰值捡测电路、 比包放大、定量电路等一系列电路，部进行了设计、制作和调试。对系统中 的各种干扰源进行了比较全面的分 厅，并采取了必要的抗干扰措施； ( 4 ) 研究并设计了血细胞分析仪与微型计算机等接口电路； ( 5 ) 分析了数据处理的原理和并进行了部分软件的编制及调试。 多参数血细胞自动分析仪的系统研究 第二章血细胞及血红蛋白测量原理 2 1 引言 血液是维持人体正常活动的重要物质，它是由血浆和痂细胞组成。血浆是血 液的液体成分，固型物是红细胞、白细胞及血小板。红细胞在人体中的功能是输 送新鲜氧气，排出二氧化碳。红细胞的数量最多，成人男子的红细胞个数为4 2 9 - 53 8 1o ”l 、成年女子的红细胞个数为3 8 3 48 3 1 0 ”l 。白细胞被称为人体卫士，它 可以防止外束微生物的侵害及其它感染。币常人的白细胞数目为4 - 1 0 1 0 。7 l 。血 小板有止血功能，萨常人的血小板值为1 、3 1 0 0 l 。血红蛋白存在于红细胞之中， 是种含铁的色蛋白。成人男子每i o o m l 血液中血红蛋白的含量为1 2 - 1 6 9 ；殳子 为1 l 1 5 9 。红细胞的功能是由血红蛋白协助来完成的。当这些细胞超出正常值范 围时，会使人体发生病变。如贫血可使红细胞低于萨常值：化浓性感染、急性炎 症、组织坏死、肿瘤、急性失血等会使白细胞高于正常值：病毒性感染、某些药 物或放射性物质的毒害会使白细胞减少。 血细胞计数是临床工作中最常用的实验手段之一血细胞分析对临床诊断有 很大的价值。5 0 年代初美国的c o u l t e r ( 库尔特) 先生发现游离的血细胞在通过带 有微孔的试管时，试管内外的电极问的阻抗发生变化，c o u l t e r 根据这个现象，设 计发明了世界上第一台电阻抗法血细胞计数仪。 2 2 血细胞测试原理 血细胞是电的不良导体。将血细胞置于电解液中，一般不会影响电解液的导 通程度。但是如果构成电路的某一小段电解液截面很小，其尺度可与细胞直径相 比拟，则当有细胞浮游到此时，将明显增大整段电解液的等效电阻。如果l 幺电解 4 南京航空航天人学硕十学傅论文 液外接恒流源，9 1 | j 此时电解液两电极阳j 的电压必然增大，这时产生的电j = i 三脉冲信 号i 细胞的电阻率成正比，与血细胞的颗粒大小成正比。对此电压脉冲逐个训数， 便可求的血细胞的数量。图2 - 1 是计数原理方框图。用这科，方泛i 计量时，至少需要 解决细胞分类计数和溶液的定量取用二个问题。 荔弘匡1 1 二= 传感城冒 小孔 目i l 胞脉冲 幽2 一l 曲细胞计数万他吲 目i 口大多数细胞计数原理是利用英国人c o u l t e r 先生提出的小孔管换能装置 实现的。如图2 1 所示，在仪器的取样管内装有一根吸样管，吸样管下部有一宝石 小孔，直径为7 0 1 0 0 b tm ，小孔管内外各置一只铂会电极，两电极阳j 旌加一个恒定 的电流( 小孔管浸在电解液中) 。当小孔管罩加入电解液，并将其装入相同电解液 的样品杯中时，两电极之间便产生了一个恒定的电流。 测试时，先将待测皿液用洁净的电解液充分稀释，使血细胞在电解液中成为 游散状态，然后在小孔管上端施以负压，在负压的抽吸下，混有血细胞的电解液 便被均匀的抽进小孔管。由于血细胞是不良导体，当它通过小孔的瞬间，驳代了 同体积的电解液，从而改变了两个电极之| 1 自j 的电阻。这个变大的电阻在恒流源作 用下引起一个等比例增大的电压。当血细胞离丌小孔附近时，电解液的等效电阻 叉恢复正常，直至下一个细胞到达小孔口。这样，血细胞连续地通过小孔，就将 在电极两端产生一连串的电压脉冲。脉冲个数与通过小孔的细胞个数相当，脉冲 的幅度与细胞的体积成f 比。 