【正文】 也較小，給使用者帶來很大的便利[10]。 半自動生化儀同全自動生化儀相比，在操作過程中雖然依賴手工混合試劑和樣品，但測量過程完全是由儀器完成的，同樣可以保證測量的準(zhǔn)確性。同時由于其價格低廉、靈活方便、運行費用低，特別適合大中型醫(yī)院病房、急診化驗，小型醫(yī)院、防疫站、計劃生育服務(wù)站等門診化驗。同時這類儀器一般不受試劑、方法的限制、國產(chǎn)試劑、自己配置的試劑及自行設(shè)計的方法均可在儀器上進(jìn)行檢測，而且由于儀器的體積小、重量輕、操作方便、反應(yīng)迅速，尤其適合中、小型檢驗單位作為日常生化檢測的主要儀器，也適用于作急診生化檢測或外出執(zhí)行任務(wù)時使用。目前國內(nèi)外診斷技術(shù)趨于兩極化發(fā)展[11]，一種是高度集成、自動化的儀器診斷，向大型、多通道、全自動方向發(fā)展，以適應(yīng)大中醫(yī)院工作量大、速度快、精度高、測定項目多的要求；另一種是簡單、快速便于普及的快速診斷，向小型、單通道、分立式、可編程自動化的方向發(fā)展，以適應(yīng)中小醫(yī)院的工作需要。而后一種診斷方法更符合社會發(fā)展的需要。目前我國生化分析儀生產(chǎn)水平較低，僅限于半自動和剛剛起步的小型全自動生化儀的生產(chǎn)，難以滿足臨床檢驗的需求。國內(nèi)大中醫(yī)院均耗巨資購買進(jìn)口全自動生化分析儀，因價格昂貴，難以在一般中小醫(yī)院普及。本課題定位于上述生化分析儀的第二種發(fā)展方向，研究的就是一種開發(fā)操作方便、功能較強(qiáng)、性價比高、操作方便,反映快小型半自動生化分析儀，極大提高了儀器的一體化程度，尤其適合中小型檢測單位或醫(yī)院作為日常生化檢測得主要儀器，也可適用作急診生化檢測。在提高國產(chǎn)儀器的競爭力，適應(yīng)廣大中小型醫(yī)療部門的臨床需要方面，具有重要的意義和實用價值。 本文研究的意義和主要內(nèi)容 生化分析儀自20世紀(jì)50年代末面世以來，發(fā)展十分迅速。它可用于藥品、水質(zhì)、食品和臨床分析等領(lǐng)域。在臨床分析方面，生化分析儀主要用來對人的血液和其他體液中的各種生化指標(biāo)如血紅蛋白、膽固醇、轉(zhuǎn)氨酶、葡萄糖、淀粉酶、尿素氮、白蛋白、無機(jī)磷、尿酸、鈣等進(jìn)行分析。由于生化分析儀可以給醫(yī)生提供受檢者的綜合性信息，近些年來，生化分析儀成為臨床分析最重要的檢驗儀器之一[12]。 近些年來，臨床實驗室迅速發(fā)展，臨床檢驗技術(shù)將迅速達(dá)到敏感，特異，準(zhǔn)確，快速，安全的水平。檢驗儀器的自動化，檢驗方法和標(biāo)準(zhǔn)化和實驗室管理的科學(xué)化進(jìn)程越來越快。隨著臨床檢驗儀器向著機(jī)械化、自動化、精密化和簡單化的方向發(fā)展，一些高靈敏度、多功能、高智能化的檢測儀器不斷涌現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用。生物技術(shù)和IT技術(shù)在未來將融合得更加緊密。自動生化分析儀的開發(fā)且完全模仿并代替了手工操作。不僅提高了工作效率，而且減少了主觀誤差，穩(wěn)定了檢驗質(zhì)量。由于這類儀器一般都具有靈敏、準(zhǔn)確、快速、節(jié)省和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點，使得生化分析儀在臨床生化分析中得到了廣泛應(yīng)用也具有重要的研究意義。 生化分析儀是醫(yī)院臨床分析的不可或缺的一種檢驗儀器。但由于我國醫(yī)療器械產(chǎn)品總體水平落后，國內(nèi)只有為數(shù)不多的幾家半自動生化分析儀廠家，全自動生化分析儀目前仍處于技術(shù)不全面狀態(tài)。國內(nèi)生化分析儀的市場基本上由國外大公司所獨占，國內(nèi)生化實驗室采用的基本上是進(jìn)口的產(chǎn)品。開展自動生化分析儀的研究，對于提高我國分析儀器的研究、設(shè)計和生產(chǎn)水平具有重大的作用和意義[13]。 本課題側(cè)重從系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及性能測試與改善四個面對儀器進(jìn)行了分析、設(shè)計、調(diào)試和改進(jìn)。本文完成的工作如下：分析生化分析原理，生化測試基礎(chǔ)，討論生化分析儀的控制系統(tǒng)方案，根據(jù)生化分析儀所要達(dá)到的性能指標(biāo)，設(shè)計生化分析儀控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，對硬件和軟件功能做了合理的分配。