血栓彈力圖儀(TEG)中基于非接觸式電磁感應的角度傳感器研究

秦　勇，周　奇，劉盛雄，劉　勇

(重慶理工大學 藥學與生物工程學院，重慶　400054)

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血栓彈力圖儀(TEG)中基于非接觸式電磁感應的角度傳感器研究

秦勇，周奇，劉盛雄，劉勇

(重慶理工大學 藥學與生物工程學院，重慶400054)

摘要：針對血栓彈力圖儀(Thrombelastography,TEG)的測量原理，提出一種能精確測量的基于非接觸式電磁感應的角度傳感器，最大程度減小了對被測量血液特性的影響。描述了測量原理，給出了相應的電路以及上位機軟件，搭建了血栓彈力圖儀的測量裝置。實驗結果表明：本傳感器完全能滿足血栓彈力儀的要求。

關鍵詞：血栓彈力儀；非接觸式電磁感應；角度傳感器

血栓彈力圖儀(thrombelastography,TEG)是一種用于評估臨床患者凝血機制的有效測量儀器[1]，是目前唯一能檢測和評估血液凝固和纖溶全過程的儀器。臨床應用結果表明：該儀器克服了傳統凝血檢測存在的局限性[2]，可用于一些疾病診斷，也可用于指導臨床輸血、評估手術的出血風險，還可以有效指導心血管患者的用藥[3-7]。目前，國內使用的血栓彈力儀是美國唯美血液技術公司HAEMONETICSTEG5000 血栓彈力圖儀[8-9]。我國用于臨床檢驗的血栓彈力圖儀主要依靠國外進口，其常用的測量方法是電感法，但是電感法在圓周方向的測量存在非線性誤差[10]。分析TEG測量凝血功能的原理和裝置可知：懸垂絲細微變化的角度測量是整個TEG的關鍵。本文提出了一種能精確測量的、基于非接觸式電磁感應的角度傳感器。這種角度傳感器具有良好的線性度，旨在測量杯蓋旋轉角度的變化，最大程度減小了對被測量血液特性的影響，從而能準確反映被測血液凝固到纖溶的整個動態變化過程。

1　TEG測量原理和角度測量原理

1.1血栓彈力圖儀測量原理

TEG是一種記錄凝血和纖溶過程中血塊強度隨著時間發生變化的儀器，通過繪制出一條時間和血塊強度(血栓彈力)的變化曲線來解析凝血和纖溶過程中的各個參數。 如圖1所示，其工作原理是：將0.36mL全血加入測試杯中;測試杯加熱至37 ℃，以±4°45′的角度和每10s一周的速度勻速轉動;血液逐漸凝固形成血栓;置于血標本檢測杯中的杯蓋受到血栓切應力作用，隨之出現左右旋轉；杯蓋在旋轉過程中帶動懸垂絲，懸垂絲上受到的扭力被轉換記錄形成TEG曲線[11]。

圖1　血栓彈力圖儀測量原理

1.2角度測量原理

本文提及的角度傳感器基于非接觸式電磁感應原理[12]進行設計。如圖2所示，該傳感器的工作原理為：將適當的高頻正弦交流信號施加于激勵線圈，激勵線圈在交流信號的作用下產生交變電磁場；根據楞次定律，轉子線圈會產生相應的交變電磁場；接收線圈處于激勵線圈和轉子線圈共同產生的復合電磁場中，接收線圈的感應電動勢直接決定于該復合電磁場；根據畢奧-薩伐爾定律，當接收線圈與轉子的相對位置發生變化時，轉子線圈與接收線圈的互感都將發生變化[13]；再根據法拉第電磁感應定律，接收線圈產生的電動勢會隨著轉子轉動而發生變化，對接收線圈的電信號進行采樣分析即可得到對應的轉子旋轉角度。

