廉小親，沈 卓，張曉力，段振剛

（北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048）

0 引 言

血凝分析儀已成為臨床醫(yī)療檢測(cè)中的一種常用設(shè)備，其血凝過(guò)程是指可溶于水的纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為不能溶解于水的固態(tài)纖維蛋白的生化過(guò)程，簡(jiǎn)單地說(shuō)，該過(guò)程是一系列凝血因子連鎖性酶反應(yīng)的結(jié)果［1］。整個(gè)血凝過(guò)程中包含著大量有關(guān)被檢者的病理信息，許多疾病的發(fā)生均與體內(nèi)出血指標(biāo)和血栓指標(biāo)有著密切關(guān)系，因此，對(duì)凝血過(guò)程的檢測(cè)、對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)分析具有重大醫(yī)學(xué)價(jià)值。由于其開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、科技含量高、市場(chǎng)準(zhǔn)入規(guī)則復(fù)雜，目前該類產(chǎn)品的研制與銷售仍被國(guó)外大型醫(yī)療器械企業(yè)所壟斷。本文所研究的基于MC9S12XS128單片機(jī)的血凝過(guò)程參數(shù)檢測(cè)裝置可在極大降低儀器的制造成本的同時(shí)，提升檢測(cè)的準(zhǔn)確性，為血凝儀這種高端儀器的國(guó)產(chǎn)化打下良好基礎(chǔ)。

1 血凝儀的組成和硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成框架

一套全自動(dòng)的血凝分析儀由上位機(jī)系統(tǒng)、通訊轉(zhuǎn)換接口裝置及下位機(jī)系統(tǒng)三大部分組成。上位機(jī)系統(tǒng)作為下位機(jī)系統(tǒng)的管理者，通過(guò)預(yù)先制定好的通訊協(xié)議控制下位機(jī)的動(dòng)作，比如光強(qiáng)采集、電機(jī)運(yùn)動(dòng)、溫度控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｍㄓ嵽D(zhuǎn)換接口裝置可將上位機(jī)的網(wǎng)口通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成下位機(jī)系統(tǒng)可讀的CAN 口通訊協(xié)議。系統(tǒng)組成如圖1 所示。此外，上位機(jī)還會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)以文本格式進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，并依據(jù)檢測(cè)到的參數(shù)繪制成曲線，進(jìn)行可視化顯示。下位機(jī)為本論文主要研究?jī)?nèi)容，如圖1中虛線框部分所示，MC9S12XS128單片機(jī)作為控制中心協(xié)調(diào)各組成部分的有序工作。下位機(jī)部分主要包括抓手控制機(jī)構(gòu)、溫度控制機(jī)構(gòu)、樣本臂運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、試劑臂運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)及兩個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元［3］。本文研究的核心為兩個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元，分別為散射光的檢測(cè)部分和透射光的檢測(cè)部分。最終以采集到的兩種光強(qiáng)度為基礎(chǔ)，加以數(shù)據(jù)處理算法，計(jì)算出被測(cè)血樣的凝結(jié)時(shí)間和吸光率。

圖1 系統(tǒng)組成框架

圖2 MC9S12XS128最小系統(tǒng)

1.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

血凝儀的硬件電路主要包括單片機(jī)核心板、光學(xué)檢測(cè)單元、光電轉(zhuǎn)換及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)核心板里裝載有各部分的控制程序及通訊協(xié)議，通過(guò)CAN 接口收發(fā)數(shù)據(jù)；光學(xué)檢測(cè)單元里有光電轉(zhuǎn)換電路，該部分電路可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)加以利用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以直接控制抓手、樣本臂和試劑臂的動(dòng)作，將待測(cè)樣本放置于光學(xué)檢測(cè)單元的合適位置。

1.2.1 單片機(jī)核心板設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Freescale公司的MC9S12XS128單片機(jī)作為控制核心。該款單片機(jī)總線速度高達(dá)40 MHz，具備128 KB的 程 序FLASH 和8KB 的 數(shù) 據(jù)FLASH 存 儲(chǔ) 空 間［4］具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、能耗低等明顯優(yōu)勢(shì)。此外其特有的8通道的PWM 輸出口，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，及速度達(dá)3μs轉(zhuǎn)換時(shí)間的12位精度ADC 模塊。MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部包含可升級(jí)控制器局域網(wǎng)絡(luò) （MSCAN），全面支持CAN2.0協(xié)議。由于芯片僅帶協(xié)議層控制器，因此使用時(shí)需要通過(guò)一個(gè)收發(fā)器提供物理層驅(qū)動(dòng)，這里選取型號(hào)為PCA82C250的CAN 總線收發(fā)器。該芯片的CANH 和CANL引腳外接一個(gè)5Ω 的電流進(jìn)行限流，從而保護(hù)芯片，使其免受過(guò)流沖擊。MC9S12XS128單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

