一种人体血液活塞式便携检测系统的研发

袁侨英，肖 利，李学军，司良毅

一种人体血液活塞式便携检测系统的研发

袁侨英，肖 利，李学军，司良毅

目的：研制并介绍一种新型人体血液活塞式便携检测系统。方法：新型人体血液活塞式便携检测系统包括传感器组、中央处理器、血样采集系统、血样检测系统和静脉留置体。留置体内的血样采集系统采集人体血液参数，并输送至中央处理器及血样检测系统，其内部的传感器组分析血液信息、得出结论，并通过中央处理器设定采血样的间隔时间，实现连续可控的血样采集检测，并储存采集的血液信息。结果：血样采集系统能够对人体血液进行无痛、可控血样采集和血样检测，不会损害人体健康，可实现不间断的血液监测，获取患者血液较全面的信息。结论：采用人体血液活塞式便携检测系统可以在安全微创的情况下实时了解人体的病理、生理状态，对指导临床诊治具有重要意义。

活塞；体液；便携式；动态；检测

0 引言

在生命体系中，微血管是人体血液循环中最基层的结构单位，占体内血管的90%，深入研究其发病机制将为各种血管病变的早期防治带来新的希望。然而，微血流是时刻循环、变化的动态过程，静脉抽血检测血样、体外间接检测只能反映瞬间信息，存在片面性、不准确性[1-4]。现有的多普勒受限于大中血管的检测，且受血流的角度、深浅等影响，单次抽血、体外多普勒检测均不准确。项目组研发了人体血液活塞式便携检测系统，可对人体血液进行无痛、可控、不间断的血样采集和检测，从而获取患者血液的较为全面的信息，从整体上实时动态地了解人体的病理、生理状态，现介绍如下。

1 结构设计

人体血液活塞式便携检测系统包括传感器组、中央处理器、血样采集系统、血样检测系统和静脉留置体。留置体内有传感器组，用于采集人体血液流体动力学和气体含量参数并输送至中央处理器储存。血样采集系统包括采血活塞、活塞驱动装置、采血毛细管和抽吸装置。留置体内设置有前端开口的活塞通道、毛细管通道，采血活塞穿入活塞通道并与其往复滑动配合。活塞通道的通道壁靠近前端开有过流通道，与活塞通道前端开口的距离大于采血活塞长度。活塞驱动装置包括驱动电动机和齿轮齿条机构，抽吸装置包括缸体、设置于缸体与其往复滑动配合的活塞以及用于驱动活塞往复运动的活塞驱动电动机，缸体设置连通于采血毛细管的进液口（设置进液单向阀）、连通于血样检测系统的排液口（设置排液单向阀）。

人体血液活塞式便携检测系统还包括壳体，人机对话界面连接于中央处理器，键和屏幕设置于壳体。留置体位于壳体外部，以可拆卸式连接于壳体，活塞驱动装置、抽吸装置、中央处理器和血样检测系统均设置于壳体内，中央处理器设有将信息输出至外部计算机的输出端子，采血毛细管和活塞杆延伸出壳体。活塞同轴固定设置丝杆，活塞驱动电动机的

转子通过齿轮啮合机构传动设置与丝杆配合的螺母。缸体内表面设置轴向滑槽，活塞上设置嵌于轴向滑槽的凸起结构。

2 系统新特点

人体血液活塞式便携检测系统采用能够留置于静脉的留置体，并通过中央处理器设定采血样的间隔时间，由血样采集系统采集血样并输送至血样检测系统。血样采集系统应用于临床，能够对人体血液进行无痛而又可控不间断的监测、血样采集和血样检测，从而获取患者血液的较为全面的信息，从整体上实时动态地了解人体的病理、生理状态。另外，避免了血液凝固、血液中蛋白等物质沉积影响后续的持续监测和对患者造成创伤等技术难题，而且采血量极少，每次采血量在0.05 mL左右，每天可提供超过300次血样采集，并可提供详细的检测结果，且全天只需要15 mL血液，少于普通患者的常规住院采血量，不会损害人体健康，对指导临床治疗具有较为重要的意义。图1为人体血液活塞式便携检测系统的结构示意图。

图1 人体血液活塞式便携检测系统的结构示意图

3 基本原理及使用方法

留置体内设置有前端开口的活塞通道，采血活塞穿入活塞通道并与其往复滑动配合。为避免采血时血液从间隙流出，采血活塞与活塞通道之间采用无间隙或小间隙滑动配合，并在采血结束时将活塞通道内的血液排空，为下一次采血做好准备，并保持活塞通道的洁净。留置体内还设置有毛细管通道，活塞通道的通道壁靠近前端开有过流通道，与活塞通道前端开口的距离大于采血活塞长度，毛细管通道前端通过过流通道连通于活塞通道。采血毛细管穿入毛细管通道以保证采血活塞向前时过流通道与外界和采血毛细管同时连通，使空气进入毛细管通道以便于采血。

