CN1333256C - 一种监测血液保质期的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测血液保质期的方法，是提供一个温变血计时器与血液保存环境连通，根据保存温度和时间变化，经过统计学拟合计算得到血液中红细胞三磷酸腺苷ATP的含量，进而推算得到所述血液的剩余保存时间并通过该温变血计时器显示该血液的剩余保存时间。该方法中计算科学，温变血计时器体积小、重量轻、使用简单，可很方便地与保存血液放置在一起，实时采集被保存血液的温度以及累计保存时间，据此通过计算显示被保存血液的剩余保质期天数。主要用于野战或灾害条件下战争或非战争军事行动中血液保存温度不能维持恒定时血液保质期的判断。

Description

一种监测血液保质期的方法

技术领域：

本发明涉及血液保存技术，具体涉及一种监测血液保质期的方法，该方法通过利用液态血液中ATP含量随保存温度和保存时间变化的数学方程，计算出血液剩余保质期。

背景技术：

输血是外伤人员救治的重要手段，血液质量对提高救治成功率极为关键。用过期的保存血输注，非但不能给机体携带足够多的氧气，还会引起诸如溶血、炎症、免疫缺陷、多脏器损害等并发症，影响救治质量。当前国际上最普遍采用的血液保存方法是4℃恒温保存，并规定了保存于不同介质中血液的保质期。血液是一种热敏物质，即便在同一保存液中，保存温度不同，血液保质期明显不同，如CPD或CPDA-1添加液中保存的血液在4℃可保存35天，在25℃可保存7天，而在32℃仅保存3天。有时由于保存条件有限，例如在长途运输过程中，制冷设备出现故障，保存温度发生幅度较大的波动，血液经运送后其质量如何，还能保存多长时间，成为关注的一个重要问题。目前，国内外的研究主要局限于恒温保存，对于因保存温度波动引起血液质量的变化缺乏系统的研究。经保存和运输后的血液，无法进行二次质量指标检测，其质量如何，主要依靠肉眼观察经验判断，缺乏客观有效的依据。因此，揭示血液质量与保存温度和保存时间的关系不但具有理论意义，而且为准确判断变温血质量、指导临床合理用血提供科学参考。

发明内容：

本发明的目的是提供一种根据保存温度和保存时间监测液态保存血质量的方法，具体提供一种监测血液的剩余保质期的方法。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案解决的：

一种监测血液保质期的方法，提供一个温变血计时器与血液保存环境连通，用该温变血计时器显示该血液的剩余保存时间；其中，所述温变血计时器由数字温度传感器、计时电路板、微型单片机CPU、液晶显示器、充电电池以及相应的充电电路组成，所述数字温度传感器、计时电路板采集保存温度和时间数据，其输出端与所述微型单片机CPU输入端连接，CPU输出端与所述液晶显示器输入端连接，计算结果在所述液晶显示器上显示。

该方法中，所述温变血计时器根据数字温度传感器、计时电路板提供的保存温度和时间变化，微型单片机CPU经过统计学拟合计算得到血液中红细胞ATP的含量，并进而推算得到所述血液的剩余保存时间。

上述方法中，所述温变血计时器通过数字温度传感器和计时电路实时采集保存温度和时间二个参数，输入微型单片机CPU，并由CPU中的计算程序计算保存血液中红细胞的ATP含量，进而推算成保存血液的剩余保质期，并通过液晶显示器显示结果。

上述方法中，所述计算和推算采用以下经统计学拟合得到的数学物理方程：

$y=f(t,d,s)={\mathrm{sd}}^{{\mathrm{\α}}_1{{\mathrm{\β}}_1}^t}{e}^{{\mathrm{\α}}_2{{\mathrm{\β}}_2}^t-{\mathrm{\α}}_3{{\mathrm{\β}}_3}^{t}d-\mathrm{\γ}}$

