無痛采血免疫熒光便攜檢測設備設計

中圖分類號：TH774；TP216 文獻標志碼：A 文章編號：2095-414X（2025）03-0014-08

0引言

隨著人口老齡化、生活方式改變以及環境因素的影響，慢性病（如高血壓、糖尿病、高血脂、高尿酸等疾病）患病率持續上升，已成為我國公共衛生的主要挑戰之一。盡管慢性病患者在日常生活中對本身疾病的感受不明顯，但慢性病若未得到有效管理，可能導致嚴重并發癥（如糖尿病腎病、腦卒中、心肌梗死等），致殘甚至致死，給個人、家庭和社會帶來沉重負擔[2-3]。慢性病患者其管理也因此亟須進行長期監測、及時干預。為患者提供POCT（即時檢測）設備，使患者在家或社區即可完成關鍵指標定期監測，提高治療依從性，改善患者預后，降低社會醫療成本，成為慢性病管理的重中之重。

傳統的適合家用或社區使用的POCT設備通常有膠體金免疫層析、干化學分析、電化學分析等4。結合免疫學特異性和熒光技術的高靈敏度，側向層析免疫熒光檢測[7-（LFIA-Fluorescence）技術近年來受到了更多關注。相比膠體金法的肉眼判讀，熒光標記可通過專業儀器定量檢測，提供具體濃度值（如CRP、PCT、心肌標志物的定量檢測[），更適合慢性病監測（如糖尿病、心血管疾病管理），結果更客觀、穩定，適用于需要長期跟蹤的疾病（如炎癥指標、激素水平），幫助醫生調整治療方案。當前國際市場中，雅培、羅氏等企業已推出高靈敏度全自動設備（如cobas[2] i2000^[13] 系列），但這些設備依賴專業操作、價格昂貴、設備體積大，尚未完全適配家用場景；國內基蛋生物、萬孚生物等研發的手持式設備（如Getein 208^[14] 系列）雖靈敏度達國際水平，仍存在樣本手工預處理和采血-檢測流程割裂等問題，依舊缺乏全流程自動化，部分患者有采血困難（精神壓力），特殊時候還需要患者進行樣本預處理（稀釋、清洗）等過程，增加操作誤差風險[15-17]。

為了解決上述問題，本文研制了集成無痛采血、樣本處理、積分檢測、結果打印等功能的無痛采血免疫熒光便攜檢測設備。通過設計激光采血模塊、精密液體控制模塊、積分熒光檢測模塊和打印模塊，解決了患者自行采血、樣本處理過程不規范等導致檢測結果偏差問題，與傳統的膠體金免疫層析技術相比，檢測靈敏度可提升 10～100 倍[18-21]，，可用于低濃度樣本（如早期感染標志物、微量腫瘤標志物、超低濃度心肌標志物）的動態病情監測。

1免疫熒光便攜檢測設備總體設計

傳統免疫熒光便攜檢測設備流程通常如下，首先需要患者自行通過采血針進行采血，再通過擠壓的方式將樣本滴人檢測試紙卡或者反應容器內，然后滴入稀釋液進行樣本前處理，最終才能進行樣本的免疫熒光檢測。期間無論是采血針采血、擠壓出血、轉移、稀釋等每一個過程都可能會極大影響測量結果的準確性，增加操作難度和測量誤差。

無痛采血免疫熒光便攜檢測設備旨在實現血液樣本采集、樣本稀釋處理、熒光檢測以及信息打印全流程自動化，提高設備檢測的靈敏度和穩定性。患者僅需將手指放入設備中即可完成無痛采血、樣本預處理、積分熒光檢測和結果打印等功能，有效解決因患者自行采血心理壓力、樣本處理不規范導致的檢測結果偏差等問題，大幅提升檢測的靈敏度，使其可用于低濃度生物標志物的動態監測，如早期感染標志物、微量腫瘤標志物、超低濃度心肌標志物等。

