糖化血红蛋白检测仪控制系统设计与实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 6.25MB 68 页 15积分
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1
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 糖尿病与糖化血红蛋白概述 ................................... 1
§1.2 糖化血红蛋白检测系统发展现状 ............................... 2
§1.2.2 国外现状 ............................................. 2
§1.2.2 国内现状 ............................................. 3
§1.3 本课题开发工作的内容及关键技术 ............................. 4
§1.3.1 糖化血红蛋白检测仪的工作原理 ......................... 4
§1.3.2 糖化血红蛋白检测仪总体结构 ........................... 4
§1.3.3 本课题开发工作的内容及关键技术 ....................... 5
第二章 检测仪控制系统的总体设计 ...................................... 6
§2.1 检测仪功能需求分析 ......................................... 6
§2.1.1 进样系统需求分析 ..................................... 6
§2.1.2 分离系统需求分析 ..................................... 7
§2.1.3 检测系统需求分析 ..................................... 7
§2.1.4 其他需求分析 ......................................... 8
§2.2 控制系统总体设计方案 ....................................... 8
第三章 检测仪控制系统的硬件设计 ..................................... 10
§3.1 ARM 主控制板电路设计 ...................................... 10
§3.1.1 ARM 芯片介绍 ........................................ 10
§3.1.2 ARM 芯片及外围芯片电路设计 .......................... 12
§3.2 FPGA 辅控制板电路设计 ..................................... 18
§3.2.1 FPGA 辅控制板的核心板电路设计 ....................... 20
§3.2.2 FPGA 辅控制板的底板电路设计 ......................... 23
§3.3 检测器电路设计 ............................................ 25
§3.3.1 检测器原理 .......................................... 25
§3.3.2 光源电路 ............................................ 26
§3.3.3 流通池 .............................................. 26
§3.3.4 敏感器 .............................................. 27
§3.3.5 信号放大和 A/D 转换电路 .............................. 27
2
§3.4 其他模块设计 .............................................. 28
§3.4.1 电源模块 ............................................ 28
§3.4.2 条形码扫描器 ........................................ 28
§3.4.3 打印机 .............................................. 29
第四章 检测仪控制系统的软件设计 ..................................... 30
§4.1 ARM 主控制系统软件设计 .................................... 30
§4.1.1 嵌入式操作系统简介 .................................. 31
§4.1.2 嵌入式 Linux 操作系统安装 ............................ 33
§4.1.3 检测器控制程序设计 .................................. 35
§4.1.4 FPGA 辅控制板串口通信协议及控制流程 ................. 41
§4.1.5 条形码扫描器通信协议及控制流程 ...................... 44
§4.1.6 打印机串口通信协议及控制流程 ........................ 46
§4.2 FPGA 辅控制系统软件设计 ................................... 47
§4.2.1 通信模块 ............................................ 49
§4.2.2 控制模块 ............................................ 51
§4.2.3 其他辅助模块 ........................................ 54
第五章 系统调试与数据测试 ........................................... 56
§5.1 各功能模块调试 ............................................ 56
