血栓弹力图仪(TEG)中基于非接触式电磁感应的角度传感器研究

秦　勇，周　奇，刘盛雄，刘　勇

(重庆理工大学 药学与生物工程学院，重庆　400054)



血栓弹力图仪(TEG)中基于非接触式电磁感应的角度传感器研究

秦勇，周奇，刘盛雄，刘勇

(重庆理工大学 药学与生物工程学院，重庆400054)

摘要：针对血栓弹力图仪(Thrombelastography,TEG)的测量原理，提出一种能精确测量的基于非接触式电磁感应的角度传感器，最大程度减小了对被测量血液特性的影响。描述了测量原理，给出了相应的电路以及上位机软件，搭建了血栓弹力图仪的测量装置。实验结果表明：本传感器完全能满足血栓弹力仪的要求。

关键词：血栓弹力仪；非接触式电磁感应；角度传感器

血栓弹力图仪(thrombelastography,TEG)是一种用于评估临床患者凝血机制的有效测量仪器[1]，是目前唯一能检测和评估血液凝固和纤溶全过程的仪器。临床应用结果表明：该仪器克服了传统凝血检测存在的局限性[2]，可用于一些疾病诊断，也可用于指导临床输血、评估手术的出血风险，还可以有效指导心血管患者的用药[3-7]。目前，国内使用的血栓弹力仪是美国唯美血液技术公司HAEMONETICSTEG5000 血栓弹力图仪[8-9]。我国用于临床检验的血栓弹力图仪主要依靠国外进口，其常用的测量方法是电感法，但是电感法在圆周方向的测量存在非线性误差[10]。分析TEG测量凝血功能的原理和装置可知：悬垂丝细微变化的角度测量是整个TEG的关键。本文提出了一种能精确测量的、基于非接触式电磁感应的角度传感器。这种角度传感器具有良好的线性度，旨在测量杯盖旋转角度的变化，最大程度减小了对被测量血液特性的影响，从而能准确反映被测血液凝固到纤溶的整个动态变化过程。

1　TEG测量原理和角度测量原理

1.1血栓弹力图仪测量原理

TEG是一种记录凝血和纤溶过程中血块强度随着时间发生变化的仪器，通过绘制出一条时间和血块强度(血栓弹力)的变化曲线来解析凝血和纤溶过程中的各个参数。 如图1所示，其工作原理是：将0.36mL全血加入测试杯中;测试杯加热至37 ℃，以±4°45′的角度和每10s一周的速度匀速转动;血液逐渐凝固形成血栓;置于血标本检测杯中的杯盖受到血栓切应力作用，随之出现左右旋转；杯盖在旋转过程中带动悬垂丝，悬垂丝上受到的扭力被转换记录形成TEG曲线[11]。

图1　血栓弹力图仪测量原理

1.2角度测量原理

本文提及的角度传感器基于非接触式电磁感应原理[12]进行设计。如图2所示，该传感器的工作原理为：将适当的高频正弦交流信号施加于激励线圈，激励线圈在交流信号的作用下产生交变电磁场；根据楞次定律，转子线圈会产生相应的交变电磁场；接收线圈处于激励线圈和转子线圈共同产生的复合电磁场中，接收线圈的感应电动势直接决定于该复合电磁场；根据毕奥-萨伐尔定律，当接收线圈与转子的相对位置发生变化时，转子线圈与接收线圈的互感都将发生变化[13]；再根据法拉第电磁感应定律，接收线圈产生的电动势会随着转子转动而发生变化，对接收线圈的电信号进行采样分析即可得到对应的转子旋转角度。

图2　角度传感器原理

为了提高测量精度，便于后期信号处理，设计传感器接收线圈为3路线圈，接收线圈之间交织成40°，提取的接收线圈的输出信号为具有相同周期(120°)、相位相差40°的同相正弦信号[14]：

sig1=(Asin(3θ)+B)·

(1)

sig2=(Asin3(θ+40°)+B)·

(2)

sig3=(Asin3(θ+80°)+B)·

(3)

其中：A为输入信号的幅度；θ为转子的转动角度；B为输入信号的共模电平值；Ss为外界电磁信号引入的共模干扰。将3路提取的信号经仪表差分放大消除共模信号，通过后续的放大、滤波处理以及峰值采样电路作用，3路信号的变化只跟随转子的转动而变化，变为与时间无关的直流电平信号。单片机对信号进行采样，经过单片机数字化处理后得到的信号形式如式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

其中：Am为经过差分—放大—峰值采样数字化后得到的电压幅值；Bm为放大器的直流工作点。对上述公式进行求解反正弦，即可得出角度值：

(7)

(8)

(9)

2　传感器系统设计

2.1系统硬件设计

角度传感器硬件系统由激励信号发生模块、角度传感器模块以及信号处理模块组成，系统框图如图3所示。

图3　系统框图

激励信号发生模块设计为正弦波发生器，设计频率为100kHz,振幅为±5V。该信号发生器具有强的驱动能力，有效避免了驱动不足的缺点。

角度传感器模块是非接触式的角度传感器，具有结构简单、制作工艺容易的特点。该模块由定子(图4(a))和转子(图4(b))两部分组成。定子中包含了激励线圈与接收线圈，激励线圈设计为单向N匝的线圈。线圈匝数越多，接收线圈感应强度越强。接收线圈采用“三叶式”方案，与激励线圈处于同一个平面。设计的3组大小相同、形状一致、位置相差120°的线圈有1个公共连接点和3个输出端口，用于信号的输出。转子是一个闭合的单面线圈，采用“三叶式”，每一叶的角度为60°，每2叶之间的夹角为120°，其形状与大小由定子中接收线圈的形状与大小决定。

