糖化血紅蛋白檢測系統控制軟件的設計與實現

王云光，杜海濤，王文霞，張超

（1.上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093； 2.上海醫療器械高等?？茖W校 醫用電子信息系，上海 200093）

糖化血紅蛋白檢測系統控制軟件的設計與實現

王云光1、2，杜海濤1，王文霞2，張超1

（1.上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093； 2.上海醫療器械高等?？茖W校 醫用電子信息系，上海 200093）

針對基于離子交換色譜法的糖化血紅蛋白檢測系統，提出了一種控制系統方案，并重點對其控制軟件部分進行了設計與實現?？刂葡到y采用模塊化設計思想，提高了開發效率?？刂栖浖糠纸o出了設計結構和關鍵程序，實現了數據庫的連接、串行接口的通訊、數據結果的采集和曲線繪制等。經測試表明，該系統性能可靠，各項指標均能滿足用戶日常檢測的需要。該方案的設計與實現，也為后續的嵌入式開發和其他相關儀器的研發奠定了良好的理論和實踐基礎。

糖化血紅蛋白檢測系統；糖化血紅蛋白；色譜分析法；醫療檢驗設備

0 前言

糖尿病(Diabetes Mellitus，DM)是由于人體內胰島素缺乏或相對缺乏所致的一種慢性內分泌代謝性疾病，以糖代謝紊亂為突出表現，未治療狀態下，以高血糖為主要特征，并伴有蛋白質及脂肪代謝異常[1]。目前糖尿病已成為一種嚴重影響人類健康的疾病，根據世界衛生組織官方預計，至2030年中國糖尿病患者將超過4千萬，全世界將達到3.66億[2、3]。臨床上已廣泛開展檢測患者血糖的工作，但由于血糖僅能反映某一具體時間的血糖水平，容易受到進食和糖代謝等相關因素的影響，所以并不能作為評價疾病控制程度的指標。

糖化血紅蛋白(Glycosylated Haemoglobin, GHB)指標能夠反映測定前120天（即紅細胞生命期）內平均血糖水平，相比于血糖監測，更能作為血糖控制的長期評估標準，現已成為了糖尿病監測的“金指標”，并且該指標獲得了美國國家糖化血紅蛋白標準化項目(National GlycohemoglobinStandardization Program, NGSP)的極力推薦和認可[4]。本文所研究的糖化血紅蛋白檢測系統采用低壓液相的生化分析方法，對糖化血紅蛋白中的各組分進行全自動的處理與分析，并最終達到檢測各指標的目的。

1 基本原理

糖化血紅蛋白檢測系統的分離部分采用了低壓離子交換層析技術與梯度洗脫技術相結合的色譜分析方法，從經溶血處理的全血中分離出血紅蛋白亞基及變異體。低壓離子交換技術是使用表面有離子交換基團的離子交換劑作為固定相，不同離子與交換基的作用力大小不同，在樹脂中的保留時間長短不同，從而被相互分離。梯度洗脫技術主要是通過改變流動相中各溶劑組成的比例來改變流動相的極性，使樣品中的所有組分可在最短時間內實現最佳分離[5]。糖化血紅蛋白檢測系統采用二者相結合的方法，使得糖化血紅蛋白中的各組分能夠得到最佳的分離效果。

圖1 糖化血紅蛋白檢測系統總體結構

糖化血紅蛋白檢測系統的檢測部件屬于光學式分析系統，采用的是紫外/可見光(UV/Vis)檢測器，又稱為吸光光度檢測器，是通過測定物質在流動池中吸收紫外/可見光的大小來確定其含量的。其定量分析的基礎是朗伯-比耳定律，表達式如下：

2 系統總體結構

糖化血紅蛋白檢測系統是一個復雜的光、機、電一體的常用醫療檢驗設備，它主要由進樣系統、反應系統、檢測系統和控制系統等部分組成。其中控制系統是整個儀器的核心。如圖1所示。

