CN101055242A - 便携式干法光学生化参数快速检测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式干法光学生化参数快速检测仪，其基于光反射方法、具有高稳定性和准确性，主要包括光源驱动电路；信号转换、采集、放大电路；信号转换工作电压提供及监测电路；信号模/数转换、处理、控制及温度传感集成部件；处理结果显示及存储电路等。为提高生化参数检测的稳定性，本发明采用检测信号和参考信号同步测量的方法，消除光源和外界环境变化带来的干扰。为保证检测仪长时间工作的有效性和稳定性，本发明设计实现了光源监测电路、信号转换工作电压监测电路等。同时由于环境温度对生化反应有较大影响，本发明采用温度传感器实现对环境温度的测量。

Description

便携式干法光学生化参数快速检测仪
技术领域
本发明涉及生化检测技术领域，是一种便携式干法光学生化参数快速检测仪，其基于光学反射方法，可以测量如血红蛋白(HB)、谷丙转氨酶(ALT)、尿比重(SG)等的生化参数。
背景技术
医学临床上和日常体检、保健时经常需要对人体的生化参数进行检测，为临床诊断和健康情况评定提供参考。而目前，最常采用的方法是专门到医院进行化验。医院生化实验室目前使用的检测设备均为大型生化检测仪，如日立7170，这些大型生化检测仪检测批量大，准确度高，但需要对检测样品进行预处理，检测时间长，且价格昂贵，所以开发检测样品需要量少、可以快速准确提供检测结果的便携式检测仪是非常有市场潜力的。目前市场上流通的检测生化参数的便携式仪器分国产和进口两类，国产仪器普遍存在着检测项目少、准确性差的问题；进口仪器则普遍存在着价格高的问题，因此设计发明一种通用性较强、稳定性、准确性和一致性好、性价比高的便携式生化参数检测仪是非常必需的。
发明内容
本发明的目的，是提供一种便携式干法光学生化参数快速检测仪，可以检测多个项目，具有高稳定性和准确性，在准确性和一致性方面既可以满足临床诊断和日常生活检测的要求，价格又较低，从而满足医学临床和人们日常生活对生化参数便捷、实时检测的要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术解决方案是提供一种便携式干法光学生化参数快速检测仪，其基于光反射方法、具有高稳定性和准确性；包括：
一个光路检测单元，分别与一控制光源的光源驱动电路、一为光电转换器提供工作电压的光电转换器工作电压提供/监测电路、一采集、放大光电转换器信号变化的信号采集/放大电路电连接；
信号采集/放大电路、光电转换器工作电压提供/监测电路、环境温度传感器的输出端分别与模数转换电路电连接；
光源驱动电路、环境温度传感器和模数转换电路分别与信号控制器电连接；
信号控制器的输出端分别与存储模块、显示模块、通讯模块电连接；
一电源电路，连接到上述各电路，为各元器件提供电能；其特征在于，光源驱动电路，包括一个位于其电流输出部件和多个光源之间的多选一开关电路，用于实现同一电路对多个光源的驱动；在其电流幅值控制端，包括另一个多选一开关电路，由此来编程光源驱动电流的幅值。
所述的快速检测仪，其所述光电转换器工作电压提供/监测电路中，一恒电位参考端电连接到一差分放大器正输入端，电源电路正极经一电阻电连接到此差分放大器的负输入端，该负输入端再与输出端电连接后输出到光路检测单元的检测端和参考端光电转换器上，用于保证两个光电转换器的工作电位与恒电位参考端电位相等，并提供给光电转换器所需的信号电流。
所述的快速检测仪，其所述信号采集/放大电路，包括两路结构和器件参数均相同的采集/放大电路，用于实现检测信号和参考信号的同步采集。
