一种便携型电磁感应式凝血测试传感器

李晓 王春伟 于源华

摘 要： 近年来，随着心血管疾病增多，需要对患者测凝血状况。为了减轻复杂程序给医疗保健者带来的负担并实现对患者的病情进行连续动态、定性和定量的观察，本文设计了一种基于电磁感应式凝血测试便携式传感器。根据法拉第电磁感应定律和诺曼公式，设计电磁感应线圈，利用电磁感应法驱动血液中的机械探头进行周期性振动。通过与市面上存在传感器的进行相关性对比，其相关性达到了0.996，表明传感器可以满足临床上精度的要求，具有相对稳定的工作特性，达到了传感器结构设计的目的，具有结构简单，成本低，高灵敏、抗疲劳等优点，具有巨大经济效益与市场竞争力。

关键词： 电磁感应;传感器;电磁感应线圈

Abstract： In recent years，with the increase of cardiovascular diseases，it is necessary to measure coagulation status in patients.In order to reduce the burden of complex procedures on health care providers and achieve continuous dynamic，qualitative and quantitative observation of the patient's condition，this article designed a portable sensor based on electromagnetic induction coagulation test.According to Faraday's law of electromagnetic induction and Norman's formula，an electromagnetic induction coil is designed and a mechanical probe in blood is driven by electromagnetic induction method to perform periodic vibration.By correlating with the presence of sensors on the market，the correlation reached 0.996，indicating that the sensor can meet the requirements of clinical precision，has relatively stable working characteristics，has achieved the purpose of sensor structural design，has a simple structure，and has a low cost.，High sensitivity，anti-fatigue and other advantages，with huge economic benefits and market competitiveness.

Key words： Electromagnetic induction;sensor;Electromagnetic induction coil

凝血檢测是临床非常重要的检验项目。近年来，随着心机梗死、冠心病、脑血栓等心血管疾病增多，需要对患者测凝血状况。一般情况下，患者需要定期到医院或中心实验室进行凝血试验。这样的程序给医疗保健提供者带来了很大的负担，并且增加了测试的返回时间和成本。此外，在ICU病房，必须对患者的病情进行连续动态、定性和定量的观察，全方位观测凝血过程，为临床合理用药提供参考。为了缓解这些问题，临床上急需一种新型的快速、直观、全面的凝血检测技术。目前，临床用于体外凝血检测的方法主要以光学法[1]和粘度法为主，由于光学法易受外界环境因素的干扰，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。检测粘度变化主要以压电石英晶体制做的传感器为主。[2]-[4]

在这项研究中，我们介绍了一种使用电磁振动传感方法进行快速方便的检测凝血的新方法。项目产品为临床抗凝血药物的用药药效检测及指导用药、手术前后血小板凝血功能检测、心血管内科心肌梗死及血栓病人血液凝血动态过程等提供核心技术支撑。本项目符合国家及地方医药健康产业的支持政策，面向ICU、手术室、心脑血管内科、床旁检测等，也可用于生物技术、环境、化工等领域。本项目填补了国内的空白，具有巨大经济效益与市场竞争力。

1 工程原理

1.1 凝血原理

凝血因子包括12个，除FⅣ（Ca2+）为金属离子外，其他均为蛋白质;除组织因子（Tissue Factor，TF）外，其他均存在于血浆中。[5]内源性凝血途径是指参加的凝血因子全部来自血液。外源性凝血途径是指参加的凝血因子并非全部存在于血液中，还有外来的凝血因子参与止血。经典的凝血瀑布学说认为血液凝固过程由内源性途径、外源性途径和共同通路组成，是通过多种酶原被顺序激活而过程不断得到加强和放大的一种连锁反应。[6]如图1所示。

1.2 工作原理

凝血测试传感器是通过感知血液中十二个因子的变化规律，将凝血过程转变为可识别的物理或者化学信号的器件或装置。本文利用阻尼振动原理，利用电磁感应法驱动血液中的机械探头进行周期性振动，受凝血剪切力的影响，机械探针的振动频率会发生规律性的变化。[7]通过传感器输出频率的变化来表征血液凝固前后粘度和密度变化的动态过程，进而间接评价凝血情况，与此同时血小板功能及凝血障碍也可以反映出来。

