CN115078702A - 一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置及方法 - Google Patents

一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置及方法 Download PDF

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陈福攀
赵荻
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Abstract

本发明提供一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置和方法，带动盛有血液样本的检测杯(1)以预定的幅度和频率进行周期性的往复转动；使浸没在血液样本中的磁珠(4)随着检测杯周期性的往复转动而在血液样本中运动，所述磁珠(4)的运动幅度与血液的凝固强度正相关；通过角位移传感器(3)检测在血液样本中运动的磁珠(4)的运动幅度；通过信号处理电路建立磁珠在血液样本中运动幅度的动态峰值曲线，并且通过信号处理电路对该动态峰值曲线进行分析。本发明的检测装置和方法是结合常规的磁珠凝血检测及血栓弹力法检测技术，提出对全血凝固过程检测，反映血液凝固过程分层流动的全血血液对磁珠运动轨迹的直接影响。

Description

一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置及方法
技术领域
本发明涉及血液检测分析技术领域，具体是一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置及方法。
背景技术
全血凝固分析仪使用微量全血就可进行简单、快速的凝血分析。目前，进行凝血分析主要采用血栓弹力法，通过测量纤维蛋白聚合引起的血液粘弹性变化而产生的图形。其最早由Hartert于1948年发明，能检测全血凝固过程中的各种动态变化，如血凝块的形成动力学、血凝块的收缩、粘度、纤维蛋白弹性和纤维蛋白溶解。根据其检测原理主要分为四大类，依次是光电检测、机电检测、压力分析和阻抗分析；旋转式血栓弹力计(ROTEM)、血栓弹力图仪(TEG)和凝血与血小板功能分析仪(SONOCLOT)分别属于前三类。
双磁路磁珠法进行凝血检测分析，具有所需样本量少、受气泡等干扰影响小的优点。传统意义上，双磁路磁珠法(STAGO)的磁珠靠电磁铁的驱动进行来回动作，这样的运动形式会造成血液中的纤维蛋白断裂，因此采用一个有限长度往复运动的磁珠来反映整个血液的凝固过程，并随着时间的变化，往复运动的磁珠轨迹会随着血液的凝固发生变化。在常规凝血检测中，双磁路磁珠法主要是针对离体血浆在凝血连锁反应中一部分的检测；它是由交变磁场驱动磁珠做振荡运动，检测线圈测量出血浆凝固粘稠度变化的磁珠运动轨迹。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是为了提供一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置和方法。本发明的检测装置和方法是结合常规的磁珠凝血检测及血栓弹力法检测技术，提出对全血凝固过程检测，反映血液凝固过程分层流动的全血血液对磁珠运动轨迹的直接影响。
本发明提供了一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置，包括：检测杯(1)、转动部件(2)、角位移传感器(3)、磁珠(4)以及磁体(5)；
所述检测杯(1)用于盛放血液样本；
所述转动部件(2)用于带动所述检测杯(1)以预定的幅度和频率进行周期性的往复转动；
所述磁珠(4)放置于该检测杯(1)中，所述检测杯(1)中的血液样本能够浸没该磁珠(4)；所述磁珠(4)随着周期性的往复转动而在血液样本中运动，磁珠(4)的运动幅度与血液的凝固强度正相关；
所述角位移传感器(3)用于检测磁珠(4)在血液中的运动幅度，所述角位移传感器(3)位于检测杯(1)的下方；
磁体(5)安装于所述检测杯侧面，用于向磁珠(4)提供磁力从而克服在凝血初期血液的粘弹性和磁珠的静摩擦力，以及保持检测过程中磁珠的运动幅度。
优选的是，所述检测杯(1)中间有凸起，凸起周围留有供磁珠周期性运动的通道。
优选的是，所述转动部件(2)包括步进电机(2a)或凸轮，以及连接器(2b)，通过连接器(2b)使所述步进电机(2a)或凸轮与所述检测杯(1)连接。
优选的是，所述磁体(5)是永磁体，或者是可控磁力的电磁铁。