所述的快速检测仪，其所述信号采集/放大电路中，光路检测单元的光电转换器电连接到一差分放大器的负输入端，此差分放大器的正输入端电连接到电源参考地上，用于实现光电转换器的工作电压保持恒定。
本发明利用光学反射方法对生化参数进行测试。工作流程是：从光源发出的光照射到生化参数传感器上，含有被检参数信息的反射光投射到光电转换器件上而转换为电信号，此电信号经采集、放大、模数转换后输入到控制器内，经数据处理后将检测结果显示、保存等，可以检测多种参数。
本发明的有益效果是：仪表检测项目增加、检测准确性、一致性和稳定性有很大提高，但成本较单参数检测仪表并没有显著增加，与市场同类产品相比成本也相对较低，从而本发明性价比很高。
附图说明
图1为本发明整体结构框图；
图2为本发明光源驱动原理图；
图3为本发明信号转换工作电压提供和监测电路；
图4为本发明信号采集和放大电路；
图5为本发明的控制器、存储模块、显示模块、通讯电路和上位计算机连接框图；
图6为本发明与上位计算机的通讯结构框图及该检测仪功能选择电路；
图7为本发明便携式干法光学生化参数快速检测仪软件流程图。
具体实施方式
图1所示为本发明便携式干法光学生化参数快速检测仪的整体结构示意图，包括检测用传感器1、光路检测单元2、信号采集/放大电路3、控制器4、存储模块5、光电转换工作电压提供/监测电路6、显示模块7、光源驱动电路8、通讯电路9和上位计算机10。其中，检测用生化参数传感器1可以为血色素(HB)传感器、谷丙转氨酶(ALT)传感器，或其它与本发明相匹配的传感器。光路检测单元2置于传感器1的样品池上方，其内设有数个发光二极管(LED)15和数个探头21。探头21一端电连接于光电转换工作电压提供/监测电路6，另一端电连接于信号采集/放大电路3；发光二极管(LED)15电连接于光源驱动电路8一端；信号采集/放大电路3和光源驱动电路8的另一端与控制器4电连接。控制器4还与存储模块5、光电转换工作电压提供/监测电路6、显示模块7和通讯电路9电连接。通讯电路9的另一端与上位计算机10电连接。
光源，即发光二极管(LED)15的驱动电路8，具体实现如图2所示。
信号采集/放大电路3的具体实现如图4所示。
光电转换工作电压提供/监测电路6的具体实现如图3所示，其中Vr为恒电位。
控制器4，包括模/数转换部件41、温度传感器43、控制单元42等，各部件的连接关系，及各部件与外部单元的连接如图5所示。
通讯电路8的具体实现如图6所示，其中开关31用于选择本检测仪的工作模式，即选择正常工作状态还是检测仪软件更新状态。
下面以检测血色素(HB)和谷丙转氨酶(ALT)为例说明本发明的具体实施方式。
由于本发明使用的光源为发光二极管(LED)15，为提高光源发光稳定性，本发明提供了恒流驱动方式，即采用恒流芯片为光源提供驱动电流。恒流芯片可以采用MAX1916、MAX1561、MAX1570等，优选为MAX1916。驱动原理如图2所示，光源驱动芯片(MAX1916)13工作时输出的实际驱动电流由电阻16确定。为实现软件调节光源驱动电流值，本发明选用多选一开关17实现对电阻(161、162、…、16n)的选择。同时，为实现同一光源驱动电路对多个光源的驱动，本发明也选用多选一开关14实现对光源(151、152、…、15n)的选择。多选一开关14和17可以用模拟开关或三极管实现，二者优选为三极管。本实施例因检测两种参数，所以光路检测单元使用了两个光源，电阻141的阻值确定为28.8KΩ，电阻142的阻值确定为30.2KΩ。多选一开关14和17均用三极管mj13005实现。上拉电阻12的阻值为10KΩ。工作直流电压Vs为5V。
在光源控制端控制下，恒流芯片13根据电阻16的阻值大小为光源(LED)15提供恒定电流。当光源控制端为高电平时，有恒定电流通过光源(LED)15，则光源(LED)15处于发光状态；当光源控制端为低电平时，没有电流通过光源(LED)15，则光源(LED)15处于不发光状态。