醫(yī)學(xué)檢驗儀器多屬于精密儀器，為改善低濃度試劑信號的信噪比，提高信號采集的準(zhǔn)確性，設(shè)計自動增益信號調(diào)理電路，提高生化分析儀的分析精度。以LPC2124為核心，實現(xiàn)生化分析儀的硬件設(shè)計，完成硬件平臺，接口模塊，信號調(diào)理模塊的開發(fā)和設(shè)計，并使硬件平臺具有一定的抗干擾能力。完成生化分析儀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。選用C語言進(jìn)行軟件程序的編寫。在設(shè)計中采用模塊化程序設(shè)計技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能，將軟件分成若干個獨立的模塊，包括顯示模塊、鍵盤模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、時鐘顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、溫度控制模塊等。各個程序模塊分別進(jìn)行設(shè)計，編程和調(diào)試。最后把各個調(diào)試好的程序模塊連成一個完整的程序。生化分析過程分為兩步進(jìn)行處理，第一步，求取各個生化反應(yīng)的反應(yīng)吸光度。第二步，綜合各個反應(yīng)吸光度信息進(jìn)行濃度的分析，對生化進(jìn)行校準(zhǔn)，則是由各標(biāo)準(zhǔn)液的反應(yīng)吸光度通過多點校準(zhǔn)，修正工作曲線,對生化測試是把反應(yīng)吸光度代入曲線中計算待測指標(biāo)的濃度。對調(diào)試遇到的問題進(jìn)行總結(jié)，在前面的基礎(chǔ)上，討論生化分析儀的以后需要改善的地方。 本章小結(jié)本章介紹了生化分析儀的國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，討論了生化分析儀的研究意義和價值，明確了生化分析儀系統(tǒng)的研究目標(biāo)和主要研究的內(nèi)容。第二章 生化分析儀的原理和結(jié)構(gòu) 引言在本章中,我們通過對生化測試一般原理的分析,總結(jié)了生化分析儀的原理,同時比較幾種常見的生化分析方法,并通過對生化分析儀結(jié)構(gòu)的分析,闡述了各部分的功能。 生化測試基礎(chǔ)生化分析儀是屬于光學(xué)式分析儀器，它是基于物質(zhì)對光的選擇性吸收原理，即分光光度分析法。分光光度法是絕大多數(shù)生化分析儀所采用的一種檢測方法，它是基于不同分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)對電磁輻射的選擇性吸收而建立起來的方法，屬于分子吸收光譜分析法。它以分子吸收某一波長的光為基礎(chǔ)，表現(xiàn)為分子的吸光度值(Α)為波長(λ)的函數(shù)關(guān)系，分光光度分析法的依據(jù)是朗伯—比爾定律[14]，它以被測物質(zhì)分子吸收某一波長的單色光為基礎(chǔ)。其測量原理如圖 所示。分光光度法的原理是：單色器將光源發(fā)出的復(fù)色光分成單色光，特定波長的單色光通過盛有樣品溶液的比色池，樣品的吸光度與樣品溶液濃度和光通過的距離(即光徑)成正比。光電轉(zhuǎn)換器將透射光轉(zhuǎn)換為電信號，此后經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理，可得到樣品溶液的濃度。當(dāng)光通過盛有樣品溶液的比色杯時，吸收的強(qiáng)度與溶質(zhì)濃度和光通過的距離有一定的關(guān)系。 分光光度法的原理圖 布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)在1729年和1760年闡明了光輻射強(qiáng)度和吸收層厚度的關(guān)系，1852 年比爾(Beer)又提出光輻射強(qiáng)度和吸收物濃度也具有類似的關(guān)系，布格—朗伯—比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[14]： ()其中: A——光通過介質(zhì)被介質(zhì)吸收的吸光度T——透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比即透光率——入射光強(qiáng)度——透射光強(qiáng)度ε——介質(zhì)摩爾吸光系數(shù)()c——吸收物的摩爾濃度(ml/mol)b——吸收層厚度(cm) 上式表明，當(dāng)特定波長的單色光通過溶液時，樣品的吸光度與溶液中吸收物濃度和光通過的距離成正比。