全自動(dòng)生化分析儀的設(shè)計(jì)

【摘　要】　介紹了一種分立式全自動(dòng)生化分析儀的設(shè)計(jì)及研制概況，對(duì)各重要部件作了進(jìn)一步闡述，為今后人們研究全自動(dòng)生化分析儀提供了有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。
???? 關(guān)鍵詞：全自動(dòng)生化分析儀，分立式比色皿，硬件，軟件

　　全自動(dòng)生化分析儀是醫(yī)院的常規(guī)設(shè)備，是用來(lái)檢驗(yàn)病人體液中各種化學(xué)物質(zhì)的一種儀器，從二十世紀(jì)六十年代第一臺(tái)生化分析儀誕生以來(lái)，它的發(fā)展可謂突飛猛進(jìn)。目前的生化分析儀在精確度，制造精度以及功能等各方面都已經(jīng)達(dá)到了非常高的水平。我國(guó)的生化分析儀制造水平與國(guó)際水平相比有很大的差距，我國(guó)目前生產(chǎn)的小型全自動(dòng)生化分析儀，由于仍然使用流動(dòng)比色皿，其分析速度比較低，精度也難以達(dá)到較高的水平?？v觀各國(guó)生化分析儀廠家的產(chǎn)品，絕大部分都采用了分立式比色皿，這種比色皿相互分立，彼此之間沒(méi)有交叉污染，比色皿的個(gè)數(shù)也可以根據(jù)需要進(jìn)行放置，這樣，儀器的精度和速度將得到很大的提高，深受廣大醫(yī)院的歡迎。下面介紹我們的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
1　硬　件
　　生化分析儀主要是將顯色試劑和病人的血液標(biāo)本按照一定的比例混合，混合液被放置在恒溫比色皿中孵育，并連續(xù)測(cè)量它的特定波長(zhǎng)光的吸光度，最后根據(jù)吸光度的值確定所需測(cè)量物質(zhì)的濃度。儀器為了自動(dòng)完成這些工作，就必需要有一定的硬件做支持，主要包括以下幾個(gè)方面。
1．1　光路系統(tǒng)
??? 儀器光路系統(tǒng)如圖1所示。
　　光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，入射到比色皿上，透過(guò)溶液進(jìn)入45°半反鏡，一部分光線經(jīng)反射進(jìn)入干涉濾光片，由干涉濾光片變成單色光，入射到光電接受器；另一部分光折射后進(jìn)入下一級(jí)，依次類推，一共八級(jí)。

　　光源選用50W12V石英玻璃鹵素?zé)?，?zhǔn)直后變成3mm×4mm平行光，采用分立式、6mm光徑、立方體結(jié)構(gòu)、透紫外線有機(jī)玻璃比色皿杯，比色皿要求均勻一致，透光孔不能有任何劃痕，精確的120等分碼盤透光槽對(duì)準(zhǔn)比色皿的中間位置，保證讀數(shù)采樣點(diǎn)在比色皿的正中間；比色盤一圈共放置120只比色皿，最小比色溶液量為180ul。它的優(yōu)點(diǎn)是不存在交叉污染（流動(dòng)比色皿存在交叉污染），試劑用量省。
　　考慮到比色轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的比色速度，我們采用靜態(tài)的八路分光系統(tǒng)，應(yīng)用進(jìn)口的濾光片和光電接受器一體封裝的元件，測(cè)試波長(zhǎng)分別為340、380、405、500、510、546、578、630，光譜半寬度小于10nm，這樣可以一次采集八個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)而不用任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，克服了某些進(jìn)口產(chǎn)品比色盤轉(zhuǎn)動(dòng)，濾光輪也要轉(zhuǎn)動(dòng)的缺陷，保證了測(cè)量精度。
1．2　機(jī)械部件　　
　　全自動(dòng)生化分析儀的試劑和樣品用量均是微量級(jí)的，這就要求各個(gè)加樣系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)位置精確，我們采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)比一般為9：1，比色盤齒輪傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為15：1，步進(jìn)電機(jī)采用四相八拍方式驅(qū)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0．45度，注射器使用了進(jìn)口100ul和500ul各一支，精度為：500ul注射器0．5ul／pulse，100ul注射器0．1ul／pulse。比色皿恒溫是用高精度控制下的電阻絲加溫系統(tǒng)，溫度控制范圍為37±0．2℃，試劑冷藏
采用半導(dǎo)體制冷元件，一般控制在室溫下10～15度。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。機(jī)械部件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。

1．3　電路
??? 整機(jī)電路框圖如圖3所示。
　　我們采用一片2051單片機(jī)控制一只步進(jìn)電機(jī)的方向、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)等，通過(guò)422差分串口總線將它們聯(lián)接到接口電路板上，接口板上的控制信號(hào)再通過(guò)單片機(jī)8051的串口與計(jì)算機(jī)的RS－232串口相聯(lián)。所有電機(jī)工作在24V直流，位置傳感器是光電傳感器。
　　加樣臂控制電路主要由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和升降，4個(gè)位置傳感器分別檢測(cè)升降和轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，液面?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)樣品和試劑液面高度。
　　數(shù)據(jù)采集電路使用8個(gè)獨(dú)立的預(yù)放電路分別放大各個(gè)光電傳感器的電信號(hào)，16位A／D轉(zhuǎn)換把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，保證在吸光度為2A時(shí)的分辨率達(dá)到0．67mA。
　　比色皿轉(zhuǎn)盤控制電路由1只步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)比色盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，2只位置傳感器感應(yīng)比色盤的初始位置和每個(gè)比色皿的位置，加熱電源及溫度控制電路保證比色皿的溫度控制在37±0．2℃，12V高精度穩(wěn)壓電源供給12V50W的鹵素?zé)襞荨?/P>