图4　接收线圈及激励线圈

信号处理模块主要是提取3组接收线圈的感应信号进行分析预处理。该部分涉及仪用放大、比例放大、滤波的前期处理。经过前期处理得到纯净的信号，且3路信号的信号强度及变化趋势均有所不同。为了能检测3路信号，设计了峰值检测电路，巧妙提取了当前系统状态的信号的峰值，为得到角度值提供了有力且有效的数据。

图5为峰值检测逻辑示意图。电路检测到信号的峰值。当信号变小时，峰值信号不能及时跟随信号变化，需要引入放电控制。此处即涉及单片机控制逻辑[15]。如图6所示,对于峰值数据的采集设计了AD采集及控制系统，能快速有效采集3路峰值信号。

图5　峰值检测逻辑示意图

图6　单片机控制逻辑

2.2系统软件设计

经过电路对信号的预处理后，需要将最终得到的模拟信号提取为数字信号以便于对角度信号的提取.本系统选用了自带高精度AD转换模块的单片机为微处理器，主要用于控制峰值检测电路、AD信号采集、数字信号预处理以及信息传输。图7为软件的逻辑流程。

图7　软件逻辑流程

随着转子转动，经过电路预处理后得到的3路信号随之发生改变。复位转子到零点位置，以定位零点的光电管导通为准。单片机采集零点时3路信号的幅值，将其存储作为零点参考。每次复位零点并记录新的零点值大大提升了系统的重复性。以其中任意一路为基准，将采得的数据与零点值做比较。如图8(a)所示，以A点作为零点，若采得的值大于A点的值，则转动方向记为正；如图8(b)所示，以B点作为零点，若采得的值小于B点的值，则转动方向记为负。

图8　方向判断示意图

单片机对3路信号进行切换采样，并有效控制对应峰值检测电路。对数据进行筛选，若判定当下采集数据错误则舍去数据并重新进行采集。将正确数据保存并通过串口发送至上位机，解出相应的角度值。利用3路信号得出的3个角度值，进行均值求解，提升了所得角度值的准确度。

3　实验结果与分析

按照血栓弹力图仪的测量要求，本文以测量±4°45′的角度值对传感器的精度、线性、重复性进行数据分析。系统采用10位的AD进行数据采样，理论上角度传感系统的精度可达0.01°。实际测量结果表明：仪器可达理论精度。

实验过程中以实际角度进行等间隔采样，记录测量得到的正负向角度AD采样值与实际角度相对应的理论计算AD采样值，以及对应的求得的角度测量值和实际角度值。以AD采样值为横坐标，以角度值为纵坐标作图，得到图9和图10，其中：曲线①为正向的角度测量值；曲线④为负向的角度测量值；曲线②、③为步进电机转动的角度值。图9中AD采样值线性增加，经过数据整理分析正向的角度值与实际角度值呈正相关，其相关系数p=0.99。当转子反向转动时，见图10。反向的角度值(AD采样值)线性减小。同理，求得电机实际负向转动角度，测得反向的角度值与实际角度值呈正相关，其相关系数p=0.99。根据非线性误差计算公式，分析计算得出转子正反转动时测得的角度值的非线性误差为±1.21%，系统的绝对误差最大值为0.06°，在可接受范围之内。

在相同条件下，连续多次测量同一范围的角度变化，并记录角度变化过程中的AD采样值。如图11所示，横坐标表示测试点，纵坐标表示对应测试点的AD采样值。图中曲线由多组数据组成，在相同条件下，多条曲线的趋势以及大小相近。采用标准偏差法，用贝塞尔公式计算重复性误差[16]。当取系数为2时，误差完全服从正态分布，置信概率为95%，此时的重复性误差δk=2.1%；当取系数为3时，置信概率为99.73%，重复性误差δk=3.2%。

图9　正向角度与对应AD值

图10　负向角度与对应AD值

图11　重复性数据分析

4　结束语

本文采用基于非接触式电磁感应原理设计的角度传感器具有精度高、线性度好、重复性好等特点，有效解决了血栓弹力图仪研制过程中角度测量的问题，为国内血栓弹力图仪的研制提供了一定的参考。

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(责任编辑刘舸)

收稿日期：2016-03-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目(31200709)

作者简介：秦勇(1991—),男,重庆巫溪人,硕士研究生,主要从事医疗仪器研究；通讯作者 周奇(1962—)，男，重庆人，教授，主要从事医疗工程技术与应用研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.016

中图分类号：TH712

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)07-0093-05

AngleSensorBasedonNonContactElectromagneticInductioninThrombelastography(TEG)

QINYong，ZHOUQi，LIUSheng-xiong，LIUYong

(CollegeofPharmacyandBiologicalEngineering,

ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Abstract:This paper proposed an accurately angle sensor according to the principle of Thrombelastography (TEG), which based on the non-contact electromagnetic induction principle and minimized the influence of the characteristics of blood. This paper described the measuring principle in detail, and expounded the corresponding circuit design and software of the system, and built measuring device. The experimental results show that this sensor has fully reached the requirements of thrombelastography.

Key words:thrombelastography; non-contact electromagnetic induction; angle sensor

引用格式：秦勇，周奇，刘盛雄，等.血栓弹力图仪(TEG)中基于非接触式电磁感应的角度传感器研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(7):93-97.

Citationformat：QINYong，ZHOUQi，LIUSheng-xiong，etal.AngleSensorBasedonNonContactElectromagneticInductioninThrombelastography(TEG)[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(7):93-97.