基于C＃的全自動血凝儀軟件設(shè)計與實現(xiàn)

段振剛，韓明璐，廉小親，張曉力

（北京工商大學，計算機與信息工程學院，北京 100048）

0 引 言

檢測血栓與止血從傳統(tǒng)的手工方法發(fā)展到全自動血凝儀［1］，從單一的凝結(jié)法發(fā)展到免疫法和生物化學法［2］，在形式和手段上都有了日新月異的變革。然而，目前大部分血凝儀都是由國外研發(fā)，其高程度的自動化功能、多樣化的檢測方法、復(fù)雜的檢測原理致使血凝儀的價格昂貴，不利于普及。而對診斷人體凝血疾病所需凝血時間的快速、準確、實時檢測，迫切地需要我們開發(fā)出一種具備以上功能，成本又可以被普遍接受的血凝儀。本文對血凝儀參數(shù)檢測系統(tǒng)的上位機軟件進行了設(shè)計，采用凝結(jié)算法得到了凝血時間，為血栓與止血參數(shù)的進一步計算打下了基礎(chǔ)，給全自動血凝儀軟件的實現(xiàn)提供了可靠地解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

全自動血液凝血分析儀，由三層架構(gòu)組成［3］：上位機PC管理層、主控單元協(xié)調(diào)層、下位機控制層。系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

上位機PC 管理層，即使用計算機作為最高層的管理者，管理主控單元和下位機。要想使上下位機成功通信，必須為其制定標準統(tǒng)一的通信協(xié)議，要求數(shù)據(jù)傳輸必須遵守協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、精準的采集。對于實驗涉及到的溫度控制、光強檢測以及控制機構(gòu)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，按照文本文檔的格式將其存儲，為之后的數(shù)據(jù)處理做好鋪墊。通過搭載C＃程序語言設(shè)計平臺，來創(chuàng)建整個血凝儀的工作界面，使血凝儀的工作得到可視化。最后根據(jù)實驗所需檢測的參數(shù)，按照凝結(jié)算法，得到結(jié)果。同時上位機還能夠保存歷史檢測數(shù)據(jù)和檢測曲線圖，方便用戶查閱。上位機和打印機相連，可打印數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)。

主控單元協(xié)調(diào)層，是整個系統(tǒng)框架的核心部分，它是上位機與下位機互相通訊的紐帶。主要負責處理上下位機數(shù)據(jù)和信號的正常通訊。使用主控單元的創(chuàng)新之處在于它能夠減少上下位機的負擔，同時提高上下位機之間的工作效率。而主控板和下位機之間采用的是PCI轉(zhuǎn)CAN的方式通信，更能提高通信速率。

下位機控制層，根據(jù)主控單元發(fā)出的協(xié)議代碼，在比對之后，通過使用步進機來驅(qū)動機械臂等運動，使對應(yīng)的功能成功啟動，完成相應(yīng)的操作。

2 機與主控單元通信協(xié)議的制定

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計框圖，血凝儀的通信即有兩部分組成。包括上位機PC與主控單元的通信和主控單元與下位機的通信。PC機首先將命令通過以太網(wǎng)網(wǎng)口傳輸，主控單元在接到PC機發(fā)來的進樣本、加試劑、補充反應(yīng)杯、樣本試劑檢測、分析樣本的命令后，對其進行分解，進而通過CAN 總線分解命令發(fā)給下位機各相關(guān)模塊［4］。下位機各相關(guān)模塊執(zhí)行完命令后，再將執(zhí)行的最終結(jié)果回饋給主控單元，進而反饋給PC機。下面著重制定上位機與主控單元的通信協(xié)議。具體通訊協(xié)議見表1。

通過制定協(xié)議代碼，可以成功將PC 機與主控單元握手，實現(xiàn)上下位機的實時通訊。例如，當上位機發(fā)出0301的命令，根據(jù)通訊協(xié)議，主控單元分析解析之后，樣品針到第一個樣本位置吸取樣本到相應(yīng)的反應(yīng)杯中；當發(fā)出0101命令，機械抓手將加入樣本的比色杯移到第一個孵育位置孵育一定時間。

3 軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

上位機軟件，通過以太網(wǎng)串行接口與主控單元通信，進行數(shù)據(jù)的存儲與顯示。本上位機軟件是在Visual Studio 2008.NET編程環(huán)境中使用C＃語言編程完成。數(shù)據(jù)庫模塊采用廣泛使用的SQL Server 2005來存儲大量數(shù)據(jù)［5］。