§5.1.1 检测器调试 .......................................... 56
§5.1.2 FPGA 辅控制板调试 ................................... 57
§5.2 数据测试 .................................................. 59
第六章 总结与展望 ................................................... 61
§6.1 总结 ...................................................... 61
§6.2 展望 ...................................................... 62
参考文献 ............................................................ 64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 67
致 谢 .............................................................. 68
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 糖尿病与糖化血红蛋白概述
糖尿病(Diabetes Mellitus,DM)是由于人体内胰岛素分泌绝对或相对不足而引
起体内血糖浓度升高，并具有引发眼睛、肾脏、周围神经、心脏和血管等各种并
发症的高度风险的慢性疾病[1]。在 2007 年“联合国糖尿病日”上，国际糖尿病联
盟（IDF）首次认为糖尿病这一非传染性疾病正像艾滋病一样在全球蔓延，它严重
威胁着人类的健康与生命。IDF 的研究报告指出，全世界范围内有超过 2.46 亿成
年糖尿病患者，到 2025 年这一数字预计将被改写为 3.8 亿，其中中国糖尿病患者
将有 3980 万，居世界第二位[2]。并且随着人口老龄化和居民生活方式的改变，中
国糖尿病患病率呈明显上升趋势。具体患病率可以从表 1-1[3]中看出。从中可以看
出，我国糖尿病患病率从 1980 年到 2008 年有了显著的上升。从中可以看出我国
糖尿病发展形势越来越严峻。如果不采取合理的干预措施，用于治疗糖尿病及其
并发症的花费给经济和社会的发展所带来的冲击将是难以估量的。
表1-1 1980-2008年中国5次大规模的糖尿病流行病学调查情况
时间
样本
年龄
诊断标准
筛查方法
糖尿病
患病率
IGT1
患病率
1980
30 万
全部
兰州会议
暂行标准 2
尿糖+PBG 2h
筛选高危人群 3
0.67%
----
1994
21 万
25-64
WHO 1985
PBG 2h 筛选
高危人群
2.28%
2.09%
1996
4.3 万
20-75
WHO 1985
----
3.21%
4.76%
2002
10 万
>18
WHO 1999
FBG4筛选
高危人群
城市 4.5%
农村 1.8%
----
2008
4.8 万
>20
WHO 1999
OGTT5筛选
高危人群
城市 11.6
15%
1:糖耐量受损；
2:空腹血糖>130mg/dl和/或餐后2h>200mg/dl和或OGTT曲线上3点超
过标准（0min 125, 30min 190 ,60min 180, 120min 140, 180min 125mg/dl ;其中30min
或60min为1点）；3:餐后2小时血糖；4:空腹血糖；5:口服葡萄糖耐量试验。
目前传统的糖尿病诊断测定方法有二个，即空腹血糖检测(FBG)和口服葡萄糖
耐量试验(OGTT)[4]。但是，在 2009 年美国国家糖化血红蛋白标准化项目(NGSP)
临床咨询委员会会议上提出将糖化血红蛋白(HbA1c)检测作为一项新的糖尿病诊
断方法[5]，这一检测方法已经得到美国糖尿病协会(ADA)执行委员会的认可[1]。三
种方法的比较如表 1-2[4,5]所示。
糖化血红蛋白检测仪控制系统设计与实现
2
表1-2 糖尿病诊断方法比较
名称
诊断方法
确诊指标
优点
缺点
空腹血糖
检测
检测空腹血糖浓
度
≥7mmol/L
价格便宜
操作简单
对于无典型
糖尿病症状
患者容易漏
诊
口服糖耐
量检测
检测口服葡萄糖 2
小时后血糖浓度
≥11.1mmol/
L
HbA1c 检
测
检测血液中糖化
血红蛋白占总血
红蛋白百分比
≥6.5%
准确度高、重复性好
可用于糖尿病前期
预防和控制检测
仪器较贵不
宜于家庭使
用
HbA1c 是血红蛋白(Hemoglobin)与糖非酶结合的产物，其糖链结构为
α2 (β-G) 2 ，半衰期为 60d，因此通过测定血红蛋白中糖化血红蛋白的百分比含量
可以反映人体近 2～3个月来的血糖平均水平[6]。这就是使得 HbA1c 检测不仅可以
用于糖尿病诊断，而且可以用于对糖尿病高发人群（指糖调节受损（空腹血糖 6.0～
7.0mmol/L，简称 IFG）或糖耐量受损（餐后 2小时血糖或口服 75 克葡萄糖后 2
小时血糖 7.8～11.0mmol/L，简称 IGT）以及兼有 IFG 和IGT 的人群）的监控和预
防[2]。同时，英国前瞻性糖尿病研究也证明，HbAlc 下降 1%，任何 DM 相关的终
点事件的风险将下降 12%、急性心肌梗死降低 16%、DR 降低 21%、大血管事件降
低25%、白内障摘除术降低 24%，文献分析显示，HbA1C 水平每升高 1%，心血
管疾病风险也随之上升 13%～18%[7]。
由此可见，HbA1c 检测作为一项新的检测标准，将会得到越来越多的医疗机
构和医生的肯定。
§1.2 糖化血红蛋白检测系统发展现状
目前临床实验室中应用的糖化血红蛋白检测方法主要有两大类：一类方法基
于糖化血红蛋白与非糖化血红蛋白所带的电荷不同，如离子层析法、电泳等方法；
另一类方法基于血红蛋白上糖化基团的结构特点，如亲和层析、离子捕获法和免
疫法等。其中高效液相离子层析法(HPLC)被公认为金标法[8]。主要是因采用 HPLC
检测结果不受存在的变异型血红蛋白及其衍生物的影响，精密度佳，性能稳定，
不易受到各种共存干扰物的影响，并且检测快速[9]。
§1.2.2 国外现状
国际上，美国、日本、德国等国在糖化血红蛋白检测仪器方面的研究处于领
先地位，不断有新的工作原理和新的仪器产生，具体仪器如表 1-3[8]所示。以美国