多参数血细胞自动分析仪的系统研究 2 2 1 电阻阻抗法计数原理 电阻阻抗法计数原理如图2 - 2 所示，在仪器的取样管内装有一根吸样管，吸样 管下部有一“宝石4 , - f l ，直径为7 0 - 1 0 0 1 t1 1 1 ，d , - l 管内外各置一只铂金电极，两电极 问施加一个恒定的电流( 小孔管浸在电解液中) 。当小孔管里加入电解液，并将其 装入相同电解液的样品杯中时，两电极之间便产生了一个恒定的电流。 图2 - 2 血细胞计数原理图 如图2 - 3 所示，我们可以计算出细胞通过4 , - l 时，任一截面的电阻变化a r 为 一一学( 1 _ p 加网栩) 沼- ， 式中：p ，p 。分别为液体和细胞的电阻率，a 是颗粒的截面积，a 是小孔截 面积。由于p ，o 。 05 时，其f 值显著增加。我们取d = 8 0 um ，由于 血细胞的直径d 一般在2 3 0um 范围，此时，可求出f 的最大偏差小于1 6 8 。 南京航空航天大学硕士学位论文 在软件中通过对f 值的修正，使r o c v ，这样就可通过测量的a r 值准确地计算 出细胞体积v 。 厶l 图2 - 3 计算模型 图2 - 4 ( a ) 表示f 与细胞直径d d 的关系，可见f 值并不为常数，而是随着d d 值的增加，其误差也显著增加，细胞越大，其测量值误差越大。我们将d d 值以0 为起点，分别从0 3 到0 7 为终点，用最小二乘法拟合直线，求出拟合直线与曲线 之间的最大偏差，其结果如图2 - 5 ( b ) ( c ) 所示，例如，当d d 为0 4 时，f 的最 大偏差为1 6 8 。我们取d = 8 0 um ，由于血细胞的直径d 一般在2 3 0 um 范围， 仪器工作在此段时，f 与细胞直径d d 具有较好的线性。在软件中通过对f 值的修 正，使a r o c v ，以便用测量的a 1 1 值来计算细胞体积v ( 见( 2 ) 式) 。 图2 - 4 ( a ) f 与d d 的关系曲线 1 多参数血细胞白动分析仪的系统研究 图2 - 4 ( b ) f 与d i d 的关系曲线 与瑚晟小一乘法拟合的氲线 d ，d 剀2 - 4 ( c ) 拟台日线与曲线的误筹 2 2 2 血细胞的分类计数 在正常情；兄下，红细胞的数目是白细胞的10 0 0 倍左右， l 细胞的直径为6 9 um ，白细胞的直径为7 1 5ur n ，二者大小差不多，所以在数红细胞时，将红 细胞和白细胞同时计数，所产生的干分之一左右的误差对临床珍断没有f _ 么影响 完令可以将其忽略。 血小板比较小，其直径为2 3 “m ，红、白细胞的直径是它的三倍还多。恨掂 前面的分析可知，血细胞的大小与其所产生的脉冲信号的幅度成_ f 比，叮利用一 个幅度鉴别器将血小板筛选出来。如图2 - 5 所示，闽值电压选在u 1 时只有红 白细胞产生的电压脉冲参与计数；阈值电压选在u 2 时，血小扳产生的电压脉冲d 能参加计数；最下面的小信号是干扰信号。在我们的仪器中，这一工作是由计算 机软件来完成的。 南京航空航天人学硕十学位论文 u u u 图2 5 分类计数原理图 在测量白细胞时，先在血液中加入溶血剂。溶血剂可以使红细胞破碎，红细 胞破醑后，再对剩下的白细胞进行计数，便可测出白细胞的含量。 2 3 血红蛋白细胞测试原理 测定血红蛋白时，由于临床检验时难以从血液中分离出来，所以首先用溶血 剂将经过稀释的血液中的红细胞破碎，其内部的血红蛋白便扩散溶解在整个血液 中和溶血剂反应后，转化为颜色稳定的血色素。然后用光电比色法，便可求出 皿红蛋白的含量。血红蛋白的单位是克毫升( g m 1 ) ，血2 l 蛋白含量越高，它的 颜色就越深，透光性就越差( 或吸光性越强) 。用光电器件检测透射光强，并与已 标定的血色素值相比较，即可得血红蛋白量。测试原理示意如图2 - 6 所示。 