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1、燕山大学里仁学院课程设计论文基于单片机的血沉自动测试仪的设计摘 要 近年来，随着电力电子技术、控制技术以及传感器技术的水平的提高,各种医疗仪器逐渐由以前的人工操作和测量改进为全自动或者半自动检测。本文所设计的血沉自动测试仪能有效地解决人工操作带来的测量误差等问题，因此具有广阔的应用前景。本文将自动控制技术应用在血沉值测试中，对血沉值的测试原理及其应用进行了理论分析，利用单片机作为系统的中央控制芯片，设计了信号采集电路、步进电机驱动电路、多路选择开关电路、电压比较器电路、键值采集电路、液晶显示电路、串行通信电路等硬件电路并对其工作原理进行了分析。利用 C 语言编写了系统的控制程序，包括系统的初始
2、化程序、数据采集和处理程序、运行状态和结果的显示程序、键值采集程序、步进电机驱动程序、结果的打印程序等。最后对本文所设计的硬件电路和软件部分进行了总体调试，并选取四组血样进行了重复测试，得到的结果与实际结果具有很好的可比性，证明了本设计的可行性，而且它具有检测速度快、测量准确等优点可以使医护人员更快更直接的得到测量结果，确保给病人快速准确的诊断。关键词：血沉自动测试仪，步进电机，信号采集，多路选择开关. 目录第一章 绪论31-1 血沉的机理介绍31-2 血沉的临床意义及测试方法41-3 本课题的选题意义及研究现状6第二章 血沉自动测试仪的原理与构成72-1 血沉自动测试仪原理介绍72-2 血沉
3、自动测试仪基本构成92-2-1红外对管介绍92-2-2电压比较器介绍102-2-3多路选择开关介绍112-2-4步进电机介绍132-2-5数据通信132-2-6信号传输时序152-3 本章小结16第三章 血沉自动测试仪硬件系统的设计17第四章 血沉自动测试仪软件系统的设计184-1 软件系统设计原理184-2 软件系统流程图简介204-3 本章小结26第五章 硬软件调试及结果分析2751 硬软件调试2752 测试结果分析29第六章 全文总结30参考文献31第一章 绪论1-1 血沉的机理介绍血沉现象的出现是由于人体的血液是由血细胞、血小板和血浆构成。取一定的血样，在其中加入抗凝剂，过一段时间后就
4、和大多的沉淀现象一样，血样会出现分层现象，血细胞密度较大会逐渐沉淀到最底端，血浆则在最上端。血液沉降速率的快慢是由于在血流中的红细胞， 因胞膜表面的唾液所具有的负电荷等因素而互相排斥使细胞间距离为约为 25nm，故彼此分散悬浮而下沉缓慢。如血浆或红细胞本身发生改变，则可使血沉发生变化。在循环着的血液中红细胞悬浮于血浆中而不下沉。这种悬浮稳定性取决于红细胞膜和血浆的特性，当用抗凝剂防止血液凝固，并将抗凝的血液放在一定的刻度管中，观察一定时间内红细胞下沉的速度（用下沉距离表示）叫做“红细胞沉降率”，简称“血沉”（ESR）。通常以第 1 小时末血沉管内血浆高度为标准，血沉愈快则表示红细胞的悬浮稳定性
5、愈差。血沉测定所得数据将随仪器与试剂的不同而变化。临床上通常采用魏氏法，正常值成年男子为 015mm/第 1 小时末，成年女子为 020mm/第 1 小时末。小儿血沉较成人慢。血沉有生理性增快，见于妇女月经期及妊娠期。此外多为病理性增快，见于结核病进行期或病情恶化、风湿病活动期或肿瘤以及全身性炎症病例，如急性肺炎等，故测定血沉有辅助诊断的意义。血沉快慢的关键，在于红细胞是否易于发生叠连现象。红细胞叠连指红细胞彼此以凹面相贴而重叠成串钱状。由于红细胞与血浆间的摩擦力为红细胞下沉的阻力，而叠连红细胞的表面积与容积比减小，也即是和血浆接触面积减小，彼此摩擦力也就减小，叠连红细胞就随单位面积的重量增大