其中，y为ATP含量，t、d、s分别为保存温度、已保存时间和新鲜血液中ATP初始浓度，α1、β1、α2、β2、α3、β3、γ为数学拟合得到的系数，e为数学常数。

更具体的，在CPDA-1作为血液的保存液条件下，所述数学物理方程为：

$y=f(t,d,s)=S*d^{0.130*{\left(1.083\right)}^t}*e^{0.760{\left(1.028\right)}^t-1-0.016*d*{\left(1.135\right)}^t}$

具体的，通过显示器实时显示保存温度、已累计保存时间和得出的折算成4℃的剩余保质期天数。

本发明通过研究液态保存血质量变化的规律，依赖数理统计，特别是线性回归理论，结合传感和单片机技术，形成了一种可以实时监测血液剩余保质期的方法。

上述研究液态保存血质量变化规律的基本思想是拟合。

现有研究成果表明，血液质量主要可以通过ATP含量体现。而ATP含量随保存温度和保存时间呈规律变化，这种变化的数学方程推导如下：首先由实验室检测在一系列阶梯保存温度和连续保存时间下的红细胞ATP含量，再将这些数据单位化(即每个数据都除以该组的初始浓度)，画成散点图，确定它应该满足的函数类型。在固定温度t的情况下，散点图所示的ATP浓度y随时间d变化的的函数关系式应该是：

y_t＝f_t(d)＝c(t)d^p(t)e^-q(t)d    ①

然后由最小二乘法去回归系数c(t)、p(t)、q(t)。最后再画这些系数c(t)、p(t)、q(t)随时间t变化的散点图，估测其所满足的函数类型，其结果是lnc(t)、p(t)、q(t)应满足同一函数类型，即满足：

y＝f(t)＝ae^bt-μ    ②

再次用最小二乘法回归系数a、b、μ，即得最后ATP浓度y随温度t、时间d以及ATP初始浓度s变化的函数关系式：

$y=f(t,d,s)={\mathrm{sd}}^{{\mathrm{\α}}_1{{\mathrm{\β}}_1}^t}{e}^{{\mathrm{\α}}_2{{\mathrm{\β}}_2}^t-{\mathrm{\α}}_3{{\mathrm{\β}}_3}^{t}d-\mathrm{\γ}}$ ③

其中α1、β1、α2、β2、α3、β3、γ已由前面回归所得到的a、b、μ所确定；t、d、s分别为保存温度、保存时间和ATP初始浓度。

本发明根据血液质量随保存温度和保存时间变化的数学方程③计算在(t，d，s)时的ATP浓度，进而再通过公式⑤推算经过一定温度和时间保存的血液尚能保存的时间。

血液剩余保质期的推算，可采用迭代算法解决，可参见具体实施例。在温度t及时间d变化时，初始浓度为s的血液在(t，d，s)时的浓度及剩余保存期的估算过程如下：

假设每隔1小时，即Δd＝1/24天为时间间隔算一次ATP浓度及剩余保存期，d₀取为零，则由(3)式并结合原意：

S_i＝f(t_i，d_i，S_i-1)                     ④

d_i+1＝min{d＞0∶f(t_i+1，d，S_i)≥S’}    ⑤

{S_i，d_i+1}即分别为时间段[iΔd，(i+1)Δd]时的近似ATP浓度及剩余保存期(d_i+1取最小正解)；t_i为时刻iΔd时的温度，d_i为已保存的天数；S₀为ATP初始浓度，可取总体均值或检测获得，S’为在一定保存液中保存的血液ATP含量的阈值，可通过血液质量标准、文献、或实验获得，但二者的来源背景及检测方法应保持一致。所有函数关系均来自公式③。

