一種人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)的研發(fā)

袁僑英，肖 利，李學軍，司良毅

一種人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)的研發(fā)

袁僑英，肖 利，李學軍，司良毅

目的：研制并介紹一種新型人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)。方法：新型人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)包括傳感器組、中央處理器、血樣采集系統(tǒng)、血樣檢測系統(tǒng)和靜脈留置體。留置體內(nèi)的血樣采集系統(tǒng)采集人體血液參數(shù)，并輸送至中央處理器及血樣檢測系統(tǒng)，其內(nèi)部的傳感器組分析血液信息、得出結(jié)論，并通過中央處理器設(shè)定采血樣的間隔時間，實現(xiàn)連續(xù)可控的血樣采集檢測，并儲存采集的血液信息。結(jié)果：血樣采集系統(tǒng)能夠?qū)θ梭w血液進行無痛、可控血樣采集和血樣檢測，不會損害人體健康，可實現(xiàn)不間斷的血液監(jiān)測，獲取患者血液較全面的信息。結(jié)論：采用人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)可以在安全微創(chuàng)的情況下實時了解人體的病理、生理狀態(tài)，對指導臨床診治具有重要意義。

活塞；體液；便攜式；動態(tài)；檢測

0 引言

在生命體系中，微血管是人體血液循環(huán)中最基層的結(jié)構(gòu)單位，占體內(nèi)血管的90%，深入研究其發(fā)病機制將為各種血管病變的早期防治帶來新的希望。然而，微血流是時刻循環(huán)、變化的動態(tài)過程，靜脈抽血檢測血樣、體外間接檢測只能反映瞬間信息，存在片面性、不準確性[1-4]?，F(xiàn)有的多普勒受限于大中血管的檢測，且受血流的角度、深淺等影響，單次抽血、體外多普勒檢測均不準確。項目組研發(fā)了人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)，可對人體血液進行無痛、可控、不間斷的血樣采集和檢測，從而獲取患者血液的較為全面的信息，從整體上實時動態(tài)地了解人體的病理、生理狀態(tài)，現(xiàn)介紹如下。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)包括傳感器組、中央處理器、血樣采集系統(tǒng)、血樣檢測系統(tǒng)和靜脈留置體。留置體內(nèi)有傳感器組，用于采集人體血液流體動力學和氣體含量參數(shù)并輸送至中央處理器儲存。血樣采集系統(tǒng)包括采血活塞、活塞驅(qū)動裝置、采血毛細管和抽吸裝置。留置體內(nèi)設(shè)置有前端開口的活塞通道、毛細管通道，采血活塞穿入活塞通道并與其往復(fù)滑動配合?；钊ǖ赖耐ǖ辣诳拷岸碎_有過流通道，與活塞通道前端開口的距離大于采血活塞長度?；钊?qū)動裝置包括驅(qū)動電動機和齒輪齒條機構(gòu)，抽吸裝置包括缸體、設(shè)置于缸體與其往復(fù)滑動配合的活塞以及用于驅(qū)動活塞往復(fù)運動的活塞驅(qū)動電動機，缸體設(shè)置連通于采血毛細管的進液口（設(shè)置進液單向閥）、連通于血樣檢測系統(tǒng)的排液口（設(shè)置排液單向閥）。

人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)還包括殼體，人機對話界面連接于中央處理器，鍵和屏幕設(shè)置于殼體。留置體位于殼體外部，以可拆卸式連接于殼體，活塞驅(qū)動裝置、抽吸裝置、中央處理器和血樣檢測系統(tǒng)均設(shè)置于殼體內(nèi)，中央處理器設(shè)有將信息輸出至外部計算機的輸出端子，采血毛細管和活塞桿延伸出殼體。活塞同軸固定設(shè)置絲桿，活塞驅(qū)動電動機的

轉(zhuǎn)子通過齒輪嚙合機構(gòu)傳動設(shè)置與絲桿配合的螺母。缸體內(nèi)表面設(shè)置軸向滑槽，活塞上設(shè)置嵌于軸向滑槽的凸起結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)新特點