经实验证明，光源(LED)15的发光强度不仅与驱动电流有关，还与其所处环境温度和使用时间有关。为保证检测结果的准确性、稳定性和一致性，必须去除光源(LED)15发光强度变化和检测环境变化带来的干扰。本发明设计实现了检测信号和参考信号同步采集电路。由于这两路采集电路设计方式和器件选用标准完全相同，因而进入检测信号端的干扰可以由参考信号端的变化反映出来。同时，通过对参考信号的检测，可以得到光源(LED)15的使用情况，当采用标准传感器进行校准且参考信号低于一定值时，可以证明光源(LED)15不再能够满足检测要求，从而提示用户更换新光源。
由于光路检测单元输出的信号为电导量，本发明设计实现了以运算放大器采集电导量的技术方案。由于测试项目多，被测物质不同，传感器的反射光强度也有较大差别，所以不同检测参数对应的电导信号变化范围差别也较大，为保证放大后的信号均在模数转换有效范围内，本发明在信号放大电路部分设置不同倍率的放大器，从而根据测试项目不同来进行选择。同时也可以进行多级放大，提高放大倍率。为保证信号放大幅度处于模数转换的有效范围内，可以通过软件设计自动选取放大倍率和放大级数。运算放大器可以选用TLC2264、AD713等，优选为TCL2264。
信号采集/放大电路3如图4所示。在图4中，运算放大器261，262，263的选取准则是：高输入阻抗、低偏置电流等。本实施例选用美国TI公司生产的TLC2264运算放大器。采样电阻(221、222、…、22n)的选取准则是低温漂、高精度，本实施例选用阻值为42.2KΩ、精度为0.1％的精密电阻。图4中不同采样电阻(即信号不同放大倍率)的选择可以通过模拟开关来实现。本实施例为固定放大倍数。
为准确采集光路检测单元输出的电导量，本发明通过运算放大器261将光电转换工作电压提供/监测电路6提供的恒定电压将电导量转换为电流信号，此电流信号与电导量成正比。电流信号经采样电阻(221、222、…、22n)转换/放大为电压信号，此电压信号经反向、隔离后输出到模/数转换模块41中。检测信号和参考信号的采集放大电路实现方式和器件参数完全相同。
光电转换工作电压提供/监测电路6如图3所示。通过运算放大器19和限流电阻18将光电转换工作电位钳于Vr电位，由此实现光电转换工作电位的恒定，并为光电转换器提供所需的信号电流。本发明采用恒压芯片提供Vr电位，此恒压芯片可以选用Ref192，ADR363，ADR364等。优选为Ref192。然而随着检测仪使用时间的增加，此光电转换工作电位也会产生一定的漂移。由于此电压是信号采集的关键点，因而其漂移必然会造成信号的漂移。本发明采用将此光电转换工作电位经一运算放大器20电压跟随隔离后输出到模数转换模块41，如图3和图5所示。经控制单元42计算后，如果此电压漂移超出精度范围，控制单元42将用软件调整信号运算比例，以保证检测结果的稳定性和一致性。运算放大器19和20的选取标准是：高输入阻抗、低偏置电流等。本实施例选用美国TI公司生产的TLC2264运算放大器。限流电阻18的选取准则是低温漂、高精度，本实施例选用阻值均为50KΩ、精度为0.1％的精密电阻。
同时控制器4内部集成有温度传感器43，其测量精度为±2℃，满足本发明中生化检测对环境温度的测量精度要求。控制器4与外部单元的连接如图5所示。选用的存储模块5为E2PROM，型号为24LC256，用于存储检测结果等。选用的显示模块7为北京青云公司生产，型号为128645ZK，用于显示检测结果等信息。