一一n 一一1 v o 进l 镜l 使 缝 皿 一c 光电地 幽2 - 6 光电比笆法基本原理 当溶液浓度不很大时，光在溶液中透射能力服从l a w b e r t b e e r 定律： i 。= i o 1 0 “( 2 6 ) 式中：1 。是入射光强，i ，是透射光强，c 是溶液浓度，1 是溶液厚度，e 是消光系数 其数值与物质性质和光波波长有关。对( 2 6 ) 式求对数，可得： 9 多参数血细胞自动分析仪的系统研究 ( 2 7 、 ，中l g l 。仉称为溶液的吸光度或光密度，它反映了溶液对光的吸收程度。该式表明 溶液的1 1 及光度与浓度有简单的正比关系。 在测量过程中，测量结果对光源光强波动较为敏感。为了克服这影响，本 文采用双波长比色法，即通过检测透过比色皿后的光在5 4 0 n m ( 吸收峰) 和6 9 0 n m 处的光强来确定。双波长测量血红蛋白原理图见圈2 7 所示 参 考 信 号 b 参考偌号a 幽2 7 叔波长溯昔皿红蛋白原理幽 从图2 7 上可以看出，光源灯发出的光，经过透镜和狭缝，照射到流动的比色 器皿上，透过比色皿到达一个半透半反光镜上，被半透半反光镜分为两柬一 束投射光和一束反射光。投射光经过6 9 0 r i m 的滤光片，到达一个光电池，被光电 池转换成参考信号b ；另一束反射光经过5 4 0r i m 的滤光片，到达另一个光电池 被转化为样品信号a 。 在血样品中加入溶血剂，生成一种颜色稳定的血红蛋白物质。假设其在5 4 0 n m 处的波长为、，6 9 0 n m 处的波长为x2 。则xi 的吸光度为： a 、1 2 k c l i - a s l ( 2 - 8 ) 式中，a 、，为、l 时的吸光度：k 、为、i 时的吸光度系数：c 为血红蛋白浓度； l 为比色皿的液层厚度；a 。为在波长 时的光散射和背景吸光度。 同样，对于波长为x ，的光也有： in 南京航空航天人学硕十学f _ 论文 ( 2 - 9 ) 式中，a 、j 为 。时的吸光度；k 、。为 ：时的吸光度系数： 、：为在波长 ! 时的 光散射和背景吸光度。 5 4 0 n m 和6 9 0 n m 山了二相差不太远，可以把a ，1 和a 。看成相等。因此透过比色 皿后的参考信号和样品信号的吸光度之差a 为 此式说明，样品中带测组分的浓度与两波氏的吸光度之差成l f 比。根据这 原理，只要在电路中求出参考和样品两信号的吸光度之差，便可求出相应的血红 蚩e 的浓度。 多参数血细胞自动分析仪的系统研究 第三章血细胞分析仪结构设计及重要部件 3 1 结构设计 咳仪器主要从整体结构上是由传感装置( 小孔换能嚣) 、定量装霄、信号放 人及预处理、液压系统、比色皿、微机及接口等部分组成，其原理框图如图3 - 1 所 示。整个仪器在微机控制下进行工作。 圈3 i 仪器整体结构原理幽 血细胞计数器的基本结构又可分为信号转换系统、电路系统和微机接口等几 大部分。它是一种能对血细胞的大小及数量进行高精度多参数测量的自动检测仪 器。该仪器主要由传感装置( 小孔换能器) 、定量装置、信号放大及预处理、微机 及接口等部分组成，整个仪器在微机控制下进行工作。 3 2 信号转换的几个重要部件 信号转换系统就是使一定体积的液体通过小孔管流动，在流动过程中，引起 小孔管内外电极上的电压变化，从而获得我们所需要的信号。信号在转换过程中， 系统中的小孔管、电极、定量装置、压力泵，是信号转化是否成功的关键部分， 1 2 南京航空航天人学硕十学何论文 p 嘶本文对其分别作一介绍： 1 、小孔管 小孔管是信号转换的关键部件，它是用激光：艺在红宝乇i 或蕊宝石片( 2 5 - 5 0 微米厚) 上打小孔，并通过特殊工艺将小孔边缘毛刺去除，使其光滑并宵定 的光洁度。然后将其粘接或烧结在一只有机玻璃管上而制成的。通常每个小孔所 能测试的颗粒大小为小孔直径的24 0 。