优选的是，检测杯(1)往复转动的振幅角度大小范围为±2度至±20度。
优选的是，检测杯(1)往复转动的周期为3秒至30秒。
优选的是，所述磁珠(4)的直径尺寸为1mm至5mm。
优选的是，检测杯的底面相对于水平面的倾斜夹角的范围为0-90度。
优选的是，所述磁体(5)靠近检测杯的末端与检测杯(1)内部磁珠距离该磁体末端最近面之间的。
优选的是，所述检测装置还包括信号处理电路，所述信号处理电路用于从所述角位移传感器(3)获得表示磁珠运动幅度的读数，并且建立磁珠运动幅度的动态峰值曲线，对该动态峰值曲线进行分析。
优选的是，所述角位移传感器(3)的读数用于反映血液凝固过程中分层流动的血液对磁珠产生的力矩M，该读数与血液的粘度η、检测杯转速ω、磁珠的半径R及磁珠到检测杯圆心O的距离a与b的乘积呈正相关关系。
优选的是，所述检测杯(1)旋转的角速度ω具有如下关系：
Figure BDA0002977247510000031
式中，Φ为检测杯转动的角度；t为检测杯转动Φ角所用的时间；ω为检测杯的角速度转速；在测试杯刚开始转动时，距检测杯圆心O的b距离处血液液层的速度为Vb，距检测杯圆心O的a处血液液层处于静止状态，即a处液层的速度Va等于0；磁珠两侧液层的线速度满足以下关系：Va＝0，Vb＝ωb；式中，a、b分别表示磁珠两侧到检测杯圆心O的距离；Va、Vb分别表示磁珠两侧液层的线速度；磁珠两侧液层的剪变率等于该液层的速度梯度：
Figure BDA0002977247510000032
式中
Figure BDA0002977247510000033
表示磁珠两侧液层上的速度梯度；在磁珠上距离磁珠球心x距离处，取一微小的圆环状面元，该圆环状的面元的面积S近似为S＝2πRdx，式中R表示磁珠的半径R；两相邻的血液流层间作用在磁珠该面元上的切向力为：F切向力＝2πτRdx，切向力对检测杯圆心O的力矩为：M′＝2πτRdxa；则血液流层作用在磁珠整个受力球面的力矩M为
Figure BDA0002977247510000034
其中
Figure BDA0002977247510000035
Figure BDA0002977247510000036
式中η表示待测血液的粘度，则M＝πηωabR，血液凝固过程中分层流动的血液对磁珠产生的力矩M与血液的粘度η、检测杯转速ω、磁珠的半径R及磁珠到检测杯圆心O的距离a与b的乘积呈正相关关系。
本发明提供了一种基于磁珠的血栓弹力图检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
带动盛有血液样本的检测杯(1)以预定的幅度和频率进行周期性的往复转动；
使浸没在血液样本中的磁珠(4)随着检测杯周期性的往复转动而在血液样本中运动，所述磁珠(4)的运动幅度与血液的凝固强度正相关；
通过角位移传感器(3)检测在血液样本中运动的磁珠(4)的运动幅度；
通过信号处理电路建立磁珠在血液样本中运动幅度的动态峰值曲线，并且通过信号处理电路对该动态峰值曲线进行分析。
优选的是，检测杯(1)往复转动的振幅角度大小范围为±2度至±20度。
优选的是，检测杯(1)往复转动的周期为3秒至30秒。
优选的是，所述磁珠(4)的直径尺寸为1mm至5mm。
优选的是，检测杯的底面相对于水平面的倾斜夹角的范围为0-90度。
优选的是，在所述检测杯侧面安装一磁体(5)，向磁珠(4)提供磁力从而克服在凝血初期血液的粘弹性和磁珠的静摩擦力，以及保持检测过程中磁珠的运动幅度。
优选的是，所述角位移传感器(3)的读数用于反映血液凝固过程中分层流动的血液对磁珠产生的力矩M，该读数与血液的粘度η、检测杯转速ω、磁珠的半径R及磁珠到检测杯圆心O的距离a与b的乘积呈正相关关系。
优选的是，所述检测杯(1)旋转的角速度ω具有如下关系：
Figure BDA0002977247510000041
式中，Φ为检测杯转动的角度；t为检测杯转动Φ角所用的时间；ω为检测杯的角速度转速；在测试杯刚开始转动时，距检测杯圆心O的b距离处血液液层的速度为Vb，距检测杯圆心O的a处血液液层处于静止状态，即a处液层的速度Va等于0；磁珠两侧液层的线速度满足以下关系：Va＝0，Vb＝ωb；式中，a、b分别表示磁珠两侧到检测杯圆心O的距离；Va、Vb分别表示磁珠两侧液层的线速度；磁珠两侧液层的剪变率等于该液层的速度梯度：
Figure BDA0002977247510000042
；式中
Figure BDA0002977247510000043