為實現上述功能，開發了無痛采血免疫熒光便攜檢測設備，系統總體架構如圖1所示，包括激光采血、精密液體控制、積分熒光檢測和打印四個核心功能模塊。1）激光采血模塊采用Er：YAG激光瞬時汽化技術，通過精密設計的升壓電路實現高能短脈沖激光的激發，并配合儲能激發電路穩定輸出設定激光功率值，實現對皮膚表層局部組織的可控氣化，形成微孔，再利用輔助采血裝置配合完成擠壓獲取微量血樣。與傳統采血針方式相比，激光采血的方式顯著減少了患者的痛感和心理負擔，降低感染風險，確保采血過程既安全又高效。2）精密液體控制模塊通過對步進電機和柱塞泵的控制，實現樣本處理過程的自動化。通過CAN總線通訊，步進電機完成血樣采集過程的位置控制及檢測卡的精準傳輸，而柱塞泵則控制加樣與稀釋動作，確保在微升級精度下完成液體的精準分配與稀釋。自動化高精度的設計提高了設備檢測結果的可靠性和重復性，有效降低了因人為操作不當造成的誤差。3）積分熒光檢測模塊是本系統的核心檢測單元，該技術基于抗原-抗體特異性結合原理，利用熒光標記物標記結合體，再利用產生熒光信號的強度對檢測樣本中的生物標志物進行定量分析。本文設計信號積分采集及數據優化處理程序來獲得高精度的檢測結果。4信息打印模塊用于用戶信息打印以及檢測結果的即時輸出，使患者在完成檢測后可直接在試紙卡上記錄結果，方便用戶存檔或向醫生提供數據實現長期健康管理。如此構成的無痛采血免疫熒光便攜檢測設備必將解決慢性病患者動態病情監測問題。

2系統主要硬件設計

系統硬件設計主要包括無痛采血模塊、積分熒光檢測模塊以及主控模塊等。主控模塊選擇STM32F407芯片作為主控芯片，通過CAN總線、SPI總線、串口和IO口實現對無痛采血模塊、精密液體控制模塊、積分熒光檢測模塊和打印模塊的控制。同時還完成人機交互、全流程運動控制以及數據處理、分析、儲存、傳輸等任務（圖2）。

2.1無痛采血模塊

本文的無痛采血模塊選用激光采血方式，其效果主要取決于激光的波長、功率以及皮膚組織的吸收能力等因素。模塊選用Er：YAG激光器，其輸出波長為2.94μm ，恰好對應生物組織內水分子的強吸收峰，可以形成微米級精度的組織消融微孔，且控制了對微孔周圍皮膚組織的熱損傷[22-24]。本研究選用脈沖氙燈作為泵浦源，Er：YAG晶體作為增益介質，利用6個450V220μF 電解電容組并聯作為能量儲能器，通過反激式變換器實現升壓充電，儲能激發電路板對設定激發能量進行量化控制，控制激光輸出及輸出功率。儲能激發電路板的設計，是無痛采血控制的重要一環。電路設計以及實物如圖3所示，電解電容輸入高壓進行分壓采樣后，利用主控模塊的ADC對能量儲能器進行實時監測，當達到設定能量值時，切斷充電電路等待激發。當用戶準備好，主控發出激發信號后，電容組釋放能量，觸發氙燈在Er：YAG晶體中產生受激輻射，再將輸出的激光通過一個凸透鏡聚焦實現對用戶手指的穿刺。

2.2積分熒光檢測模塊設計

免疫熒光層析定量檢測是基于抗原-抗體特異性結合的原理，利用異硫氰酸熒光素等熒光標記物實現目標物質示蹤。這些熒光物質在激光照射下會產生特定波長的熒光，光強信號通過光電檢測模塊完成采集以及電信號的轉換，再完成校正并對熒光峰值積分制進行量化分析。光電檢測頭是決定檢測準確度的核心部件，本系統光電檢測頭的檢測光路原理以及3D模型如圖4所示。

經過采血、血樣處理等環節，處理后血樣被滴加在試劑卡條上，隨后將試劑卡條通過運動模塊控制完成光電檢測的全覆蓋掃描。掃描過程中，試劑卡上熒光標記物在紫外光激發下吸收光能躍遷至激發態，產生熒光信號，該熒光信號再通過濾光片濾除背景光，最后被硅光電池接收。

經過光電檢測頭探測的原始信號是微弱的光信號，光信號通過硅基光電二極管轉化為電信號，再應用模數轉換芯片完成電信號的采集和分析。本文選擇使用AD8605來設計電流電壓轉換電路，將輸人的電流轉換為電壓信號。經過電阻與電容構成的硬件RC低通濾波后輸出給高精度模數轉換芯片ADS125625。最后由該芯片通過SPI將檢測數值傳輸給主控板。

整個光電信號激發、采集、預處理過程異常重要，任何微弱干擾信號都會對最后的信號造成嚴重干擾。為此，該模塊采用了集成設計方式，將設計光路與信號采集電路PCB集成在一起，減少了信號干擾（圖5）。

2.3主控模塊設計

設備要實現無痛采血、樣本預處理、積分熒光檢測和打印的總體控制，需要一個高效、可靠的主控系統來協調各模塊的工作。該設備主控模塊選擇STM32F407ZGT6作為主控芯片，該芯片集成多種外設，如CAN、SPI、I2C、UART、ADC，能夠輕松連接和控制設備中的各個模塊2。通訊外圍電路設計是主控板重要組成部分，是設備中主控發出指令并進行數據交換的重要模塊，在一主多從架構設計中起著橋梁的作用：本系統中噴碼器和屏幕功能采用了串口通信；設備移動平臺和柱塞泵采取了CAN通信模式；主控與免疫熒光檢測板之間采用了SPI通信進行數據傳輸；外置Flash也采用SPI接口與主控器進行通信。此外，主控還需完成對輔助采血裝置、插卡檢測、儲能激發板啟動的控制。通過硬件設計與測試，實現了各模塊之間的高效連接與信號高效采集和分析，滿足設備的穩定運行需求（圖6）。

