CN113588739B - 一种连续动脉血液检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续动脉血液检测系统，包括传感模块、微电流放大器、滤波电路、管路系统、温控模块和微计算机，所述传感模块由pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器组成，所述管路系统由清洗流路和标准流路组成，所述pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器分别通过微电流放大器与滤波电路线路连接组成测量电路，所述滤波电路、温控模块、清洗流路和标准流路分别通过数据采集卡和微计算机的l abvi ew连接；所述连续动脉血液检测系统，能够对动脉血液各项生理参数的实时信息进行测量，实现全自动动脉血液连续分析。

Description

一种连续动脉血液检测系统

技术领域

本发明涉及血液检测技术领域，尤其是一种连续动脉血液检测系统。

背景技术

动脉血气分析对于许多危重病人的管理和治疗是十分必要的，这些结果为医生提供了关于患者氧合、气体交换、通气和酸碱平衡状态等重要信息。血气参数包括血液的酸碱度、气体分压及离子浓度各项指标，具体包含血液的pH值、pCO₂、pO₂、cNa⁺、cK⁺、cCa²⁺等参数。

近些年来，及时检测(POCT)越来越受到重视，血气分析仪也朝着便携式、免维护、易操作的方向发展。现有的血气、电解质检测仪器以雅培公司的i-STAT系列便携式临床血液分析仪为代表，该仪器采用插卡式检测方法，无需分离血浆或血清，三分钟就可以获得全血的检测结果，具有快速、简便、免保养的特点。该仪器根据不同的测试项目需求选择相应的卡片，可以完成血气、生化、凝血、心肌标志物等测试。然而，目前临床上的血气分析需要间断采样后送入分析仪或实验室进行检测，这种检测方式属于单点检测，抽取一次血液，使用一块测试卡片，只能获得一个时间点的一类血液生理状态信息。检测结果滞后，无法反应患者血液生理状态的连续实时变化信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种连续动脉血液检测系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种连续动脉血液检测系统，包括传感模块、微电流放大器、滤波电路、管路系统、温控模块和微计算机，所述传感模块由pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器组成，所述管路系统包括气路系统和液路系统，所述pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器分别通过微电流放大器与滤波电路线路连接组成测量电路，所述滤波电路、温控模块、气路系统和液路系统分别通过数据采集卡和微计算机的labview连接。

上述温控模块中电极对温度非常敏感,保证了测量数值的准确性。

优选的，上述连续动脉血液检测系统，所述pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器结构类似，均包括引线、工作电极和参比电极，所述工作电极由上至下依次为半透膜、离子选择性膜、固态电解质、基底电极和玻璃基底，其中，pH传感器的离子选择性膜为H+敏感膜，PCO2传感器的离子选择性膜为CO₃ ^2-敏感膜，PO2传感器的离子选择性膜为聚四氟乙烯透氧膜。

优选的，上述连续动脉血液检测系统，所述参比电极为Ag/AgCl参比电极。

上述半透膜是允许小分子如水和离子从溶液进入到离子选择性膜界面上。离子选择膜是用来进行特异性选择，不同的传感器选择相应的离子选择性膜(对于pH传感器，离子选择性膜为H+敏感膜，对于pCO2传感器，离子选择性膜为CO₃ ^2-敏感膜，对于pO2传感器，离子选择性膜为聚四氟乙烯透氧膜)，固态电解质是进行离子和电子的传输。

上述清洗流路和标准流路中，通过装配泵体和电磁阀用来完成样品的自动定标、自动测量和自动冲洗等功能，泵体和电磁阀的转、停、开、闭,温度的高低,定标气与定标液的有、无、供、停等均由计算机来进行控制或监测。清洗时，通过真空泵的抽吸，缓冲液经腔室到达传感区域，最后进入废液瓶；校准时，通过蠕动泵的抽吸下，标准校正液经腔室到传感区域，最后进入废液瓶。