　　試劑盤控制電路由1個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)試劑盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，2只位置感應(yīng)器確定試劑盤的初始位置和每一個(gè)試劑的位置。16V5A電源供給兩只半導(dǎo)體制冷器，溫度控制電路保證試劑倉(cāng)在一定溫度范圍內(nèi)冷藏。
　　注射器控制電路由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)樣品注射器和試劑注射器，2個(gè)位置傳感器感應(yīng)注射器的原始位置，1個(gè)電磁閥控制清洗水和加樣的轉(zhuǎn)換，2只蠕動(dòng)泵分別為加樣針內(nèi)外提供清洗水。
　　樣品盤控制電路由1個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制電路加上2個(gè)位置傳感器組成。
　　接口電路由2片8051單片機(jī)和一些外圍電路構(gòu)成，完成將計(jì)算機(jī)送來(lái)的命令轉(zhuǎn)變成各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件可執(zhí)行的命令，協(xié)調(diào)各個(gè)部件一致工作；同時(shí)把A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)及儀器狀態(tài)信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)處理。
2　軟　件
　　軟件有兩部分組成，一部分是計(jì)算機(jī)操作軟件，另一部分是單片機(jī)控制軟件。計(jì)算機(jī)操作軟件框架如圖4所示。
　　用戶界面是在Windows98平臺(tái)上，用VisualBasic開(kāi)發(fā)工具完成的，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access形式。在統(tǒng)一的用戶界面下，各子模塊完成特定的功能。
　　日常檢測(cè)菜單主要完成每天的日常工作，它由幾個(gè)子菜單模塊組成。常規(guī)測(cè)試用于日常標(biāo)本的病人信息錄入，測(cè)試項(xiàng)目的選擇，并對(duì)樣本進(jìn)行檢測(cè)，這也是儀器最常用的軟件模塊；急診測(cè)試用于急診標(biāo)本的錄入及急診標(biāo)本緊急插入測(cè)試，可以對(duì)已經(jīng)編排好的某些標(biāo)本優(yōu)先處理；實(shí)時(shí)結(jié)果顯示可以實(shí)時(shí)地顯示每個(gè)標(biāo)本的檢測(cè)結(jié)果；反應(yīng)曲線顯示模塊可以顯示任何測(cè)試項(xiàng)目、任何時(shí)間、某個(gè)樣本的反應(yīng)過(guò)程曲線，便于了解測(cè)試的詳細(xì)資料；儀器狀態(tài)子菜單，可以實(shí)時(shí)顯示儀器各工作狀態(tài)，如比色皿溫度、試劑倉(cāng)溫度、樣品檢測(cè)情況等；結(jié)果處理打印是將已經(jīng)檢測(cè)的樣本結(jié)果進(jìn)行審核確認(rèn)，打印檢驗(yàn)結(jié)果報(bào)告，反饋給病人。
　　參數(shù)設(shè)置菜單是完成各個(gè)參數(shù)編制的模塊，由三個(gè)子菜單組成。測(cè)試項(xiàng)目參數(shù)子菜單主要對(duì)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的樣品量、試劑量、分析波長(zhǎng)、測(cè)試方法等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，該設(shè)備可以編排任意個(gè)測(cè)試項(xiàng)目；計(jì)算項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置主要是設(shè)置一種計(jì)算公式，根據(jù)已經(jīng)測(cè)試的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，得到一個(gè)新的項(xiàng)目結(jié)果；試劑位置編排是對(duì)每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的試劑在試劑轉(zhuǎn)盤上的位置進(jìn)行設(shè)置，這樣，儀器能準(zhǔn)確地找到所需要的試劑，儀器能在項(xiàng)目測(cè)試前對(duì)每個(gè)試劑的量進(jìn)行測(cè)量，告訴操作 者是否需要添加試劑。

　　特殊檢測(cè)是除日常檢測(cè)以外的專用測(cè)試，可以做標(biāo)準(zhǔn)樣本的測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制；質(zhì)控標(biāo)本的檢測(cè)，質(zhì)控圖的描述等工作；也可以對(duì)儀器性能進(jìn)行檢驗(yàn)，像線性測(cè)量、吸光度測(cè)量、重復(fù)性測(cè)量等，方便了計(jì)量工作的鑒定和用戶的一些特殊需要。
　　保養(yǎng)與維修子菜單方便維修工程對(duì)儀器的各個(gè)部件進(jìn)行測(cè)試，以便找出故障所在。
　　數(shù)據(jù)處理模塊可以隨意查詢病人的測(cè)試結(jié)果和質(zhì)控結(jié)果，對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，日均值計(jì)算，趨勢(shì)圖繪制等，給檢驗(yàn)科提供有價(jià)值的統(tǒng)計(jì)資料；儀器故障記錄可以記錄下儀器在工作中的各種故障信息，給儀器維修人員提供維修信息。
　　單片機(jī)軟件是用匯編語(yǔ)言編制的，它用于管理各個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等工作。
3　結(jié)束語(yǔ)
　　我們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間研發(fā)，解決了工藝中的許多問(wèn)題，生產(chǎn)出分立式全自動(dòng)生化儀的產(chǎn)品樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品定型后就可以提供給用戶使用。目前，分立式全自動(dòng)生化分析儀主要依賴進(jìn)口，如果國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)這種高、精、尖產(chǎn)品，必將為國(guó)家節(jié)省大量的外匯，為人民造福。