1.2.2 光學(xué)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

光學(xué)檢測(cè)單元包括散射光檢測(cè)和透射光檢測(cè)兩部分。其中散射光檢測(cè)裝置又由反應(yīng)杯托盤和金屬支架兩大塊構(gòu)成，用黑色塑料制成的托盤具有極好的遮光性，可在測(cè)試過(guò)程中有效地防止外部干擾光源進(jìn)入檢測(cè)裝置；用不銹鋼材料制成的金屬支架具有較好的導(dǎo)熱性，可在支撐托盤的同時(shí)起到熱傳導(dǎo)的作用。以此同時(shí)，安裝在支架與托盤接觸的底部的加熱和測(cè)溫裝置，可幫助實(shí)現(xiàn)樣本的孵育。托盤上有若干檢測(cè)孔，離檢測(cè)孔底端4 mm 處開(kāi)有直徑為3 mm 的通孔，通孔處裝有光電傳感器。進(jìn)行血凝過(guò)程檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將點(diǎn)光源固定放置在托盤的兩側(cè)，形成對(duì)射狀態(tài)，光電傳感器與點(diǎn)光源軸線垂直安裝即可。透射光檢測(cè)部分構(gòu)造與散射光檢測(cè)部分類似，此處不再贅述。

1.2.3 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

散射光和透射光的檢測(cè)電路大致相同。本系統(tǒng)采用型號(hào)為S2386－44K，具有高靈敏度、低暗電流等特點(diǎn)的硅光電二極管作為光電傳感器。該傳感器輸出信號(hào)為電流量，其輸出的反向電流與入射光強(qiáng)呈線性關(guān)系。光電轉(zhuǎn)換電路的第一級(jí)須將其輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，第二級(jí)不但需要將轉(zhuǎn)變得到的微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，還需要對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本系統(tǒng)在兩級(jí)轉(zhuǎn)換電路之后，又加入了一級(jí)電壓跟隨電路，以提高輸入阻抗、降低輸出阻抗。

光電轉(zhuǎn)換部分的電路如圖3所示，電路選取的低偏置電流運(yùn)放的型號(hào)為MCP602。第一級(jí)電路中，使用一個(gè)2兆歐的電阻實(shí)現(xiàn)電流－電壓轉(zhuǎn)換；兩級(jí)之間加入了一個(gè)低通濾波電路，濾除高頻噪聲的干擾；第二級(jí)為同向比例放大電路，通過(guò)選取合適的電阻值可以保證光電轉(zhuǎn)換電路的輸出量處于單片機(jī)的最佳AD采集范圍內(nèi)；第三級(jí)選取型號(hào)為AD8542的軌對(duì)軌運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)電壓緩沖。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路

1.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

血凝儀所使用的電機(jī)為兩相單極步進(jìn)電機(jī)，該款電機(jī)使用型號(hào)為SLA7078MR的驅(qū)動(dòng)芯片即可直接驅(qū)動(dòng)。此外，可通過(guò)型號(hào)為ADG608的電子開(kāi)關(guān)芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸出功率的調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)電路如下：將電子開(kāi)關(guān)的輸出端接到驅(qū)動(dòng)芯片的Ref／Sleep1端，通過(guò)單片機(jī)控制電子開(kāi)關(guān)輸出參考電壓，進(jìn)而控制電機(jī)的能耗和發(fā)熱量。通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片M1、M2和M3這3個(gè)控制端可以設(shè)定細(xì)分模式，同時(shí)配合Clock端輸入脈沖即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；F／R 端則用來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件是指血凝儀中單片機(jī)核心板的軟件，該部分軟件主要實(shí)現(xiàn)光源工作狀態(tài)控制和故障檢測(cè)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制以及血凝過(guò)程參數(shù)的采集和發(fā)送［5］。

血凝過(guò)程參數(shù)的采集包括采集散射光信號(hào)和透射光信號(hào)兩部分。本系統(tǒng)設(shè)定的采樣頻率fs在50～100 Hz之間。檢測(cè)過(guò)程中，單片機(jī)會(huì)不斷采集數(shù)據(jù)，采用均值濾波算法處理后將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)的傳輸在定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行，并通過(guò)定時(shí)器的配置，使得緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)以50Hz的頻率通過(guò)CAN 通訊方式發(fā)至上位機(jī)。下位機(jī)軟件流程如圖5所示。

