CN102944520B - 一种监测全血分层状况的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测全血分层状况的方法，该方法由主机控制输液泵和阀门向离心杯内注入全血，由一光发射部件发出探测光束照射于离心杯上的探测区域，进入离心杯内的全血因离心转动所形成的血浆层、白膜层和红细胞层依次通过探测区域并分别对探测光束产生漫反射光；由光接收部件接收不同血层的漫反射光，经光电转换部件将接收的漫反射光转换成为电信号；电信号经电子电路模块处理后传输至主机的分析模块，由分析模块采取幅值判别法处理电信号以判断是否探测出红细胞层，主机依据判断结果控制输液泵的泵速和阀门的开合；光电传感装置包括有光发射器、光接收器和电子电路。本发明的方法能降低光损耗，提高光能量的利用率，提高传感器的信噪比和适应性。

Description

一种监测全血分层状况的方法及装置

技术领域

本发明涉及血液处理，特别涉及到血液离心分离设备中用于探测离心杯内血层的方法以及相应的监控装置。

背景技术

在使用离心杯对血液成分进行分离的过程中，需要利用探测监视技术来判定血液成份分离结束的最佳时机，并实施相应的自动化控制操作。例如，在血浆单采仪中，需要使用传感器来判定血浆采集结束的最佳时机。在自体血液回收机中，需要利用传感器来判定离心杯内红细胞是否装满，防止红细胞溢出。

在血液离心分离过程中，各种血液成分由于比重不同因而受到的离心力大小不同，导致它们彼此分开形成血层，外侧为红色的红细胞层，内侧为淡黄色的血浆层，中间较薄的一层称为白膜层（主要含白细胞）。通常采用非接触光电传感技术来探测不同的血液成分。该技术的原理是：利用血液成分的光反射或透射特性差异，通过探测和分析光电信号的变化来实现对血液成分的区别。现有离心杯血层光电传感装置所采用的探测方案主要有下面几种。

1．使用反射镜和同轴光纤导光，发射和接收共光路，即采用同一透镜实现聚光照明和集光探测。该方案如图1所示，发射激光经位于同轴光纤04中央的单根光纤05a传导，再经透镜03和反射镜02后照射在离心杯01上。来自离心杯01的信号光经反射镜02和透镜03后，会聚在位于同轴光纤04外周离散分布的多根光纤05b上，经传导后由光敏元件接收。 

2．使用分光镜，发射和接收不共光路。该方案如图2所示，由光源和透镜构成的光发射器06放在分光镜07的一侧，发射光束斜射在分光镜07上，其反射部分照射到探测目标血层08上，来自目标血层08的信号光再经分光镜07后，其透射部分由放在分光镜07另一侧的光敏元件09接收。

上述两种离心杯血层光电传感装置都是安装在离心井壁上，传感器远离光探测区，由于接收光路长，接收到的信号光较弱。另外，它们接收到的信号强度还受离心杯形状的限制，若接收光路与肩部探测区表面法线夹角很大，该方向上的反射较弱，使得探测到的信号强度更加微弱。对于采用光纤导光的方案，虽然其外形小巧，但装配复杂，而光源与光纤之间的光耦合以及弯曲的光纤本身也存在光能的损耗。另外，由于发射和接收共光路，发射光产生的杂散光易串入信号光中，从而降低光电信号的信噪比。对于采用分光镜的方案，虽然发射光对信号光不产生干扰，但由于分光导致光能损失很大，光能量利用率很低。

发明内容

本发明目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种离心杯内全血分层状况新的监测方法和装置。本发明的方法意在降低光的损耗，提高光能量的利用率，进而提高传感器的信噪比，更重要的是要使得这种方法制作的传感装置能够适用于不同形状结构的离心杯，提高其适应性。

本发明方法的原理是以光波作为信息载体，以血层的漫反射光作为信号光，该信号光由光电探测器收集并被转换成电信号，以该电信号作为分析处理对象。由于各血层具有不同的反射特性，血浆层相对最弱、白膜层相对最强、红细胞层处于中间，它们产生的信号光以及对应的光电信号强度不同，通过分析光电信号的强度变化可以实现对不同血层的探测区分，以探测出红细胞层，进而控制进血的速度和时间。

