據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，針對(duì)大中型醫(yī)院使用的全自動(dòng)生化分析儀體積龐大、操作復(fù)雜、造價(jià)昂貴，難以在基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)及偏遠(yuǎn)地區(qū)普及使用的問(wèn)題，武漢輕工大學(xué)的研究人員提出了一種易攜帶、操作簡(jiǎn)單、低成本的全自動(dòng)生化分析儀設(shè)計(jì)方案。該方案以朗伯-比爾定律為理論基礎(chǔ)，基于設(shè)備離心力和芯片毛細(xì)力將血液樣本預(yù)處理、輸送、混合以及反應(yīng)等過(guò)程一體化，并以ARM、DSP和FPGA多處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、恒溫控制等功能，實(shí)現(xiàn)了生化分析儀的便攜式功能。此外，經(jīng)過(guò)性能檢測(cè)，該系統(tǒng)吸光度重復(fù)性、穩(wěn)定性、溫度準(zhǔn)確度和波動(dòng)度滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此，為體外即時(shí)檢驗(yàn)提供了一種便攜式的解決方案。相關(guān)研究成果以論文形式發(fā)表在《應(yīng)用科技》期刊上。

系統(tǒng)工作原理

生化分析儀主要由檢測(cè)單元、控制單元、管理單元3部分組成。用戶可以通過(guò)液晶顯示屏查看生化分析儀的工作狀態(tài)、樣本檢測(cè)的結(jié)果。

通過(guò)按鍵發(fā)送檢測(cè)命令給到下位機(jī)，下位機(jī)執(zhí)行相關(guān)命令，檢測(cè)單元各個(gè)模塊開始工作，最終將采集到的信息經(jīng)過(guò)算法處理后返回至上位機(jī)界面，ARM上預(yù)留有RS232接口可同步數(shù)據(jù)到PC端數(shù)據(jù)管理軟件。

而控制單元通過(guò)控制直流無(wú)刷電機(jī)的加速、減速、正反轉(zhuǎn)，為微流控芯片提供離心驅(qū)動(dòng)力，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片中測(cè)試樣品離心、混合。在具體的操作過(guò)程中，氙燈提供一束白光攝入微流控芯片的反應(yīng)孔，經(jīng)過(guò)分光、濾光后，硅光電池組成的光檢測(cè)器檢測(cè)到9個(gè)波段的光信號(hào)，對(duì)信號(hào)處理后，依據(jù)朗伯-比爾定律，參照標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以得到被測(cè)樣本中關(guān)注物質(zhì)的濃度。微流控芯片結(jié)構(gòu)以及血液樣本在芯上的分離、定量、流動(dòng)、反應(yīng)過(guò)程如圖1所示。

圖1 微流控芯片：（a）微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖；（b）加入樣本（紅）和稀釋液（藍(lán)）；（c）樣本稀釋液定量和離心分離；（d）血漿（黃）、血細(xì)胞（紅）分離完成；（e）稀釋液（藍(lán)）、血漿（黃）完成混合（綠）；（f）稀釋液、血漿混合后進(jìn)入反應(yīng)孔。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，直流無(wú)刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)以及加減速通過(guò)專用的電機(jī)控制芯片來(lái)控制，為微流控芯片提供充足的離心驅(qū)動(dòng)力，以此完成血液樣本的生化檢測(cè)反應(yīng)。直流無(wú)刷電機(jī)由3個(gè)單橋臂電路組成，每個(gè)橋臂使用IR公司的IR2101 MOSFET驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速率驅(qū)動(dòng)器，最高可提供20V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，依靠VCC端的自舉電容，可實(shí)行上橋臂的電壓驅(qū)動(dòng)。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

盤片定位電路用于提供盤片檢測(cè)時(shí)精確的定位信號(hào)，該系統(tǒng)以發(fā)光二極管為光源，硅光電池為光電檢測(cè)器，系統(tǒng)為發(fā)光二極管提供5V電壓。光信號(hào)經(jīng)硅光電池轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)入運(yùn)算放大器LT1113，放大電路如圖3所示。調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)入比較器電路，當(dāng)放大后電壓信號(hào)大于目標(biāo)電壓信號(hào)，輸出高電平，氙燈曝光，完成一次探測(cè)。

圖3 定位信號(hào)放大電路

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢測(cè)流程如圖4所示，正常啟動(dòng)后，用戶通過(guò)顯示屏點(diǎn)擊檢測(cè)按鈕進(jìn)入檢測(cè)流程，掃描二維碼錄入測(cè)試信息，放入微流控芯片，添加樣本，確認(rèn)測(cè)試信息后自動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)程序，待倉(cāng)內(nèi)溫度達(dá)到37℃±0.1℃開始檢測(cè)。直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤片轉(zhuǎn)動(dòng)，完成樣本離心、定量、樣本和稀釋液混合等工作，下位機(jī)與上位機(jī)之間通過(guò)SPI接口交互數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后生成檢測(cè)報(bào)告，在顯示屏上顯示，并自動(dòng)打印測(cè)試報(bào)告。

圖4 系統(tǒng)檢測(cè)流程

總體而言，該研究為全自動(dòng)化生化分析儀在社區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等基層組織和偏遠(yuǎn)地區(qū)的普及提供了便攜式的解決方案。研究人員后續(xù)將致力于將硬件系統(tǒng)進(jìn)一步集成化、小型化，優(yōu)化軟件，使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確度更高。