圖5 下位機(jī)軟件流程

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的開(kāi)發(fā)基于Visual Studio.NET 平臺(tái)，采用C＃語(yǔ)言編寫，它是設(shè)備與用戶的連接的橋梁。針對(duì)上位機(jī)軟件包含功能較多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的特點(diǎn)，可將每一個(gè)大功能模塊細(xì)分為多個(gè)子模塊，即基于模塊化開(kāi)發(fā)。上位機(jī)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。下文主要介紹血凝儀下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分不再贅述。

圖6 上位機(jī)軟件總體結(jié)構(gòu)

2.3 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將上下位機(jī)通訊協(xié)議的長(zhǎng)度設(shè)置為單個(gè)CAN 總線數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，且每一個(gè)協(xié)議命令均為8字節(jié)指令，系統(tǒng)所制定的主要協(xié)議命令如表1所示。上位機(jī)發(fā)送自檢指令后，會(huì)等待下位機(jī)進(jìn)行反饋。若下位機(jī)系統(tǒng)無(wú)故障，則下位機(jī)會(huì)往上位機(jī)發(fā)送自檢正常指令，否則會(huì)發(fā)送自檢錯(cuò)誤指令至上位機(jī)。下位機(jī)采集數(shù)據(jù)所使用的AD 轉(zhuǎn)換器精度為12位，因此傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要分兩個(gè)字節(jié)完成。為了防止錯(cuò)誤解析協(xié)議命令，將傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議前6 字節(jié)固定為0xAA，命令的最后兩個(gè)字節(jié)為所要發(fā)送的AD 模塊采集到的值，如表1末行所示。

表1 上位機(jī)與下位機(jī)通訊協(xié)議

3 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

3.1 散射光信號(hào)處理算法

散射光信號(hào)處理采用百分比檢測(cè)法，其原理為：將開(kāi)始檢測(cè)時(shí)采集到的散射光強(qiáng)ys定義為散射光最弱值，將檢測(cè)過(guò)程完成時(shí)采集到的ys定義為散射光最強(qiáng)值；分別找出檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)散射光強(qiáng)ys為最弱時(shí)的時(shí)刻和散射光強(qiáng)ys最強(qiáng)時(shí)的時(shí)刻，兩個(gè)時(shí)間間隔即血液凝固時(shí)間。

實(shí)際應(yīng)用中，考慮到采集數(shù)據(jù)可能存在的誤差，往往會(huì)預(yù)先設(shè)定一個(gè)比較閾值R1、R2及時(shí)間區(qū)間閾值N1、N2。若某個(gè)ys值比它后邊的第N1個(gè)值小R1，則找到起始時(shí)刻t1；若某個(gè)ys值比它前邊的第N2個(gè)值大R2，則找到終止時(shí)刻t2；利用t1和t2容易算出凝固時(shí)間tcoa，如式（1）所示

式中：Ts——單片機(jī)預(yù)先設(shè)定的采樣周期，單位為秒。

3.2 透射光信號(hào)處理算法

血液樣本的透射光強(qiáng)度與溶液濃度成反比，這里使用yt來(lái)表征透射光強(qiáng)度值，表示在t時(shí)刻樣本的相對(duì)透光強(qiáng)度值。定義樣本的吸光率為rab，其表達(dá)式如式 （2）所示，單位為相對(duì)透射光強(qiáng)度水平值／分鐘

該部分在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)設(shè)定R1、R2、N1、N2這幾個(gè)比較閾值，涉及到的其余算法與3.1 節(jié)大致相同，不再贅述。接下來(lái)，可利用采集到的t1、t2這段時(shí)間內(nèi)的透射光強(qiáng)度值yt，通過(guò)最小二乘法擬合出一條曲線，即yt＝kxt＋b。最 后 計(jì) 算 出k 后，通 過(guò) 式 （3）即 可 求得rab的值

3.3 數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)

通過(guò)單片機(jī)AD 采樣過(guò)程存有干擾信號(hào)，采集到的數(shù)據(jù)具有不連續(xù)性，為了提高采樣信號(hào)信噪比，可采用數(shù)字低通濾波方法對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行二次濾波。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器 （finite impulse response，F(xiàn)IR）［6］。

理想的低通數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)如式 （4）所示

對(duì)式 （4）做離散傅立葉逆變換后得到單位樣值時(shí)域序列有

接著選取長(zhǎng)度為N 的矩形窗函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到濾波器單位樣值響應(yīng)如式 （6）所示，其Z 傳遞函數(shù)如式 （7）所示