2 电磁感应线圈的设计

2.1 电磁感应定律

电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势，该电动势称为感应电动势，如果导体被封闭成一个回路，电子会因该电动势而产生流动，生成感应电流。[8]法拉第发现产生在闭合回路上的电动势和通过任何该路径所包围的曲面上磁通量的变化率成正比。物理学家诺曼整理并归纳得出了诺曼公式

Ve=- dφm dt

其中感应所得电动势为ve，互感磁通量为dφm。

如图2所示，假设回路A 中通上电流I，回路 A附近的空间就会产生一个同电流同频率的交变电磁场。回路 B 就会感应出一个同频率的电流。通过回路 B中感应电压电流的变化，我们可以了解磁场在空间中的变化。

2.2 电磁耦合线圈

电磁耦合线圈是该传感器中比较重要的部分，传感器施加在正弦激励线圈上的电流表达式为：

I（t）=Asin 2πf1t cos 2πf0t

式中f1为调制频率，为3.9kHz;f0为载波频率，为2MHz;A为常数。此时在线圈轴线上形成的磁场表达式为：

Bsin=nKsin 2πf1t cos 2πf0t sin（ 2πx L ）

式中n为线圈匝数;K为常数;x 为沿线圈轴线的位置;L 为整个线圈轴线长度。

传感器的电磁耦合线圈受到正弦激励信号时，就会产生变化的磁场，变化的磁场在永磁体的磁场下做循环往复的周期运功。

3 实验与结果

为了验证该传感器能够满足实验要求，我们做了凝血测试的重复性试验，并与市面上已经存在的传感器作比较，如图3所示。

从实际测试结果可以看出，本文设计的传感器虽满足测试要求，其数据重复性与数据相关性依然存在实验误差，分析误差来源包括两个方面，一是传感器本身存在零件加工误差，二是探测仪器的误差。但通过实验数据比较可知采用电磁振动弹性支撑式的凝血测试传感器在试验环境条件和外界的干扰方面与采用其他方法测试凝血动态过程优势明显，表明该传感器具有相对稳定的工作特性，达到了传感器结构设计的目的。其相关性达到0.996，说明设计的电磁振动式凝血过程动态测试传感器可以满足临床检测精度的要求。

4 结论

通过上述说明本项目研制的电磁感应式凝血测试传感器可用于检测血液凝固过程中血液内发生的粘度变化。通过利用这种粘度变化，可以实时监测人的凝血状况。检测系统系统可以通过频率变化进行血液凝固分析。该系统与当前的方法相比有许多优点。其中一种就是设计的简单性允许小型化和计算机控制。这使电磁感应式凝血检测传感器成为便携式血液监测系统的合适选择。

参考文献：

[1]Yu-Cheng Lin，Shih-Chieh Yen，Stone Cheng，Effectiveness of holographic optical element module sensor in measuring blood prothrombin time[J].Measurement Science and Technology，2014.1.18.

[2]Tzong-Jih Cheng，Hsien-Chang Chang，A piezoelectric quartz crystal sensor for the determination of coagulation time in plasma and whole blood[J].Biosensors & Bioelectronics，1998.147-156.

[3]Hsien-Chang Chang，Tzong-Jih Cheng，Tsui-Hsun Wu，Determination of coagulation time in whole blood containing anticoagulant by piezoelectric quartz crystal sensor[J].Sensors and Actuators，2000，2996-298.

[4]Lothar Muller，Stefan Sinn，Hartmut Drechsel，Investigation of Prothrombin Time in Human Whole-Blood Samples with a Quartz Crystal Biosensor[J].Anal.Chem，2010，658-663.

[5]王鸿利.止血与凝血研究机制进展[J].繼续医学教育，2006.9.20.

[6]史旭波，胡大一.血栓形成与凝血机制及调节[J].临床荟萃，2017.7.20，22（14）.

[7]Libby G，Puckett a，Gary Barrett a，Monitoring blood coagulation with magnetoelastic sensors[J].Biosensors and Bioelectronics，2003，675-681.

[8]李凌，杨明，叶林.感应式非接触角度传感器电磁耦合系统设计[J].传感器与微系统，2011，（10）：130-132.