阻抗测量监测血液凝固

作者：Helen Berney and J.J. O'Riordan

血液凝固是一个复杂、动态的生理过程，通过该过程形成凝块以结束受伤部位的出血。在心脏搭桥手术期间，血液被转移到心肺机，该机器维持心肺功能。该机器由灌注师操作，其作用包括监测适当的参数，以确保患者得到有效的抗凝剂治疗以避免血栓。为此，在手术期间给予肝素（一种抗凝药物），然后快速逆转以防止出血过多。1为了保持凝血和出血之间的微妙平衡，在手术期间每30至60分钟监测一次患者的凝血时间，并在手术后监测几次，直到恢复正常的凝血时间。2目前，从患者静脉注射管线采集的血液样本在床边进行测试，测量的凝血时间值用于调整抗凝治疗。

ADI公司是生物医学诊断研究所（BDI）的合作伙伴，3a 科学、工程和技术中心，由爱尔兰科学基金会资助。4BDI是一家多学科研究机构，专注于开发下一代生物医学诊断设备。根据BDI集成计划之一，ADI公司正在与都柏林城市大学合作5以及一家全球专业制药和药物输送公司，为在重症监护环境中接受治疗的患者开发凝血监测设备。该系统将提供有关患者凝血状态的快速、自动化信息，从而改善患者安全、工作流程和决策支持，从而改善患者治疗效果。

凝血的电测量

体内的血液凝固受到许多细胞和其他活性成分的调节。凝血级联描述了血液的成分以及它们如何参与凝块形成过程。随着级联反应被激活，血液从非凝血状态发展到凝血状态，导致分子电荷状态和有效电荷迁移率的变化。级联的最后步骤涉及两种成分，凝血酶和纤维蛋白原。凝血酶通过切割纤维蛋白原起作用，形成纤维蛋白丝 - 自发聚集。凝血时间的终点被定义为纤维蛋白凝块形成的时间。6,7

通过监测凝血血液样本的全局阻抗，可以测量与凝块形成相关的电导率变化。为了评估仪器性能，根据数据确定的凝血时间与凝血时间的“金标准”临床测量相关。

使用AD5933进行阻抗测量

AD59338完全集成的单芯片阻抗分析仪（图1）是一款高精度阻抗转换器系统，将板载频率发生器与12位、1 MSPS模数转换器（ADC）相结合。频率发生器以已知频率向外部复阻抗提供激励电压。响应信号（电流）由板载ADC采样，分立傅里叶变换（DFT）由板载DSP引擎处理。DFT算法在每个输出频率处返回实数（R）和虚数（I）数据字。使用这些元件，可以轻松计算沿扫描的每个频率点阻抗的幅度和相对相位。

图1.阻抗测量系统功能框图。

AD5933的框图展示了阻抗测量系统的完整集成。本地数字处理可以计算被测电路的复阻抗。系统需要初始校准：用精密电阻代替要测量的阻抗;并为后续测量计算比例因子。AD5933可以测量100 Ω至10 MΩ之间的阻抗值，对于1 kHz至100 kHz的激励频率，系统精度为0.5%。

血液凝固与阻抗变化的相关性早已在文献中得到证实。9,10,11,12,13然而，最近集成电路复阻抗测量装置的出现意味着血液凝固时间测量仪器可以小型化。这在节能、便携性和最终仪器占地面积方面具有显著优势，这是重症监护环境中的一个关键考虑因素。

AD5933等单电源器件通常将信号摆幅集中在固定的直流偏置值周围。在大多数阻抗测量中，这不是一个重要的考虑因素，但是高于特定阈值的直流电压会导致与电极接触的水性导电介质中发生电化学过程，从而改变样品。为了防止在当前项目中使用AD5933进行血液样本测量时发生这种电解，电压激励和电流测量使用图2所示的信号调理电路进行交流耦合。

图2.AD5933，带输出信号调理功能。

凝血测量系统

血液样本输送和测量仪器之间的接口至关重要。在这种情况下，设计了一个特定的微流体通道，用于将血液样本输送到AD5933仪表电路（图3）。微流体装置由三层组成。底层包括两个丝网印刷电极，它们连接到AD5933电路的输入/输出端口引脚。顶部微成型聚合物通道由两个通过微通道连接的储液罐组成。调节凝血反应的化学试剂可以包含在该微通道内或中心键合层上。顶部和底部通道使用压敏粘合剂（PSA）粘合。应用于一个储液器的血液样本充满微通道。这通过丝网印刷电极接触，丝网印刷电极又与AD5933电路接口。

图3.阻抗测量系统的示意图，其聚合物微通道包含待测血液样本。它允许样品与调节凝血事件的特定试剂相互作用，并在样品和AD5933仪器之间创建接口。

测量的阻抗响应

图4比较了凝血和非凝血血液样本的阻抗响应曲线。图中的箭头表示建立样品凝血时间的点。

图4.非凝血（黑色）和凝血（红色）血液样本的阻抗曲线比较。

图5的阻抗响应显示了凝血时间随着血液样本中肝素浓度的增加而增加。箭头表示不同样品的凝血时间。

图5.用于增加凝血时间的阻抗曲线比较：最短（蓝色）到最长（黑色）。

使用上述系统测量许多临床相关献血者样本的凝血时间，并且这些时间与使用临床金标准测量系统对样本供体样本进行的测量相关（图6）。

图6.使用AD5933测量系统测量的提取凝血时间与临床金标准凝血时间测量的相关性，每个样品n = 6。

结论

AD5933单芯片阻抗分析仪已成功应用于凝血过程中的血阻抗变化测量。与现有的商用解决方案相比，它为最终用户提供了灵活性、功率和尺寸优势。将这种集成电路技术与其他介质中的新技术相结合，如微流体和样品处理，为未来的医疗器械研发提供了强大的平台。

审核编辑：郭婷