本发明监测离心杯内全血分层状况的方法和装置提供下述技术方案来实现对离心杯内血层分层状况的探测功能：

一种监测离心杯内全血分层状况的方法，其特征在于，该方法是由主机控制输液泵和阀门向离心杯内注入全血，由一光发射部件发出探测光束照射于所述离心杯上的探测区域，该探测区域为离心杯的肩部，进入离心杯内的全血因离心转动所形成的血浆层、白膜层和红细胞层依次通过探测区域并分别对探测光束产生漫反射光；由一光接收部件接收不同血层的漫反射光，经由一光电转换部件将接收的漫反射光转换成为电信号；所述电信号经由一电子电路模块处理后传输至主机的分析模块，并由分析模块计算处理该电信号以判断是否探测出红细胞层，主机依据判断结果控制输液泵的泵速和阀门的开合；所述分析模块处理电信号方法为幅值判别法，其先确定一个基线，当幅值与基线差超过阈值则认为探测出红细胞层。

在本发明监测离心杯内全血分层状况的方法中，所述分析模块中分析处理为幅值判别法，该判别法中采用固定阈值，其过程是：1）先记录单位时间的光电信号采样值，计算出每连续n个采样值的平均值和该n个采样值的标准差：若标准差与平均值的百分比小于10%，则以此连续n个采样的平均值作为基线数值，并以上述的标准差为基线标准差；若标准差与平均值的百分比大于10%，则进行下一组n个采样值判断，直至标准差与平均值的百分比小于10%；2）取后续的m个连续采样点并计算出其平均值作为判断值，当判断值与基线数值的差值与基线标准差的比例大于N时，判断为检测到红细胞层，如小于N则再取后续的m个连续采样点继续判断，其中N为设定的阈值。

在本发明监测离心杯内全血分层状况的方法中，所述分析模块中分析处理为幅值判别法，该判别法中采用动态阈值，其过程是：1）先记录单位时间的光电信号采样值，计算出每连续n个采样值的平均值和该n个采样值的标准差：若标准差与平均值的百分比小于10%，则以此连续n个采样的平均值作为基线数值，并以上述的标准差为基线标准差；若标准差与平均值的百分比大于10%，则进行下一组n个采样值判断，直至标准差与平均值的百分比小于10%；2）在0～T时间段，取后续的m个连续采样点并计算出其平均值作为判断值，若判断值与基线数值的差值与基线标准差的比例大于N1时，判断其为血红细胞层，若小于N1则再取后续的m个连续采样点继续判断；在T～2T时间段，若当判断值与基线数值的差值与基线标准差的比例大于N2时，判断其为血红细胞层，若小于N2则继续采样判断；在2T～3T时间段，若当判断值与基线数值的差值与基线标准差的比例大于N3倍时，判断为检测出血红细胞层，若小于N3则继续采样判断；其中，N1、N2和N3为动态阀值，其随时间逐渐降低，即N1＞N2＞N3 。

一种用于离心杯内全血分层状况的监测方法的光电传感装置，其特征在于，所述的离心杯和光电传感装置安装在一个可减弱外界光影响的离心井中,所述光电传感装置安装在离心杯头固定板下方，该光电传感装置包括有光发射器、光接收器和电子电路，所述电子电路包括有光源驱动模块和光电信号处理模块，所述的光源驱动模块连接所述的光发射器，光电信号处理模块连接所述的光接收器，所述光发射器发出的探测光束照射至位于离心杯肩部的探测区域，离心杯内血层产生的漫反射光由光接收器接收并转化为电信号传输至位于主机内的光电信号处理模块，由该光电信号处理模块处理该电信号并将处理后的信号输送主机。

在上述的光电传感装置中，所述光发射器由光源和位于光源前方的会聚透镜组成，所述光源为LED、或为激光二极管，所述的光源发出为波长处于600～770 nm之间的红色可见光；所述光接收器包括接收透镜和位于接收透镜后方的光敏元件；所述光敏元件为光电二极管、或为光电三极管、或为光电池。

在上述的光电传感装置中，所述光发射器和光接收器的轴线处于同一平面内，且光发射器和光接收器的轴线之间呈20～40度的夹角；所述光接收器的轴线与探测区域的表面法线所成夹角为0～20度。