这样，1 0 0 微米( pm ) 的小孔可以测2 。1 0um 大小的颗粒。小孔管的直径为8 0 “m 和1 0 0um ( 分别测量红细胞、血小板和 白细胞) ，为便于测量，小孔安置于管子底部的侧面。孔径的大小直接影响两电极 r c j j 电解液的阻值。根据我们的测量，1 0 0um 的小孔在生理能水中，其阻值约为1 5 t 欧姆【kq ) 丘右。为减小干扰，将信号采集放大板紧靠传感器，尽量缩短内电 极到浚放大扳的距离，并采取屏蔽措施。 2 、电极 在小孔管内外分别安装有一个内宅极和一个外电极。由r 稀释液本身的电阻 值较大( 约1 3 k q 左右) ，另外稀释液会同不少金属起化学反应，因此既要求电极 材料电阻率低，又要求它有很好的稳定生。我们用不活泼的铂金材料，研制了用 于该仪器的铂令丝电极。我们用铜、银作电极进行了测量对比，结果表面用铂合 会丝做电极时电阻约降低1 5k q 左右。 电极和红宝石小孔的研制，是解决准确测量细胞大小的其中两项关键技术 3 、血细胞定量装置 临床上昕需要的细胞数都是指单位体积内的细胞数，通常红细胞、白细胞和 血小板的计量均指每立方毫米或毫升( m m 3 或u1 ) 内的数量。设被测血量为y 微 升( u1 ) ，稀释率为c ，计算结果为s ，则每毫升内细胞数为：x = c s y 。为使最后结 果准确，就要求稀释倍率c 、计算结果s 和被测血量尽量精确。其中s 由计数器读 出，稀释倍率c 由专用稀释器控制，这二者的误差可以调整到最小。而被测血量y 则 l3 童叁丝堕塑些鱼垫坌堑丝竺至竺竺至 是指被计量的液体体积。血细胞采用了专用定量设备来确保被计量体积的精度。 图3 - 2 为定量装置的管路示意图。计数时，样品液在负压抽吸下通过小孔进入 小孔管。当液而沿管路上升到p 3 点时，弯曲的液面使发光管发出的光线折射，光 电险测器便产生一个脉冲信号去控制电路使测量丌始；当液曲 ：升到p 1 时，又产 生一个脉冲信号使测量结束。p 1 和p 3 之间的容量便等于进入小孔管被计数样品液 容积。图中p 2 的作用是检测定量管的污染情况。其定量的精度主要取决于光电器 件参数的选择( 如波长等) ，安装精度及光电阈值。 剀3 2 定昔装置原理隆j 4 、压力泵及抽吸过程 压力泵是用来i 吸液和排液，如图3 3 所示，可逆电机带动滚轴盘转动，滚轴 盘上带有滚柱，在电机的带动下，滚柱依次挤压硅胶输液管。图中滚柱，将输液 管的液体分为a 、b 两部分，随着滚柱盘的转动，滚柱1 【 | 右向左挤压液体，这 样液体a 便被排除，调节图上的滑块手柄，可以调节滚柱挤压输液管的松紧程度 柬控制排液速度的快慢。由于电机的可逆性，使得液体既可以从a 流到b ，岜可 以b 流到a ，产生所谓的正压和负压。负压的作用是用来向小孔管内吸液，正压 是为了用来排除堵孔用的，即当小孔管的孔被堵塞后，向小孔管加以_ f 压，利用 4 南京航空航大人学硕十学 口论文 剀3 3 负压泵及抽吸系统示意剀 5 至叁丝堕塑堕旦垫坌盟堡竺至竺型! 茎一 = = ；= _ _ _ e = j f _ _ _ = = = = - 5 一一 第四章管路系统设计 液体管路系统就是在血细胞的测量过程中，液体的流动过程。见图4 - 1 所尔。 t 要有一个负雎泵、血个电磁阀、橡胶管以及废液瓶等组成。 剀4 1 管路系统作流榉 1 、q y 一取洋头2 、x h 血红蛋白进样管3 、b s 一血红蛋白比包皿4 、d f 一电磁侧 5 、d l - 定草管6 、m 一可逆电机7 、j y 静压均压罐 4 1 仪器接通电源时注入稀释液流通过程 仪器丌机接通电源后，由控制计算机发出向耳义样头和定量管内注入稀释液的 指令：此时5 # d f 和2 # d f 电磁阀同时吸合，并且泵电机i f 转( 逆时针转动我们 定义一转，反时针转动则为反转) 。