一種便攜型電磁感應(yīng)式凝血測(cè)試傳感器

李曉 王春偉 于源華

摘 要： 近年來(lái)，隨著心血管疾病增多，需要對(duì)患者測(cè)凝血狀況。為了減輕復(fù)雜程序給醫(yī)療保健者帶來(lái)的負(fù)擔(dān)并實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的病情進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)、定性和定量的觀察，本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)式凝血測(cè)試便攜式傳感器。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和諾曼公式，設(shè)計(jì)電磁感應(yīng)線圈，利用電磁感應(yīng)法驅(qū)動(dòng)血液中的機(jī)械探頭進(jìn)行周期性振動(dòng)。通過(guò)與市面上存在傳感器的進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比，其相關(guān)性達(dá)到了0.996，表明傳感器可以滿足臨床上精度的要求，具有相對(duì)穩(wěn)定的工作特性，達(dá)到了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，高靈敏、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，具有巨大經(jīng)濟(jì)效益與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞： 電磁感應(yīng);傳感器;電磁感應(yīng)線圈

Abstract： In recent years，with the increase of cardiovascular diseases，it is necessary to measure coagulation status in patients.In order to reduce the burden of complex procedures on health care providers and achieve continuous dynamic，qualitative and quantitative observation of the patient's condition，this article designed a portable sensor based on electromagnetic induction coagulation test.According to Faraday's law of electromagnetic induction and Norman's formula，an electromagnetic induction coil is designed and a mechanical probe in blood is driven by electromagnetic induction method to perform periodic vibration.By correlating with the presence of sensors on the market，the correlation reached 0.996，indicating that the sensor can meet the requirements of clinical precision，has relatively stable working characteristics，has achieved the purpose of sensor structural design，has a simple structure，and has a low cost.，High sensitivity，anti-fatigue and other advantages，with huge economic benefits and market competitiveness.

Key words： Electromagnetic induction;sensor;Electromagnetic induction coil

凝血檢測(cè)是臨床非常重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目。近年來(lái)，隨著心機(jī)梗死、冠心病、腦血栓等心血管疾病增多，需要對(duì)患者測(cè)凝血狀況。一般情況下，患者需要定期到醫(yī)院或中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行凝血試驗(yàn)。這樣的程序給醫(yī)療保健提供者帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)，并且增加了測(cè)試的返回時(shí)間和成本。此外，在ICU病房，必須對(duì)患者的病情進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)、定性和定量的觀察，全方位觀測(cè)凝血過(guò)程，為臨床合理用藥提供參考。為了緩解這些問(wèn)題，臨床上急需一種新型的快速、直觀、全面的凝血檢測(cè)技術(shù)。目前，臨床用于體外凝血檢測(cè)的方法主要以光學(xué)法[1]和粘度法為主，由于光學(xué)法易受外界環(huán)境因素的干擾，所以檢測(cè)反應(yīng)體系粘度變化成為體外凝血檢測(cè)與血液疾病診斷的發(fā)展趨勢(shì)。檢測(cè)粘度變化主要以壓電石英晶體制做的傳感器為主。[2]-[4]

在這項(xiàng)研究中，我們介紹了一種使用電磁振動(dòng)傳感方法進(jìn)行快速方便的檢測(cè)凝血的新方法。項(xiàng)目產(chǎn)品為臨床抗凝血藥物的用藥藥效檢測(cè)及指導(dǎo)用藥、手術(shù)前后血小板凝血功能檢測(cè)、心血管內(nèi)科心肌梗死及血栓病人血液凝血?jiǎng)討B(tài)過(guò)程等提供核心技術(shù)支撐。本項(xiàng)目符合國(guó)家及地方醫(yī)藥健康產(chǎn)業(yè)的支持政策，面向ICU、手術(shù)室、心腦血管內(nèi)科、床旁檢測(cè)等，也可用于生物技術(shù)、環(huán)境、化工等領(lǐng)域。本項(xiàng)目填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白，具有巨大經(jīng)濟(jì)效益與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 工程原理

1.1 凝血原理

凝血因子包括12個(gè)，除FⅣ（Ca2+）為金屬離子外，其他均為蛋白質(zhì);除組織因子（Tissue Factor，TF）外，其他均存在于血漿中。[5]內(nèi)源性凝血途徑是指參加的凝血因子全部來(lái)自血液。外源性凝血途徑是指參加的凝血因子并非全部存在于血液中，還有外來(lái)的凝血因子參與止血。經(jīng)典的凝血瀑布學(xué)說(shuō)認(rèn)為血液凝固過(guò)程由內(nèi)源性途徑、外源性途徑和共同通路組成，是通過(guò)多種酶原被順序激活而過(guò)程不斷得到加強(qiáng)和放大的一種連鎖反應(yīng)。[6]如圖1所示。