活塞驱动装置驱动电动机的转子与齿轮齿条机构的齿轮传动配合，齿轮齿条机构的齿条固定设置于采血活塞的活塞杆。中央处理器的命令输出端连接于驱动电动机的控制电路。抽吸装置包括缸体、活塞和用于驱动活塞往复运动的活塞驱动电动机，活塞与缸体往复滑动配合。活塞驱动电动机的转子传动设置与丝杆配合的螺母，通过齿轮啮合机构传动配合驱动活塞往复运动。缸体与活塞之间沿轴向往复滑动单自由度配合，可采用缸体内设置轴向滑槽的结构，活塞上设置嵌于轴向滑槽的凸起结构以保证螺母的驱动。缸体设置连通于采血毛细管的进液口（设置进液单向阀）和连通于血样检测系统的排液口（设置排液单向阀）。采血毛细管通过软管连通于缸体的进液口，利于保证采血毛细管的顺畅动作。

设置于留置体内的传感器组（传感器可以是压力传感器、流速传感器、温度传感器、各项气体传感器等，或者根据患者的状况采用不同的传感器）采集人体血液流体动力学和气体含量参数，输送至中央处理器储存。血样检测系统接收血样采集系统的血样，检测分析后将数据传送至中央处理器储存。血液检测系统可以采用现有技术的全自动血液检测仪结构：包括全自动进样针、分血器、稀释器、混匀器、定量装置和真空泵，完成样品的吸取、稀释、传送、混匀以及将样品移入各种参数的检测区。此外，还设置清洗检测仪管道和排除废液的功能，将废液排至废液储存罐。通过中央处理器事先设定检测的时间间隔，采血后经后续的血液检测仪集成芯片统一检测，实现多种生物信号的采集、检测，实现血糖、血脂等生化指标以及细胞因子、血液中的激素水平等数值的检测，并输入中央处理器储存。

中央处理器的命令输出端连接于驱动电动机的控制电路和活塞驱动电动机的控制电路，中央处理器根据设定的时间和周期控制驱动电动机和活塞驱动电动机的运转，完成自动采血过程。使用时

将静脉留置体植入静脉，采血毛细管插入毛细管通道，驱动电动机驱动齿轮齿条机构，采血活塞回撤将血液吸入活塞通道。当采血活塞退至过流通道后侧时，血液通过过流通道进入采血毛细管通道并由采血毛细管、抽吸装置送至血样检测系统。采血结束后，采血活塞向前运行封住活塞通道的前端开口，抽吸装置继续运行直至采血毛细管内的血液全部进入血样检测系统，进而对血样进行检测并得出结果，将结果输入中央处理器储存并输出。同时，传感器组采集静脉内的血液流体动力学参数（如血压、流速等）和气体含量（如氧气、二氧化碳等的含量），将采集结果输送至中央处理器储存并输出，达到自动监测、采集和检测的目的。

留置体以可拆卸的方式连接于壳体外部，长期使用时将其进行连接后固定（卡接、插接或者螺纹连接等方式）。活塞驱动装置、抽吸装置、中央处理器和血样检测系统均设置于壳体内，采血毛细管和采血活塞的活塞杆延伸出壳体；结构简单紧凑，可采用较为方便的携带和固定结构，便于患者自行使用；壳体可制成较小的体积，可由医疗专业人员为患者随身佩带，以方便患者在日常生活状况下检测并记录血样数据；中央处理器可装入相应的软件，患者还可自行输入“事件”标记，包括进餐、运动、用药等情况，以利于诊断治疗。

留置体为静脉留置针结构，毛细管通道、活塞通道、过气通道和传感器组的信号输出数据线均设置于静脉留置针的外套管管壁，传感器组设置于静脉留置针的外套管管壁前端部，信号输出数据线通过插接口连于中央处理器；进行血液检测的同时，还可进行输液等治疗措施，实现功能多样化。同时，我们还设置连接于中央处理器的人机对话界面，将实时采集的数据传送至该界面，便于实时监控。中央处理器设有将信息输出至外部计算机的输出端子，血样采集和记录结束后，将储存的数据信息传输至计算机，实时显示或者打印，为治疗提供有效的理论依据。

4 讨论

血液流变学异常是最终导致微血管病变发展的关键因素，但是血管（特别是微小血管）病变具有隐匿性，普通的临床检查难以发现[1，4]。由于现有的直接实时地检测血液信息的方法及技术限制，目前尚无准确的微血流在体的实时分析方法，无法认识整体实时微血管流变学信息和病理、生理状态[5-6]。人体血液除含有细胞成分以外，在液态的血浆中还含有蛋白质、非蛋白质含氮物质、脂类、糖和其他有机物（包括维生素、酶、凝血与抗凝血因子等）与无机物，以适应机体的需要。从人体血液中可得知大量的人体状况信息。