优选的，上述连续动脉血液检测系统，所述管路系统主要由测量室、转换器、真空泵、蠕动泵、气路系统和液路系统组成，所述气路系统和液路系统分别通过转换器与测量室连通，所述蠕动泵设置在所述液路系统与转换器之间的管路上，所述真空泵设置在所述气路系统与转换器之间的管路上。

优选的，上述连续动脉血液检测系统，所述管路系统是血气分析仪样品测量的通路，它在微计算机的控制下能够自动完成气体和液体的定标,自动完成样品的测量,以及自动完成对电极和通道的检测。

优选的，上述连续动脉血液检测系统，通过滴涂法、喷墨打印或丝网印刷的方法修饰离子选择性膜来避免血液中蛋白、细胞和生物分子的吸附，提高测量的准确性。

优选的，上述连续动脉血液检测系统，还包括用于修饰传感器的选择性透过膜，所述选择性透过膜为全氟磺酸型聚合物溶液、聚氨酯或者复合水凝胶。

优选的，上述连续动脉血液检测系统，设计了参比电极和校正电路，校正算法，消除连续检测中物质吸附的干扰，所述参比电极采用Ag/AgCl电极，通过喷墨打印、丝网印刷或磁控溅射技术在玻璃表面制备Ag电极，之后再滴涂50mM的FeCl₃氯化20s制备而成，所述校正电路使用商业的OPA2350等高输入阻抗、低噪声的微电流放大器芯片来进行信号放大,并采用滤波电路如二阶有源带通滤波器来减少噪声信号的干扰，使用微处理器处理信号时采用滤波算法，如卡尔曼滤波算法、均值滤波等算法来消除噪声。

优选的，上述连续动脉血液检测系统，设置气路系统和液路系统来消除测量中的干扰。

有益效果：

上述连续动脉血液检测系统，能够对动脉血液各项生理参数的实时信息进行测量，实现全自动动脉血液连续分析；通过在传感器上修饰选择性透过膜来避免血液中蛋白、细胞和生物分子的吸附，提高测量的准确性；设计了参比电极和校正电路，校正算法，消除连续检测中物质吸附的干扰；此外，设置清洗和校准流路来消除测量中的干扰。

附图说明

图1：所述pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器的电极结构图。

图中，Ⅰ：反应区域，其中两个电极分别为工作电极和Ag/AgCl参比电极；Ⅱ：引线。

图2：所述pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器的工作电极结构图。

图中，Ⅰ-1：半透膜，Ⅰ-2：离子选择性膜，Ⅰ-3：固态电解质，Ⅰ-4：基底金电极，Ⅰ-5：玻璃基底。

图3：所述pH传感器的工作原理。

图中，1：电化学工作站，Ⅰ-4：基底金电极，Ⅰ-3：固态电解质，4：H+敏感膜，5：溶液，6：参比电极。

图4：所述PO2传感器的工作原理。

图中，Ⅰ-2’：聚四氟乙烯透氧膜，Ⅰ-3：固态电解质，Ⅰ-4：基底金电极，Co：透氧膜外侧的氧分压，Ci：透氧膜内侧的氧分压。

图5：管路系统的工作原理。

图6：连续动脉血液检测系统的原理图。

具体实施方式

实施例1

如图1-6所示，所述连续动脉血液检测系统，包括传感模块、微电流放大器、滤波电路、管路系统、温控模块和微计算机，所述传感模块由pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器组成，所述管路系统包括气路系统和液路系统，所述pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器分别通过微电流放大器与滤波电路线路连接组成测量电路，所述滤波电路、温控模块、气路系统和液路系统分别通过数据采集卡和微计算机的labview连接。上述温控模块(型号：TCM-X107)中电极对温度非常敏感,保证了测量数值的准确性。