根据上述技术方案分析，本发明的优点在于：

1)本发明对液态血液的质量变化规律进行了系统的研究，采用数理统计的方法建立了ATP含量随保存温度和时间变化的数学方程，系统地揭示了变温血质量变化的一般规律。

2)该发明揭示了液态保存血质量与保存温度和保存时间的关系，为准确判断变温血质量、指导临床合理用血提供科学参考。

3)本发明将科学计算和单片机技术相结合，通过显示器实时显示监测结果，保障了血液安全。

4)仪器功能及计算全部采用软件实现，不仅节省了硬件成本，而且可使仪器体积大大降低。

附图说明：

图1为本发明原理结构方框图；

图2为在固定温度ti下单位化yi随d变化的散点图；

图3为系数a_i(t)随温度t变化的散点图；

图4为本发明提供的温变血计时器外观图；

图5为本发明温度检测电路图；

图6为本发明10分钟定时电路图；

图7为本发明液晶显示电路图。

图8为本发明充电电路图。

具体实施方式：

以下结合附图与具体实施例详述本发明技术方案。

本发明针对现有技术中的不足，提出了一种监测血液保质期的方法。该方法首先检测4-32℃区间不同保存温度条件下血液ATP含量的系列经验数据，并对这些数据进行统计学处理，拟合出血液质量随保存温度和时间变化的数学方程，并运用微电子技术设计出一种能实时监测血液保存温度和保存时间、然后按该数学方程自动推算血液的剩余保质期(例如折算成4℃)的微型智能化温变血计时器，用于血液保存、运送时对血液质量的监控。

参见图1，显示本发明原理。该发明中使用的硬件为温变血计时器，它由数字温度传感器2、计时电路板3、微型单片CPU1、液晶显示器4、充电电池5以及相应的充电电路6组成。CPU1分别由调节开关7、开始开关8和修改/确定开关9控制。

通过实时监测血液的保存温度以及保存时间，由单片微机1按照数学物理方程，推算保存血液的剩余保质期。以红细胞ATP含量作为血液质量控制指标，研究血液质量随保存温度和保存时间的变化规律，建立数学模型，即ATP的含量y与时间d、温度t和ATP初始浓度s满足连续函数关系式y＝f(t，d，s)，利用数理统计中多项式回归的方法得到d、t、s的近似系数(逼近程度≥98％)。通过实验进一步验证和校正该函数关系式，得到反映温变血质量随保存温度和时间变化规律的数学物理方程。

以下以在CPDA-1保存液中的血液为例，说明其实时状态下ATP浓度和剩余保质期的计算过程。

一、数学物理方程推导

本发明研究液态保存血质量变化规律的方法中，为了方便模型建立，基于研究背景和数理统计知识中首先做了3项假设。假设1：ATP的浓度y是时间d、温度t和起始浓度s的连续函数。假设2：在同一温度下同一时间里的数据，组内差异完全来源于起始浓度s；而在不同温度下的数据组在同一时间里的组间差异完全来源于起始浓度s和温度t。假设3：对于除2中所说的另外差异都是非系统因素造成的，因而是非本质的，可以忽略不计。

推导中，符号含义为：t代表保存温度(单位：℃)，d代表已保存时间(单位：天)，s代表血液ATP起始浓度(单位：μmol/gHb)，y＝f(t，d，s)代表起始浓度为s的血液在温度t下保存d天后的ATP浓度(单位：μmol/gHb)。

(一).数据处理

利用ATP检测试剂盒(购自美国Sigma公司)检测4-32℃区间一系列不同保存温度和连续保存时间下的红细胞ATP含量，参见表1。4～32℃温度区间内每隔2℃设为一个温度组，共15组。把每组数据的起始浓度单位化，即每组数据中的每个数据都除以该组的第一天的浓度值，以便于各组数据相互比较。

表1 不同保存温度下ATP含量随保存时间变化的数据    单位：μmol/gHb

(二).对各固定温度ti下，对yi＝f(ti，d，1)进行拟合

1.画ti下yi随d变化的散点图，确定拟合函数的模型。在这里，对ti下yi(单位化后)均值画散点图，参见图2。由其分布形状知，与函数

y＝f(x)＝cx^pe^(-qx)(c，p，q＞0)    (1)

的形状很相似，于是用(1)来进行拟合。对(1)两边取自然对数，得：

lny＝lnc+plnd-qd

令z＝lny，a₀＝lnc，a₁＝p，a₂＝q，d₀＝lnd。从而只须拟合

z＝a₀+a₁*d₀-a₂*d    (2)