基于上述技术方案，本发明监测离心杯内全血分层状况的方法与现有技术相比具有如下技术优点：

1．本发明监测离心杯内全血分层状况的方法采用在封闭离心机内漫反射接收血层信号并经过多重分析来判断出是否监测到红细胞层，进而控制主机中输液泵的泵速和阀门的开闭，从而为全血的供给情况和后续的进一步处理提供控制依据，实现对分离过程的精确控制。

2．本发明的监测方法下制作的光电传感装置安装到离心杯头固定板的下方，并采取使光发射器和光接收器呈一定夹角分布的简单结构，不使用光纤与分光镜，避免了由于光纤和分光镜引起的光能损耗问题，而且发射光与信号光不会相互干扰，提高了光电信号的信噪比。

3．本发明的监测方法中以血层的漫反射光作为信号，实现该光电传感装置中光接收器与检测区域的表面法线呈一定角度，使得接收信号强度不受离心杯形状结构的限制，既可用于锥形离心杯也可用于鼓形离心杯和其他类型的离心杯。

附图说明

图1是现有技术的一种利用光纤传导的离心杯血层光电传感装置结构示意图。

图2是现有技术的另一种利用分光镜传导的离心杯血层光电传感装置结构示意图。

图3是实现本发明方法的光电传感装置的结构示意图。

图4是实现本发明方法的光电传感装置的安装位置示意图。

图5全血进入离心杯过程中各分层依次经过光电传感装置探测点时的状态示意图。

图6全血进入离心杯过程中光电传感装置探测到的各分层的数值变化的理论曲线图。

图7全血进入离心杯过程中光电传感装置探测到的各分层的数值变化的实际曲线图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明离心杯血层光电传感装置做进一步的详细阐述，以求更为清楚明白地理解本发明方法的详细流程和光电传感装置的结构组成，但不能以此来限制本发明保护范围。

本发明的方法以光波作为信息载体，以血层的漫反射光作为信号光，该信号光由光电探测器收集并被转换成电信号，以该电信号作为分析处理对象。由于各血层具有不同的反射特性，血浆层相对最弱、白膜层相对最强，红细胞层处于中间，它们产生的信号光以及对应的光电信号强度不同，通过分析光电信号的强度变化可以实现对不同血层的探测区分。

本发明监测离心杯内全血分层状况的实现方法是由主机控制输液泵和阀门向离心杯内注入全血，由一光发射部件发出探测光束照射于所述离心杯上的探测区域，该探测区域为离心杯的肩部，进入离心杯内的全血因离心转动所形成的血浆层、白膜层和红细胞层依次通过探测区域并分别对探测光束产生漫反射光；由一光接收部件接收不同血层的漫反射光，经由一光电转换部件将接收的漫反射光转换成为电信号；所述电信号经由一电子电路模块处理后传输至主机的分析模块，并由分析模块计算处理该电信号以判断是否探测出红细胞层，主机依据判断结果控制输液泵的泵速和阀门的开合。

当血液在离心杯内进行成分分离时，血层传感器的光电信号由于外界光线的干扰，或是电磁信号的干扰，或是震动的影响，会存在一些随机噪声。因此，为了及时准确地判断红细胞层到达的时间，需要用使用特定的判断算法。

上述主机内的分析模块处理电信号方法为幅值判别法。其大致方法是：（1）先确定基线，当幅值与基线的差超过一个固定的阈值时，判定为检测到红细胞层；（2）在（1）的基础上，阈值不固定，阈值大小随时间逐步降低。

下面我们对于上述的幅值判别法的步骤流程进行详细阐述：

第一步，基线判定。记录单位时间的光电信号采样值，并计算出每连续n个(3≤n≤10)采样的平均值作为判断值。在判断的初始阶段，首先根据公式计算前n点采样的平均值                                                和标准差σ：

如果所得的标准差与平均值的百分比σ/小于10%，则平均值作为基线，作为基线标准差；反之如果百分比σ/大于10%，则抛掉第一个采样点P₀，引入下一点P_n计算下一组n点采样的平均值和标准差σ：