随着仪表使用时间的增加，用户可能需要增加新的软件功能，但将仪表收回进行软件升级是非常不方便的，所以实现软件用户自升级是必需的。本发明采用硬软件结合的方式实现此功能。在硬件方面，本发明由控制器通讯端控制，通过TTL/RS232电平转换芯片28、仪表外壳上预留的接口29和功能选择开关30，以RS232协议实现仪表和上位计算机10的通讯。具体实现如图6所示，当功能选择开关30断开时，工作模式控制端经上拉电阻30被拉为高电平，检测仪则处于正常工作状态，此时可以进行参数检测和与上位计算机10进行数据传输等；当功能选择开关30闭合时，工作模式控制端被拉为低电平，检测仪则处于下载模式状态，此时可以从上位计算机10下载新的程序进行软件更新。在软件方面，通过在上位计算机10上安装应用程序，实现将上位计算机10中的软件升级包自动下载到仪表中实现仪表软件升级。通过此应用程序也可以将仪表中保存的测试数据上传并以一定格式保存。TTL/RS232电平转换芯片28可以为MAX232、MAX202、GD75232等。优选为MAX232。应用程序在Microsoft VC 6.0环境下开发。
图6中，本发明选用的TTL/RS232电平转换芯片22为MAX232。功能选择开关31为普通拨码开关。
本发明软件工作流程如图7所示。工作流程为：首先打开电源键，进入功能选择菜单，选择“测量”菜单进入测试项目选择菜单，选定测试项目后，当液晶显示屏提示插入传感器时，插入相应测试项目传感器，按确认键后开始倒计时，在预定时间后开始测量，结束后测量结果被存储且液晶显示屏上显示测量结果，此时可以将传感器抽出，按任意键返回测试项目选择菜单。
本发明还提供了测量结果查询功能。在功能选择菜单中选择“记录查询”菜单进入记录项目选择菜单，选定记录项目后，显示该项目最新纪录，根据键盘输入可以上/下翻记录、退出记录显示等。
本发明在硬件上采用优选设计，在软件上采用菜单式设计，在实际应用中检测效果良好，准确高，稳定性和一致性好，操作方便。

Claims (4)

1.一种便携式干法光学生化参数快速检测仪，其基于光反射方法、具有高稳定性和准确性；包括：
一个光路检测单元，分别与一控制光源的光源驱动电路、一为光电转换器提供工作电压的光电转换器工作电压提供/监测电路、一采集、放大光电转换器信号变化的信号采集/放大电路电连接；
信号采集/放大电路、光电转换器工作电压提供/监测电路、环境温度传感器的输出端分别与模数转换电路电连接；
光源驱动电路、环境温度传感器和模数转换电路分别与信号控制器电连接；
信号控制器的输出端分别与存储模块、显示模块、通讯模块电连接；
一电源电路，连接到上述各电路，为各元器件提供电能；其特征在于，光源驱动电路，包括一个位于其电流输出部件和多个光源之间的多选一开关电路，用于实现同一电路对多个光源的驱动；在其电流幅值控制端，包括另一个多选一开关电路，由此来编程光源驱动电流的幅值。
2.如权利要求1所述的快速检测仪，其特征在于，所述光电转换器工作电压提供/监测电路中，一恒电位参考端电连接到一差分放大器正输入端，电源电路正极经一电阻电连接到此差分放大器的负输入端，该负输入端再与输出端电连接后输出到光路检测单元的检测端和参考端光电转换器上，用于保证两个光电转换器的工作电位与恒电位参考端电位相等，并提供给光电转换器所需的信号电流。
3.如权利要求1所述的快速检测仪，其特征在于，所述信号采集/放大电路，包括两路结构和器件参数均相同的采集/放大电路，用于实现检测信号和参考信号的同步采集。
4.如权利要求1和3所述的快速检测仪，其特征在于，所述信号采集/放大电路中，光路检测单元的光电转换器电连接到一差分放大器的负输入端，此差分放大器的正输入端电连接到电源参考地上，用于实现光电转换器的工作电压保持恒定。
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