表示磁珠两侧液层上的速度梯度；在磁珠上距离磁珠球心x距离处，取一微小的圆环状面元，该圆环状的面元的面积S近似为S＝2πRdx，式中R表示磁珠的半径R；两相邻的血液流层间作用在磁珠该面元上的切向力为：F切向力＝2πτRdx，切向力对检测杯圆心O的力矩为：M′＝2πτRdxa；则血液流层作用在磁珠整个受力球面的力矩M为
Figure BDA0002977247510000051
其中
Figure BDA0002977247510000052
式中η表示待测血液的粘度，则M＝πηωabR，血液凝固过程中分层流动的血液对磁珠产生的力矩M与血液的粘度η、检测杯转速ω、磁珠的半径R及磁珠到检测杯圆心O的距离a与b的乘积呈正相关关系。
从而可见，本发明的检测装置及检测方法通过测量该角位移传感器读数，表示磁珠位置的变化幅度，利用该位置变化与血液凝固过程中分层流动的血液对磁珠产生的力矩M变化的正相关性，反映血液凝固变化，从而通过磁珠运动幅度的动态峰值曲线来实现血液凝固过程中TEG血栓弹力图的检测。本发明突破了传统的双磁路磁珠法的测量方式，实现了磁珠凝血检测及血栓弹力法检测的结合。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步地详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为基于磁珠的血栓弹力图检测装置结构原理图；
图2为基于磁珠的血栓弹力图检测方法流程图；
图3为磁珠运动幅度的动态峰值曲线的示意图；
图4为磁珠在检测杯中受力分析图；
图5为检测杯中磁珠在血液中的运动轨迹图；
图6为磁珠力矩分析中磁珠面元及磁珠运动切面示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供的一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置和方法。本发明的检测装置和方法是结合常规的磁珠凝血检测及血栓弹力法检测技术，提出对全血凝固过程检测，反映血液凝固过程分层流动的全血血液对磁珠运动轨迹的直接影响。
图1是所述基于磁珠的血栓弹力图检测装置结构原理图。本发明的检测装置包括：检测杯1、转动部件2、角位移传感器3、磁珠4以及磁体5。所述检测杯1用于盛放血液样本，所述磁珠4放置于该检测杯1中，所述检测杯1中的血液样本能够浸没该磁珠4，且所述检测杯1中间有凸起，凸起周围留有供磁珠周期性运动的通道。所述转动部件2包括步进电机2a或凸轮，以及连接器2b，通过连接器2b使所述步进电机2a或凸轮与所述检测杯1连接；检测杯1在步进电机2a的带动下，以预定的幅度和频率进行周期性的往复转动；浸没在血液样本中的磁珠4随着周期性的往复转动而在血液样本中运动。在血液凝固的过程中，血液所产生的变化力矩M将推动磁珠运动，因此，磁珠4的运动幅度与血液的凝固强度有着直接的关系。故而，可以通过检测浸泡在血样中磁珠4的运动幅度，来反映血液凝固变化。所述角位移传感器3用于检测磁珠4的运动幅度，该传感器可以采用差动电感式角位移传感器，位于检测杯1的下方。该差动电感式角位移传感器3的测试面与检测杯1的底面平行，且检测杯1底面与水平面(也即角位移传感器3的测试面与水平面)呈一定的倾斜夹角α，如图所示。磁体5为永磁体，或者为可控磁力的电磁铁，安装于所述检测杯侧面，用于向磁珠4提供一个磁力，该磁力用于克服在凝血初期磁珠与测试杯之间的静摩擦力以及血液样本与磁珠的初始粘附力，在检测杯开始转动时通过消除最初始的静摩擦力及血样粘附力，保持磁珠的静止状态；并且，该磁体5产生的磁力为恒力，可以减小后续测试过程中的磁珠运动幅度，保持磁珠的运动幅度始终在检测范围内。
其中，所述步进电机2a带动检测杯1进行周期性往复的转动，其转动的振幅角度大小范围为±2度～±20度，其中优选为±10度；往复周期为3秒30秒，其中优选为15秒。所述磁珠4的直径尺寸为1mm～5mm，优选为3mm。检测杯的底面相对于水平面的倾斜夹角α的范围为0-90度(即可水平，可垂直)，优选为15度。磁体5靠近检测杯的末端与检测杯1内部磁珠距离该磁体末端最近面之间的距离为1mm-30mm，其中优选为18.4mm。
所述检测装置还包括信号处理电路，所述信号处理电路从所述角位移传感器3获得表示磁珠运动幅度的读数，所述读数与血液凝固过程中分层流动的血液对磁珠产生的力矩M相关，反映了血液凝固过程中血液粘度的变化。从而信号处理电路动态检测随着周期性旋转磁珠位置的变化，建立磁珠运动幅度的动态峰值曲线，如图3所示。并且，信号处理电路对该动态峰值曲线进行分析，分析过程包括对原始信号的包络信号提取，形成包络曲线，从而得出相关的结果，其测试结果与TEG血栓弹力图建立相关性，实现不同方法学的结果的统一。
