弹性支撑式高精度凝血动态检测传感器

王哲，于源华，陈启梦，李健 ，张震

（1.长春理工大学 理学院，长春 130022；2.长春理工大学 生命科学技术学院，长春 130022；3.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；4.长春理工大学 光电测控与光电信息传输技术教育部重点实验室，长春 130022）

凝血检测是临床非常重要的检验项目，尤其对于心血管患者、手术患者、自身免疫疾病、血液病患者等临床意义非常重要。随着科技进步，临床凝血检测技术得到飞速发展。由湿生化检测技术发展了干式生化检测技术；检测项目也由三因子发展到五因子；由于凝血检测代表的临床意义研究越来越重要，体现凝血多因子的检测技术已成为发展趋势，因此，凝血多因子全过程动态检测技术成为专家学者关注热点[1]。

目前，临床用于体外凝血检测的方法主要以测试反应体系浊度变化的光学法和测试反应体系磁珠振动频率变化的粘度法为主，由于光学法易受外界环境因素干扰，所以检测反应体系粘度变化成为体外凝血检测与血液疾病诊断的发展趋势[2]。本世纪以来，通过研究体外凝血反应体系的粘度和密度变化来检测凝血速率问题成为研究热点。Andersson等采用晶体微天平（QCM-D）测量吸附层的阻尼能量，认为玉米胰蛋白酶抑制剂（CTI）通过抑制内源性凝血本体FXIIa因子可以延长凝血时间[3]。Maliaritsi等提出基于磁致伸缩延迟线技术的粘度测试传感器，测量不同液体的凝固时间[4]。刘胜平等利用一个镀金的叉指式电极（IDE）检测凝血酶原激酶时间（APTT），结果表明液体共振频率可以表征凝血过程。陈达等利用微机电薄膜体声波谐振器被横向电场激励检测血液凝固时间和凝血动力学[5]。

上述研究主要是针对个别凝血单因子及凝血速率做出的评定。凝血过程是一个体内多凝血因子与体外多因素相互作用的过程，仅仅考虑单因素引起的血液凝固变化不能准确反映凝血速率，这使得检测结果很难为临床提供精准的凝血评价方法。本文采用弹性支撑灵敏度高等特点，通过建立血液粘度变化与传感器信号之间的数学模型，结合所设计的开槽式圆形弹片支撑组件的结构优势，在外界施加方向不断改变大小不变的电磁力作用下，保证探头在竖直方向上做往复运动，运动特性由感应器件接收，经放大电路等运算，最终将血液粘度变化全貌曲线显示在用户界面上。

1 传感器结构和工作原理

1.1 传感器结构及技术指标

所设计的凝血过程检测传感器主要由电磁感应器件（磁极体、磁感应线圈、永磁体）、弹性支撑（包含两片开槽型片状弹簧）及探针组件等组成，其结构如图1所示[6]。

图1 传感器结构示意图

根据弹性支撑式电磁感应凝血过程检测传感器的设计要求，传感器的关键技术参数如表1所示。

表1 传感器的技术指标

1.2 传感器工作原理

当正弦交变信号经放大电路作用于电磁激励线圈时，会在其周围产生交变磁场，在弹性支撑的作用下，与电磁激励线圈相连接的机械探针元件会带动一次性探针在被测血液样本中做往复剪切运动，由于受到凝血粘滞剪切力的作用，一次性探针的振动特性将发生改变，这个变化量通过建立的数学模型，将传感器振动频率变化量转换为粘度变化量，通过数据运算最终将凝血测试数据与凝血全貌曲线显示于用户界面上。

2 传感器设计

2.1 弹性支撑设计

弹性支撑是凝血测试传感器的关键技术，设计时应考虑两个方面：一是探针运动方式为竖直方向往复运动，所以作为探针的支撑应该起防止探针偏转角度过大的作用；二是提供足够的回弹力，保证探针在电磁力的驱动下能够正常运动。结合以上两方面因素综合考虑，最终设计成如图2所示的“三明治”状弹簧结构。所设计的弹性支撑主要由开槽式圆形片状弹簧构成，具体结构参数如表2所示[7-10]。