人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)采用能夠留置于靜脈的留置體，并通過中央處理器設(shè)定采血樣的間隔時間，由血樣采集系統(tǒng)采集血樣并輸送至血樣檢測系統(tǒng)。血樣采集系統(tǒng)應(yīng)用于臨床，能夠?qū)θ梭w血液進行無痛而又可控不間斷的監(jiān)測、血樣采集和血樣檢測，從而獲取患者血液的較為全面的信息，從整體上實時動態(tài)地了解人體的病理、生理狀態(tài)。另外，避免了血液凝固、血液中蛋白等物質(zhì)沉積影響后續(xù)的持續(xù)監(jiān)測和對患者造成創(chuàng)傷等技術(shù)難題，而且采血量極少，每次采血量在0.05 mL左右，每天可提供超過300次血樣采集，并可提供詳細的檢測結(jié)果，且全天只需要15 mL血液，少于普通患者的常規(guī)住院采血量，不會損害人體健康，對指導臨床治療具有較為重要的意義。圖1為人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 人體血液活塞式便攜檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

3 基本原理及使用方法

留置體內(nèi)設(shè)置有前端開口的活塞通道，采血活塞穿入活塞通道并與其往復(fù)滑動配合。為避免采血時血液從間隙流出，采血活塞與活塞通道之間采用無間隙或小間隙滑動配合，并在采血結(jié)束時將活塞通道內(nèi)的血液排空，為下一次采血做好準備，并保持活塞通道的潔凈。留置體內(nèi)還設(shè)置有毛細管通道，活塞通道的通道壁靠近前端開有過流通道，與活塞通道前端開口的距離大于采血活塞長度，毛細管通道前端通過過流通道連通于活塞通道。采血毛細管穿入毛細管通道以保證采血活塞向前時過流通道與外界和采血毛細管同時連通，使空氣進入毛細管通道以便于采血。

活塞驅(qū)動裝置驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)子與齒輪齒條機構(gòu)的齒輪傳動配合，齒輪齒條機構(gòu)的齒條固定設(shè)置于采血活塞的活塞桿。中央處理器的命令輸出端連接于驅(qū)動電動機的控制電路。抽吸裝置包括缸體、活塞和用于驅(qū)動活塞往復(fù)運動的活塞驅(qū)動電動機，活塞與缸體往復(fù)滑動配合?；钊?qū)動電動機的轉(zhuǎn)子傳動設(shè)置與絲桿配合的螺母，通過齒輪嚙合機構(gòu)傳動配合驅(qū)動活塞往復(fù)運動。缸體與活塞之間沿軸向往復(fù)滑動單自由度配合，可采用缸體內(nèi)設(shè)置軸向滑槽的結(jié)構(gòu)，活塞上設(shè)置嵌于軸向滑槽的凸起結(jié)構(gòu)以保證螺母的驅(qū)動。缸體設(shè)置連通于采血毛細管的進液口（設(shè)置進液單向閥）和連通于血樣檢測系統(tǒng)的排液口（設(shè)置排液單向閥）。采血毛細管通過軟管連通于缸體的進液口，利于保證采血毛細管的順暢動作。

設(shè)置于留置體內(nèi)的傳感器組（傳感器可以是壓力傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、各項氣體傳感器等，或者根據(jù)患者的狀況采用不同的傳感器）采集人體血液流體動力學和氣體含量參數(shù)，輸送至中央處理器儲存。血樣檢測系統(tǒng)接收血樣采集系統(tǒng)的血樣，檢測分析后將數(shù)據(jù)傳送至中央處理器儲存。血液檢測系統(tǒng)可以采用現(xiàn)有技術(shù)的全自動血液檢測儀結(jié)構(gòu)：包括全自動進樣針、分血器、稀釋器、混勻器、定量裝置和真空泵，完成樣品的吸取、稀釋、傳送、混勻以及將樣品移入各種參數(shù)的檢測區(qū)。此外，還設(shè)置清洗檢測儀管道和排除廢液的功能，將廢液排至廢液儲存罐。通過中央處理器事先設(shè)定檢測的時間間隔，采血后經(jīng)后續(xù)的血液檢測儀集成芯片統(tǒng)一檢測，實現(xiàn)多種生物信號的采集、檢測，實現(xiàn)血糖、血脂等生化指標以及細胞因子、血液中的激素水平等數(shù)值的檢測，并輸入中央處理器儲存。