表1 PC機與主控單元通訊協(xié)議

3.1 上位機功能設(shè)計

上位機主要包括如下功能：設(shè)置試劑、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制、生成曲線、設(shè)置設(shè)備等。可以直觀反應(yīng)上下位通訊結(jié)果；實時顯示每個檢測實驗的步驟；用曲線形式實時顯示所有或某些時間節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用；上位機功能模塊設(shè)計如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫采用SQL Server，利用C＃中的ADO.NET 方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、查詢、報表生成、打印輸出等［6］。數(shù)據(jù)庫中根據(jù)實驗需要建立五張表即樣本表tb＿Sample、分析參數(shù)表tb＿AnalysisParameter、試劑表tb＿Reagent、試劑設(shè)置表tb＿ReagentSet、流程表tb＿Process。

樣本表tb＿Sample中設(shè)置了時間Time、條形碼Barcode ID、樣本姓名SampleName、性別Gender、年齡Age、分析參數(shù)AnalysisParameter、實驗結(jié)果Result、進度ProgressBar、標志位kuFlag字段。

又因為每個病人所需分析參數(shù)不同，故建立分析參數(shù)表tb＿AnalysisParameter，列出所有血凝儀需要完成的分析參數(shù)。供其它表中分析參數(shù)字段與之相關(guān)聯(lián)。

各個分析參數(shù)所需試劑亦不同，又建立了試劑表tb＿Reagent，設(shè)置試劑的ID號、試劑名稱ReagentName、分析參數(shù)AnalysisParameter、試劑制造商ReagentManufacturers、試劑批次ReagentBatch 字段，與試劑設(shè)置表tb＿ReagentSet相關(guān)聯(lián)［7］

在試劑設(shè)置表tb＿ReagentSet中，設(shè)置字段記錄試劑位置ReagentLocation、試劑名稱ReagentName、最大容量Max＿volume、剩余容量Re＿volume、分析參數(shù)Analysis－Parameter、標志位kuFlag。

圖2 上位機功能模塊設(shè)計框架

在流程表tb＿Process中，設(shè)置流程ID號ProcessID、樣本姓名SampleName、分析參數(shù)AnalysisParameter、完成一整套流程所需要的各個步驟、標志位kuFlag。便于查看某一個樣本流程具體進行到哪步，掌握整體分析的進度。

C＃與SQL Server連接，目的是根據(jù)病人需要，調(diào)用需要完成的分析參數(shù)以及該參數(shù)所需試劑，進而完成整個分析步驟。另外將從下位機讀取上來的數(shù)據(jù)按文本文件格式存儲在本地機中，并在數(shù)據(jù)庫表中建立路徑連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整體調(diào)用［8］。

3.3 網(wǎng)口的通訊設(shè)計

在通訊設(shè)計上，采用C＃的Socket通信原理建立主控單元和PC機的連接［9］?？蛻舳舜_定要連接的服務(wù)器的主機名和端口，然后發(fā)送連接請求到服務(wù)器，并等待服務(wù)器的回饋信息。當服務(wù)器端偵聽到來自客戶端的連接請求時，向客戶端發(fā)送收到連接請求的信息，客戶端收到服務(wù)器的SYN＋ACK 包，向服務(wù)器發(fā)送確認包ACK（ack＝k＋1），此包發(fā)送完畢，完成三次握手。在三次握手之后，客戶端與服務(wù)器開始傳送數(shù)據(jù)。當完成通信后，關(guān)閉Socket連接。

3.4 實驗流程設(shè)計

實驗流程是上位機軟件設(shè)計中的重點部分，也是從檢測血液到得出結(jié)果的重要體現(xiàn)。當采集到病人血液后，開啟血凝儀進行初始狀態(tài)自檢，沒有檢測到錯誤信息后，檢查反應(yīng)杯數(shù)目是否足夠完成此次實驗，若不足立即補充。接著將樣本信息錄入數(shù)據(jù)庫保存，主程序開始載入。然后按步執(zhí)行試劑冷卻、分配、檢測試劑，分析樣本。當有外部某種因素產(chǎn)生中斷或提示是否分析緊急樣本時，提示用戶選擇是否中斷分析，用戶選擇后，執(zhí)行相應(yīng)動作，最后通過使用凝結(jié)法，得到血液數(shù)據(jù)，完成對病人血液的檢測。實驗結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