1.2 工作原理

凝血測(cè)試傳感器是通過(guò)感知血液中十二個(gè)因子的變化規(guī)律，將凝血過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R(shí)別的物理或者化學(xué)信號(hào)的器件或裝置。本文利用阻尼振動(dòng)原理，利用電磁感應(yīng)法驅(qū)動(dòng)血液中的機(jī)械探頭進(jìn)行周期性振動(dòng)，受凝血剪切力的影響，機(jī)械探針的振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生規(guī)律性的變化。[7]通過(guò)傳感器輸出頻率的變化來(lái)表征血液凝固前后粘度和密度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，進(jìn)而間接評(píng)價(jià)凝血情況，與此同時(shí)血小板功能及凝血障礙也可以反映出來(lái)。

2 電磁感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)

2.1 電磁感應(yīng)定律

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果導(dǎo)體被封閉成一個(gè)回路，電子會(huì)因該電動(dòng)勢(shì)而產(chǎn)生流動(dòng)，生成感應(yīng)電流。[8]法拉第發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生在閉合回路上的電動(dòng)勢(shì)和通過(guò)任何該路徑所包圍的曲面上磁通量的變化率成正比。物理學(xué)家諾曼整理并歸納得出了諾曼公式

Ve=- dφm dt

其中感應(yīng)所得電動(dòng)勢(shì)為ve，互感磁通量為dφm。

如圖2所示，假設(shè)回路A 中通上電流I，回路 A附近的空間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同電流同頻率的交變電磁場(chǎng)。回路 B 就會(huì)感應(yīng)出一個(gè)同頻率的電流。通過(guò)回路 B中感應(yīng)電壓電流的變化，我們可以了解磁場(chǎng)在空間中的變化。

2.2 電磁耦合線圈

電磁耦合線圈是該傳感器中比較重要的部分，傳感器施加在正弦激勵(lì)線圈上的電流表達(dá)式為：

I（t）=Asin 2πf1t cos 2πf0t

式中f1為調(diào)制頻率，為3.9kHz;f0為載波頻率，為2MHz;A為常數(shù)。此時(shí)在線圈軸線上形成的磁場(chǎng)表達(dá)式為：

Bsin=nKsin 2πf1t cos 2πf0t sin（ 2πx L ）

式中n為線圈匝數(shù);K為常數(shù);x 為沿線圈軸線的位置;L 為整個(gè)線圈軸線長(zhǎng)度。

傳感器的電磁耦合線圈受到正弦激勵(lì)信號(hào)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在永磁體的磁場(chǎng)下做循環(huán)往復(fù)的周期運(yùn)功。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證該傳感器能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求，我們做了凝血測(cè)試的重復(fù)性試驗(yàn)，并與市面上已經(jīng)存在的傳感器作比較，如圖3所示。

從實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的傳感器雖滿足測(cè)試要求，其數(shù)據(jù)重復(fù)性與數(shù)據(jù)相關(guān)性依然存在實(shí)驗(yàn)誤差，分析誤差來(lái)源包括兩個(gè)方面，一是傳感器本身存在零件加工誤差，二是探測(cè)儀器的誤差。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較可知采用電磁振動(dòng)彈性支撐式的凝血測(cè)試傳感器在試驗(yàn)環(huán)境條件和外界的干擾方面與采用其他方法測(cè)試凝血?jiǎng)討B(tài)過(guò)程優(yōu)勢(shì)明顯，表明該傳感器具有相對(duì)穩(wěn)定的工作特性，達(dá)到了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。其相關(guān)性達(dá)到0.996，說(shuō)明設(shè)計(jì)的電磁振動(dòng)式凝血過(guò)程動(dòng)態(tài)測(cè)試傳感器可以滿足臨床檢測(cè)精度的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)上述說(shuō)明本項(xiàng)目研制的電磁感應(yīng)式凝血測(cè)試傳感器可用于檢測(cè)血液凝固過(guò)程中血液內(nèi)發(fā)生的粘度變化。通過(guò)利用這種粘度變化，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人的凝血狀況。檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)可以通過(guò)頻率變化進(jìn)行血液凝固分析。該系統(tǒng)與當(dāng)前的方法相比有許多優(yōu)點(diǎn)。其中一種就是設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性允許小型化和計(jì)算機(jī)控制。這使電磁感應(yīng)式凝血檢測(cè)傳感器成為便攜式血液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合適選擇。

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