半自動生化分析儀就是通過檢測樣品對某種單色光的吸收程度，以及反應(yīng)過程中吸光度的變化來計算樣品中待測成份的含量。但上式是以下列條件為前提：(1)吸收過程中各物質(zhì)無相互作用，但各物質(zhì)的吸光度具有加合性；(2)輻射與物質(zhì)的作用僅限于吸收過程，沒有熒光、散射和光化學(xué)現(xiàn)象；(3)吸收物是一種均勻分布的連續(xù)體系。 生化測試是在生化樣品中加入分析試劑進(jìn)行反應(yīng)，連續(xù)監(jiān)測反應(yīng)過程中吸光度的變化，通過分析吸光度變化情況進(jìn)行生化分析，求取待測生化指標(biāo)濃度。一個完整的數(shù)據(jù)分析過程,要經(jīng)過兩個步驟：首先，監(jiān)測生化反應(yīng)過程的吸光度變化，獲取生化反應(yīng)曲線,取得反應(yīng)吸光度；第二步,由反應(yīng)吸光度求取生化指標(biāo)的值[15]。 在不同的生化反應(yīng)中，反應(yīng)吸光度的求取方法也不同。根據(jù)不同的反應(yīng)曲線特點即形成復(fù)合物的速度特點，一般把測定的方法分為終點法、速率法、雙波長法和兩點法[1618]。 1）終點法是使用一種或兩種試劑，當(dāng)樣品和試劑混合后，待測樣品與試劑的物理化學(xué)反應(yīng)到達(dá)終點時，測一次吸光度，來計算待測樣品的濃度。在利用終點法進(jìn)行定量分析時分別需要對空白、標(biāo)準(zhǔn)和待測樣品三個試樣進(jìn)行測量，得到三個吸光度值，分別為：、和；。＝ () / () ()其中：n毫升蒸餾水加入到m毫升試劑中，在恒溫環(huán)境中反應(yīng)一定時間后，反應(yīng)液的吸光度。：n毫升標(biāo)準(zhǔn)液加入到m毫升試劑中，在恒溫環(huán)境中反應(yīng)一定時間后，反應(yīng)液的吸光度。：n毫升待測樣品液加入到m毫升試劑中，在恒溫環(huán)境中反應(yīng)一定時間后，反應(yīng)液的吸光度。：試劑盒中標(biāo)準(zhǔn)液的給定濃度。n，m的數(shù)值由試劑盒給定，或者根據(jù)試劑盒按比例確定。反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間也由試劑盒給定。不難看出,終點分析法中,血清中待測物質(zhì)的含量和反應(yīng)液的最終吸光度成正比,而與反應(yīng)過程無關(guān)。它屬于分析化學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)對照法。在應(yīng)用時應(yīng)注意試劑空白的測量，一般當(dāng)參比溶液選擇蒸餾水時，如果采用上式進(jìn)行計算，要先計算試劑空白的吸光度，然后再從標(biāo)準(zhǔn)和待測樣品反應(yīng)液吸光度中扣除。也可以直接采用試劑空白作為參比溶液，檢測吸光度，即可認(rèn)定為0。2）速率法是和終點法相對應(yīng)的，適用于酶活性和代謝物檢測，多有酶的參與。通過測定單位時間內(nèi)樣品和試劑的吸光度變化來測定酶的反應(yīng)速率。原理是在酶反應(yīng)的最佳條件下，用物理、化學(xué)或酶促反應(yīng)的分析方法，在反應(yīng)速度恒定期（零級反應(yīng)期）來連續(xù)觀察和記錄一定反應(yīng)時間內(nèi)底物或產(chǎn)物量的變化，以單位時間酶反應(yīng)初速度計算出酶活力的大小和代謝物的濃度，計算方法為： （）式中，―待測樣品的濃度；―待測樣品的吸光度變化率，由線性回歸得到；―常數(shù)，由用戶所選擇的試劑給出（因素值）或由儀器測量標(biāo)準(zhǔn)樣品得到： （）式中：―標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度值；―標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸光度變化率。3) 雙波長測定方法，其原理是檢測待測樣品的吸光度時，同時用兩個波長檢測，用主波長的吸光度減去副波長的吸光度，并與標(biāo)準(zhǔn)樣品比較，計算待測樣品的濃度，即： （）式中，―待測樣品在副波長下的吸光度；―待測樣品在主波長下的吸光度；―常數(shù)，由用戶所選擇的試劑給出（因素值）或由儀器測量標(biāo)準(zhǔn)樣品得到： （）式中，―標(biāo)準(zhǔn)樣品在副波長下的吸光度；―標(biāo)準(zhǔn)樣品在主波長下的吸光度雙波長法不僅可以有效地校準(zhǔn)樣本的混濁、溶血、黃疸等，還可對電源波動有補(bǔ)償效果。 