这样注入稀释液的通路，已全部通顺，由泵转 动丌始抽入稀释液，则稀释液瓶中的稀释液流程经5 # d f 通过硅胶管进入取样头 0 y ，再流入微孔管内，经过取样头左侧管口流向定量管下端进水管口，然后由上 j 嵩左侧出水口流出，进入均压罐j y ，通过2 # d f 电磁阀，最后由泵将多余的稀释 液抽入废液瓶中。 南京航空航天人学硕1 j 学位论文 丌机后自动注入稀释液将微孔管内和定量管内注满了稀释液，同时将管路内 部以及微孔管、定量管内清洗一遍。 丌t f t 后- 自动注入稀释液这一流程时m 约为i 7 i8 秒，这个1 7 、r i e , j 由所编程序决 定，一次f j = 入稀释液约为6 m l ，整机全部通路的容积约为35 m l 。 4 2 测量红细胞时血样在管路中的流程 警仪器电源打丌，注入稀释液程序结束后，将采集的全j 按稀释操作要求 进行5 力倍稀释后倒入血样杯，放在托盘上，然后由计算机发出测量红细胞的指 令，红细胞测量程序丌始，红细胞进入微孔进行计数时管内的血样流程见图4 - 2 实 线所标的流程方向。管路内的流程如下 首先将定量管内的稀释液抽排，i # 电磁阀和4 # 电磁阀同时十j - 5 1 ，并且泵l f 转 丌始抽稀释液。 当定量管内的稀释液抽到下限l 面位置时，发出一个信号，并且略微延长极 小的时削，稀释液实际上还要下降到一x 面位置时，l # 和4 # 电磁阀释放关闭。 以上稀释液在定量管内的流向见图4 - 2 所示一测量红细咆时，稀释液和血样流 程见图中虚线所标的流程方向。 幽4 - 2 测量红细胞时的血样流群剀 在1 # 和4 # 电磁阀释放关闭的同时，2 # 电磁阀吸台打丌，此时因为泵没有伊止 多参数曲细胞自动分析仪的系统研究 仍然在萨转，故定量管内产生负压，血样通过微孔管上宝石微孔，当每个红细胞 通过微孔时，则产生一个电脉冲。 当管巾的液体流到定量管的下限l 面位胃时，计数丌始此时微孔中产牛的电脉 冲经放大、鉴别、运算处理后，有计算机程序控制进行f u 脉冲计数，也就是对 i 细胞进行计数测量。 在定量管的液体通过下限l 面位置，继续上升到一定位置y 面位置时( 这个 位置大约为定量管高度的1 3 1 4 ，此时削有计算机程序控制) ，因静压均压罐有一 定的负静压，此时泵即停止转动。同时2 # 电磁阀释放关闭。冈在均压罐内仍有 定的静负压，故血洋继续不阳j 断地进入微孔，定量罐内的液体继续上升，直到升 至定量管的上限h 面位置时，停止计数，则这个血洋红细胞计数完毕，在计算机 上显示器上直接显示出计数值。同时i # 和2 # 电磁阀瞬时吸合即释放关闭，将定 量管和负压罐内的负压平衡掉。 以上为红细胞计数的一个工作过程。 白细胞计数过程同红细胞完全相同，不同点就在于在白细胞计数之i d ，首先 耍加入溶血素。 4 3 测量血红蛋白时血样在管路中的流程 测量血红蛋白时的管路内的流程如图4 - 3 所示。在负压泵i f j 转，3 # d f 电磁阀 吸合打丌，这样血样经血红蛋白吸样管吸入比色皿b s 中，然后经负压泵流入废液 瓶。 刚4 - 3 血红蟹自的管路流稗 南京航空航天人学硕十学f 论文 第五章电路系统设计 电路系统主要有信号提取电路、微弱信号放火咆路、定量电路、蜂值检测f i l 路、 也机与f u 磁阀控制电路、计算机和i o 接e lf 巳路等组成。f 巳路系统榧图如图j 1 所1 。 幽5 1 电路结构原理框剀 5 1 信号的提取及预处理电路设计 由于细胞通过小孔时，其内外电极阳j 的电阻变化是非常微弱的。为了提高测 量结果的准确性和测量速度，我们设计的信号提取及预处理电路原理框图如图5 - 2 所示。 幽5 2 信号提取及预处理原理框幽 多参数血细胞自动分析仪的系统研究 5 _ 2 高精度程控恒压源 恒压源输出的电压是直接加在微分检测电路上的，其精度和噪声直接影响测 量结果。