图2是本发明所述基于磁珠的血栓弹力图检测方法的流程图。该检测方法包括如下步骤：通过步进电机2a带动盛有血液样本的检测杯1以预定的幅度和频率进行周期性的往复转动。使浸没在血液样本中的磁珠4随着检测杯周期性的往复转动而在血液样本中运动。通过角位移传感器3检测在血液样本中运动的磁珠4的运动幅度。通过信号处理电路根据磁珠位置的变化，建立磁珠在血液样本中运动幅度的动态峰值曲线，并且通过信号处理电路对该动态峰值曲线进行分析，分析过程包括对原始信号的包络信号提取，形成包络曲线，从而得出相关的结果，其测试结果与TEG血栓弹力图建立相关性。其中，所述步进电机2a带动检测杯1进行周期性往复的转动，其转动的振幅角度大小范围为±2度～±20度，其中优选为±10度；往复周期为3秒30秒，其中优选为15秒。所述磁珠4的直径尺寸为1mm～5mm，优选为3mm。检测杯的底面相对于水平面的倾斜夹角α的范围为0-90度(即可水平，可垂直)，优选为15度。磁体5靠近检测杯的末端与检测杯1内部磁珠距离该磁体末端最近面之间的距离为1mm-30mm，其中优选为18.4mm。
下面结合图4-6，具体进行上述检测过程中磁珠力矩的分析。图4为磁珠在检测杯中受力分析图。图中阴影部分为血液样本在检测杯中的分布，测试杯中的血液将恰好覆盖磁珠。磁珠的受力具体有磁珠自身重力G、磁体对磁珠的磁力F磁、血液对磁珠的浮力F浮、检测杯对磁珠的支持力N、检测杯对磁珠的滚动摩擦力F摩擦力及血液液层对磁珠的切向力F切向力等多个力的作用。其中F切向力是层流运动的血液施加给磁珠的压力，受血液粘弹性的变化而变化。F磁用于克服在凝血初期血液没有凝固状态下的粘弹性。检测杯不转动时(如图4左图)，磁珠将静止于测试杯底部，磁珠所受的上述多个力处于平衡的状态；随着检测杯的往复转动(如图4右图)，检测杯对磁珠的滚动摩擦力F摩擦力和血液对磁珠的浮力F浮忽略不计。F磁则由于磁珠的运动幅度小，认为它是一个恒力，与重力G、支持力N沿同一个方向的分力相互平衡。在磁珠的运动方向，F切向力即血液施加给磁珠的压力将推动磁珠滚动，并且随着血液的凝固F切向力逐渐增大，磁珠的运动幅度也将越来越大。
依据牛顿粘滞定律，血液在测试杯中做层流运动时，血液每一液层将对磁珠产生压力使得磁珠转动。如图5的检测杯俯视图所示，其中阴影部分为俯视下的检测杯中磁珠在血液中的运动轨迹图，在步进电机的带动下，检测杯以角速度ω旋转，带动液体分层流动，使磁珠受到血液液层压力作用，产生力矩M使磁珠转动。图5中a、b为磁珠两侧到检测杯圆心O的距离，并满足b＝a+2R(R为磁珠的半径)。
检测杯旋转的角速度ω具有如下关系：
Figure BDA0002977247510000091
式中，Φ为检测杯转动的角度(°)；t为检测杯转动Φ角所用的时间(s)；ω为检测杯的角速度转速(rad/s)。
在测试杯刚开始转动时，距检测杯圆心O的b距离处(即与检测杯直接接触的液层)液层的速度为Vb，距检测杯圆心O的a处液层处于静止状态，即a处液层的速度Va等于0。磁珠两侧液层的线速度满足以下关系：
Va＝0 式2
Vb＝ωb 式3
式中，a、b分别表示磁珠两侧到检测杯圆心O的距离(cm)。Va、Vb分别表示磁珠两侧液层的线速度。
磁珠两侧液层的剪变率等于该液层的速度梯度：
Figure BDA0002977247510000092
式中
Figure BDA0002977247510000093
表示磁珠两侧液层上的速度梯度。
在磁珠球心x距离处，取一微小的圆环状面元，如图6所示。斜线所示圆环状的面元的面积S为：
Figure BDA0002977247510000094
得到
Figure BDA0002977247510000095
式中y′为dy/dx；
上式存在高阶无穷小量，可近似为0；得
S＝2πRdx 式7
式中R表示磁珠的半径R(cm)。
设τ为单位面元上的剪应力，而两相邻流层间作用在任一层上的内摩擦力大小与两相邻层接触面积即S成正比，则作用在其上的切向力为：
F切向力＝2πτRdx 式8
此力对检测杯圆心O的力矩为：
M′＝2πτRdxa 式9
则液体作用于磁珠的整个受力球面(半球面受粘滞力影响)的力矩M为：
Figure BDA0002977247510000101
根据牛顿粘滞定律得：
Figure BDA0002977247510000102
式中η表示待测血液的粘度。代入式10得：
Figure BDA0002977247510000103
M＝πηωabR 式13
即：
M∝ηωabR 式14
式中∝表示正相关。