2.根据所确定的函数类型，计算相应的量的值，拟合(2)。由(2)，利用线性回归的方法及知识进行拟合，从而得到一组函数关系式z_i＝a₀*(t_i)+a₁(t_i)*d₀-a₂(t_i)*d。由数据集里提供的数据，可以拟合出15个函数关系式，其拟合精度为0.95以上，其结果如下：

(1)t1＝4℃：    z₁＝-0.01948+0.19482d₀-0.03234*d

(2)t2＝6℃：    z₂＝-.00979+0.18853*d₀-0.03187*d

(3)t3＝8℃：    z₃＝-0.07870+0.23438*d₀-0.04079*d

(4)t4＝10℃：   z₄＝-0.05938+0.30158*d₀-0.059428*d

(5)t5＝12℃：   z₅＝0.01003+0.33603*d₀-0.07829*d

(6)t6＝14℃：   z₆＝0.05773+0.29476*d₀-0.07679*d

(7)t7＝16℃：   z₇＝0.09133+0.38083*d₀-0.11853*d

(8)t8＝18℃：   z₈＝0.21033+0.64556*d₀-0.23616*d

(9)t9＝20℃：   z₉＝0.28133+0.75768*d₀-0.30324*d

(10)t10＝22℃： z₁₀＝0.29228+0.77934*d₀-0.32802*d

(11)t11＝24℃： z₁₁＝0.29466+0.80876*d₀-0.34245*d

(12)t12＝26℃： z₁₂＝0.40699+0.84425*d₀-0.40885*d

(13)t13＝28℃： z₁₃＝0.48485+0.88179*d₀-0.51546*d

(14)t14＝30℃： z₁₄＝0.87034+1.171988*d₀-0.90789*d

(15)t15＝32℃： z₁₅＝1.30161+2.10175*d₀-1.30825*d

(三).把a_i(t_j)(i＝0，1，2；j＝1，2，....，15)作为观测值，拟合a_i(t)，i＝0，1，2

1.画a_i(t)随t变化的散点图，确定拟合函数类型，参见图3。由a_i(t)，i＝0，1，2的散点图知其形状大概象函数

y＝f(x)＝pe^qx-μ(p，q，μ＞＝0)    (3)

的形状，于是用(3)来拟合。对(3)移项并两边取对数得：

ln(y+μ)＝lnp+q*x

令v_i(t)＝ln(a_i(t)+μ_i)，b_i0＝lnp，b_i1＝q

有v_i(t)＝b_i0+b_i1*t，  i＝0，1，2    (4)

2.根据(4)拟合函数v_i(t)，i＝0，1，2，从而得到a_i(t)，i＝0，1，2。由(4)并利用线性回归的方法，得到(4)形式的表达式为：

(1)v₀(t)＝-0.27553+0.02691*t，    取μ₀＝1

(2)v₁(t)＝-2.04346+0.07953*t，    取μ₁＝0

(3)v₂(t)＝-4.09138+0.13062*t，    取μ₂＝0

并由此得a_i(t)，i＝0，1，2的近似表达式为：

(1)’a₀(t)＝0.760*(1.028)^t-1

(2)’a₁(t)＝0.130*(1.083)^t

(3)’a₂(t)＝0.016*(1.135)^t

其拟合精度为0.95以上。

(四)计算近似函数关系式y＝f(t，d，s)

综合以上各步，可得ATP浓度随温度(t)、时间(d)、及起始浓度(s)变化的近似函数关系式为：

$y=f(t,d,s)=s*d^{0.130*{\left(1.083\right)}^t}*e^{0.760{\left(1.028\right)}^t-1-0.016*d*{\left(1.135\right)}^t}---\left(5\right)$