進樣系統主要負責樣品流動過程的進行，包括吸樣、排樣和清洗等；反應系統是利用離子交換層析和梯度洗脫的技術對樣品進行檢測前的預處理；檢測系統是對離子交換層析后的各物質進行吸光度的測定。

控制系統采用的是模塊化設計，分為控制硬件和軟件兩部分。之所以采用這種設計，主要是考慮到PC屏幕顯示的優越性、單片機開發的高效性以及模塊化設計的穩定性和可靠性。需要指出的是，這種設計方案主要是前期驗證性開發的需要，并不是糖化血紅蛋白檢測系統中控制系統設計的最終方案。其中，軟件主要負責人機交互界面以及對硬件的控制，硬件主要負責對步進電機、蠕動泵、樣品閥、比例閥、注射器等機械部件進行控制，對光電檢測信號進行處理。

3 控制系統硬件的設計

硬件電路采用的是C8051F060控制芯片，該控制芯片功能強大，其特點主要有高速、流水線結構的8051 兼容的CIP-51 內核（可達25MIPS）；兩個16 位、1 Msps 的ADC，并且帶有DMA(Direct Memory Access, 直接存儲器存取) 控制器；豐富的數字I/O 引腳(59個)；4352（4K+256）字節的片內RAM；64KB可在系統編程的FLASH 存儲器；5 個通用的16 位定時器；兩個UART 串行接口等[6]?？刂葡到y硬件結構如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構圖

其中，檢測器輸出的模擬量通過C8051F060的ADC0(模數轉換0通道)轉化成數字量，數據采集時利用C8051F060集成的DMA控制器直接讀入單片機的內存。DMA是一種不經過CPU而直接從內存存取數據的數據交換模式。其優點是其進行數據傳輸時不需要CPU的干涉，可以大大提高CPU的工作效率。DMA接口與ADC0和ADC1協同工作，將ADC輸出直接寫入指定的XRAM(Expanded RAM, 擴展數據存儲器)區域。利用軟件通過使用特殊功能寄存器來配置DMA接口。通過DMA控制邏輯來訪問指令緩沖器，從ADC獲取數據，并控制將數據寫入XRAM。DMA指令告訴DMA控制邏輯從哪個ADC讀取結果，但并不啟動ADC轉換。DMA控制流程如圖3所示。

圖3 DMA控制流程圖

4 控制系統軟件的設計

4.1 底層軟件的設計

圖4 底層軟件結構

MCU(Micro Controller Unit,微控制器)系統控制器的內核是CIP-51微控制器。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x 的匯編器和編譯器進行軟件開發[6]。底層軟件主要通過C語言和匯編語言相結合的方式來控制硬件，控制系統底層軟件結構如圖4所示。主要函數及功能如表1所示。

表1 底層軟件函數名稱及功能

4.2 人機交互界面的設計

人機交互界面的設計要考慮到兩方面的因素：一是要有良好的界面，使得用戶能夠進行直觀、高效的操作；二是要保證與硬件之間進行有效的通訊和傳輸。基于這兩個因素，選擇了Microsoft公司的Visual Basic 6.0 開發工具（簡稱VB）。首先，VB的易用性使其成為了世界上使用最為廣泛的程序設計語言之一；其次，VB所自帶的MSComm串口控件，可以方便地實現串口的通訊；同時，VB與SQL Server 2000數據庫的完美結合，使得數據的管理變得易于操作。

4.2.1 人機交互界面功能需求

控制軟件主流程為：由用戶輸入或條形碼掃描輸入ID號(病人編號)，點擊運行樣本后，進行檢測，將檢測得到的數據實時顯示在屏幕上，而后對數據進行計算，將所得結果顯示并存儲，最終生成報表并打印?；诖酥髁鞒?，控制軟件要具有用戶輸入病人信息界面、檢測過程數據和繪圖的顯示、數據的打印和檢索、工程師維護菜單以及接口通訊等功能。

