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血凝分析仪是临床检验医学中用来对止血与血栓项目检测的必备仪器。现代止血与血栓项目检查的临床应用范围日益拓展,除了对各种出血性疾病的检测和确诊外,还用于对各种抗凝治疗患者的用药指导和预后估计,在血液病、糖尿病、高脂血症、心脑血管病、心胸外科治疗等领域的研究诊断与治疗方面,均具有重要作用。随着近代基础医学、生物化学和电子学的高速发展,血凝分析仪的检测方法也更加多样化、先进化。到目前为止,血凝分析仪的检测技术主要有初期手工法、电流法、磁珠法、光学浊度法和光电磁珠法等,其中初期手工法和电流法是早期的检测手段,技术落后并已经被淘汰掉。
市场上的血凝分析仪根据自动化程度主要分为两大类,分别是半自动血凝分析仪和全自动血凝分析仪。前者是靠手工将配好的工作液放入仪器进行检测,仪器只是一个分析部件,完成信号的采样、处理和分析。后者在前者的基础上增加了试剂和样品的自动吸取、混合和清洗等功能,大大提高了仪器的工作效率,并且检测项目更多,结果更准确。目前针对血凝分析仪技术的研究都集中在全自动化方向,它们的主要设计思路基本一致,从结构上可以分为上位机和下位机两大部分。其中上位机为仪器的操作应用软件,它们都是以普通的PC机和Windows系统为平台,通过可视化编程语言VB、VC等进行开发的;下位机一般以8位单片机为主控制器,配合模数转化器、步进电机、温控器等部件实验仪器样品自动加样、试剂与样品混合与预温、信号采集与处理分析等功能。上、下位机通过串口通信,发送、接收指令控制仪器进行工作。
本文在研究血凝分析仪的临床意义、检测方法、发展方向的基础上,结合现在应用广泛的嵌入式系统技术,提出了基于嵌入式的全自动血凝分析仪的设计方案。该方案在检测原理上采用先进的光电磁珠法,它基于血浆凝固过程中生成的纤维蛋白对散射光强度的影响,通过检测散射光强度的变化确定凝固终点;另外在测试的过程中,测试杯中加入小钢珠,除了搅拌血浆与试剂的混合液使它们能够完全反应的作用外,还可以混匀高黄疸、高血脂等异样血浆,减小测量误差。嵌入式血凝分析仪主控选择ARM9内核处理器S3C2440A,操作系统选择嵌入式Linux。仪器采用多个步进电机控制加样针、反应盘、注射器等机构部件的运动,8位单片机ATmega64控制仪器所有步进电机工作,ARM9与ATmega64通过串口传输数据和指令。具体的功能硬件电路设计还包括光源的选择和控制、恒温控制、光电转换与信号采集、步进电机驱动、液面检测等,以及仪器的输入输出设备接口,如打印机、触摸屏、SD卡、以太网等。仪器的软件设计包括嵌入式Linux系统下设备驱动和基于图形系统Qt/Embedded下仪器操作界面应用程序的开发。
综合现代先进血凝分析仪的功能需求和嵌入式系统设计的独特方式,论文主要完成了以下几个方面的工作:
1.介绍血凝分析仪的发展历史与概况、分类和临床意义,突出了血凝分析仪研究工作的重要性。
2.分析血液发生凝固的具体过程,发生的化学反应和反应后生成产物的特点。详细描述了现有的几种血凝检测技术和各自的优缺点。
3.结合嵌入式系统的特点,提出了嵌入式血凝分析仪的总体设计方案。详细分析了光电磁珠法的测量原理和分析方法。仪器的设计以ARM9处理器和Linux系统为平台,从仪器光学、电路和液路三个部分进行分析,提出了硬件设计的基本思路。软件设计包括基于嵌入式Linux系统环境下仪器操作界面应用软件的开发。
4.详细阐述了各模块硬件电路的设计,具体包括主控模块ARM9最小系统,光源模块、恒温模块、光强信号的采集处理,运动控制模块、液面检测模块以及外围接口电路触摸屏、打印机接口、以太网接口等。
5.详细阐述了嵌入式Linux系统的移植过程,界面开发软件Qt/Embedded环境的搭建,在此基础上实现了嵌入式血凝分析仪操作界面应用程序的开发。
6.介绍了硬件电路设计的主要调试过程,以及对一些实验结果的分析。
嵌入式血凝分析仪的设计既满足现代先进检验类仪器的功能需求,又体现出了嵌入式系统的强大功能,减小了仪器的体积、降低了生产成本。步进电机驱动、液面检测等模块的设计实现了仪器的全自动化检测。触摸屏、打印机、以太网以及基于Qt/Embedded的操作界面应用软件的设计,构造了友好的人机交互环境。总之,仪器的综合性能大大提高。