全自动生化分析仪的设计

【摘　要】　介绍了一种分立式全自动生化分析仪的设计及研制概况，对各重要部件作了进一步阐述，为今后人们研究全自动生化分析仪提供了有价值的经验。
     关键词：全自动生化分析仪，分立式比色皿，硬件，软件

　　全自动生化分析仪是医院的常规设备，是用来检验病人体液中各种化学物质的一种仪器，从二十世纪六十年代第一台生化分析仪诞生以来，它的发展可谓突飞猛进。目前的生化分析仪在精确度，制造精度以及功能等各方面都已经达到了非常高的水平。我国的生化分析仪制造水平与国际水平相比有很大的差距，我国目前生产的小型全自动生化分析仪，由于仍然使用流动比色皿，其分析速度比较低，精度也难以达到较高的水平。纵观各国生化分析仪厂家的产品，绝大部分都采用了分立式比色皿，这种比色皿相互分立，彼此之间没有交叉污染，比色皿的个数也可以根据需要进行放置，这样，仪器的精度和速度将得到很大的提高，深受广大医院的欢迎。下面介绍我们的设计要点。
1　硬　件
　　生化分析仪主要是将显色试剂和病人的血液标本按照一定的比例混合，混合液被放置在恒温比色皿中孵育，并连续测量它的特定波长光的吸光度，最后根据吸光度的值确定所需测量物质的浓度。仪器为了自动完成这些工作，就必需要有一定的硬件做支持，主要包括以下几个方面。
1．1　光路系统
    仪器光路系统如图1所示。
　　光源发出的光线经过准直器准直后，入射到比色皿上，透过溶液进入45°半反镜，一部分光线经反射进入干涉滤光片，由干涉滤光片变成单色光，入射到光电接受器；另一部分光折射后进入下一级，依次类推，一共八级。

　　光源选用50W12V石英玻璃卤素灯，准直后变成3mm×4mm平行光，采用分立式、6mm光径、立方体结构、透紫外线有机玻璃比色皿杯，比色皿要求均匀一致，透光孔不能有任何划痕，精确的120等分码盘透光槽对准比色皿的中间位置，保证读数采样点在比色皿的正中间；比色盘一圈共放置120只比色皿，最小比色溶液量为180ul。它的优点是不存在交叉污染（流动比色皿存在交叉污染），试剂用量省。
　　考虑到比色转盘在转动时的比色速度，我们采用静态的八路分光系统，应用进口的滤光片和光电接受器一体封装的元件，测试波长分别为340、380、405、500、510、546、578、630，光谱半宽度小于10nm，这样可以一次采集八个波长的数据而不用任何机械运动，克服了某些进口产品比色盘转动，滤光轮也要转动的缺陷，保证了测量精度。
1．2　机械部件　　
　　全自动生化分析仪的试剂和样品用量均是微量级的，这就要求各个加样系统机械运动位置精确，我们采用步进电机驱动下的齿轮传动，齿轮传动比一般为9：1，比色盘齿轮传动比设计为15：1，步进电机采用四相八拍方式驱动，每步转动角度为0．45度，注射器使用了进口100ul和500ul各一支，精度为：500ul注射器0．5ul／pulse，100ul注射器0．1ul／pulse。比色皿恒温是用高精度控制下的电阻丝加温系统，温度控制范围为37±0．2℃，试剂冷藏
采用半导体制冷元件，一般控制在室温下10～15度。结构框图如图1所示。机械部件经过长时间的运行，运转稳定可靠。

1．3　电路
    整机电路框图如图3所示。
　　我们采用一片2051单片机控制一只步进电机的方向、速度、转动步数等，通过422差分串口总线将它们联接到接口电路板上，接口板上的控制信号再通过单片机8051的串口与计算机的RS－232串口相联。所有电机工作在24V直流，位置传感器是光电传感器。
　　加样臂控制电路主要由2个步进电机来控制机械臂的转动和升降，4个位置传感器分别检测升降和转动的位置，液面传感器检测样品和试剂液面高度。
　　数据采集电路使用8个独立的预放电路分别放大各个光电传感器的电信号，16位A／D转换把模拟信号转换成数字信号，保证在吸光度为2A时的分辨率达到0．67mA。
　　比色皿转盘控制电路由1只步进电机驱动比色盘的转动，2只位置传感器感应比色盘的初始位置和每个比色皿的位置，加热电源及温度控制电路保证比色皿的温度控制在37±0．2℃，12V高精度稳压电源供给12V50W的卤素灯泡。