力矩M是作用在磁珠球面上的内摩擦力矩，平衡时此力矩与磁珠受力平衡所在位置相关，磁珠的位置通过差动电感式角位移传感器的读数来反映，因此该差动电感式角位移传感器的读数也就反映了平衡时磁珠的力矩。由式14可以看出，差动电感式角位移传感器的读数与血液的粘度η、检测杯转速ω、磁珠的半径R及磁珠到检测杯圆心O的距离a与b的乘积这四个参数呈正相关关系。其中检测杯的转速ω，又与检测杯转动的角度Φ和检测杯转动Φ角所用的时间t有关，即力矩M也与检测杯转动角度、转动时间有关。
从而可见，本发明的检测装置及检测方法通过测量该角位移传感器读数，表示磁珠位置的变化幅度，利用该位置变化与血液凝固过程中分层流动的血液对磁珠产生的力矩M变化的正相关性，反映血液凝固变化，从而通过磁珠运动幅度的动态峰值曲线来实现血液凝固过程中TEG血栓弹力图的检测。本发明突破了传统的双磁路磁珠法的测量方式，实现了磁珠凝血检测及血栓弹力法检测的结合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，属于“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由术语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，包括：检测杯(1)、转动部件(2)、角位移传感器(3)、磁珠(4)以及磁体(5)；
所述检测杯(1)用于盛放血液样本；
所述转动部件(2)用于带动所述检测杯(1)以预定的幅度和频率进行周期性的往复转动；
所述磁珠(4)放置于该检测杯(1)中，所述检测杯(1)中的血液样本能够浸没该磁珠(4)；所述磁珠(4)随着周期性的往复转动而在血液样本中运动，磁珠(4)的运动幅度与血液的凝固强度正相关；
所述角位移传感器(3)用于检测磁珠(4)在血液中的运动幅度，所述角位移传感器(3)位于检测杯(1)的下方；
磁体(5)安装于所述检测杯侧面，用于向磁珠(4)提供磁力从而克服在凝血初期血液的粘弹性和磁珠的静摩擦力，以及保持检测过程中磁珠的运动幅度。
2.根据权利要求1所述的基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，所述检测杯(1)中间有凸起，凸起周围留有供磁珠周期性运动的通道。
3.根据权利要求1所述的基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，所述转动部件(2)包括步进电机(2a)或凸轮，以及连接器(2b)，通过连接器(2b)使所述步进电机(2a)或凸轮与所述检测杯(1)连接。
4.根据权利要求1所述的基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，所述磁体(5)是永磁体，或者是可控磁力的电磁铁。
5.根据权利要求1所述的基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，检测杯(1)往复转动的振幅角度大小范围为±2度至±20度。
6.根据权利要求1所述的基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，检测杯(1)往复转动的周期为3秒至30秒。
7.根据权利要求1所述的基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，所述磁珠(4)的直径尺寸为1mm至5mm。
8.根据权利要求1所述的基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，检测杯的底面相对于水平面的倾斜夹角的范围为0-90度。
9.根据权利要求1所述的基于磁珠的血栓弹力图检测装置，其特征在于，所述磁体(5)靠近检测杯的末端与检测杯(1)内部磁珠距离该磁体末端最近面之间的距离为1mm至30mm。
10.一种基于磁珠的血栓弹力图检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
带动盛有血液样本的检测杯(1)以预定的幅度和频率进行周期性的往复转动；
使浸没在血液样本中的磁珠(4)随着检测杯周期性的往复转动而在血液样本中运动，所述磁珠(4)的运动幅度与血液的凝固强度正相关；
通过角位移传感器(3)检测在血液样本中运动的磁珠(4)的运动幅度；
通过信号处理电路建立磁珠在血液样本中运动幅度的动态峰值曲线，并且通过信号处理电路对该动态峰值曲线进行分析。
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