此时若计算的标准差与平均值的百分比仍然大于10%，则继续作下一组n点采样的平均值和标准差的计算，一直到百分比σ/小于10%，并取平均值作为基线，作为基线标准差。

第二步，红细胞层判别。基线确定后，持续计算每m点(1≤m≤5)采样的平均值作为判断值与基线数值进行比较判别。判别方法可以有以下几个：

判断时一种方式为固定阈值判断：当判断值与基线数值的差值是基线标准差的N倍（3≤N≤10）以上时，可判断为检测到血红细胞层。

判断时还有一种方式为动态阈值判断：在0～T时间段内，当判断值与基线数值的差值是基线标准差σ的N1倍（3≤N1≤20）以上时，可判断为检测到血红细胞层；如在0～T时间段内未检测到红细胞层，则在T～2T时间段内，当判断值与基线数值的差值是基线标准差的N2倍（2≤N2≤20）以上时，就可判断为检测到血红细胞层。如在T～2T时间段内也未检测到红细胞层，则在2T～3T时间段内，当判断值与基线数值的差值是基线标准差σ的N3倍（1≤N3≤20）以上时，可判断为检测到血红细胞层。依次类推，直到找到血红细胞层。其中，N3≤N2≤N1，也即判断阀值随时间逐渐降低。

依据本发明方法设计的光电传感装置由下述三个工作部件构成：

1．光发射器：其任务是发射探测光束作为信息载体。

2．光接收器：其任务是收集信号光并将其转换为电信号。

3．电子电路：其包含光源驱动电路和光电信号处理电路，它们分别与光发射器和光接收器相连接。其中，光源驱动电路用于驱动光发射器的光源；光电信号处理电路用于处理光接收器输出的光电信号。

依据本发明方法设计的光电传感装置安装在离心杯头固定板下方。该光电传感装置包括有光发射器、光接收器和电子电路，所述电子电路包括有光源驱动模块和光电信号处理模块，所述的光源驱动模块连接所述的光发射器，光电信号处理模块连接所述的光接收器，所述光发射器发出的探测光束照射至位于离心杯肩部的探测区域，离心杯内血层产生的漫反射光由光接收器接收并转化为电信号传输至位于主机内的光电信号处理模块，由该光电信号处理模块处理该电信号并将控制信号输送至与主机连接的输液泵和阀门上。

对于本发明结构和在血液处理设备上的具体安装位置，我们可以从图3和图4上明显看出，其中，图3是实现本发明方法的光电传感装置的结构示意图。图4是实现本发明方法的光电传感装置的安装位置示意图。本发明主要涉及到一种离心杯血层光电传感装置。血层光电传感装置应用到血液处理设备上，用于检测和区分离心杯内的不同血层。在不同的血液处理设备上，离心杯的可旋转部分可能存在差异，但固定不动的杯头部分是相同的，且都是由夹持固定板固定。本发明离心杯光电传感装置安装在离心杯头固定板下方。本发明中的离心杯和光电传感装置安装在一个可屏蔽外界光影响的封闭离心井中，这样可以屏蔽外界光对于探测光的影响，避免造成误判。 

本发明光电传感装置包括有光发射器、光接收器和电子电路。光发射器的作用是产生探测光束，它由光源和会聚透镜构成。光源可以采用红色LED、激光二极管等；会聚透镜可将光源发出的发散光束会聚成小光斑。光接收器的作用是探测信号光并输出光电信号，它由光敏元件和接收透镜构成。光敏元件可以是光电三极管、光电二极管、光电池等光电器件。电子电路包含光源驱动电路和光电信号处理电路两部分，它们分别与光发射器和光接收器相连接。其中，光源驱动电路用于驱动光发射器的光源，光电信号处理电路用于处理光接收器输出的光电信号。所述光源为LED、或为激光二极管，该光源发出为波长处于600～770 nm之间的红色可见光。

在本发明离心杯血层光电传感装置固定在离心杯头固定板下方，与离心杯肩部具有一定的距离。光发射器发出的光束照射于离心杯肩部的探测区域，光接收器轴线与探测区域的法线夹角为0～20度。离心杯内血液反射产生的光信号由光接收器接收并转化为光电信号。上述光发射器和光接收器处于同一平面内，且光发射器和光接收器的轴线之间呈20～40度的夹角。

上述电子电路包括有光源驱动模块和光电信号处理模块，光接收器连接到电子电路中的光电信号处理模块上，光接收器接收到的光信号被转换成电信号并由电子信号处理模块进行处理；电子电路中的光源驱动模块连接至光发射器中上。