6、而加速下降。当正常人的红细胞放置在血沉增快的患者血浆中，红细胞叠连度和血沉正常。由此证明，影响红细胞叠连的主要因素在血浆中。进一步研究又证明这与血浆蛋白总量无关，而当球蛋白、纤维蛋白原等(带正电荷)增多时会促进叠连。有人分析红细胞表面存在带负电荷的唾液蛋白、白蛋白增多会促使叠连减慢。由于同电相斥，致使红细胞保持悬浮稳定性，当某些因素使血浆中带正电荷的蛋白质增多或降低红细胞表面负电荷量时，则叠连增快，其详细机理还不清楚。另外，血浆脂类中胆固醇增多时，可使叠连和血沉加速，卵磷脂则阻止叠连而使血沉减慢。1-2 血沉的临床意义及测试方法血沉是一项非特异性的化验项目。这就是说，血沉加快并不能确定患有哪种
7、病，血沉正常也不意味着没有病。测定血沉可以了解疾病和观察疾病的发展和变化，需要与其他化验结果和临床资料结合分析，才能对疾病诊断有所帮助。血沉是一项有效的疾病预警指标，并在一些特殊的情况下可作为一项非常有用的疾病预兆指标。判断血沉结果的正常与否需按性别区分，参考范围（魏氏法）：男性为015mm/h，女性为020mm/h。血沉增快在临床上更为常见。魏氏法无论男女其血沉值达到25mm/h，为轻度增快；达到50mm/h为中度增快；大于50mm/h为重度增快。潘氏法无论男女血沉达到20mm/h者均为增快。血沉增快的临床意义如下：生理性增快：妇女月经血沉略增快，可能与子宫内膜破伤及出血有关，妊娠 3 个月
8、以上血沉逐渐增快，可达 30mm/h 或更多，直到分娩后 3 周，如无病发症则逐渐恢复正常。其增快可能与生理性贫血、纤维蛋白原量逐渐增高、胎盘剥离、产伤等有关。60 岁以上的高龄者因血浆纤维原蛋白量逐渐增高等。也常见血沉增快。小儿的血沉也可略快于参考范围，此时可能与疾病无关。病理性增快：各种炎症：细菌性急性炎症时，血中急性反应相物质（acutephase reactant）迅速增多，包括 1 抗胰蛋白酶（-antirypsin）、2 巨蛋白（2-mactoglobulin）、C 反应蛋白（C reactiveprotein）、肝珠蛋白(haptoglobin )、运铁蛋白(transferri
9、n)、纤维蛋白原(fibrinogen)等，主要因为释放增多甚至制造加强所致。以上成分或多或少地均能促进红细胞的线状聚集，故炎症发生后 2-3天即可见血沉增快。风湿热的病理改变结缔组织性炎病症，其活动期血沉增快。慢性炎症如结核病时，纤维蛋白原及免疫球蛋白含量增加，血沉明显增快。临床上常用血沉来观察结核病及风湿热有无活动性及其动态变化。各种原因导致的高球蛋白血症（hyperglobuinemia）:亚急性感染性心内膜炎、黑热病、系统性红斑狼疮等所致的高球蛋白血症时，血沉常明显增快。各种原因引起的相对性球蛋白增高如慢性肾炎、肝硬化时血沉也常增快。多发性骨髓瘤、巨球蛋白血症时，浆细胞的恶性增殖致使血
10、浆病理性球蛋白高达 40-100g/L或更高，故血沉增快。巨球蛋白症病人，血浆中 IgM 增多，其血沉理应增快，但若IgM明显增多而使血浆沾稠度增高即高沾综合症时，反而抑制血沉，可得出一个正常甚至减慢的结果。另外恶性肿瘤、组织损伤及坏死、贫血、高胆固醇积压症均可导致血沉增快。血沉加快常与以下疾病有关：炎症性疾病，如急性细菌性炎症，23个小时就会出现血沉加快的现象；恶性肿瘤，迅速增长的恶性肿瘤常使血沉增快，而良性肿瘤血沉多正常；各种急性全身性或局部性感染，如活动性结核病、肾炎、心肌炎、肺炎、化脓性脑炎、盆腔炎等；各种胶原性疾病，如类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、硬皮病、动脉炎等；组织损伤和坏死，
11、如大范围的组织坏死或损伤、大手术导致的损伤，心肌梗死、肺梗死、骨折、严重创伤、烧伤等疾病亦可使血沉加快；患有严重贫血、血液病、慢性肝炎、肝硬化、多发性骨髓瘤、甲亢、重金属中毒、恶性淋巴瘤、巨球蛋白血症、慢性肾炎等疾病时，血沉也可呈现明显加快趋势。血沉加快对发展速度较快的恶性肿瘤具有提示价值：手术将肿瘤切除，或化疗、放疗治疗有效时，血沉可减慢；肿瘤复发或出现转移时，血沉还可再加快。良性肿瘤一般血沉不加快或出现减慢现象，因此可以通过这个项目协助初步判断肿瘤的性质。血沉减慢临床意义较小，可因红细胞数量明显增多及纤维蛋白原含量严重减少所致，见于各种原因所至的脱水、血浓缩、真性红细胞增多症、弥漫性血管内