根据以往的经验，为保证弹簧的承载力，最大限度的减小由于驱动力导致弹簧形变的影响，将r1、r2赋值为0.6mm、0.5mm，选用厚度为0.81mm的圆形片状弹簧作为弹性支撑元件。

图2 弹性支撑结构图

表2 弹性支撑结构参数表

2.2 弹性支撑结构分析

采用有限元分析法建立传感器实际工作环境变量，研究传感器的振动性能，并对传感器关键器件弹性支撑进行模态分析，模态仿真分析结果如图3所示，仿真分析得到的模态阶数和相应的固有频率如表3所示[11-12]。

图3 模态分析图

表3 各阶模态固有频率

从模态分析结果可以得知，弹性支撑的固有频率从121.46Hz逐渐增大到304.12Hz。为了避免传感器的工作频率与样本发生共振现象，所以进一步对弹性支撑做谐响应分析，如图4所示的弹性支撑谐响应云图及变化曲线图[13。

图4 谐响应云图

根据响应云图分布情况可知：一阶固有频率为102.35Hz，接近理论计算值，由于正常实验室环境下外界噪声干扰频率可达150～1100Hz，表明所设计的弹性支撑对外界振动不敏感；振幅在该频率处达到极大值，约为1.16×10-6mm，表明传感器在达到固有频率时弹性支撑振动最优。

3 传感器试验测试

3.1 传感器样机制备

根据以上设计的凝血测试传感器结构，本课题组制备了“三明治”式弹性支撑凝血测试传感器的实验样机，并搭建样机性能测试系统如图5所示[14]。

图5 传感器样机测试装置图

该试验测试系统主要包括信号发生装置、计算机控制、凝血测试传感器、多普勒干涉仪、高精度隔振平台及六自由度卡具等，测试传感器样机在不同频率下的振动幅值，利用信号发生器对样机输入不同频率的正弦信号，用多普勒干涉仪对样机的振动幅值进行测试，幅频特性曲线如图6所示。

图6 位移频谱曲线

由速度频谱特性曲线可知，在系统输入频率达到120Hz时传感器振动速度达到1.5μm/s，且该处频率大小与之前仿真分析的传感器固有频率（121.46Hz）相近；由位移频谱曲线可知，在120Hz处振幅达到1.75×10-3μm，与仿真分析结果（1.16×10-3μm）相近，表明传感器满足设计要求。

3.2 传感器性能测试

根据上述的传感器设计方案，本课题组搭建了电磁振动式凝血测试传感器实验装置，其装置如图7所示[15]。

图7 电磁振动式凝血测试传感器实验装置图

为了进一步验证凝血测试传感器的稳定性和精确性，对传感器进行了重复性测试和数据相关性测试，取20份同一临床患者的血液样本，加入等量的凝血试剂，对传感器进行了20次重复测试，可得测试数据重复性特性曲线如图8所示。

根据重复性特性曲线分别计算三组测试项目的数据重复性，得所设计的传感器测试数据重复性最大达到0.002，满足系统设计要求。

取20例不同临床患者的血液样本，用本文设计的凝血测试系统和进口设备SONOCLOT全自动凝血仪各连续测试20例，分析两种方法的相关性，可得测试数据曲线如图9所示。经过分析，本文所设计的传感器测试数据与进口设备的相关性达到0.996，满足系统设计要求。

图8 凝血测试重复性特性曲线图

图9 凝血测试相关性数据分布图

4 结论

本文提出一种新型的电磁振动式凝血过程动态测试传感器设计思路。采用有限元法对弹性支撑组件进行模态分析与谐响应分析，优化分析结果并制作传感器试验样机，搭建凝血测试装置。对传感器样机的速度频谱特性、位移频谱特性进行了试验测试，利用凝血测试装置与凝血试剂配套，并与进口POCT凝血仪进行实验数据比对。结果表明，本研究设计的传感器振动速度1.5μm/s，振幅1.75×10-3μm，其与进口POCT凝血仪测试结果相关性达到0.996，重复性达到0.002。设计的传感器满足临床检测精度的要求，为后续凝血测试相关研发工作提供核心技术。