圖2　角度傳感器原理

為了提高測量精度，便于后期信號處理，設計傳感器接收線圈為3路線圈，接收線圈之間交織成40°，提取的接收線圈的輸出信號為具有相同周期(120°)、相位相差40°的同相正弦信號[14]：

sig1=(Asin(3θ)+B)·

(1)

sig2=(Asin3(θ+40°)+B)·

(2)

sig3=(Asin3(θ+80°)+B)·

(3)

其中：A為輸入信號的幅度；θ為轉子的轉動角度；B為輸入信號的共模電平值；Ss為外界電磁信號引入的共模干擾。將3路提取的信號經儀表差分放大消除共模信號，通過后續的放大、濾波處理以及峰值采樣電路作用，3路信號的變化只跟隨轉子的轉動而變化，變為與時間無關的直流電平信號。單片機對信號進行采樣，經過單片機數字化處理后得到的信號形式如式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

其中：Am為經過差分—放大—峰值采樣數字化后得到的電壓幅值；Bm為放大器的直流工作點。對上述公式進行求解反正弦，即可得出角度值：

(7)

(8)

(9)

2　傳感器系統設計

2.1系統硬件設計

角度傳感器硬件系統由激勵信號發生模塊、角度傳感器模塊以及信號處理模塊組成，系統框圖如圖3所示。

圖3　系統框圖

激勵信號發生模塊設計為正弦波發生器，設計頻率為100kHz,振幅為±5V。該信號發生器具有強的驅動能力，有效避免了驅動不足的缺點。

角度傳感器模塊是非接觸式的角度傳感器，具有結構簡單、制作工藝容易的特點。該模塊由定子(圖4(a))和轉子(圖4(b))兩部分組成。定子中包含了激勵線圈與接收線圈，激勵線圈設計為單向N匝的線圈。線圈匝數越多，接收線圈感應強度越強。接收線圈采用“三葉式”方案，與激勵線圈處于同一個平面。設計的3組大小相同、形狀一致、位置相差120°的線圈有1個公共連接點和3個輸出端口，用于信號的輸出。轉子是一個閉合的單面線圈，采用“三葉式”，每一葉的角度為60°，每2葉之間的夾角為120°，其形狀與大小由定子中接收線圈的形狀與大小決定。

圖4　接收線圈及激勵線圈

信號處理模塊主要是提取3組接收線圈的感應信號進行分析預處理。該部分涉及儀用放大、比例放大、濾波的前期處理。經過前期處理得到純凈的信號，且3路信號的信號強度及變化趨勢均有所不同。為了能檢測3路信號，設計了峰值檢測電路，巧妙提取了當前系統狀態的信號的峰值，為得到角度值提供了有力且有效的數據。

圖5為峰值檢測邏輯示意圖。電路檢測到信號的峰值。當信號變小時，峰值信號不能及時跟隨信號變化，需要引入放電控制。此處即涉及單片機控制邏輯[15]。如圖6所示,對于峰值數據的采集設計了AD采集及控制系統，能快速有效采集3路峰值信號。

圖5　峰值檢測邏輯示意圖

圖6　單片機控制邏輯

2.2系統軟件設計

經過電路對信號的預處理后，需要將最終得到的模擬信號提取為數字信號以便于對角度信號的提取.本系統選用了自帶高精度AD轉換模塊的單片機為微處理器，主要用于控制峰值檢測電路、AD信號采集、數字信號預處理以及信息傳輸。圖7為軟件的邏輯流程。

圖7　軟件邏輯流程

隨著轉子轉動，經過電路預處理后得到的3路信號隨之發生改變。復位轉子到零點位置，以定位零點的光電管導通為準。單片機采集零點時3路信號的幅值，將其存儲作為零點參考。每次復位零點并記錄新的零點值大大提升了系統的重復性。以其中任意一路為基準，將采得的數據與零點值做比較。如圖8(a)所示，以A點作為零點，若采得的值大于A點的值，則轉動方向記為正；如圖8(b)所示，以B點作為零點，若采得的值小于B點的值，則轉動方向記為負。