本发明离心杯血层光电传感装置可适用于不同外形结构的离心杯，其中一种类型的离心杯为锥形离心杯，其内筒为圆锥形，另一种类型的离心杯为鼓形离心杯，其内筒呈圆柱形。

实施例1

本实施例的离心杯血层光电传感装置包括光发射器，光接收器和电子电路三个部分。如图5所示，光电传感装置由光源1a、会聚透镜1b、接收透镜3a、光敏元件3b、光源驱动电路4a、光电信号处理电路4b构成。其中光源1a和会聚透镜1b组合成为光发射器4，接收透镜3a和光敏元件3b组合成为光接收器5，光源驱动电路4a和光电信号处理电路4b组合成为电子电路。光发射器与光接收器轴线位于同一平面内，它们之间的夹角为30度。上述的光源1a是波长为650nm的红色可见光。

本实施例离心杯血层光电传感装置的安装位置如图6所示，光电传感装置5通过支架6安装在用于夹持和固定离心杯头2b的固定板7的下方，光接收器轴线与探测区表面法线夹角为10度。

在本实施例离心杯血层光电传感装置中，光源1a采用红色激光二极管，波长为650nm，会聚透镜1b和接收透镜3a采用玻璃透镜。激光二极管由光源驱动电路4a驱动发出波长为650nm的激光光束，光敏元件3b采用光电三极管。

当光电传感装置工作时，光源1a发射的激光束经会聚透镜1b会聚后照射在离心杯2的肩部2a探测区域处，光斑直径小于0.5mm。接收透镜3a与探测光斑之间的距离（探测距离）约20mm。

当血液在离心杯内进行成分分离时，血液会分离层血浆、白膜层和红细胞层，随着血液的灌入和血浆被赶出，分离出来的各种血层将依次经过光束探测区，它们的产生漫反射光被接收透镜3a收集到光电三极管3b的光敏面上，其产生的光电信号被输入到光电信号处理电路4b中进行分析处理，并与阈值进行比较。

实验表明，在离心杯中进行血液离心分离时，空气层、血浆层、白膜层和红细胞层会依次通过光束探测区10，其流程如图5所示，图5中显示出光电传感器随时间变化所检测到的依次为空气11、血浆12、白膜层13和红细胞层14。

在图5所示的检测流程基础上，经过本发明的光电传感装置所探测到的探测光信号转换为光电信号以后，光电信号值与分离时间的关系如图6所示。由图可知，在初始分离时，在图5中a阶段探测到的为空气，光电信号对应A～B，在图5中b阶段探测到的是空气和血浆的混合体，光电信号对应B～D，在图5中c阶段探测到的为血浆层，光电信号对应D～E，在图5中d阶段探测到的是白膜层，光电信号对应E～F，在以后阶段探测到的是红细胞层，光电信号对应G。由于本发明光电传感装置的目的检测离心杯内红细胞的量，使其达到所需的要求即可停止再向离心杯输入全血。在实践中，检测到的红细胞层的光电信号值与血浆层的光电信号值相差很大，故而可以在E～F阶段设定阈值，一旦超过阈值即可发出指令停止向离心杯内输入全血。

正如本发明方法中指出的，当血液在离心杯内进行成分分离时，血层传感器的光电信号会存在各种噪声和变化，实际测出的信号并不是图6所示的光滑曲线，而是具有噪声的曲线，如图7所示，故而才需要上述的幅值判断法来判断是否已经探测到红细胞层。

本实施例中使用幅值判别方法，该幅值判别使用动态阈值，基线判定时取n=8，即计算连续8个采样点的平均值和标准差；判别时取m=4，计算相邻4个采样点的平均值；在0～60秒内，比较阈值N=5，即当信号值与基线的差大于5倍的标准差时，判别为检测到红细胞层，在60～120秒内，比较阈值N=3，即当信号值与基线的差大于3倍的标准差时，判别为检测到红细胞层，在120～180秒内，比较阈值N=2，即当信号值与基线的差大于2倍的标准差时，判别为检测到红细胞层。而主机则依据判断结果是否为红细胞层来控制输液泵的泵速和阀门的开合。

