便攜式HGB測量系統(tǒng)設計

【作 者】高 超，王彬之，馮濤濤，李 宏

寧波大學 信息科學與工程學院，浙江，寧波，315211

目前嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，應用領域也不斷擴大，設備的智能化、自動化水平也在不斷提高。在醫(yī)療設備中采用嵌入式系統(tǒng)，不僅可實現(xiàn)儀器的自動化和智能化，還可實時地完成復雜的信號處理和分析。

HGB（Hemoglobin，血紅蛋白）是人體血液中紅細胞內的主要成分，它具有易與氧和二氧化碳結合的特性，是呼吸系統(tǒng)的載體。HGB低于正常值時，就是常說的貧血。HGB測量儀主要應用在手術室、血液科、急診室、新生兒監(jiān)護和運動員體檢等場所，是很多疾病重要的診斷手段，因此準確快速的測量HGB濃度在醫(yī)療上尤為重要。目前， HGB測量儀價格昂貴，國產血紅蛋白儀體積龐大，操作復雜，測量結果易受外界影響，且稀釋和溶血需要較長時間。

本文報告開發(fā)了一種基于嵌入式的便攜式HGB測量系統(tǒng)，它利用雙波長法實現(xiàn)HGB濃度的測量。該系統(tǒng)可以快速準確地測量HGB濃度，降低HGB測量儀的造價，可應用于各種相關場所。

1 HGB濃度測量原理

1.1 雙波法測量原理

目前，測量液體濃度的方法主要有化學中的滲透法[1]，測量糖溶液濃度的旋光儀法和光纖濃度測量技術等。本設計采用雙波長法測量血紅蛋白。較以上諸法更為便捷，高效。

假設波長為λ1和λ2的兩種光分別通過血紅蛋白溶液，如圖1所示：

圖1 雙波長法測量原理Fig.1 Principle of dual-wavelength measurement

由比爾-朗伯定律得：

其中，Lin1為輸入樣本的光強，Lout1為輸出樣本的光強，[C]為樣品濃度，K為吸收系數(shù)(特定的每種分子)，L為容器皿的厚度，As1為外界環(huán)境對光的吸收度。同理，可得波長為λ2的關系式。將兩式相減可得：

因外界環(huán)境相同，即有As1=As2。根據(jù)光電發(fā)光管的光敏感性S(λ)=isc/L，其中isc為發(fā)光管的短路電流，L為光強，將短路電流轉換為電壓，再經V—F轉換，則有：

1.2 波長的選擇

波長選擇原則：波長λ1和λ2處，干擾組分應具有相同吸光度，這樣才能保證AS1= AS2，提高測量的精度；在選定的兩個波長λ1和λ2處待測組分的吸光度應具有足夠大的差值，否則lg[Iout(λ1)/Iout(λ2)]的值很小，會給測量帶來很大的誤差；波長λ1和λ2處光電接收器要有足夠的相對感度，這樣才能提高系統(tǒng)的靈敏性。根據(jù)表1可以看出，紅色物質對藍光和綠光的吸收最高，藍光的波長為470-480 nm，綠光的波長為530-540 nm。

表1 物質顏色與吸收色的關系Tab.1 Relation between material color and wavelengths

從圖2可知，氰化高鐵血紅蛋白溶液對藍光和綠光的吸光度都比較高，都能滿足設計的要求。但從圖3可知，藍光的相對敏感度很低，而綠光的相對敏感度大約為藍光的2倍，因此本系統(tǒng)選用綠光作為測量光源。

2 系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)包括S3C44B0X微處理器[2]為核心的ARM控制與數(shù)據(jù)處理單元，HGB測量光源控制模塊，光電轉換模塊，ADC模數(shù)轉換模塊，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤以及LCD。具體系統(tǒng)構架如下圖4所示。以下介紹系統(tǒng)主要功能模塊。

2.1 HGB光源產生電路

HGB測量儀光源主要由SPX1117（5 V）穩(wěn)壓源，紅、綠發(fā)光二極管，兩個用于控制的三極管構成，如圖5所示。ARM控制單元通過改變兩個三極管截止或者飽和的工作狀態(tài)，以控制兩個LED發(fā)光二極管一個工作一個不工作，使其發(fā)出紅光或者綠光。因流過發(fā)光二極管的電流為恒定值，所以LED能發(fā)出光強穩(wěn)定的紅光和綠光。

2.2 光電轉換的設計

光電轉換電路是銜接光源產生電路和后續(xù)電路的部分。它把光信號轉換為電信號，送至AD采樣，為后續(xù)的信號處理電路提供數(shù)據(jù)。它的穩(wěn)定性決定了光信號處理部分能否正常工作。當有光照射到接收管時，光接收管產生電流，電流流過運放的跨阻，在運放輸出端產生負電壓U0。根據(jù)光電二極管對波長為 λ 的光波的敏感性S(λ)=isc/I(λ)，及運放輸出U0=isc×R，可得接收光強I(λ)和U0成正比，從而通過測量運放輸出電壓即可測量光電二極管所接收的光強 I(λ)。

