一种简易半自动生化分析仪的设计

一种简易半自动生化分析仪的设计 李传林 ，舒邦久 (中国地质大学（武汉）机械与电子信息工程学院，湖北武汉 430074) 摘要：生化分析仪是当今各医院、血站等医 疗机构使用的重要仪器之一，人体器官各种功能如肝功能、 肾功能、心肌功能等临床指标都需要 这种仪器来提供诊断参数。本文从生化分析 仪的工作原理入手，介绍了 一种简易半自动生化分析仪的设计。 关键词：生化分析仪；吸光度；朗伯-比尔定律 A simple design of semi-automatic biochemical analyzer Li Chuan-lin Shu Bang-jiu ( College of Mechanical and Electronic Information Engineering,China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China) Abstract: Biochemical analyzer is currently available in hospitals, blood banks and other major equipment used in medical institutions, one of the various functions of human organs such as liver function, kidney function, cardiac function and other clinical indicators are in need of such equipment to provide diagnostic parameters. In this paper, the working principle of biochemical analyzer start, introduced a simple semi-automatic biochemical analyzer design. Key words: biochemical analyzer; absorbance; Lambert - Beer law 0 绪论 临床检验医学中要对人体血液或其他体液中的生化指标进行检测，在得到的数据中分 析各项指标的异常，从而对各器官功能做出评价，帮助诊断疾病并进行治疗。例如，对肝 功能的诊断需要检测白蛋白、总蛋白、转氨酶、胆红素等参数；对肾功能的诊断需要检测 尿素氮、尿酸、肌酐；诊断血糖的高低需要检测血清中葡萄糖的浓度；另外还有血脂，心 肌功能，胰腺功能等等。生化分析仪就是一种对这些生化参数做出检测的仪器。目前市场 上的生化分析仪主要可分为两大类：半自动生化分析仪和全自动生化分析仪。全自动生化 分析仪 1把分析过程中的取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、结果计算和显示以及清 洗等步骤全部由机器来完成，而半自动生化仪的取样，加试剂，混匀，清洗步骤则需要手 工操作。本文主要介绍的是一款简单低成本半自动生化分析仪的设计。 1. 1 生化分析仪的工作原理 生化分析仪是一种光学分析仪器。它基于不同分子结构的物质对光的选择性吸收的原 理，通过对样品溶液的吸光度进行分析，利用朗伯-比尔定律来求出溶液中吸光物质的浓度。 样本溶液 反射光强 Ib 入射光强 Io 透射光强 I 吸收光强 Ia 图 2-1 光分析示意图 如图 2-1 所示，一束强度为 Io 的单色平行光照射到均匀、非散射的溶液时，被溶液吸 收的光强为 Ia，比色皿反射光强为 Ib，透射光强为 I。在相同的比色皿中进行吸光度分析 时，可以忽略其反射光强的影响，因此我们可以简单地认为 Io=Ia+I，因此该溶液中此单 色平行光的透过率 T=I/Io。 朗伯-比尔定律 2的表达式 A=-logT=-log(I/Io )=log(Io/I)= bc，其中 A 为吸光度， T 为光的透过率， 为常数，我们称为摩尔吸收光系数或消光系数，b 是溶液中的光程长 度，c 是吸光物质的浓度。从该表达式中，我们可以看出：吸光度是光强透过率的负对数， 在相同的比色皿中，光程强度一定，溶液中某物质的吸光度与其浓度成正比。生化分析仪 正是利用这一原理，将透射光强 I 转化为电信号，通过放大，AD 采集，计算出吸光度，从 而得出被测物质的浓度。 2. 