上述连续动脉血液检测系统，所述pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器结构类似，均包括引线Ⅱ、工作电极和Ag/AgCl参比电极6，所述工作电极和Ag/AgCl参比电极置于反应区域Ⅰ内，通过引线Ⅱ连通，所述工作电极由上至下依次为半透膜Ⅰ-1、离子选择性膜Ⅰ-2、固态电解质Ⅰ-3、基底电极(基底金电极Ⅰ-4)和玻璃基底Ⅰ-5，其中，pH传感器的离子选择性膜为H+敏感膜4，PCO2传感器的离子选择性膜为CO₃ ^2-敏感膜，PO2传感器的离子选择性膜Ⅰ-2为聚四氟乙烯透氧膜Ⅰ-2’。所述半透膜是允许小分子如水和离子从溶液5进入到离子选择性膜界面上。离子选择膜是用来进行特异性选择，不同的传感器选择相应的离子选择性膜(对于pH传感器，离子选择性膜为H+敏感膜，对于pCO2传感器，离子选择性膜为CO₃ ^2-敏感膜，对于pO2传感器，离子选择性膜为聚四氟乙烯透氧膜)，固态电解质Ⅰ-3是进行离子和电子的传输。

上述清洗流路和标准流路中，通过装配泵体和电磁阀用来完成样品的自动定标、自动测量和自动冲洗等功能，泵体和电磁阀的转、停、开、闭,温度的高低,定标气与定标液的有、无、供、停等均由计算机来进行控制或监测。清洗时，通过真空泵的抽吸，缓冲液经腔室到达传感区域，最后进入废液瓶；校准时，通过蠕动泵的抽吸下，标准校正液经腔室到传感区域，最后进入废液瓶。

所述管路系统主要由测量室、转换器、真空泵、蠕动泵、气路系统和液路系统组成，所述气路系统和液路系统分别通过转换器与测量室连通，所述蠕动泵设置在所述液路系统与转换器之间的管路上，所述真空泵设置在所述气路系统与转换器之间的管路上。所述管路系统是血气分析仪样品测量的通路，它在微计算机的控制下能够自动完成气体和液体的定标,自动完成样品的测量,以及自动完成对电极和通道的检测。

上述连续动脉血液检测系统，通过滴涂法、喷墨打印或丝网印刷的方法修饰离子选择性膜来避免血液中蛋白、细胞和生物分子的吸附，提高测量的准确性。各所述传感器上修饰有选择性透过膜，所述选择性透过膜为全氟磺酸型聚合物溶液(Nafion)(还可以是聚氨酯(polyurethane,PU)或者复合水凝胶)。

上述连续动脉血液检测系统，设计了参比电极和校正电路，校正算法，消除连续检测中物质吸附的干扰，所述参比电极采用Ag/AgCl电极，通过喷墨打印、丝网印刷或磁控溅射技术在玻璃表面制备Ag电极，之后再滴涂50mM的FeCl₃氯化20s制备而成，所述校正电路使用商业的OPA2350等高输入阻抗、低噪声的微电流放大器芯片来进行信号放大,并采用滤波电路如二阶有源带通滤波器来减少噪声信号的干扰，使用微处理器处理信号时采用滤波算法，如卡尔曼滤波算法、均值滤波等算法来消除噪声。设置气路系统和液路系统来消除测量中的干扰。

上述连续动脉血液检测系统在使用过程中，利用采血针将芯片与人体动脉相连，微流控芯片通过搭载电化学传感器，能够实现对动脉血液中血气、电解质、酸碱度、生化、凝血、心肌标志物等参数的连续实时检测。其中的电化学传感器的电极形状设计如图1所示，其中工作电极采用金，参比电极采用银，采用喷墨打印进行制备，传感器采用相应的离子敏感膜进行修饰。各传感器最外层采用一层选择性透过膜进行修饰，例如Nafion、聚氨酯(polyurethane,PU)或者以及各种复合水凝胶，用来有效地减少血液中蛋白，细胞生物分子的吸附，降低测量过程中生物体中分子干扰。