圖8　方向判斷示意圖

單片機對3路信號進行切換采樣，并有效控制對應峰值檢測電路。對數據進行篩選，若判定當下采集數據錯誤則舍去數據并重新進行采集。將正確數據保存并通過串口發送至上位機，解出相應的角度值。利用3路信號得出的3個角度值，進行均值求解，提升了所得角度值的準確度。

3　實驗結果與分析

按照血栓彈力圖儀的測量要求，本文以測量±4°45′的角度值對傳感器的精度、線性、重復性進行數據分析。系統采用10位的AD進行數據采樣，理論上角度傳感系統的精度可達0.01°。實際測量結果表明：儀器可達理論精度。

實驗過程中以實際角度進行等間隔采樣，記錄測量得到的正負向角度AD采樣值與實際角度相對應的理論計算AD采樣值，以及對應的求得的角度測量值和實際角度值。以AD采樣值為橫坐標，以角度值為縱坐標作圖，得到圖9和圖10，其中：曲線①為正向的角度測量值；曲線④為負向的角度測量值；曲線②、③為步進電機轉動的角度值。圖9中AD采樣值線性增加，經過數據整理分析正向的角度值與實際角度值呈正相關，其相關系數p=0.99。當轉子反向轉動時，見圖10。反向的角度值(AD采樣值)線性減小。同理，求得電機實際負向轉動角度，測得反向的角度值與實際角度值呈正相關，其相關系數p=0.99。根據非線性誤差計算公式，分析計算得出轉子正反轉動時測得的角度值的非線性誤差為±1.21%，系統的絕對誤差最大值為0.06°，在可接受范圍之內。

在相同條件下，連續多次測量同一范圍的角度變化，并記錄角度變化過程中的AD采樣值。如圖11所示，橫坐標表示測試點，縱坐標表示對應測試點的AD采樣值。圖中曲線由多組數據組成，在相同條件下，多條曲線的趨勢以及大小相近。采用標準偏差法，用貝塞爾公式計算重復性誤差[16]。當取系數為2時，誤差完全服從正態分布，置信概率為95%，此時的重復性誤差δk=2.1%；當取系數為3時，置信概率為99.73%，重復性誤差δk=3.2%。

圖9　正向角度與對應AD值

圖10　負向角度與對應AD值

圖11　重復性數據分析

4　結束語

本文采用基于非接觸式電磁感應原理設計的角度傳感器具有精度高、線性度好、重復性好等特點，有效解決了血栓彈力圖儀研制過程中角度測量的問題，為國內血栓彈力圖儀的研制提供了一定的參考。

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(責任編輯劉舸)

收稿日期：2016-03-22

基金項目：國家自然科學基金資助項目(31200709)

作者簡介：秦勇(1991—),男,重慶巫溪人,碩士研究生,主要從事醫療儀器研究；通訊作者 周奇(1962—)，男，重慶人，教授，主要從事醫療工程技術與應用研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.016

中圖分類號：TH712

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)07-0093-05

AngleSensorBasedonNonContactElectromagneticInductioninThrombelastography(TEG)

QINYong，ZHOUQi，LIUSheng-xiong，LIUYong

(CollegeofPharmacyandBiologicalEngineering,

ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Abstract:This paper proposed an accurately angle sensor according to the principle of Thrombelastography (TEG), which based on the non-contact electromagnetic induction principle and minimized the influence of the characteristics of blood. This paper described the measuring principle in detail, and expounded the corresponding circuit design and software of the system, and built measuring device. The experimental results show that this sensor has fully reached the requirements of thrombelastography.

Key words:thrombelastography; non-contact electromagnetic induction; angle sensor

引用格式：秦勇，周奇，劉盛雄，等.血栓彈力圖儀(TEG)中基于非接觸式電磁感應的角度傳感器研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(7):93-97.

Citationformat：QINYong，ZHOUQi，LIUSheng-xiong，etal.AngleSensorBasedonNonContactElectromagneticInductioninThrombelastography(TEG)[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(7):93-97.