4.2.2 人機交互界面總體設計

圖5 人機交互界面菜單的結構示意圖

基于軟件功能需求，將控制軟件分為樣本運作、數據處理、系統設置、工程師維護等4大模塊，其具體結構如圖5所示。

4.2.3 關鍵模塊的設計與實現

4.2.3.1 輸入病人信息

用戶通過交互界面手動或條形碼掃描進行病人信息的輸入，接著，控制軟件通過與SQL Server 2000數據庫的連接，將輸入的信息保存到數據庫中。與數據庫連接的部分代碼如下：

4.2.3.4 曲線的繪制和顯示[8]

PC在接收到數據后，利用VB的Picture控件及其Line方法，可將采集的數據實時地顯示在屏幕上，并通過相應的積分和比例計算，得出最后的結果。限于篇幅，在這里只給出主要流程圖，如圖6所示。根據此流程圖，可得到曲線繪制界面。

5 結論與展望

糖化血紅蛋白檢測系統中軟件的設計是整個系統的靈魂。經過長時間的研制與開發，該軟件設計方案已經實現，同時解決了工程中的許多問題。經大量實驗測試，各項性能指標均達到行業標準，能夠滿足用戶日常檢測的需要。

圖6 曲線繪制流程圖

然而，模塊化設計的方法，雖使得開發進度較快，并且提高了檢測系統的自動化程度和各模塊的運行效率，降低了故障率，但采用軟硬件分離的方法，不利于系統的集成，若僅采用單片機的結構，則圖形用戶界面實現較為困難，同時對網絡的支持較差。針對此問題，本實驗室正在利用嵌入式技術進行糖化血紅蛋白檢測系統的二次開發。因此，本方案的設計與實現為后續的嵌入式開發奠定了良好的理論基礎和實踐依據。

[1] 杜惠峰,傅中滇.糖尿病及其國內流行現狀[J].生物學教學,2002,27(1): 4-5.

[2] World Health Organization. Country and regional data [EB/OL].[2009-7-18]. http://www.who.int/diabetes/facts/world_figures/en/index.html.

[3] Sarah Wild, Gojka Roglic, Anders Green, et al. Global Prevalence of Diabetes: Estimates for the year 2000 and projections for 2030[J]. DIABETES CARE, 2004,27(5):1047-1053.

[4] 洪天配.關于HbA1c測定全球標準化的共識[J].中國糖尿病雜志,2007,15(12):768.

[5] 徐秉玖.儀器分析[M].北京:北京大學醫學出版社,2004.

[6] 潘琢金.C8051F06X混合信號ISP FLASH 微控制器數據手冊[M/OL].(2004-12) [2009-7-18]. http://www.xhl.com.cn/sjsc/sjscdetail.asp?sid=29.

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Design and Implementation of Control Software in Glycosylated Haemoglobin Detection System

WANG Yun-guang1,2, DU Hai-tao1,WANG Wen-xia2, ZHANG Chao1
(1. School of Medical Instrument and Food Engineering ,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2. Medical Electronic Information Department, Shanghai Medical Instrument College,Shanghai 200093,China)

According to the glycosylated haemoglobin detection system based on ion-exchange chromatography,this paper puts forward a scheme of control system, and then detailed description of control software is presented.The modularization design of the detection system improves the development efficiency. The design structure and key program is given in the part of control software; database connection, serial interface communication, data acquisition and curve drawing is also realized in this part. The testing results indicate that the system performance is reliable,and all indexes can meet requirements of routine testing.The design and implementation of this scheme also lays a theory and practice foundation for the further embedded development and the related instrument research.

glycosylated haemoglobin detection system;glycosylated haemoglobin; chromatographic method;medical inspection equipment

TP311.52

A

1674-1633(2010)01-0019-04

2009-07-15

2009-10-21

本文作者：王云光，副教授，碩士生導師。

作者郵箱：dhttony@yahoo.com.cn