　　试剂盘控制电路由1个步进电机来驱动试剂盘的转动，2只位置感应器确定试剂盘的初始位置和每一个试剂的位置。16V5A电源供给两只半导体制冷器，温度控制电路保证试剂仓在一定温度范围内冷藏。
　　注射器控制电路由2个步进电机分别驱动样品注射器和试剂注射器，2个位置传感器感应注射器的原始位置，1个电磁阀控制清洗水和加样的转换，2只蠕动泵分别为加样针内外提供清洗水。
　　样品盘控制电路由1个步进电机控制电路加上2个位置传感器组成。
　　接口电路由2片8051单片机和一些外围电路构成，完成将计算机送来的命令转变成各个运动部件可执行的命令，协调各个部件一致工作；同时把A／D转换的数字信号及仪器状态信息发送给计算机处理。
2　软　件
　　软件有两部分组成，一部分是计算机操作软件，另一部分是单片机控制软件。计算机操作软件框架如图4所示。
　　用户界面是在Windows98平台上，用VisualBasic开发工具完成的，数据库采用Access形式。在统一的用户界面下，各子模块完成特定的功能。
　　日常检测菜单主要完成每天的日常工作，它由几个子菜单模块组成。常规测试用于日常标本的病人信息录入，测试项目的选择，并对样本进行检测，这也是仪器最常用的软件模块；急诊测试用于急诊标本的录入及急诊标本紧急插入测试，可以对已经编排好的某些标本优先处理；实时结果显示可以实时地显示每个标本的检测结果；反应曲线显示模块可以显示任何测试项目、任何时间、某个样本的反应过程曲线，便于了解测试的详细资料；仪器状态子菜单，可以实时显示仪器各工作状态，如比色皿温度、试剂仓温度、样品检测情况等；结果处理打印是将已经检测的样本结果进行审核确认，打印检验结果报告，反馈给病人。
　　参数设置菜单是完成各个参数编制的模块，由三个子菜单组成。测试项目参数子菜单主要对每个测试项目的样品量、试剂量、分析波长、测试方法等参数进行设置，该设备可以编排任意个测试项目；计算项目参数设置主要是设置一种计算公式，根据已经测试的结果对其进行计算，得到一个新的项目结果；试剂位置编排是对每一个测试项目的试剂在试剂转盘上的位置进行设置，这样，仪器能准确地找到所需要的试剂，仪器能在项目测试前对每个试剂的量进行测量，告诉操作 者是否需要添加试剂。

　　特殊检测是除日常检测以外的专用测试，可以做标准样本的测试，标准曲线的绘制；质控标本的检测，质控图的描述等工作；也可以对仪器性能进行检验，像线性测量、吸光度测量、重复性测量等，方便了计量工作的鉴定和用户的一些特殊需要。
　　保养与维修子菜单方便维修工程对仪器的各个部件进行测试，以便找出故障所在。
　　数据处理模块可以随意查询病人的测试结果和质控结果，对这些结果进行数理统计，日均值计算，趋势图绘制等，给检验科提供有价值的统计资料；仪器故障记录可以记录下仪器在工作中的各种故障信息，给仪器维修人员提供维修信息。
　　单片机软件是用汇编语言编制的，它用于管理各个电机协调运行，并进行数据采集等工作。
3　结束语
　　我们经过长时间研发，解决了工艺中的许多问题，生产出分立式全自动生化仪的产品样机，对样机进行性能测试，各项性能指标达到设计要求，经过产品定型后就可以提供给用户使用。目前，分立式全自动生化分析仪主要依赖进口，如果国内能生产这种高、精、尖产品，必将为国家节省大量的外汇，为人民造福。