3系統軟件設計

無痛采血免疫熒光便攜檢測設備的軟件設計為系統穩定高效地運行提供支持，確保無痛采血、血樣處理、免疫熒光檢測全流程自動化運行。此外，軟件設計還要確保儲能激發板精準觸發產生激光以及免疫熒光檢測過程中的數據采集、信號處理等關鍵流程的高效運行。

3.1下位機軟件設計

系統的下位機軟件設計采用狀態機編程思想，結合事件驅動機制完成設備全流程的狀態切換。系統流程圖如圖7所示，設備啟動后，首先完成開機自檢，自動檢測試劑卡是否正確插入，隨后控制主軸電機精準復位至采集位，并通過Er：YAG激光模塊激發高能短脈沖完成無痛采血。接著，主軸攜帶樣本移動至采樣位，啟動精密柱塞泵完成微量血液的自動化取樣與血樣處理，并靜置等待樣本層析擴散以確保反應充分。隨后，主軸定位至檢測位，開啟光源并啟動AD模塊實時采集熒光信號，同時掃描試紙卡全檢測線。信號采集完成后，系統關閉光源，對原始數據進行濾波降噪、積分計算及基線校正，生成生物標志物定量結果，并通過串口上傳至上位機。最后，主軸運動至噴碼位打印檢測信息以及用戶信息，完成全流程后自動復位待機。

3.2數據處理

在熒光檢測過程中，檢測結果受試劑條背景以及自然光、光電檢測頭中暗電流的十擾，因此系統設置軟件濾波處理干擾信號并對熒光光強信號實現積分時間可調方式，為不同熒光檢測提供技術手段。

選取軟件濾波算法要考慮到不同濾波方法在不同應用場景下的適用性，通過對比中值濾波法、IIR/FIR濾波法、滑動平均濾波法、指數濾波法以及遞推平均濾波法2，系統最終選用滑動平均濾波算法。具體方法如下：在存儲區中分配一個包含10個數據的緩沖區，每次采集到新數據后，移除最早的數據，并將新數據加入緩沖區，確保其中始終存儲最新的10個數據。隨后，對這10個數據求算術平均值以獲得更穩定的估計數據。該方法能夠有效減少噪聲干擾，如環境光影響及隨機信號波動，同時保留真實的熒光信號，使數據更加平滑。此外，由于試劑條的背景區域（除檢測帶和質控帶外）可能存在微量熒光物質，因此光電檢測板采集到的基底信號并不為零。為消除這一影響，本文采用最小二乘法進行基線擬合，系統在數據篩選過程中設定每3個數據點計算一次差值，并將變化幅度低于200的數據視為平穩數據，納入擬合范圍，并對數據最大值進行限制，將實際測量值用于擬合一條最優直線，使其盡可能接近所有測試點，并使該直線到各數據點的距離平方和最小，從而作為基線進行校正。再通過半高寬、峰值預判，結合雙峰數據，計算出檢測的T/C值。通過系統測試，得出一套能夠準確反映檢出結果與標準卡線性關系的數據分析、處理方法，進而實現對待測樣本的定量分析和評估。

4結構設計

如圖8所示，檢測卡主要由貫穿始終的絲桿電機實現各功能。各個功能模塊在主軸上有序排列，使用打印區和精密液體控制區將有人員參與的激光采血區與需要較高穩定性的積分熒光檢測區相隔離開來。設備在保證實現功能的基礎上，使用了較為緊湊的設計。每次自動運行時，檢測卡通過絲桿電機的精確控制依次移動到激光采血、精密液體控制、積分熒光檢測和打印等各個功能區，優化了空間布局。最終實現樣機重量小于 5kg ，尺寸 280mm×200mm×310mm ，非常方便攜帶。

5測試與結果分析

設備組裝完成后，為了方便對設備各項功能和實際測試結果進行研究，設計了上位機數據讀取顯示程序和設備本地控制界面（圖9）。通過上位機程序可以實現對設備運行、檢測數據等各項數據進行控制、讀取。通過設備本地控制界面，可以實現日常檢測所需要的各項調試和控制功能。