二、由函数关系式(5)计算血液剩余保存期

根据函数关系式(5)可以推算保存温度不能维持恒定时血液的剩余保质期，以下给出两种温度变化的情况下剩余保质期的其中一种推算方法。

(一)已知某血液的ATP初始浓度为S₀，已经在温度t_i下保存了d_i天，问：该血液在温度t_j下还能保存多少天？可以分两步来算这个问题。

1.计算温度t_j下的起始浓度S_i

设在新鲜血液初始浓度S₀时，血液在温度t_i保存了d_i天后的ATP浓度为

S_i＝f(t_i，d_i，S₀)，即：将t＝t_i，d＝d_i，s＝S₀代入公式(5)等号右侧，得到Si值。

接下来假设相当于在初始浓度为S₀’时，血液在温度t_j保存了d_i天后得到了S_i的浓度。此处S₀’仅是一个为推算剩余保存期而设的理论推导值，并不等价于实际的ATP初始浓度。将y＝S_i，t＝t_j，d＝d_i，s＝S₀’代入公式(5)于是有：

S_i＝f(t_i，d_i，S₀’)    (6)

从而解上述方程，可得温度t_j下的起始浓度S₀’。

2.计算在温度t_j下还可以保存的天数

设血液在温度t_j下还可以保存d_j天，将t＝t_j，d＝d_i+d_j，S＝S₀’代入函数表达式(5)，结合原意，有：

f(t_j，d_i+d_j，S₀’)≥2.45    (7)

取d_j为最小正整数解，即得结论。2.45μmol/gHb为用ATP检测试剂盒(购自美国Sigma公司)检测得到的在CPDA-1中的新鲜全血4℃保存至第35天时的ATP含量，与相关报道近似，所以我们将2.45μmol/gHb作为阈值。ATP含量在此数值以上时说明血液仍可使用，低于该值则应丢弃。

(二)在温度t及时间d连续变化时，初始浓度为S₀的血液在(t，d，s)时的浓度及剩余保存期的估算。

在解决这个问题时，可以采用迭代算法。假设每隔1小时，即Δd＝1/24天为时间间隔算一次浓度及剩余保存期，d₀取为零，则由(6)，(7)式知

S_i＝f(t_i，d_i，S_i-1)                      (8)

d_i+1＝min{d＞0：f(t_i+1，d，S_i)≥2.45}    (9)

{S_i，d_i+1}即分别为时间段[iΔd，(i+1)Δd]时的近似ATP浓度及剩余保存期(d_i+1取最小正解)。其中，ti为时刻iΔd时的温度，d_i为已保存的天数，2.45为在CPDA-1保存液中保存的血液ATP含量的阈值，所有函数关系均来自公式(5)。

本发明依据上述方程编制温变血计时器单片微机CPU的应用程序。本实施例中，适用的CPU芯片可以为PIC62或PIC63。

图4示出了本发明中温变血计时器的外部结构，面板10上设液晶显示器的显示屏4和对应内部开关7、8、9的调节按钮7’、开始按钮8’和确定按钮9’。

为实现温度实时监测目的，本发明采用单总线数字温度传感器2，参见图5所示，其主要特点是传感器内部集成了温度转换电路，本实施例中，传感器型号可以选用DS18B20，能直接将温度转换成与之对应的8位二进制数，CPU直接读取该二进制，避免了采用常规热敏电阻等模拟传感器需要再搭建温度转换电路以及进行A/D转换等，克服了温度检测电路温漂大，调整困难的弱点，用简单的电路实现了高精度温度检测的目的。

为实现累计计时的目的，采用芯片CD4060搭建了10分钟脉冲发生器，参见图6所示，该脉冲发生器每10分钟输出状态变换一次，CPU通过检测并累积其输出状态翻转次数，达到计时目的。其特点是根据血液储存运输的实际情况，用简单电路实现了长时间累计。

实时温度监测结果，储运累计计时以及剩余保质天数通过点阵字符液晶以字符形式显示，具有显示直观、清晰的特点。液晶显示及控制电路见图7所示。

本温变计时器工作电能由微型镍铬可充电电池供给，为节省电能消耗，CPU采用间歇式方式工作，每10分钟定时器唤醒CPU工作一次，CPU被唤醒后随即采集温度、累计计时、计算剩余保质期，并用得到的结果刷新液晶显示器显示内容，工作完毕进入睡眠，等待第二次10分钟定时电路唤醒，或人工按键唤醒。