为此，我们首先采用两片l m 3 1 7 集成稳压芯片相串联，构成一恒压源， 用于为微分检测电路提供稳定电压。原理框图如图5 3 所示，并且此恒压源有以下 两个特点：一是电路经过多级滤波、稳压；二是恒压源的输出电压大小可以调节， 由程序控制，可以保证一方面是为了在测量血小板时要有足够的电压幅值，另一 方面，当较大的细胞通过小7 l 时，不能使产生的电压脉冲幅值太高，避免造成放 大器增益饱和。 图5 - 3 程控稳压源结构框图 我们采用图5 - 4 所示的微分检测电路。从图上可以看出 图5 - 4 微分检测电路 输出电阻等效为r + r ，则v ，= r + a r ( 2 r 十ar ) 3 v 。，可以求出： v 0 = r ，c d 矿v ir r c v c c 丽r 2 k r ( 洲 由于稀释液的电阻为】3 k q 左右，当小孔为1 0 0 “m 时，其电极两端的电阻约 为1 5 k q ，而细胞引起的电阻值变化最大只有几个欧姆，即有r r 。因此，( 5 一i ) 式可简化为： v o = k r ( 5 - 2 ) 塑塞堕皇堕鲞查兰堡圭兰垡笙兰 _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 其中：k r f c 4 r 可见，输出电压与传感器电阻变化率成正比。 5 3 微弱信号放大电路 放大器的噪声性能和频率特性直接影响到信号的正确提取，因此放大电路是 实现对血细胞参数进行正确测量的关键部分。放大电路的原理示意图如图5 - 5 所 示。 图55 放大电路的腺理不恿圈 在设计中，我们采取了如下措施提高放大器的性能： ( 1 ) 首先选择设计l f 3 5 6 运算放大器构成低噪声的放大电路，并采用多级放大 器实现高增益。 ( 2 ) 考虑到信号变化频率较低，用ql 、q 2 和q 3 组成的放大器之间采用直接耦 合放大器，以改善放大器的低频特性，同时采用直流电平复位电路去除由温度漂 移引起的直流分量。 ( 3 ) 选用晶体管构造输入级，实现输入阻抗匹配，最大限度地利用信号能量。 ( 4 ) 减少输入级噪声，降低放大器噪声系数。 ( 5 ) 用i c l 构成正向削波电路，其相当于一个理想二极管，使检测到的血细胞 脉冲成为规则的脉冲信号。 5 4 峰值检测电路 测量时，从放大电路输出的信号可以直接送入a d 进行转换并输入到缓冲器 ! i 兰童墼塑。塑堕鱼垫坌塑堡竺墨竺型! 圣 = = = = = 2 1 1 1 1 1 = ；= = = = z 口# 2 5 2 5 2 2 2 ；= = = e = _ _ l 。b _ 。2 。1 。1 一一一 保存，待采样结束后再由计算机软件计算出峰值，即每个细胞脉冲的最大值，由 这个最大值就可确定细胞体积的大小。由于一次样品采样有+ 定时间，数据量很 大，除了需要占用计算机较大的存储空间外，仅计算峰值就需要较长时问，吲此， 我l 通过硬件的途径来实现峰值检测，可以大大缩短数掘处理的时间，从而提高 了仪器的测量速度。 从峰值检测原理上，我们可以从图5 - 6 电路中加以说明。现设输入e 为一电 压，如果e 增大，保持电容c ，就要经二极管v d 充电到e ，= e 。如果e e ，时补充充电，充电到e i 的最大值。 实际上为防止由于二极管正向压降e 引起的误差，采用运放组成理想二? 极管对f 色 容( 1 ，弃中。 舶啊 幽5 - 6 峰值检测原理幽 峰值检测电路由p k d 一0 1 集成电路构成，其输出信号同时作为 d 转换器的 “s t a r t ”信号。 5 5 定量管电路 所谓计数是指一定体积中血细胞的数量，所以液体定量是计数中的关键之一。 我f l 、】在定量管上安装了光电感应装置，达到定量的目的。