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基于定量离心分层技术的快速血液检测关键技术与装置研究

作　者: 崔秀美
导　师: 吴太虎
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 生物医学工程
关键词: 血液棕黄色层干式化学法血细胞分析仪数字信号处理器光电耦合器
分类号: R318.6
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目的：血液中各类血细胞含量是反映人体健康程度的重要参数。血液流经人体各个组织器官，其成分变化对于人体机能和组织功能的实现产生重大影响，而机体的病变也会影响血液各组分，因此，对人体血细胞进行分析具有重大意义。目前临床检验设备主要是基于湿化学方法，其设备普遍存在检验速度慢、体积大、需大量液体试剂的配合，现场应用受限等问题。本文研究目的是研究一种基于定量离心分层技术（干式化学法）的快速血液检测关键技术及装置，实现定量检测常规血细胞参数，使其适合现场条件、急诊情况或基层医疗单位使用。方法：首先，在研究总结了前人的研究成果基础上提出血细胞分析检测方法：离心、检测相分离的基于血液棕黄色层定量离心分层技术（QBC）的方法。为离心机设计可快速拆卸的专用离心盘，用来配合干式血液检测毛细管的离心，而在更换离心盘后，该离心机可用于常规的临床检验实验室用途，这样可以做到一机多用。该算法对传统检测方法进行了改进：首先，采用彩色线阵CCD结合自行设计的成像透镜对待测毛细管实现一次成像，大大提高检测精度与速度；其次，在用蓝光激发荧光照射时，使毛细管沿其轴向转动10个位置检测取平均值，减小了由于离心过程中各个界面分层不均带来的影响；最后，通过医学实验对系统的可靠性和可行性进行了检验分析。内容：本论文主要包括以下几个方面的研究工作：（1）进行了光路及CCD图像采集模块的研究。在光路及CCD图像采集模块中，采用LED冷光源增强了环境适应性；应用彩色线阵CCD不需额外的滤光片，在信号处理电路中采用相关双采样法及视频信号处理专用芯片AD9826，简化了系统的结构；应用CPLD可编程逻辑器件实现CCD驱动的时序，简化程序，提高应用性。（2）对图像采集后的信号处理算法进行了研究。该部分主要是确定各层分层的确切位置，在红光源照射下，确定全血体积、标定点及浮子位置；在蓝光源照射下，重点区分中间三层（白细胞和血小板层）的信息。中间三层的边界确定采用红色图和绿色图相互比照的方法。确定了算法规则及血常规参数的转化。（3）对系统毛细管进排样、检测控制模块进行了研究。设计了毛细管进排样的机械结构，中央处理单元采用DSP数字信号处理器，减少外围电路，进行了进排样精度及检测精度的实验，系统稳定性良好。（4）在研究的新型检测方法基础上，结合光路技术和电路技术等，构建了“基于定量离心分层技术的快速血液检测系统”。本文详细叙述了系统三个组成部分：光路检测结构、毛细管进排样结构及数据处理算法的实现。（5）设计并开展了一项医学实验，对系统的可靠性和可行性进行检验。在与QBC Autoread plus和Sysmex XT-1800i两类仪器的对比中，以红细胞压积（HCT）、血红蛋白（HGB）、粒细胞（GRAN）、淋巴细胞及单核细胞（LM）、白细胞（WBC）和血小板（PLT）为对比参数，相关系数分别为0.99、0.98、0.95、0.93、0.96、0.94和0.99、0.97、0.986、0.95、0.975、0.94，达到了令人满意的效果。结果：提出了基于干式化学法的快速血细胞检测方法，并在以数字信号处理器（DSP）为核心控制的系统中，结合光路检测技术、电路控制技术和数据处理技术，构建了“基于定量离心分层技术的快速血液检测系统”检验平台；制作完成实验样机一套，通过对大量样本的实验测试，验证了系统的可靠性和可行性。针对基于干式化学法的血液检测系统的毛细管进排样系统，申请发明专利一项。结论：本系统完全突破了传统的血液检测概念，实现了基于干式化学法的检测，相比湿式检测具有灵活、不需要液体试剂处理过程。本课题实现了现场条件下仪器携行性、抗震性好、检测结果快速准确的功能。一方面及时准确的检测结果为伤病员的抢救赢得了时间；另一方面，系统结构紧凑、运营成本低，同样适合基层医疗单位使用。“基于定量离心分层技术的快速血液检测系统”性能优良、使用方便，运用该系统可实现血细胞HCT、HGB、RBC、PLT、MCHC、GRAN、%GRAN、LM和%LM9个参数的定量测量，并具有自校准和报警提示、输出存储与打印等功能。在现场血液快速检测和基层急诊中有较广泛的应用价值，特别是在战时状态进行常规血细胞检测具有不可替代的价值。研究意义：1）样本无需制备，可迅速展收，适合现场快速检验；2）检测速度快，除去离心时间（5分钟），进样、检测时间≯60s，操作简便，无需复杂维护，携行性好；3）结构紧凑，体积小，环境适应性强，使用综合成本低。本研究特色及创新之处：1）离心、检测分离，除去离心的5分钟，每个样本检测时间在60秒内，大大提高检测速度，尤其提高多样本的检测速度（以20样本为例，本系统与QBCAutoread plus和QBC star相比，三者检测时间分别是25分钟、45分钟和120分钟）；2）双光源检测、毛细管轴向转动，高分辨率的彩色线阵CCD图像传感器一次成像，提高检测精度；3）冷光源LED功耗低、控制简单、寿命长，工作温度范围广，环境适应性、抗震动和抗干扰能力强；4）采用DSP作为核心控制器，实时、快速地实现各种数字信号的处理，软件方面把对两个电机的控制以任务的形式进行调度，提高了系统的反应速度；5）检测模块功能独立，结构大大简化，体积小，重量轻，携行性好，有效降低成本，提高可集成性，优于国内外的同类产品。