5.1無痛采血功能測試

在無痛采血免疫熒光便攜檢測設備的設計中，無痛采血模塊的正常工作是提供檢測樣本的關鍵。為了驗證激發模塊的功能及其在實際應用中的可靠性，設備首先對激發模塊進行了激光功率控制測試。將紙張固定在固定距離處，改變每次儲能功率（輸入額定充電電壓 220～345V. ），分別進行激發測試。根據不同激發功率造成的打孔效果進行評估。根據實驗結果可知，激光的打孔尺寸變化不大，但穿透紙張的層數有明顯區別（圖10）。實驗證明該系統可有效通過控制充電電壓繼而對無痛采血激光強度進行調控。用戶可以通過功率調整，實現適合自己的手指血的無痛打孔和自動擠壓采血。

5.2樣本預處理加樣精度測試

關于血樣處理環節，設備選用高精度柱塞泵完成試劑的抽取和加樣。所以移液精度測試方案重點考察柱塞泵在 50μL 與 100μL 量程下的移液性能。本文分別對兩種量程的移液進行10次測試，然后記錄移液實際量，再對十次實際量求平均值，計算標準差、重復性誤差以及最大偏差等數據，如表1所示，測試結果表明，系統柱塞泵在 50μL 與 100μL 量程下移液誤差小于 1% ，整機的移液精度達到設計要求。

5.3積分熒光檢測分析

積分熒光檢測是一種通過累積特定時間段內的熒光信號以提高檢測靈敏度和信噪比的分析技術，其核心原理是測量熒光物質在激發光作用下發射的總熒光量而非瞬時強度。由于熒光強度與目標物濃度成反比，增加積分檢測時間可有效增強低濃度樣本的信號穩定性，減少瞬時波動干擾，從而確保設備在無痛采血和微量樣本分析中的可靠定量能力。不同積分檢測時間條件下各測試卡CV變化趨勢如圖11所示。測試結果表明，隨著積分檢測時間的增加測試卡的CV值也逐漸降低且趨于穩定。

5.4免疫熒光檢測數據

為了測試設備熒光檢測模塊性能，將積分熒光檢測時間設置為 10ms 之后，利用標準測試卡進行熒光檢測測試（表2）。分別對7組濃度不同的標準卡各進行5測試，將測試結果進行標準差和線性擬合分析，發現在較寬的量程范圍，測試設備均能保證較好的CV值和線性范圍。

為了驗證設備對實際樣本的檢測能力，本文針對肌鈣蛋白（ Π_cTnI 進行測試。 cTnI 是一種心肌損害標志物，是心肌梗死疾病診斷的重要指標之一。實驗選用6組標定濃度的血清肌鈣蛋白標志物進行檢測，測試結果表明本設備展現出較好的線性擬合關系，最低測量濃度達到 0.05ng/mL ，符合醫療器械注冊規范要求。

6結論

本文設計了一款自動化、易用、精度高的無痛采血免疫熒光便攜檢測設備，結合了激光采血技術和精密加樣技術，實現了用戶自主進行無痛采血和自動樣本預處理，再通過積分熒光檢測模塊對樣本進行免疫熒光檢測，即可實現高靈敏度定量分析，最后輸出打印檢測結果。用標準卡進行測試檢測結果顯示線性度達到99.9% ，重復性變異系數小于 1% 。對臨床心肌損害標志物肌鈣蛋白（ ?cTnI） 標準品檢測，該設備亦達到0.05ng/mL 檢測靈敏度和較好的線性擬合關系。因此證明，該設備檢測精度高、操作簡單，尺寸與重量較適合家庭健康監測和基層醫療等場所使用。通過設備的無痛采血、自動化血樣處理和積分熒光檢測自動化流程可自主完成凝血、血脂、糖尿病、腫瘤術后標志物等慢性病監測，也為心血管疾病患者提供快速心肌梗死等標志物居家檢測，助力心血管疾病早期預警和健康管理。該設備必將在便攜式醫療檢測領域展現良好應用前景。

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Abstract：Withteisingprevaleceofroncdiseas，threisurgetmaketdmandfopotf-caretestinOCevitate ablepatients tooveentlyoitorteironditioatoe.TraditioalOCevicesichequirepatitstoperfoblodcoltio andmanualeoeapitypeitdtiss paperpresentsssdclmufuoeseeableieattegasssdl sampleprepoatetdsulttitieiostvi curacyadconvenieneofchronicdiseasemonitoring.Experimentalresultsdemonstratethathedeviceachieveshighlysensitivequantitativeanalysis，witha linearityof 99.9% ，arepeatabilitycoefficient ofvariation below 1% ，and aminimum detection concentration of 0.05ng/ mLItprovidesanintandonventsoutionfodaicmoitoigofhonicdiseases，sowigprosigapplicationprospctsin the field of portable healthcare.

Keywords：panlessblodcollctio;immunofluorescencedetection;POCTutomatedsmpleprocesing;hroicdiseaseooring

（責任編輯：李強）