定量电路示意图如图5 7 所示。 当有无液体流过时，发光二极管l e d i 发出的光线经过液体，使光敏三极管 q i 接受的光强不同，通过调节v r ，使q 1 处于临界导通状念，光强的变化使q 1 南京航空航天人学硕“ “学位论文 导通或截j l ，从而使i c ! 的输出在有无液体时，分别处于高电平或低f 乜平，把这 个电平的变化作为定量信号送到计算机。p 实现定量的目的。 + s v 幽5 7 定姑t h 路原理幽 5 6 抗干扰措施 血细胞稀释液本身有较大的电阻率，并且由于宝石w , 孑l t l 径很小，只有8 0 微 米( um ) ，在没有细胞通过小孔时，内外电极日j 的电阻仍然有几万欧姆，相对于 这一电阻值，细胞通过小孔时电阻的变化( 即信号) 则很微弱，最大变化量只有 几欧姆，这样，各种干扰信号都会通过这个电阻建立起较强的干扰电压，造成信 号无法提取。显然该仪器的一个显著特点，就是干扰问题比较突出，因此如何采 取有效措施抑制干扰是该仪器设计中需要解决的又关键问题， 5 , 6 1 电源和接地系统干扰 电源内阻是引起电源噪声干扰的主要原因，如果没有内阻，任何噪声干扰都 会被电源短路吸收，在线路中不会建立任何干扰电压。 为了防止从电源系统引入干扰，我们采用图5 - 8 所示的供电配置。 2 图5 - 8 系统抗干扰供电方式的结 ：| 框剧 多 吖tlnu_r一一倒t叫工一一 u 至查鍪堕型壁皂塾坌堑垡竺至竺塑塞 ( 1 ) 采用交流稳爪器。交流稳压可保证供电的稳定性，防i ：电源系统的过压和久 f k ，以提高整个系统的可靠陛； ( 2 ) 使用双隔离变e 器。由于高频噪声通过变压器不是靠仞级线斟的互感偶合， 而是靠仞、次级问寄生电容干扰，因此隔离变压器的初级和次级之间采用屏 蔽层隔离，减少其分行电容，以提高抗共模干扰的能力： ( 3 ) 整流之自u 加多级滤波。由谐波分析可知，电源系统的干扰大部分是高次谐波， 因此采用低通滤波让5 0 h z 基波通过，滤除高次谐波，改善电源波形； r 1r 1 4 ) 在整流之后采用双t 滤波器 如图5 - 9 所示，以消除5 0 h z 幽5 9 舣t 滤波器原理幽 ( 5 ) 采用分离稳压块。在每块系统功能模块上电源入口用三端稳压集成块，如 7 8 0 5 、7 9 0 5 、7 8 1 2 、7 9 1 2 等组成稳压电源。 5 6 2 输入t t 出通道干扰及抗干扰措施 过程通道是输入接口、输出接口与主机进行信雇、传输的路径。在过程通道中 信号传输不可避免的要引入干扰。如何避免干扰出现或采取必要的措施滤除干扰 是也是本文考虑的因素。 在我们的血细胞分析仪系统中，传输线上的信息多为脉冲波，它在传输线e 传输时会出现延时、畸变、衰减与通道干扰。为了保证信号传输的可靠性，我们 主要采耿光电耦合隔离措施。原理示意如图5 1 0 所示。 采用光电耦合器可以切断主机与输入输出通道以及其它主机部分电路的电联 系，能有效地防止干扰从过程通道中串入主机。 4 南京航空航天人学硕十学位论文 光电隔离的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程 通道上地倍噪比大大提高。光电耦合器的这种很强的噪声f 一扰隔离能力，是因为 ( 1 ) 光电耦合器的输入f j h 抗与干扰源内阻相比较小，自口者数量级为1 0 0 q 1 kq 巾后者为1 0 1 1 0 8 q ，凶此，光f 乜耦合器输入端的噪声爪降很小 ( 2 ) 二f 扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量很小，只能形成微弱电流，而光电耦合 器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，所以，即使有很高电压幅值的 丁扰，由于不能提供足够的电流而彼抑制掉： ( 3 ) 光电耦合器是在密封条件下工作，不会受到外界的干扰； ( 4 ) 输入回路与输出回路之间分钸电容很小，一殴仅为o5 2 p f ，而绝缘电阻很大， 通常为1 o “10 1 ：q ，因此，在回路中，一端的干扰很难通过光电祸合器馈送到 另一端去。 