医学电子仪器设计第7章-半自动生化分析仪设计.ppt

第七章 半自动生化分析仪设计n7.1生化分析仪概述n生化分析仪是用来对人体中的血液、尿液等各种生化成分进行定量检测和分析的仪器。7.1.1生化分析过程n生化分析过程一般包括样品的识别、处理和存储，样本和试剂的存储、传送，化学反应和反应的检测，信号处理、数据报告和结果分析等步骤。半自动生化分析仪部件结构图nLCD显示屏；键盘；电源指示灯；打印机；比色池；吸液键7.1.2 生化分析仪分类n（1）按反应装置的结构分可为连续流动式、分立式和离心式三类n（2）按自动化程度可分为半自动和全自动两种。n（3）按同时可测定项目可分为单通道和多通道两类。n（4）按仪器的复杂程度及功能可分为小型、中型和大型三类。n（5）按规定程序可变与否，可分为程序固定式和程序可变式分析仪两类。7.2生化分析测量原理n7.2.1 基本原理n临床检验中常利用吸收光谱的强度来测定体液或组织中某一成分的含量，这类分析方法统称光度法。7.2.1 基本原理n朗伯比耳定律nAKCLn吸光度 n 为入射光强度，I为出射光强度，7.2.1 基本原理n朗伯-比尔定律成立的前提n(1)入射光为平行单色光且垂直照射；n(2)吸光物质为均匀非散射体系；n(3)吸光质点之间无相互作用；n(4)辐射与物质之间的作用仅限于光吸收，无荧光和光化学现象发生。7.2.2 信号采集方法n（1）终点法。n（2）固定时间法n（3）连续监测法：又称为速率法 各测光点之间的吸光度的变化速率来得到浓度7.2.3 葡萄糖氧化酶法测量原理n醌亚胺的最大吸收峰在500nm左右，吸光度的变化与样本中的葡萄糖浓度成正比。7.2.4 生化分析仪总体结构n生化分析仪由光路和电路部分组成n半自动生化分析仪具备了生化分析仪的所有基本功能，设计思路和方法很有代表性，因此本节以半自动化生化分析仪作为典型代表来介绍仪器的设计方法。半自动生化分析仪光路设计n光路部分：包括光源和透镜、比色池、单色装置（光栅和滤光片）等半自动生化分析仪电路设计n电路部分：除光电接收、信号放大、数据处理等核心模块外，还包括电源模块、蠕动泵、温度控制模块、显示模块、按键输入模块、打印模块等部分组成。半自动生化分析仪电路设计n生化分析仪系统组成框图。7.3 测量光路设计n7.3.1 光源选择n在光学检测中，理想的光源应该具有使用寿命长、价格低的优点，除此之外不同的应用场合对光源会提出不同的要求。n光源从大类上可以分为连续光源和单色光源两种。n最典型的连续光源是白炽灯，它发光的光谱符合黑体辐射定律。n现在常用卤钨灯，卤钨灯的波长和能量均较稳定，价格也较低，但缺点是能量低，尺寸也较大。n另一种重要的气体放电灯是氚灯，它属于真空管器件，对应的辐射波长范围是195400nm，目前氚灯的主要缺点是寿命有限。7.3.2 光电探测器选择n1 光电传感器类型n热探测器和光子探测器n热探测器对各种波长都能响应，光子探测器则对一般只对一段光波长区间有响应；热探测器响应时间比光子探测器长，光子探测器具有响应快的优点，它的响应时间一般在微秒或纳秒数量级，因此在一些快速测量的场合，只能选用光子探测器。n2 光电传感器的性能参数n（1）光谱响应范围n（2）暗电流n（3）响应率n（4）噪声等效功率n（5）响应时间n（6）线性度7.3.3 分光方法选择n分光光度计采用的光源一般是发射宽波段范围的连续辐射，然而在实际测量时希望采用窄谱段或单色光。因此，必须采用合适的装置将复合光分解为窄谱带或单色光，单色器就是将光源辐射的复合光分解为单色光并可以从中分出任意波长单色光的光学装置。单色器n单色器由入射狭缝、准直装置（透镜或反射镜）、色散元件（棱镜或光栅）、聚焦装置（透镜或凹面反射镜）和出射狭缝等五个部分组成一个完整色散系统，安装在一个不透光的暗盒中。色散元件n（1）光栅n（2）滤光片n（3）折射棱镜7.3.4 光学系统设计n设计光学系统，首先需要确定所使用的光波段n测量中需要平行光n卤光灯设计中首先看它的光谱曲线，还要注意空间光场分布n光电管需要注意的除了波段还有主要是噪声水平n分光元件是光栅，角色散和线色散是光谱仪的重要指标7.4 生化分析仪电路的设计n7.4.1 信号采集和处理模块n信号采集和处理模块的功能包括对光的强度进行采集、放大和转换，用于数据分析处理。信号检测电路将采集的光信号转化为电流信号，经过运算放大器放大和AD转换芯片转化为数字电信号，最后送入单片机进行处理。光信号检测电路光信号检测电路n采用硅光电池检测光信号强度。nT型反馈电路组成电流-电压变换电路nT型网络电路的等效电阻 n输出电压电压放大电路n为了方便后续电路处理，需要将电流-电压转换电路输出的信号转换为后续电路所需要的信号。n采用集成运算放大器AD8677实现此放大功能，将电流-电压转换电路输出的信号输入到运算放大器的同相输入端，经过反馈放大后在输出端得到所需放大电压。n经过放大电路放大后的信号是模拟信号，而处理器仅能处理数字信号，为了能把该模拟信号的数值用处理器进行计算处理，需要先用AD7715转换模块把放大后的模拟信号转换成数字信号，再传给处理器。外置A/D模块数据采集子程序n数据采集模块的主要任务是读取测光值，并进行测光量程判断。读取ADC数据后判断数值大小，通过程控开关选择合适的量程进行采集，读取转换结果并保存在数据缓冲区。数据采集子程序流程图7.4.2 中央控制系统设计n中央控制系统应用程序由主程序、中断服务程序和其它子程序组成，核心部件为单片机。nSTM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的32位ARM Cortex-M3内核，其增强型处理器采用 LQFP100 封装，哈佛总线结构，90MIPS运行速度，72MHZ主频运行的CPU控制系统软件组成框图n主程序主要完成数据采集、生化过程检测控制、数值显示等功能。生化分析仪主程序流程图按键处理模块n键盘模块用于人机交互操作。此处采用键盘扫描管理芯片ZLG7289B显示处理模块n320240点阵大小的彩色液晶显示模块RA8806蠕动控制模块n使用蠕动泵吸取液体进入比色池进行测量蠕动控制模块n蠕动泵的驱动采用步进电机。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。蠕动控制模块n步进电机驱动电路打印模块n测量完成后需要将测量数据打印输出nSTM32通过RS-232通信 模块将打印数据发送至 打印机控制器。温控模块n系统出于简化电路的考虑，通过STM32内部AD读入当前温度所对应的电压值，而DA转换器则选择TI公司的DAC7512。温控元件选用半导体加热致冷元件帕尔贴。驱动元件选用TIPl22和TIPl27，其中TIPl22构成正向控制电路，TIPl27构成反向控制电路。温度控制电路