设计方案 密封光路 流动式比色池 光电池 微型计算机 MCU LCD 显示 微型打印机 键盘 实时时钟 光路选择 吸样电机 数据采集 信号放大 恒温控制 单色平行光 透射光 电信号 样本溶液 液路 光源 图 3-1 半自动生化仪设计方案图 下面简单介绍下半自动生化仪的工作步骤。首先开机将仪器的反应装置加热并保持在 恒定温度（一般在摄氏 37 度） ，打开光源并选择特定波长的单色光。第二步将被测样本 （血清）与检测试剂按所需比列混合后，通过液路将溶液吸入比色池内。第三步测试该溶 液的吸光度，根据朗伯-比尔定律计算出溶液中被测物质的浓度。最后显示测试的结果并打 印出检测报告。从上面的工作步骤中我们可将半自动生化仪分为三大部分，光路部分、液 路部分和电路部分，其各部分的组成关系如图 3-1 所示。 半自动生化仪硬件设计 光路部分设计 从朗伯-比尔定律中，我们知道半自动生化仪主要是通过测试溶液的吸光度来计算物质 的浓度。因为光源是同一个，即可认为入射光强是固定的，所以我们只要检测出透射光强 即可。通过硅光电池，我们将透射光转化为电信号，再进行 AD 采样数据，计算吸光度。 光源采用 6V12W 卤钨灯，其发光强度大，便于检测。通过滤光片后选出特定的波长， 形成单色平行光。通过滤光片选出七个波长的单色光（分别是 340nm，405nm，505nm，546nm，578nm，630nm，670 nm） ，就可以满足大部分的生化测试。 卤钨灯采用开关稳压器 LM2576 提供稳定的 6V 电压，其特点是输出电流大，可简单地由其 ON-OFF 脚的逻辑电平来控制其是否工作。 液路部分采用蠕动式泵管来吸取溶液和排出反应后的废液，其原理是由步进电机来控 制泵管蠕动的步数，从而来达到所需要的吸液量。 1.1 电路部分设计 4.2.1 微处理器的选用 测试的控制与数据分析处理器用的是 Atmega128 单片机，这是一款高性能，低功耗的 微处理器。其主要特点有：丰富的指令集，且大多数可以在一个时钟周期内完成，数据处 理速度快；128K 字节的系统内可编程 Flash 及 4K 字节的 EEPROM，4K 字节的内部 SRAM， 存储空间大；53 个可编程 I/O 口线，64 引脚 TQFP 封装，接口资源丰富使得扩展外部设备 更加方便；自带 8 路 10 位 ADC。 图 4-1 恒温控制电路 4.2.2 恒温控制电路 一些生化测试受温度的影响较大，比如酶类，在一定范围内，温度越高，其反应越剧 烈，测试的结果就会越高。为了保证临床测试结果的准确性和重复性，反应装置（比色池） 必须在恒温状态。恒温控制电路如图 4-1 所示，温度半导体元件采用帕尔贴，其原理是改 变通过电流的方向来达到制热或制冷的状态。我们用四个 MOS 管构成的桥式电路来控制其 电流的方向，由于帕尔贴工作电流较大，控制信号必须进行光耦隔离。 4.2.3 光信号检测电路 要检测吸光度，首先我们必需把光信号转化成电信号，然后再进行数据采样。光电转 换器我们用的是硅光电池 SPS0606，其适用工作于 300nm 到 1000nm 光谱范围内的各种光学 仪器，暗电流 A。模数转换器件选用德州仪器的产品 ADS1110，这是一款 16 位带有片810 内基准电压的模数转换器，封装为小型 SOT23-6，使用可兼容的 I2C 串行接口传输数据。 ADS1110 可每秒采样 15 、30 、 60 或 240 次以进行转换。在单周期转换方式中 ADS1110 在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少了电流消耗。光信号检测电路如图 4-2 所示，光在转化成电流信号后被放大，再经过 ADS1110 将模数转换后传送至单片机进行数 据分析(对数运算等)。 图 4-2 光信号检测电路 4.2.4 其他外部设备电路 外部设备包括键盘、显示、打印机、实时时钟等电路的设计。系统只用简单的四个按 键来实行仪器的操作，设计就采用独立的按键方式，逐个扫描来判断按键的状态。显示器 件使用 LCD12864，驱动芯片 T6963。打印机采用北京荣达的 RD-M 系列的热敏式微型打印机， 有效打印宽度 48mm，驱动程序简单，便于使用。实时时钟使用 DS1302，串行数据传输。节 省 I/O 资源。 3. 总结 本文是在朗伯-比尔定律的基础上，从原理上介绍了生化分析仪是如何设计出来的。软 件部分文章中未作具体介绍，但在整个系统的设计中也是非常重要的一环。友好的人机操 作界面，会使仪器更容易