全文目录

主要符号表  8-9
摘要  9-12
Abstract  12-16
第一章引言  16-24
  1.1 血液检测技术及快速检测的意义  16-18
    1.1.1 血液检测技术简介  16-17
    1.1.2 基层临床检验的现状  17-18
    1.1.3 快速血液检测的意义  18
  1.2 干式血液分析仪的发展现状  18-20
    1.2.1 国外发展现状  19-20
    1.2.2 国内发展现状  20
    1.2.3 小结  20
  1.3 开展本项目研究的意义  20-21
  1.4 本文研究工作  21-23
  1.5 小结  23-24
第二章系统设计方案  24-29
  2.1 离心式血液分析仪工作原理  24-25
  2.2 功能需求分析  25
  2.3 系统主要技术指标  25-26
  2.4 总体设计思想  26
  2.5 方案的确定  26-28
    2.5.1 基于单片机的系统设计方案  26-27
    2.5.2 基于 DSP 的系统设计方案  27
    2.5.3 确定方案  27-28
  2.6 小结  28-29
第三章光学检测系统  29-46
  3.1 双光源检测系统  29-35
    3.1.1 检测系统原理  29-31
    3.1.2 CCD 的选择  31-33
    3.1.3 LED 阵列光源的设计  33-34
    3.1.4 成像镜头的设计  34-35
  3.2 线阵 CCD 驱动电路的设计  35-40
    3.2.1 电路设计方案  35-36
    3.2.2 TCD2901C 的时序分析  36-37
    3.2.3 CCD 驱动时序设计  37-40
  3.3 视频信号处理电路的设计  40-44
    3.3.1 前置放大级  41
    3.3.2 视频信号处理专用芯片 AD9826  41-44
  3.4 实验数据  44-45
  3.5 小结  45-46
第四章信号处理算法  46-55
  4.1 光源照射下三色曲线的处理  46-49
    4.1.1 红色 LED 光源下三色曲线的处理  46-47
    4.1.2 蓝色 LED 光源下三色曲线的处理  47-49
  4.2 曲线处理算法  49-54
    4.2.1 算法规则  49-52
    4.2.2 算法实现  52-54
  4.3 血常规检验结果推导  54
  4.4 小结  54-55
第五章进排样控制系统  55-66
  5.1 毛细管进排样结构  55-56
  5.2 电机控制系统  56-61
    5.2.1 电机控制系统方案  57-58
    5.2.2 A3977 驱动芯片工作原理  58-59
    5.2.3 步进电机细分控制  59-60
    5.2.4 微步距控制方法  60-61
  5.3 控制程序设计  61-64
  5.4 进样精度测试  64-65
  5.5 小结  65-66
第六章实验与讨论  66-75
  6.1 实验设计  66
  6.2 对比仪器原理  66-67
    6.2.1 QBC Diagnotics 公司干式仪器原理  66-67
    6.2.2 SysmexXT-1800i 湿式仪器原理  67
  6.3 实验结果与讨论  67-73
    6.3.1 系统稳定性实验  67-68
    6.3.2 本仪器与 QBC autoread plus 对比结果  68-70
    6.3.3 本仪器与湿式 Sysmex XT-1800i 对比结果  70-73
  6.4 小结  73-75
第七章结论与展望  75-77
  7.1 结果与讨论  75-76
  7.2 工作展望  76-77
参考文献  77-83
附录  83-85
文献综述  85-95
  参考文献  92-95
在学位期间取得的成果及发表的代表性论著  95-96
附件  96-99
作者简历  99-100
致谢  100

基于定量离心分层技术的快速血液检测关键技术与装置研究

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