为延长镍铬电池使用寿命，采用智能化芯片BQ2002电路搭建充电，实现了快充、慢充和中断自动化的智能充电，充电电路如图8所示。

以下描述本发明提供的温变计时器的具体使用方式：

由于储运血液多为库存血，储运前已在库内保存了一定的天数，需要根据实际情况将已保存天数输入到本温变计时器内，温变计时器再在此基础上继续计时。为此，设计了相应的人机界面，以便使用。操作步骤为：

1)、将温变计时器和血袋置于同一保存条件下。

2)、如果血袋中为新鲜血液，调节计时器按钮7’，直至显示为“35d”，按开始按钮9’，显示实时温度，开始计时，微型单片CPU根据这两个参数计算保质期时间，并在显示屏4第一排显示。

3)、如果血袋中的血液已在4℃保存了n天，调节计时器按钮7’，显示为“(35-n)d”，按开始按钮9’，同时显示实时温度和已存天数，开始计时，微型单片CPU根据这两个参数计算保质期时间，并在显示屏4第一排显示。

4)、需要输注时，如果计时器显示的保质期＞0d，则该批血液仍然可用；如果≤0d，则血液已超出保质期，应废弃。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1、一种监测血液保质期的方法，其特征在于：提供一个温变血计时器与血液保存环境连通，用该温变血计时器显示该血液的剩余保存时间：其中，所述温变血计时器由数字温度传感器、计时电路板、微型单片机CPU、液晶显示器、充电电池以及相应的充电电路组成，所述数字温度传感器、计时电路板采集保存温度和时间数据，其输出端与所述微型单片机CPU输入端连接，CPU输出端与所述液晶显示器输入端连接，计算结果在所述液晶显示器上显示。

2、根据权利要求1所述监测血液保质期的方法，其特征在于：所述温变血计时器根据数字温度传感器、计时电路板提供的保存温度和时间变化，微型单片机CPU经过统计学拟合计算得到血液中红细胞三磷酸腺苷(ATP)的含量，并进而推算得到所述血液的剩余保存时间。

3、根据权利要求1或2所述的监测血液保质期的方法，其特征在于：所述温变血计时器通过数字温度传感器和计时电路实时采集保存温度和时间二个参数，输入微型单片机CPU，并由CPU中的计算程序计算保存血液中红细胞的ATP含量，进而推算成保存血液的剩余保质期，并通过液晶显示器显示结果。

4、根据权利要求3所述的监测血液保质期的方法，其特征在于：所述计算和推算采用以下经统计学拟合得到的数学物理方程：

$y=f(t,d,s)={\mathrm{sd}}^{{\mathrm{\α}}_1{{\mathrm{\β}}_1}^t}{e}^{{\mathrm{\α}}_2{{\mathrm{\β}}_2}^t-{\mathrm{\α}}_3{{\mathrm{\β}}_3}^{t}d-\mathrm{\γ}}$

其中，y为ATP含量，单位为μmol/gHb，t、d、s分别为保存温度、已保存时间、和新鲜血液中ATP初始浓度，单位分别为℃、天、和μmol/gHb，α1、β1、α2、β2、α3、β3、γ为数学拟合得到的系数，Hb为血红蛋白缩写。

5、根据权利要求4所述的监测血液保质期的方法，其特征在于：在CPDA-1作为血液的保存液条件下，所述数学物理方程为：

$y=f(t,d,s)=S*d^{0.130*{\left(1.083\right)}^t.}*e^{0.760*{\left(1.028\right)}^t-1-0.016*d*{\left(1.135\right)}^t}$

6、根据权利要求4或5所述的监测血液保质期的方法，其特征在于：通过显示器实时显示保存温度、已累计保存时间和得出的折算成4℃的剩余保质期天数。

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