现有技术中，需要对血液进行监测和检测时，临床多采用静脉抽血和快速指尖末梢血来检测血样，通过反复针刺采血来实现检测的目的，不但增加患者的痛苦，而且使医务工作者的工作量增加。单一时间采样只能反映固定时间点的血液信息（即瞬间血液信息），存在一定的片面性和不准确性，即使再频繁的指尖或静脉血测量也无法提供24 h连续的血样信息。瞬间血样信息值也受运动、饮食、药物、情绪波动等诸多因素的影响，无法反映患者全面的“血样信息谱”，也很难发现无症状的血液信息异常。人体内的许多激素均呈脉冲式分泌，有基础分泌状态，也会因紧张、受刺激等因素而升高，从而引起其浓度在外周血象中的波动，单纯的一次性采血样不能反映体内各种激素的真正水平，甚至可能造成错误的检验结果，给临床诊断和治疗带来错误的信息[7-9]。在多数危重急症中，为了解患者的病理信息和指导治疗、评估预后，需要多次抽血检测。但是很多危急重症患者反复抽取血样会损伤组织和血管，甚至对部分凝血功能异常的患者造成穿刺点出血不止。患者在病情突然加重时，会因血容量不足、血管塌陷不能成功地采集血样，而每天的抽血量过多可能会导致患者在短期内出现贫血。

针对目前的检测缺陷和不足，我们设计了一种能够对人体血液实现动态实时监测和检测的装置，可对人体血液进行无痛而又可控不间断的监测、采集和检测，能够获取较为全面的患者血液信息，从而从整体上实时了解人体的病理、生理状态，对指导临床治疗具有较为重要的意义。同时，数据处分析处理后可获知患者1～3 d的血样变化情况，包括采集时间内的最高和最低血样值、血样超过或低于设定血样值的时间和所占比例、血样变化范围以及任何确定时间的血样值等，也可精确地绘制出每日的血样变化曲线，在曲线上标明运动、饮食、睡眠、服药、情绪变化等事件的标志，最终得到完整、详细、全面的血样检测图谱，为医生提供许多常规血样监测方法不能发现的信息，使之全面认识人体的病理、生理过程，从而为临床的及时诊断和合理治疗提供重要的

线索[10-11]。

[1]刘敏燕，田慧，宗文漪，等.多功能周围血管监测仪评价下肢血管病变的价值[J].中国临床康复，2006，6（10）：111.

[2]OurielK.Peripheralarterialdisease[J].TheLancet，2001，358（9289）：1256.

[3]程捷，李桃香.下肢多普勒血流检测结果在糖尿病足病健康教育中的应用[J].江西医药，2011，46（10）：965-966.

[4]Tohnosu N，Schener P J.Ultasonographic evaluation of cervical lymph node metastases in esophageal cancer with special reference

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）to the relationship between the short to long axis ratio（L/S）and the cancer content[J].J Clin Ultrasound，1989，17（1）：101-107.

[5]庞全.基于特征光谱识别的光纤化学传感技术[J].仪器仪表学报，2001，22（6）：588-591.

[6]Miwa T，Shirataka M，Sawada M，et al.Non-cladding optical fiber is available for detecting blood or liquids[J].J Clin Monit Comput，2010，24（5）：363-370.

[7]Wallace J D，Cuneo R C，Bidlingmaier M，et al.The response of molecular isoforms of growth hormone to acute exercise in trained adults males[J].J Clin Endocrinol Metab，2001，86（1）：200-206.

[8]Jing J，Yang S，Zhou X，et al.Detection of doping with rhGH—Excretion Study with Wada Approved Kits[J].Drug Testi Analysis， 2011，3（11-12）：784-790.

[9]Holt R，Erotokritou-Mulligan I，McHugh C，et al.The GH-2004 project：the response of IGF1 and typeⅢpro-collagen to the administration of exogenous GH in non-caucasian amateur athletes[J].Eur J Endocrinol，2010，163（1）：45-54.

[10]袁申元，武宝玉.微循环障碍与糖尿病慢性并发症[J].中国微循环，2006（4）：73-76.

[11]Yvonne T，Rasool A H，Halim A S.Rep roducibility of different laser Dopp ler fluximetry parameters of postocclusive reactive hyperemia in human forearm skin[J].J Pharmacol ToxicolMethods，2005，52：286-292.

（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

国家自然科学基金面上项目（81271657）；全军后勤科研计划面上项目（CWS11J141）

专 利：国家发明专利（2010106162317）

袁侨英（1978—），女，博士，讲师，主治医师，主要从事老年心血管、新型医疗器械研制方面的工作，E-mail：qiaoy99@163.com。

400038重庆，第三军医大学西南医院老年科（袁侨英，肖 利，李学军，司良毅）

司良毅，E-mail：siliangyi66@163.com