第一章 绪论
3
的Bio-Rad 公司的 D-10 为例，采用离子交换液相色谱法对人全血 HbA1c 进行自动
化的准确测定。标本放入仪器后，在 3分钟内即可全自动完成采样、稀释、分离、
检测、计算结果、排样等过程。操作简单快捷，结果准确，同时又不受其它糖化
血红蛋白变体的影响。
表1-3 HbA1c检测仪器
国家
公司
仪器名称
检测方法
美国
Bio-Rad公司
D-10
离子交换层析法
DS1
亲和层析法
日本
TOSOH公司
HLC-723G
离子交换层析法
德国
Bayer公司
DCA-2000
免疫分析法
§1.2.2 国内现状
国内在糖化血红蛋白的研究刚刚起步[7~10]，2000 年以后有一些综述型和医学
专业技术的文章相继发表。
在最近两年国内在这个方面的研究多了起来，如 2009 年中国科学院电子学研
究所设计的多参数生化检测仪，采用他们自己研制的离子敏感场效应(ISFET)集成
传感芯片作为基础传感元件，可以用于血红蛋白和糖化血红蛋白浓度检测[11]；还
有2010 年中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室研制了基于标准
CMOS 工艺和微加工技术的电位无标型免疫微传感器，可实现糖化血红蛋白浓度
与血红蛋白浓度的简便检测[12]。但这些方法在测定结果的准确度、重复性方面和
HPLC 相比还存在不足。
与此同时，国内在生化分析的研制方面倒是有些具体的研究，与糖化血红蛋
白检测仪有很多相类似的地方。其中中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
从控制系统[13]、自动进样系统[14]、控制软件[15]、数据采集[16]以及串行通信[17]等方
面对生化分析仪进行了详细设计；南京航空大学的兰君对生化分析仪信号检测与
控制系统进行了设计和实现[18]；重庆大学的蒋夏林对嵌入式微型生化分析仪硬件
系统进行了研究[19]。以上这些的研究与设计，对本课题有很大的指引作用。
截止本课题的提出，国内相关医疗器械单位或公司还没有采用 HPLC 方法设
计和研制糖化血红蛋白检测仪的报道和论文。因此，应当尽快在相应医学原理、
具体检测方法和药品试剂方面等方面加快研究。从而开发出全自动检测仪器，努
力使得我国能够在糖化血红蛋白检测领域建立起独立而完备的技术体系。
糖化血红蛋白检测仪控制系统设计与实现
4
§1.3 本课题开发工作的内容及关键技术
§1.3.1 糖化血红蛋白检测仪的工作原理
糖化血红蛋白检测仪基本工作原理有两个：分离原理和检测原理。
分离采用离子交换液相色谱法，主要原理是由于血红蛋白β链N末端缬氨酸糖
化后所带电荷不同，在偏酸溶液中总糖化血红蛋白(GHb)及血红蛋白(HbA)均具有
阳离子的特性；因此经过阳离子交换层析柱时可被偏酸的缓冲液平衡过的树脂来
吸附。但二者吸附率不同，GHb 正电荷较少吸附率较低，HbA 正电荷较多吸附率
较高；用不同 pH 的磷酸盐缓冲液可以分次洗脱出 GHb 和HbA[8]。从而实现 GHb
和HbA 的分离。
检测采用紫外/可见光检测法。对于单色光，物质在流通池中的吸收服从朗伯
-比耳定律，表达式如下：
,(1-1)
其中：A为吸光度，I0为入射光强度，It为透射光强度，ε为摩尔吸光系数,b
为光在介质中的实际光径长度，c为被探测样品溶质的浓度[20]。由上可知，在固定
波长和固定流通池长度（即光在介质中的实际光径长度）条件下，待测物的吸光
度正比于其浓度。基于此原理，将含有 GHb 和HbA 的冲洗液接入到定长流通池，
用单波长 LED 作为光源，并利用光电二极管作接收装置，检测血红蛋白各组分的
入射光强度和透射光强度，通过计算得到吸光度曲线，再通过算法即可得到 HbA1c
占总血红蛋白比例[21]。
§1.3.2 糖化血红蛋白检测仪总体结构
糖化血红蛋白检测仪是一个复杂的光、机、电一体的医疗检验设备，它主要
图1-1 糖化血红蛋白检测系统总体结构
第一章 绪论
5
由进样子系统、分离子系统、检测子系统和控制子系统等部分组成。其中控制子
系统是整个系统的核心，总体结构如图 1-1 所示。
§1.3.3 本课题开发工作的内容及关键技术
本课题所要研究的内容为糖化血红蛋白检测系统控制系统的设计与实现，具
体包括：
(1) 调查相关仪器的国内外发展状况并对其工作原理进行分析。
(2) 根据功能要求和控制任务需要，研究设计基于嵌入式系统的糖化血红蛋白
控制系统的总体方案。
(3) 根据总体设计方案，研究设计控制系统的硬件部分，其中包括：ARM9 和
FPGA 电路设计、检测器电路设计、进样和分离装置驱动电路设计。
(4) 根据总体设计方案，研究设计控制系统的软件部分，其中包括：嵌入式
Linux 操作系统裁减和设计、
Linux 操作系统下各个硬件设备的驱动程序设
计以及 FPGA 硬件语言程序设计。
(5) 对整个控制系统进行调试和性能检测。
本课题所涉及的关键技术包括：
(1) 血液样本的进样和分离时，对试剂的流速和流量控制都有很高要求，所以
设计 FPGA 结构和程序以完成对进样和分离装置的时序控制就成为一个
关键技术。
(2) 分离出来的血液组分需要经过检测装置，通过检测吸光度值进来计算出各
组分的含量。由于吸光度变化是一个微弱信号，所以对其采集、放大、滤
波和模数转换的电路设计就成为另一个关键技术。
摘要：

1目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.........................................................1§1.1糖尿病与糖化血红蛋白概述...................................1§1.2糖化血红蛋白检测系统发展现状...............................2§1.2.2国外现状.............................................2§1.2.2国内现状.............................................3§1.3本课题开...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：68 页 大小：6.25MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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