與單波長法不同,雙波長法具有排除來自樣品內(nèi)部干擾和降低吸收池誤差的優(yōu)點。正是因為雙波長法有著單波長法無可比擬的優(yōu)點,在許多臨床生化檢驗試劑盒中,都同時給出了單波長法和雙波長法兩種檢驗參考波長。4) 兩點法也稱固定時間法，其主要針對某些代謝物（而不是酶）的測定，包括有工具酶參與的動力學(xué)反應(yīng)，以及少數(shù)具有典型動力學(xué)特征的化學(xué)反應(yīng)。其測定方式是監(jiān)測比色池內(nèi)反應(yīng)溶液在前后兩次時間間隔內(nèi)的吸光度變化值。在測量時間內(nèi)不需要作線性監(jiān)測，也不需要計算每分鐘吸光度變化率。這種方法的優(yōu)點是可以消除樣品、試劑的顏色、濁度以及一些干擾物質(zhì)對測定的干擾。在樣品與試劑混合后，延遲一定的時間讀取（某一時刻的吸光度值），隔一定時間后讀取（另一時刻的吸光度值），計算：，然后與標(biāo)準(zhǔn)樣品比較，求得待測物的濃度，即： （）式中，―待測樣品的第一點吸光度；―待測樣品的第二點吸光度；―常數(shù)，由用戶所選擇的試劑給出（因素值）或由儀器測量標(biāo)準(zhǔn)樣品得到： （）式中，―標(biāo)準(zhǔn)樣品的第一點吸光度；―標(biāo)準(zhǔn)樣品的第二點吸光度。 工作曲線是反應(yīng)吸光度隨生化項目濃度變化關(guān)系的曲線[19]。工作方程是工作工作曲線反映的生化項目濃度與反應(yīng)吸光度的函數(shù)關(guān)系式。一般認(rèn)為，工作方程是線性函數(shù)A=kC+B。其中B是空白吸光度，對應(yīng)濃度為0（蒸餾水）時，加入試劑后的吸光度。對曲線上的任一點，曲線的橫坐標(biāo)對應(yīng)濃度為C1，縱坐標(biāo)對應(yīng)反應(yīng)吸光度A1。 生化校準(zhǔn)是通過測試已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)物來確定工作曲線的過程。按照校準(zhǔn)的方法可以分成兩點線性法、多點線性法、一點線性法。與生化測試過程中的錯誤值影響一次測試不同，校準(zhǔn)過程中的錯誤將通過工作曲線參數(shù)的形勢記憶下來，從而影響以后所有生化測試的結(jié)果，直到下一次校準(zhǔn)才終止。所以，校準(zhǔn)過程的正確性尤其重要。為了盡可能避免記憶錯誤的校準(zhǔn)結(jié)果，每次校準(zhǔn)都進(jìn)行兩次重復(fù)實驗，只有完全合格的數(shù)據(jù)才被接受。 半自動化生化分析儀的結(jié)構(gòu)生化分析儀主要用來對人的血液和其他體液中的各種生化指標(biāo)進(jìn)行分析。首先需要醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行樣品的采集、識別、處理和存儲。從測試對象處采取血液等,分離出有用成分，將所取得的樣品用標(biāo)記將其和受試者聯(lián)系起來[20 21]。對于半自動生化分析儀而言，在加樣品、加試劑、混勻等操作上，需要手工完成。而另一部分工作，如吸入反應(yīng)液、保溫、波長選擇、吸光度檢測、結(jié)果的計算、打印等功能,則仍可由儀器自動完成。生化分析儀主要由液路控制系統(tǒng)、光路控制系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)等組成。ARM7微處理器作為整個生化分析儀的控制核心，對整個分析儀工作進(jìn)行調(diào)控。液路控制系統(tǒng)包括進(jìn)、排液管道、蠕動泵及比色池，蠕動泵由步進(jìn)電動機(jī)帶動來吸取檢液進(jìn)入比色池，及檢后排除廢液，亦可用于清洗。光路控制系統(tǒng)包括光源和單色器，另一臺步進(jìn)電動機(jī)帶動濾光輪轉(zhuǎn)動使其上的干涉濾光片從鹵鎢燈發(fā)出的光中濾出不同波長的單色光，以滿足不同試劑的需要。為糾正因步進(jìn)電機(jī)失步造成的濾光片位置偏差，安裝有光電位置的零位檢測器，濾光盤每轉(zhuǎn)動周進(jìn)行一次位置校準(zhǔn)。樣品和試劑混勻后吸入到比色池中，比色池存放在恒溫環(huán)境中，因為只有恒定在指定的溫度下檢測才能保證生化檢驗結(jié)果的可靠性，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)檢測溫度有常溫、230及37，恒溫控制系統(tǒng)正是起到恒定溶液溫度值的作用，它包括溫度檢測裝置和控溫元件帕爾貼。數(shù)據(jù)采集系