中央處理器的命令輸出端連接于驅(qū)動電動機的控制電路和活塞驅(qū)動電動機的控制電路，中央處理器根據(jù)設(shè)定的時間和周期控制驅(qū)動電動機和活塞驅(qū)動電動機的運轉(zhuǎn)，完成自動采血過程。使用時

將靜脈留置體植入靜脈，采血毛細管插入毛細管通道，驅(qū)動電動機驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)，采血活塞回撤將血液吸入活塞通道。當采血活塞退至過流通道后側(cè)時，血液通過過流通道進入采血毛細管通道并由采血毛細管、抽吸裝置送至血樣檢測系統(tǒng)。采血結(jié)束后，采血活塞向前運行封住活塞通道的前端開口，抽吸裝置繼續(xù)運行直至采血毛細管內(nèi)的血液全部進入血樣檢測系統(tǒng)，進而對血樣進行檢測并得出結(jié)果，將結(jié)果輸入中央處理器儲存并輸出。同時，傳感器組采集靜脈內(nèi)的血液流體動力學參數(shù)（如血壓、流速等）和氣體含量（如氧氣、二氧化碳等的含量），將采集結(jié)果輸送至中央處理器儲存并輸出，達到自動監(jiān)測、采集和檢測的目的。

留置體以可拆卸的方式連接于殼體外部，長期使用時將其進行連接后固定（卡接、插接或者螺紋連接等方式）。活塞驅(qū)動裝置、抽吸裝置、中央處理器和血樣檢測系統(tǒng)均設(shè)置于殼體內(nèi)，采血毛細管和采血活塞的活塞桿延伸出殼體；結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可采用較為方便的攜帶和固定結(jié)構(gòu)，便于患者自行使用；殼體可制成較小的體積，可由醫(yī)療專業(yè)人員為患者隨身佩帶，以方便患者在日常生活狀況下檢測并記錄血樣數(shù)據(jù)；中央處理器可裝入相應(yīng)的軟件，患者還可自行輸入“事件”標記，包括進餐、運動、用藥等情況，以利于診斷治療。

留置體為靜脈留置針結(jié)構(gòu)，毛細管通道、活塞通道、過氣通道和傳感器組的信號輸出數(shù)據(jù)線均設(shè)置于靜脈留置針的外套管管壁，傳感器組設(shè)置于靜脈留置針的外套管管壁前端部，信號輸出數(shù)據(jù)線通過插接口連于中央處理器；進行血液檢測的同時，還可進行輸液等治療措施，實現(xiàn)功能多樣化。同時，我們還設(shè)置連接于中央處理器的人機對話界面，將實時采集的數(shù)據(jù)傳送至該界面，便于實時監(jiān)控。中央處理器設(shè)有將信息輸出至外部計算機的輸出端子，血樣采集和記錄結(jié)束后，將儲存的數(shù)據(jù)信息傳輸至計算機，實時顯示或者打印，為治療提供有效的理論依據(jù)。

4 討論

血液流變學異常是最終導致微血管病變發(fā)展的關(guān)鍵因素，但是血管（特別是微小血管）病變具有隱匿性，普通的臨床檢查難以發(fā)現(xiàn)[1，4]。由于現(xiàn)有的直接實時地檢測血液信息的方法及技術(shù)限制，目前尚無準確的微血流在體的實時分析方法，無法認識整體實時微血管流變學信息和病理、生理狀態(tài)[5-6]。人體血液除含有細胞成分以外，在液態(tài)的血漿中還含有蛋白質(zhì)、非蛋白質(zhì)含氮物質(zhì)、脂類、糖和其他有機物（包括維生素、酶、凝血與抗凝血因子等）與無機物，以適應(yīng)機體的需要。從人體血液中可得知大量的人體狀況信息。