12、凝血、低纤维蛋白原血症和球形红细胞增多症等。血沉的快慢还可辅助观察病情的变化。如风湿病、结核病血沉加快的程度常与病情轻重有关。活动期血沉加快；病情好转时血沉速度减缓；非活动期血沉可以恢复到参考范围。因此，测定血沉可大致推测疾病的发展及观察治疗效果。例如，红斑狼疮病人的血沉从平稳到加快表明病情进入活动期，长期稳定在参考范围内就说明病情得到了控制。有关血沉的临床应用，已在风湿病诊断中广泛证实。有报道，正常动脉炎在短时间内发生率仅在0.2% ，而仅有 4.0% 的动脉炎患者血沉小于 30 mm 。观察发现，多发性肌炎 ESR 及疼痛密切相关，为疾病活动性的重要标志物。除风湿病外，近年临床还观察到在镰
13、状细胞贫血、骨髓炎在诊断上也有价值。而且 ESR对脑卒中及急性冠状动脉炎的病程进展也有参考价值，还可预测死亡率。并可评估是否因炎症所致血小板破坏及血栓形成。因此，从临床的角度看， 血沉是一项值得推广的实验方法。既然血沉作为一项非特异性的指标对人的生理病理有如此重要的临床意义，如何迅速而准确的得到血样的血沉值，就成为全世界关注的问题。血沉值测定的方法有多种，有魏氏法（Westergren 法）、库氏法（Coulter 法、）、温氏法（Wintobe-landsbrey 法）、潘氏法。过去一直使用国际血液学标准委员会（ICSH）推荐的魏氏法，也是该委员会推荐的唯一的血沉测定法。国际血液学标准化委员
14、会（ICSH）要求血沉报告必须采用魏氏法结果。我国在 1983 年全国临床检验方法学学术会议上推荐魏氏法作为血沉值测定的参考方法。魏氏法的操作过程是：患者于清晨空腹抽取静脉血 1.6ml，按照 4：1 与 109mol/L的枸椽酸钠溶液（抗凝剂）0.4ml 混匀，然后吸入清洁、干燥的标注魏氏血沉管中，并调至零刻度处。让后将血沉管插入血沉架中，血沉管要求在室温下严格垂直放置，避免阳光直射、振动和血液外溢。一小时以后读出血浆凹液面底部至沉降红细胞柱顶部之间距离数，即为血沉结果。1-3 本课题的选题意义及研究现状生命对于每个人来说都是最宝贵的。随着社会的发展和科技的进步，人民文化水平和整体素质的提高
15、，越来越多的人开始关注健康问题。血沉作为一个具有重要临床意义的指标也同样受到越来越多人的关注。红细胞沉降率（ ESR ）是一项传统而又应用范围比较广的古老的实验技术。自瑞典医师Fabraeus（8）。1921 年首创以来，手工原始的魏氏法（Westergren）在一个多世纪以来修改很少，魏氏法（Westergren）作为国际参考的方法之一，至今仍被广泛应用，但是由于魏氏法采用的是人工定时目测法，整个流程采用的是人工操作，因此易于出现技术错误，实际测试工作中血沉管的清洁度、放置位置是否垂直、室外温度的高低、判断时间是否严格以及观察血沉管的角度等因素均会影响血沉测定的结果。而且需要专门的医护人员进行操作，操作过程较为繁琐，浪费了不少人力和物力资源，虽然被多数实验室和医院采用，但是效果都不太理想。80年代以来，随着电力电子技术，控制技术、传感器技术和光电技术的发展和应用，以及人们对血沉检测时间和检测精度的要求越来越高，随之在国外的一些国家如：美国、意大利、日本、西班牙等产生了由单片机或其他微处理器控制的血沉自动测试仪。它是把光电技术与计算机技术运用在传统测试中，将人工操作的部分利用光电传感器来完成，动态分析红细胞的沉降过程，由于采用计算机进行数据采集和处理，它的可靠性远远大于传统的魏氏测量法，大大降低了操作过程中各种人为因素给测试结果带来的误差，并且由计算机自动