毫无疑问，本发明的监测离心杯内全血分层状况的方法及光电传感装置除了上述的结构组成和判别方法以外还有其他类似的装置和替代的方法，总而言之，本发明的保护范围还包括其他对于本领域技术人员来说显而易见的变换和替代。

Claims (3)

1.一种监测全血分层状况的方法，该方法是由主机控制输液泵和阀门向离心杯内注入全血，由一光发射部件发出探测光束照射于所述离心杯上的探测区域，该探测区域处于离心杯的肩部，进入离心杯内的全血因离心转动所形成的血浆层、白膜层和红细胞层依次通过探测区域并分别对探测光束产生漫反射光；由一光接收部件接收不同血层的漫反射光，经由一光电转换部件将接收的漫反射光转换成为电信号；所述电信号经由一电子电路模块处理后传输至主机的分析模块，并由分析模块计算处理该电信号以判断是否探测出红细胞层，主机依据判断结果控制输液泵的泵速和阀门的开合，其特征在于，所述分析模块采取幅值判别法处理电信号，其先确定一个基线，当幅值与基线差超过阈值则认为探测出红细胞层；所述的阈值或为固定阈值、或为动态阈值；在固定阈值情况下所述幅值判别法处理的过程是：1）先记录单位时间的光电信号采样值，计算出每连续n个采样值的平均值和该n个采样值的标准差：若标准差与平均值的百分比小于10%，则以此连续n个采样的平均值作为基线数值，并以上述的标准差为基线标准差；若标准差与平均值的百分比大于10%，则进行下一组n个采样值判断，直至标准差与平均值的百分比小于10%；2）取后续的m个连续采样点并计算出其平均值作为判断值，当判断值与基线数值的差值与基线标准差的比例大于N时，判断为检测到红细胞层，若小于N则再取后续的m个连续采样点继续判断，其中N为设定的阈值；在动态阈值情况下幅值判别法处理的过程是：1）先记录单位时间的光电信号采样值，计算出每连续n个采样值的平均值和该n个采样值的标准差：若标准差与平均值的百分比小于10%，则以此连续n个采样的平均值作为基线数值，并以上述的标准差为基线标准差；若标准差与平均值的百分比大于10%，则进行下一组n个采样值判断，直至标准差与平均值的百分比小于10%；2）在0～T时间段，取后续的m个连续采样点并计算出其平均值作为判断值，若判断值与基线数值的差值与基线标准差的比例大于N1时，判断其为血红细胞层，若小于N1则再取后续的m个连续采样点继续判断；在T～2T时间段，若当判断值与基线数值的差值与基线标准差的比例大于N2时，判断其为血红细胞层，若小于N2则继续采样判断；在2T～3T时间段，若当判断值与基线数值的差值与基线标准差的比例大于N3倍时，判断为检测出血红细胞层，若小于N3则继续采样判断；其中，N1、N2和N3为动态阀值，其随时间逐渐降低，即N1＞N2＞N3 。

2.一种用于权利要求1所述的全血分层状况的监测方法的光电传感装置，其特征在于，所述的离心杯和光电传感装置安装在一个可减弱外界光影响的离心井中，所述光电传感装置安装在离心杯头固定板下方，该光电传感装置包括有光发射器、光接收器和电子电路，所述电子电路包括有光源驱动模块和光电信号处理模块，所述的光源驱动模块连接所述的光发射器，光电信号处理模块连接所述的光接收器，所述光发射器发出的探测光束照射至位于离心杯肩部的探测区域，离心杯内血层产生的漫反射光由光接收器接收并转化为电信号传输至位于主机内的光电信号处理模块，由该光电信号处理模块处理该电信号并将处理后的信号输送主机；所述光发射器和光接收器的轴线处于同一平面内，且光发射器和光接收器的轴线之间呈20～40度的夹角；所述光接收器的轴线与探测区域的表面法线所成夹角为0～20度。

3.根据权利要求2所述的光电传感装置，其特征在于，所述光发射器由光源和位于光源前方的会聚透镜组成，所述光源为LED、或为激光二极管，所述的光源发出为波长处于600～770nm之间的红色可见光；所述光接收器包括接收透镜和位于接收透镜后方的光敏元件；所述光敏元件为光电二极管、或为光电三极管、或为光电池。