幽5 - 1 0 光电隔离基本配聋 5 6 3 屏蔽与地线 整个系统中，还受到许多空间电磁波的干扰，包括计算机的丌关电源、电源 变压器、同光灯等产生的空| 白j 射频干扰。我们采取的抗空问干扰措施有：采用导 体接地的静电屏蔽；采用导体包围式对反射进行吸收的电磁屏蔽。 在我们没计的微机控制的血细胞分析仪中，接地是抑制干扰的重要方法，并 且将接地和屏蔽结合起来，以解决大部分的干扰问题。 在系统中无论是人为的或寄生的，欧姆性的或电抗性的接地连接都可能构成 2 s 多参数血细胞1 3 动分析仪的系统研究 人 令人讨厌的干扰源。所以，我们采用了以下接地措施 ( 1 ) 堆点接地 单点接地就是信号通道中只有点接地，则信号系统只有这点与f 扰源连 接，冈此，信号电路中不可能形成于扰电流。如倒5 1 】所永，如果整个系统彳j 两， 接地( 1 点和2 点) ，共模电压v ! 在回路中t 扰电流。如果系统改为单点接 地，则可以在传感器和被测物体之问加入绝缘使传感器浮空。整个通道只尉! 点 接地，不可能产生干扰电流。 与感擀 l2 ) 浮地和接地 幽5 - 1 l 单电接地示意幽 将计算机机壳接地，其余部分浮空技术。所谓浮空就是指系统的输入信号、 放大器公共线不接机壳或大地。对于被浮空的测量系统，测量电路与机壳或大地 之问无直接联系。 另外，印刷电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设 计的好坏对抗干扰能力影响很大，故我们在印刷电路板设计中，充分考虑到了印 刷电路板大小要适中，元件的位置要合理及如何安排板上的电源和地线走向等。 南京航空航天人学硕十学位论文 # 一一 为了提高系统的抗干扰能力，我们还采用了合理的电源线和胃、去祸电奔配 谢、电源线和各种信号线相互分离等措施。 5 7 电机与电磁阀控制电路 训算机通过i 0 接口和光电隔离，输出控制电机的正反转；_ f i j 电磁阀的丌闭。山 于我们采用的是两相电容运转交流伺服可逆电动机，激磁电压f i 压为1 2 7 v ( 2 2 0 v 作驱动机用) ，我们采用两个光电式三端双向可控硅驱动器束完成电机的驱动和正 反转。图5 1 2 所示为正转或反转的控制原理图。光偶合的舣向可控硅是。种易于 使用的器件其输入端的l e d 的驱动方法与普通的光偶合l e d 的驱动方法相同， 通过上拉电阻直接有计算机的i o 口输出控制。输出驱动另一个附属双向可控硅束 实现对电机的控制。其中r 2 、c 1 和r 3 对于双向可控硅的栅极驱动网络来讲，提 供了一定的相位偏移，从而保证了正确的双向可控硅的触发动作，而r 4 c 2 则形 成了一个阻尼网络，以抑制由于电流的变化所产生的电感效应。 来 图5 1 2 电机止转或者反转原理幽 对电磁阀控制而言，原理如图5 1 3 所示。本文采用了直流2 4 v 驱动而计算 机的输出电平是+ s v ，不足以直接驱动电磁阀。所以计算机的输出经过光电隔离器 首先驰动控制t t l j 集成门电路，其输出外接上拉电阻上外接+ 2 4 v 电压，一是用 柬满足电磁阀对电压的要求，另一个原因就是用于提高带载能力。有t t l 门控制 输出，用于驱动电磁阀，其中r ，c 作为用于电磁阀在释放过程中作为电磁阀线圈 的放电回路。 - 2 7 堑童垫堂：塑堕旦垫坌丝坚塑墨竺竺! 壅一一 一一 来 幽5 i3 电磁阔控制驱动l b 路 5 8 光电比色放大电路 利用光电池作为检测元件