如图3所示，在溶液中，离子选择性膜内外侧发生电子转移，通过电化学工作站1来检测电位和电流信号，pH传感器测量出溶液中的对应离子浓度。如图4所示，测量时，在两电极之间施加极化电压,经过短时间的通电后,PO2传感器内部的溶解氧浓度基本降为零，此时由于浓度差的作用,PO2传感器外部溶液中的溶解氧将透过高分子膜进入传感器内部,通过透氧膜与工作电极之间的电解液扩散到工作电极表面,在电极上发生氧化还原反应，通过电化学工作站来检测电位和电流信号，测量出溶液中的氧分压。

传感器的电极将血液中PH、PCO2和PO2信号它们转换成各自的电信号,这些电信号经过放大模数转换后被送至处理器统计计算。由于电极产生的电流比较小,所以使用高输入阻抗、低噪声的微电流放大器来进行信号放大。硬件电路可采用滤波电路如二阶有源带通滤波器来减少噪声信号的干扰。使用微处理器处理信号时也可采用滤波算法，如卡尔曼滤波算法、均值滤波等算法来消除噪声。

上述管路系统的工作原理和连接关系如图5所示，包括一台空气压缩机，氧气瓶和二氧化碳气瓶用来提供气体，一个五通的转换器将所有的管路和测量室连接起来,以便使定标液、冲洗液、定标气体、待测样品能进入测量室，每次测量或定标结束后，废液排到废液瓶中。液体气体分配单元是分别由三个膜阀组成，分别控制标准液，冲洗液和标准气体的流向。蠕动泵电机采用步进电机通过电机控制电路，输出一个正反信号来控制电机的正转和反转，提供液体在测量室和管道流动的动力，蠕动泵用来抽取冲洗液和定标液进入测量室中，真空泵用来给废液瓶提供一个负压，用来快速冲洗测量室和中间的管路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种连续动脉血液检测系统，其特征在于：包括传感模块、微电流放大器、滤波电路、管路系统、温控模块和微计算机，所述传感模块由pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器组成，所述管路系统主要由测量室、转换器、真空泵、蠕动泵、气路系统和液路系统组成，所述气路系统和液路系统分别通过转换器与测量室连通，所述蠕动泵设置在所述液路系统与转换器之间的管路上，所述真空泵设置在所述气路系统与转换器之间的管路上，所述pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器分别通过微电流放大器与滤波电路线路连接组成测量电路，pH传感器、PO2传感器和PCO2传感器结构类似，均包括引线、工作电极和Ag/AgCl参比电极，所述工作电极由上至下依次为半透膜、离子选择性膜、固态电解质、基底电极和玻璃基底，其中，pH传感器的离子选择性膜为H+敏感膜，PCO2传感器的离子选择性膜为CO₃ ^2-敏感膜，PO2传感器的离子选择性膜为聚四氟乙烯透氧膜，所述Ag/AgCl参比电极是通过喷墨打印、丝网印刷或磁控溅射技术在玻璃表面制备Ag电极，之后再滴涂50mM的FeCl₃氯化20s制备而成的，各所述传感器最外层采用一层选择性透过膜进行修饰，所述选择性透过膜为全氟磺酸型聚合物溶液、聚氨酯或者复合水凝胶，所述滤波电路、温控模块、气路系统和液路系统分别通过数据采集卡和微计算机的labview连接。

2.根据权利要求1所述的连续动脉血液检测系统，其特征在于：所述管路系统是血气分析仪样品测量的通路，它在微计算机的控制下能够自动完成气体和液体的定标,自动完成样品的测量,以及自动完成对电极和通道的检测。

3.根据权利要求1所述的连续动脉血液检测系统，其特征在于：通过滴涂法、喷墨打印或丝网印刷的方法修饰离子选择性膜来避免血液中蛋白、细胞和生物分子的吸附，提高测量的准确性。

4.根据权利要求1所述的连续动脉血液检测系统，其特征在于：设计了参比电极和校正电路，校正算法，消除连续检测中物质吸附的干扰，所述校正电路使用微电流放大器芯片来进行信号放大,并采用滤波电路来减少噪声信号的干扰，使用微处理器处理信号时采用滤波算法来消除噪声。