現(xiàn)有技術(shù)中，需要對血液進行監(jiān)測和檢測時，臨床多采用靜脈抽血和快速指尖末梢血來檢測血樣，通過反復(fù)針刺采血來實現(xiàn)檢測的目的，不但增加患者的痛苦，而且使醫(yī)務(wù)工作者的工作量增加。單一時間采樣只能反映固定時間點的血液信息（即瞬間血液信息），存在一定的片面性和不準確性，即使再頻繁的指尖或靜脈血測量也無法提供24 h連續(xù)的血樣信息。瞬間血樣信息值也受運動、飲食、藥物、情緒波動等諸多因素的影響，無法反映患者全面的“血樣信息譜”，也很難發(fā)現(xiàn)無癥狀的血液信息異常。人體內(nèi)的許多激素均呈脈沖式分泌，有基礎(chǔ)分泌狀態(tài)，也會因緊張、受刺激等因素而升高，從而引起其濃度在外周血象中的波動，單純的一次性采血樣不能反映體內(nèi)各種激素的真正水平，甚至可能造成錯誤的檢驗結(jié)果，給臨床診斷和治療帶來錯誤的信息[7-9]。在多數(shù)危重急癥中，為了解患者的病理信息和指導治療、評估預(yù)后，需要多次抽血檢測。但是很多危急重癥患者反復(fù)抽取血樣會損傷組織和血管，甚至對部分凝血功能異常的患者造成穿刺點出血不止?；颊咴诓∏橥蝗患又貢r，會因血容量不足、血管塌陷不能成功地采集血樣，而每天的抽血量過多可能會導致患者在短期內(nèi)出現(xiàn)貧血。

針對目前的檢測缺陷和不足，我們設(shè)計了一種能夠?qū)θ梭w血液實現(xiàn)動態(tài)實時監(jiān)測和檢測的裝置，可對人體血液進行無痛而又可控不間斷的監(jiān)測、采集和檢測，能夠獲取較為全面的患者血液信息，從而從整體上實時了解人體的病理、生理狀態(tài)，對指導臨床治療具有較為重要的意義。同時，數(shù)據(jù)處分析處理后可獲知患者1～3 d的血樣變化情況，包括采集時間內(nèi)的最高和最低血樣值、血樣超過或低于設(shè)定血樣值的時間和所占比例、血樣變化范圍以及任何確定時間的血樣值等，也可精確地繪制出每日的血樣變化曲線，在曲線上標明運動、飲食、睡眠、服藥、情緒變化等事件的標志，最終得到完整、詳細、全面的血樣檢測圖譜，為醫(yī)生提供許多常規(guī)血樣監(jiān)測方法不能發(fā)現(xiàn)的信息，使之全面認識人體的病理、生理過程，從而為臨床的及時診斷和合理治療提供重要的

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（收稿：2013-03-04 修回：2013-06-25）

Development of Novel Piston-type Portable Human Blood Detection System

YUAN Qiao-ying,XIAO Li,LI Xue-jun,SI Liang-yi
(Department of Geriatrics,Southwest Hospital,the Third Military Medical University,Chongqing 400038,China)

ObjectiveTo develop a new piston-type portable system for human blood detection.MethodsThe system was composed of the sensors,CPU,blood sampling system,blood sample detection system and venus indwelling catheter.The blood sampling system in the catheter detected the blood parameters,and then transmitted them to the CPU and the detection system,then the internal sensors analyzed the information and arrived at a conclusion.The interval time for sampling could be set through CPU to realize continuous and controllable blood sampling and detection and to store the acquired information.ResultsThe system could be used for the painless and controllable blood sampling and detection. ConclusionThe piston-type portable human blood detection sytem can monitor the pathological and physiological status of the patient,and thus is of great significance for clinical treatment.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：6-8，14]

piston;fluid;portable;dynamic;detection

R318.6；TH776

A

1003-8868（2014）01-0006-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.006

國家自然科學基金面上項目（81271657）；全軍后勤科研計劃面上項目（CWS11J141）

專 利：國家發(fā)明專利（2010106162317）

袁僑英（1978—），女，博士，講師，主治醫(yī)師，主要從事老年心血管、新型醫(yī)療器械研制方面的工作，E-mail：qiaoy99@163.com。

400038重慶，第三軍醫(yī)大學西南醫(yī)院老年科（袁僑英，肖 利，李學軍，司良毅）

司良毅，E-mail：siliangyi66@163.com