光電轉換電路可采用零偏結構和反偏結構。反偏結構接收管的陽極加一負電壓VEE，與零偏結構電路相比，適合高速應用并能大大降低接收管的極間電容C。極間電容的降低對光電轉換電路噪聲的降低將有重大的意義，因此本設計中采用反偏結構。

2.3 A/D轉換電路的設計

A/D轉換器分為直接A/D轉換器和間接A/D轉換器[4]。其中間接的A/D轉換器又主要分為電壓-時間轉換型（VTC）和電壓-頻率變換型（VFC）兩類。電壓-頻率變換型轉換器，工作穩(wěn)定，線性好，精度高，電路簡單且其抗干擾能力強。因此本設計采用VFC轉換方式。

本設計選用AD654芯片來實現(xiàn)，其原理如圖6所示。將光電轉換輸出的模擬電壓U0經VFC變換，線性地轉換成數(shù)字脈沖式的頻率。由S3C44B0X讀入其內的計數(shù)器在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計數(shù)，所得到的計數(shù)結果即為正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。其工作原理如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

本設計的軟件部分主要功能是協(xié)調各模塊的工作以及數(shù)據(jù)的分析處理。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖8所示，主要涉及S3C44B0X芯片的定時器，中斷控制器和LCD控制功能。

系統(tǒng)初始化后進入主菜單，進行功能選擇。按1鍵對18歲以下人群進行測量，按2鍵對18～60歲人群進行測量，按3鍵對60歲以上人群進行測量，按4鍵對測量人群進行統(tǒng)計顯示，按5鍵進入系統(tǒng)校正模式，對系統(tǒng)精度進行校準。選擇1-3或者5后進入測量功能，測量完成后將數(shù)據(jù)送入ARM進行處理，然后將處理完的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器，供輸出顯示。

3.1 測試模塊設計

測量部分利用ARM芯片的外部中斷2對輸入的頻率進行計數(shù)，利用定時器3的計數(shù)中斷來確定計數(shù)的時間。系統(tǒng)初始化后開啟定時器3，當產生第一個定時中斷時，LED發(fā)紅光；當產生第二個定時中斷時，開啟外部中斷2，對紅光開始計數(shù)；當產生第三個定時中斷時，關閉外部中斷，將計數(shù)值傳回ARM控制單元，點亮綠燈；當產生第四個定時中斷時，開啟外部中斷2，對綠光頻率進行計數(shù)；當產生第五個外部中斷時，關閉外部中斷2，將計數(shù)值傳回ARM控制單元，之后由ARM處理輸出。軟件工作流程如圖9所示。

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)校準

表 1 血紅蛋白溶液濃度和頻率比值的關系Tab.1 Relation between Hemoglobin concentration and Frequency ratio

4.2 系統(tǒng)測量穩(wěn)定分析

因為lg( f2/f1)和溶液濃度成線性關系，所以我們可以通過測量lg( f2/f1)的穩(wěn)定性來確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我們對同一樣本進行14次測量，分別記錄lg( f2/f1)的數(shù)據(jù)如表2：從表2可以得出：lg( f2/f1)的平均值為A=0.6380 ，

表2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析Tab.2 System stability analysis

lg( f2/f1)的方差為0.455×10-6，測量值偏差很小，可見系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

5 結束語

本設計采用了S3C44B0X微處理器作為核心控制和數(shù)據(jù)處理單元，以嵌入式技術和血紅蛋白濃度測量原理為基礎，利用雙波長法實現(xiàn)了血紅蛋白濃度的測量，具有較好的穩(wěn)定性。本設計相較于現(xiàn)行市面上的HGB測量儀，測量周期短，體積較小，便于出診攜帶，儀器成本低，操作簡單，具有友好的人機交互界面和多人測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，具有較好的應用前景。

[1] Keiji Fujimoto, Principle of measurement in hematology analyzers manufactured by sysmex corporation[J]. Sysmex Journal International, 1999, 9（1）: 43-60.

[2] http://www. samsung.com/Products/Semiconductor/MobileSoC/ApplicationProcessor/ARM 7Series/S3C44B0/S3C44B0. htm,SUMSANG Co., Ltd., 2005

[3] 田澤. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用教程[M]. 北京航空航天大學出版社, 2005

[4] 孫肖子, 楊頌華. 數(shù)字電子技術基礎[M], 電子科技大學出版社，2000

[5] 劉廣. 介紹一種人工校準血液分析儀的簡單方法[J]. 陜西醫(yī)學檢驗, 1996，11（2）: 48.

[6] 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M]. 北京航空航天大學出版社, 2005