令X（Z）為采樣值序列，對(duì)Y（Z）＝H（Z）X（Z）取Z逆變換，得到濾波器差分方程如式 （8）所示

式中：bk——濾波器系數(shù)，系統(tǒng)中bk取值如式 （9）所示

這里取N ＝7，fc＝80Hz，可利用Matlab計(jì)算得到數(shù)字濾波器的差分方程如式 （10）所示

最終，血凝儀上位機(jī)利用式 （10）對(duì)下位機(jī)AD 采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便可得到一平滑的輸出序列。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)選用德靈公司 （DADE BEHRING）的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控血漿 （CiTrol coagulation control）和專門用于檢測(cè)血液凝固時(shí)間凝血活酶含鈣試劑 （Thromborel S）。

首先配置采樣頻率為50sps，采用散射法檢測(cè)血液凝固時(shí)間。使用血凝儀的電控系統(tǒng)完成樣品的混合后進(jìn)行采集，每次采集600 個(gè)數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)所繪得的曲線如圖7所示，其中上圖為使用Matlab繪制出未經(jīng)濾波的原始檢測(cè)曲線，下圖為使用濾波處理后得到的曲線。曲線縱坐標(biāo)為光強(qiáng)的AD 值，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)。

圖7 散射曲線

接著，按照同樣的系統(tǒng)配置和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行透射檢測(cè)，測(cè)得曲線如圖8所示。

圖8 透射曲線

在Matlab環(huán)境下，根據(jù)上述曲線的參數(shù)可以計(jì)算得到血液樣本的凝固時(shí)間為8.13s，同時(shí)該血樣的吸光率為17.0052相對(duì)光強(qiáng)度／分鐘。實(shí)際醫(yī)療檢測(cè)中，需要取多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后求其平均值作為醫(yī)學(xué)診斷的最終根據(jù)。

系統(tǒng)上電后，運(yùn)行上位機(jī)系統(tǒng)即可顯示軟件初始化界面，如圖9所示。點(diǎn)擊 “建立連接”，若系統(tǒng)正常則可進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。測(cè)得的散射光凝結(jié)過(guò)程曲線如圖10所示，散射光曲線測(cè)得方法類似，此處不再贅述。

圖9 上位機(jī)軟件初始化界面

圖10 上位機(jī)散射光凝結(jié)過(guò)程曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)血凝儀血液凝固過(guò)程的研究和分析，制定出一套光學(xué)檢測(cè)方案，基于光信號(hào)處理算法，研制出以MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心的血凝分析系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一套電控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)取樣和檢測(cè)。同時(shí)，下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 通訊接口傳輸至上位機(jī)，通過(guò)數(shù)字濾波算法處理后計(jì)算得到凝固時(shí)間和吸光率。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)成本低、采集精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)本方案測(cè)得的結(jié)果符合實(shí)際規(guī)律，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

［1］YUAN Yu.The design of the control part of automatic blood coagulation factor analyzer［D］.Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2010 （in Chinese）. ［原毓.全自動(dòng)凝血因子分析儀控制部分的設(shè)計(jì) ［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.］

［2］CHEN Yu，ZHONG Huixiu.Comparison of two methods on fibrinogen measurement used by CA1500automatic coagulation analyzer［J］.Medical Information，2011，24 （8）：3801－3803（in Chinese）.［陳喻，鐘輝秀.CA1500全自動(dòng)血凝儀測(cè)定纖維蛋白 原 兩 種 方 法 比 較 ［J］.醫(yī) 學(xué) 信 息，2011，24 （8）：3801－3803.］

［3］DUAN Zhengang，HAN Minglu，LIAN Xiaoqin，et al.Software design and implementation of automatic coagulation analyzer based on C＃ ［J］.Computer Engineering and Design，2013，34 （4）：1488－1492 （in Chinese）. ［段振剛，韓明璐，廉小親，等.基于C＃的全自動(dòng)血凝儀軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34 （4）：1488－1492.］

［4］YE Xiaojian，ZHANG Xiaoli，LIAN Xiaoqin，et al.A design of intelligent tracing car based on MC9S12XS128 ［J］.Science and Technology Innovation Herald，2013 （14）：80－81 （in Chinese）.［葉曉劍，張曉力，廉小親，等.基于MC9S12XS128單片機(jī)智能尋跡小車的設(shè)計(jì) ［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013 （14）：80－81.］

［5］KE Yan，LI Jie，KONG Xianglei，et al.Software design of host computer of multi－channel data acquisition system based on USB2.0 ［J］.Journal of Test and Measurement Technology，2010，24 （4）：351－356 （in Chinese）.［柯艷，李杰，孔祥雷，等.基于USB2.0的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) ［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，24 （4）：351－356.］

［6］LI Lanying，WANG Zhichao，WANG Feng，et al.Design and simulation of FIR digital filter ［J］.Journal of Harbin University of Science and Technology，2013，18 （3）：36－41（in Chinese）.［李蘭英，王志超，王峰，等.FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與 仿 真 ［J］.哈 爾 濱 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2013，18 （3）：36－41.］