彈性支撐式高精度凝血動態檢測傳感器

王哲，于源華，陳啟夢，李健 ，張震

（1.長春理工大學 理學院，長春 130022；2.長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022；3.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；4.長春理工大學 光電測控與光電信息傳輸技術教育部重點實驗室，長春 130022）

凝血檢測是臨床非常重要的檢驗項目，尤其對于心血管患者、手術患者、自身免疫疾病、血液病患者等臨床意義非常重要。隨著科技進步，臨床凝血檢測技術得到飛速發展。由濕生化檢測技術發展了干式生化檢測技術；檢測項目也由三因子發展到五因子；由于凝血檢測代表的臨床意義研究越來越重要，體現凝血多因子的檢測技術已成為發展趨勢，因此，凝血多因子全過程動態檢測技術成為專家學者關注熱點[1]。

目前，臨床用于體外凝血檢測的方法主要以測試反應體系濁度變化的光學法和測試反應體系磁珠振動頻率變化的粘度法為主，由于光學法易受外界環境因素干擾，所以檢測反應體系粘度變化成為體外凝血檢測與血液疾病診斷的發展趨勢[2]。本世紀以來，通過研究體外凝血反應體系的粘度和密度變化來檢測凝血速率問題成為研究熱點。Andersson等采用晶體微天平（QCM-D）測量吸附層的阻尼能量，認為玉米胰蛋白酶抑制劑（CTI）通過抑制內源性凝血本體FXIIa因子可以延長凝血時間[3]。Maliaritsi等提出基于磁致伸縮延遲線技術的粘度測試傳感器，測量不同液體的凝固時間[4]。劉勝平等利用一個鍍金的叉指式電極（IDE）檢測凝血酶原激酶時間（APTT），結果表明液體共振頻率可以表征凝血過程。陳達等利用微機電薄膜體聲波諧振器被橫向電場激勵檢測血液凝固時間和凝血動力學[5]。

上述研究主要是針對個別凝血單因子及凝血速率做出的評定。凝血過程是一個體內多凝血因子與體外多因素相互作用的過程，僅僅考慮單因素引起的血液凝固變化不能準確反映凝血速率，這使得檢測結果很難為臨床提供精準的凝血評價方法。本文采用彈性支撐靈敏度高等特點，通過建立血液粘度變化與傳感器信號之間的數學模型，結合所設計的開槽式圓形彈片支撐組件的結構優勢，在外界施加方向不斷改變大小不變的電磁力作用下，保證探頭在豎直方向上做往復運動，運動特性由感應器件接收，經放大電路等運算，最終將血液粘度變化全貌曲線顯示在用戶界面上。

1 傳感器結構和工作原理

1.1 傳感器結構及技術指標

所設計的凝血過程檢測傳感器主要由電磁感應器件（磁極體、磁感應線圈、永磁體）、彈性支撐（包含兩片開槽型片狀彈簧）及探針組件等組成，其結構如圖1所示[6]。

圖1 傳感器結構示意圖

根據彈性支撐式電磁感應凝血過程檢測傳感器的設計要求，傳感器的關鍵技術參數如表1所示。

表1 傳感器的技術指標

1.2 傳感器工作原理

當正弦交變信號經放大電路作用于電磁激勵線圈時，會在其周圍產生交變磁場，在彈性支撐的作用下，與電磁激勵線圈相連接的機械探針元件會帶動一次性探針在被測血液樣本中做往復剪切運動，由于受到凝血粘滯剪切力的作用，一次性探針的振動特性將發生改變，這個變化量通過建立的數學模型，將傳感器振動頻率變化量轉換為粘度變化量，通過數據運算最終將凝血測試數據與凝血全貌曲線顯示于用戶界面上。

2 傳感器設計

2.1 彈性支撐設計

彈性支撐是凝血測試傳感器的關鍵技術，設計時應考慮兩個方面：一是探針運動方式為豎直方向往復運動，所以作為探針的支撐應該起防止探針偏轉角度過大的作用；二是提供足夠的回彈力，保證探針在電磁力的驅動下能夠正常運動。結合以上兩方面因素綜合考慮，最終設計成如圖2所示的“三明治”狀彈簧結構。所設計的彈性支撐主要由開槽式圓形片狀彈簧構成，具體結構參數如表2所示[7-10]。