3.5 實驗算法設(shè)計

在血凝儀檢測系統(tǒng)中，采用凝結(jié)法來處理數(shù)據(jù)。

圖3 實驗流程結(jié)構(gòu)

3.5.1 檢測基本原理

將剛加入凝血試劑但是凝血過程尚未開始時刻的散射光光強度的水平定義為0%，而凝血過程完全結(jié)束時的散射光光強度定義為100%。散射光光強度水平到達預(yù)定值所需的時間均可以在凝血曲線上查出。將這定義為凝血時間。（在圖4左中凝血檢測點設(shè)置為50%）。通過這種方法，只要發(fā)生很小的散射光光強度變化，就可以測定凝血時間［10］。

在儀器內(nèi)部存有各種標準曲線，反映了某種醫(yī)學指標（活性率）與凝血時間的函數(shù)關(guān)系，如圖4右所示。因此在算出凝血時間后，只需在該曲線上進行查表操作，即可得到最終欲測的指標。

圖4 凝血過程曲線、凝結(jié)法標準曲線

3.5.2 算法實現(xiàn)

檢測系統(tǒng)采集下位傳來的數(shù)據(jù)，獲得凝血曲線。將開始檢測時的ys值（采樣值）定義為散射光最弱狀態(tài)，將檢測過程結(jié)束（即化學反應(yīng)結(jié)束）時的ys值定義為散射光最強的狀態(tài)。分別找出散射光最弱狀態(tài)下最后一個ys值所出現(xiàn)的時刻和散射光最強狀態(tài)下第一個ys 值出現(xiàn)的時刻，這兩個時間點的中點距零點的時間即為凝結(jié)時間。算法流程圖如圖5所示。

圖5 算法流程

算法原理可以簡單敘述為：若某個ys 值比它后面的第N1個值小r1，則找到起始時刻t1；若某個ys值比它前面的第N2個值大r2，則找到終止時刻t2，利用t1和t2容易算出凝血時間tcoa。

另外，為避免從下位采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)壞點，在獲得凝血曲線之前對數(shù)據(jù)進行批量平均處理。從測得的第一個數(shù)據(jù)開始，三個一組求平均數(shù)，作為凝血曲線上的一點。若相鄰數(shù)據(jù)點間的絕對值大于該段允許的范圍，則剔除壞點并記錄壞點信息以備查詢。

4 數(shù)據(jù)處理

血凝儀的數(shù)據(jù)處理所需參數(shù)包括溫度采集、樣本臂、機械臂、試劑臂的動作反應(yīng)回饋、以及光強參數(shù)的檢測。溫度采集涉及到實驗環(huán)境溫度、相對濕度、試劑針頭、試劑保存區(qū)域溫度。下位機通過溫度傳感器將檢測到的溫度傳給上位機，并實時顯示。一旦溫度超過限定范圍，將停止實驗報警提示。圖6為實時溫度顯示。

圖6 實時溫度顯示

在實驗中，試劑、樣本和反應(yīng)杯的位置是固定的，根據(jù)不同的樣本實驗項目不同，需要移動試劑臂、樣品臂和反應(yīng)杯，記錄各個臂的位置以及動作反應(yīng)回饋。光強參數(shù)的檢測包括了8路散射光源和4路透射光源。將透射光的強度和散射光的吸光率實時傳到上位機，計算各個實驗參數(shù)值并繪制曲線。通過對采樣數(shù)據(jù)的計算，得出被測樣本的凝血時間。并通過預(yù)存在主機中的標準曲線，計算出欲測的醫(yī)學指標。圖7為散射光強度的凝結(jié)過程曲線。

圖7 散射光強度的凝結(jié)過程曲線

5 結(jié)束語

本文基于C＃對血凝儀參數(shù)檢測系統(tǒng)的上位機軟件進行了設(shè)計，按照新型的三層架構(gòu)給出了血凝儀的總體構(gòu)成，根據(jù)制定的上下位機通訊協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸以及曲線顯示，采用凝結(jié)算法得到了凝血時間，為血栓與止血參數(shù)的進一步計算打下了基礎(chǔ)，給全自動血凝儀軟件的實現(xiàn)提供了可靠地解決方案［11］。測試結(jié)果顯示，該軟件能夠?qū)嶒瀰?shù)進行檢測，界面友好。

但是，由于高度的自動化功能，多種的檢測方法，以及檢測原理的復(fù)雜性，血凝儀項目目前仍處于研發(fā)階段。因此，本文只涉及到所有功能的一部分。但它為今后的研究和發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

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