全自動生化分析儀的設計

【摘　要】　介紹了一種分立式全自動生化分析儀的設計及研制概況，對各重要部件作了進一步闡述，為今后人們研究全自動生化分析儀提供了有價值的經驗。
???? 關鍵詞：全自動生化分析儀，分立式比色皿，硬件，軟件

　　全自動生化分析儀是醫(yī)院的常規(guī)設備，是用來檢驗病人體液中各種化學物質的一種儀器，從二十世紀六十年代第一臺生化分析儀誕生以來，它的發(fā)展可謂突飛猛進。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達到了非常高的水平。我國的生化分析儀制造水平與國際水平相比有很大的差距，我國目前生產的小型全自動生化分析儀，由于仍然使用流動比色皿，其分析速度比較低，精度也難以達到較高的水平?？v觀各國生化分析儀廠家的產品，絕大部分都采用了分立式比色皿，這種比色皿相互分立，彼此之間沒有交叉污染，比色皿的個數也可以根據需要進行放置，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。下面介紹我們的設計要點。
1　硬　件
　　生化分析儀主要是將顯色試劑和病人的血液標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)測量它的特定波長光的吸光度，最后根據吸光度的值確定所需測量物質的濃度。儀器為了自動完成這些工作，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)出的光線經過準直器準直后，入射到比色皿上，透過溶液進入45°半反鏡，一部分光線經反射進入干涉濾光片，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入下一級，依次類推，一共八級。

　　光源選用50W12V石英玻璃鹵素燈，準直后變成3mm×4mm平行光，采用分立式、6mm光徑、立方體結構、透紫外線有機玻璃比色皿杯，比色皿要求均勻一致，透光孔不能有任何劃痕，精確的120等分碼盤透光槽對準比色皿的中間位置，保證讀數采樣點在比色皿的正中間；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)點是不存在交叉污染（流動比色皿存在交叉污染），試劑用量省。
　　考慮到比色轉盤在轉動時的比色速度，我們采用靜態(tài)的八路分光系統(tǒng)，應用進口的濾光片和光電接受器一體封裝的元件，測試波長分別為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波長的數據而不用任何機械運動，克服了某些進口產品比色盤轉動，濾光輪也要轉動的缺陷，保證了測量精度。
1．2　機械部件　　
　　全自動生化分析儀的試劑和樣品用量均是微量級的，這就要求各個加樣系統(tǒng)機械運動位置精確，我們采用步進電機驅動下的齒輪傳動，齒輪傳動比一般為9：1，比色盤齒輪傳動比設計為15：1，步進電機采用四相八拍方式驅動，每步轉動角度為0．45度，注射器使用了進口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
采用半導體制冷元件，一般控制在室溫下10～15度。結構框圖如圖1所示。機械部件經過長時間的運行，運轉穩(wěn)定可靠。

1．3　電路
??? 整機電路框圖如圖3所示。
　　我們采用一片2051單片機控制一只步進電機的方向、速度、轉動步數等，通過422差分串口總線將它們聯接到接口電路板上，接口板上的控制信號再通過單片機8051的串口與計算機的RS－232串口相聯。所有電機工作在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個步進電機來控制機械臂的轉動和升降，4個位置傳感器分別檢測升降和轉動的位置，液面?zhèn)鞲衅鳈z測樣品和試劑液面高度。
　　數據采集電路使用8個獨立的預放電路分別放大各個光電傳感器的電信號，16位A／D轉換把模擬信號轉換成數字信號，保證在吸光度為2A時的分辨率達到0．67mA。
　　比色皿轉盤控制電路由1只步進電機驅動比色盤的轉動，2只位置傳感器感應比色盤的初始位置和每個比色皿的位置，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的鹵素燈泡。

　　試劑盤控制電路由1個步進電機來驅動試劑盤的轉動，2只位置感應器確定試劑盤的初始位置和每一個試劑的位置。16V5A電源供給兩只半導體制冷器，溫度控制電路保證試劑倉在一定溫度范圍內冷藏。
　　注射器控制電路由2個步進電機分別驅動樣品注射器和試劑注射器，2個位置傳感器感應注射器的原始位置，1個電磁閥控制清洗水和加樣的轉換，2只蠕動泵分別為加樣針內外提供清洗水。
　　樣品盤控制電路由1個步進電機控制電路加上2個位置傳感器組成。
　　接口電路由2片8051單片機和一些外圍電路構成，完成將計算機送來的命令轉變成各個運動部件可執(zhí)行的命令，協(xié)調各個部件一致工作；同時把A／D轉換的數字信號及儀器狀態(tài)信息發(fā)送給計算機處理。
2　軟　件
　　軟件有兩部分組成，一部分是計算機操作軟件，另一部分是單片機控制軟件。計算機操作軟件框架如圖4所示。
　　用戶界面是在Windows98平臺上，用VisualBasic開發(fā)工具完成的，數據庫采用Access形式。在統(tǒng)一的用戶界面下，各子模塊完成特定的功能。
　　日常檢測菜單主要完成每天的日常工作，它由幾個子菜單模塊組成。常規(guī)測試用于日常標本的病人信息錄入，測試項目的選擇，并對樣本進行檢測，這也是儀器最常用的軟件模塊；急診測試用于急診標本的錄入及急診標本緊急插入測試，可以對已經編排好的某些標本優(yōu)先處理；實時結果顯示可以實時地顯示每個標本的檢測結果；反應曲線顯示模塊可以顯示任何測試項目、任何時間、某個樣本的反應過程曲線，便于了解測試的詳細資料；儀器狀態(tài)子菜單，可以實時顯示儀器各工作狀態(tài)，如比色皿溫度、試劑倉溫度、樣品檢測情況等；結果處理打印是將已經檢測的樣本結果進行審核確認，打印檢驗結果報告，反饋給病人。
　　參數設置菜單是完成各個參數編制的模塊，由三個子菜單組成。測試項目參數子菜單主要對每個測試項目的樣品量、試劑量、分析波長、測試方法等參數進行設置，該設備可以編排任意個測試項目；計算項目參數設置主要是設置一種計算公式，根據已經測試的結果對其進行計算，得到一個新的項目結果；試劑位置編排是對每一個測試項目的試劑在試劑轉盤上的位置進行設置，這樣，儀器能準確地找到所需要的試劑，儀器能在項目測試前對每個試劑的量進行測量，告訴操作 者是否需要添加試劑。

　　特殊檢測是除日常檢測以外的專用測試，可以做標準樣本的測試，標準曲線的繪制；質控標本的檢測，質控圖的描述等工作；也可以對儀器性能進行檢驗，像線性測量、吸光度測量、重復性測量等，方便了計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儀器的各個部件進行測試，以便找出故障所在。
　　數據處理模塊可以隨意查詢病人的測試結果和質控結果，對這些結果進行數理統(tǒng)計，日均值計算，趨勢圖繪制等，給檢驗科提供有價值的統(tǒng)計資料；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。
　　單片機軟件是用匯編語言編制的，它用于管理各個電機協(xié)調運行，并進行數據采集等工作。
3　結束語
　　我們經過長時間研發(fā)，解決了工藝中的許多問題，生產出分立式全自動生化儀的產品樣機，對樣機進行性能測試，各項性能指標達到設計要求，經過產品定型后就可以提供給用戶使用。目前，分立式全自動生化分析儀主要依賴進口，如果國內能生產這種高、精、尖產品，必將為國家節(jié)省大量的外匯，為人民造福。