根據以往的經驗，為保證彈簧的承載力，最大限度的減小由于驅動力導致彈簧形變的影響，將r1、r2賦值為0.6mm、0.5mm，選用厚度為0.81mm的圓形片狀彈簧作為彈性支撐元件。

圖2 彈性支撐結構圖

表2 彈性支撐結構參數表

2.2 彈性支撐結構分析

采用有限元分析法建立傳感器實際工作環境變量，研究傳感器的振動性能，并對傳感器關鍵器件彈性支撐進行模態分析，模態仿真分析結果如圖3所示，仿真分析得到的模態階數和相應的固有頻率如表3所示[11-12]。

圖3 模態分析圖

表3 各階模態固有頻率

從模態分析結果可以得知，彈性支撐的固有頻率從121.46Hz逐漸增大到304.12Hz。為了避免傳感器的工作頻率與樣本發生共振現象，所以進一步對彈性支撐做諧響應分析，如圖4所示的彈性支撐諧響應云圖及變化曲線圖[13。

圖4 諧響應云圖

根據響應云圖分布情況可知：一階固有頻率為102.35Hz，接近理論計算值，由于正常實驗室環境下外界噪聲干擾頻率可達150～1100Hz，表明所設計的彈性支撐對外界振動不敏感；振幅在該頻率處達到極大值，約為1.16×10-6mm，表明傳感器在達到固有頻率時彈性支撐振動最優。

3 傳感器試驗測試

3.1 傳感器樣機制備

根據以上設計的凝血測試傳感器結構，本課題組制備了“三明治”式彈性支撐凝血測試傳感器的實驗樣機，并搭建樣機性能測試系統如圖5所示[14]。

圖5 傳感器樣機測試裝置圖

該試驗測試系統主要包括信號發生裝置、計算機控制、凝血測試傳感器、多普勒干涉儀、高精度隔振平臺及六自由度卡具等，測試傳感器樣機在不同頻率下的振動幅值，利用信號發生器對樣機輸入不同頻率的正弦信號，用多普勒干涉儀對樣機的振動幅值進行測試，幅頻特性曲線如圖6所示。

圖6 位移頻譜曲線

由速度頻譜特性曲線可知，在系統輸入頻率達到120Hz時傳感器振動速度達到1.5μm/s，且該處頻率大小與之前仿真分析的傳感器固有頻率（121.46Hz）相近；由位移頻譜曲線可知，在120Hz處振幅達到1.75×10-3μm，與仿真分析結果（1.16×10-3μm）相近，表明傳感器滿足設計要求。

3.2 傳感器性能測試

根據上述的傳感器設計方案，本課題組搭建了電磁振動式凝血測試傳感器實驗裝置，其裝置如圖7所示[15]。

圖7 電磁振動式凝血測試傳感器實驗裝置圖

為了進一步驗證凝血測試傳感器的穩定性和精確性，對傳感器進行了重復性測試和數據相關性測試，取20份同一臨床患者的血液樣本，加入等量的凝血試劑，對傳感器進行了20次重復測試，可得測試數據重復性特性曲線如圖8所示。

根據重復性特性曲線分別計算三組測試項目的數據重復性，得所設計的傳感器測試數據重復性最大達到0.002，滿足系統設計要求。

取20例不同臨床患者的血液樣本，用本文設計的凝血測試系統和進口設備SONOCLOT全自動凝血儀各連續測試20例，分析兩種方法的相關性，可得測試數據曲線如圖9所示。經過分析，本文所設計的傳感器測試數據與進口設備的相關性達到0.996，滿足系統設計要求。

圖8 凝血測試重復性特性曲線圖

圖9 凝血測試相關性數據分布圖

4 結論

本文提出一種新型的電磁振動式凝血過程動態測試傳感器設計思路。采用有限元法對彈性支撐組件進行模態分析與諧響應分析，優化分析結果并制作傳感器試驗樣機，搭建凝血測試裝置。對傳感器樣機的速度頻譜特性、位移頻譜特性進行了試驗測試，利用凝血測試裝置與凝血試劑配套，并與進口POCT凝血儀進行實驗數據比對。結果表明，本研究設計的傳感器振動速度1.5μm/s，振幅1.75×10-3μm，其與進口POCT凝血儀測試結果相關性達到0.996，重復性達到0.002。設計的傳感器滿足臨床檢測精度的要求，為后續凝血測試相關研發工作提供核心技術。