【作 者】解傳芬，王志紅，王煒

深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司，深圳，518054

全自動(dòng)生化分析系統(tǒng)是臨床檢驗(yàn)中最經(jīng)常使用的重要分析設(shè)備之一，主要用于定量測(cè)定血清、血漿或其它體液的各種生化指標(biāo)，如葡萄糖、白蛋白、總蛋白、膽固醇和轉(zhuǎn)氨酶等，在輔助診斷、療效監(jiān)測(cè)和健康檢查等方面具有重要意義。

目前我國(guó)基層醫(yī)療單位，如鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院和城市社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心等共有40000多家，為廣大群眾提供了便捷的基本醫(yī)療服務(wù)。但限于國(guó)家現(xiàn)有資源和條件，廣大基層醫(yī)院在生化分析儀的裝備方面還比較滯后，很多單位還在使用半自動(dòng)生化儀，只有部分條件較好的單位裝備了一些全自動(dòng)生化分析儀。隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)醫(yī)療的推進(jìn)，改善基層醫(yī)院的生化分析儀裝備條件也成為一個(gè)急需解決的問題。

基層醫(yī)療單位在生化分析方面具有一定的特殊性。日標(biāo)本量一般在幾十個(gè)左右，因此對(duì)儀器的處理速度要求不高；儀器的裝備主要靠政府投入，因此在儀器的采購(gòu)成本上有較苛刻的要求；較少的日測(cè)試量決定了生化分析業(yè)務(wù)的收入有限，為了維持日常運(yùn)行，對(duì)使用、維護(hù)成本要求較為嚴(yán)格；實(shí)驗(yàn)室的電源環(huán)境、水環(huán)境、潔凈度等方面差異大，部分實(shí)驗(yàn)室難以滿足普通生化分析儀器較為嚴(yán)格的要求；專業(yè)檢驗(yàn)人員較為缺乏，希望能夠比較簡(jiǎn)單、方便地完成相應(yīng)的分析測(cè)試，同時(shí)分析質(zhì)量必須滿足臨床的要求；由于一般沒有備用機(jī)，且距一般設(shè)在中心城市的廠家的服務(wù)中心有一定的距離，希望儀器的故障率越低越好。這些特點(diǎn)對(duì)儀器提出了一些要求，我們可以用“三高”和“三低”來概括?！叭摺笔侵缚煽啃愿?、易用性高和環(huán)境適應(yīng)性高，“三低”是指使用成本低、維護(hù)成本低和對(duì)使用者要求要低。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前市場(chǎng)上已有一些較為成熟的生化分析產(chǎn)品，但是由于設(shè)計(jì)中沒有充分考慮到我國(guó)基層醫(yī)院的具體特點(diǎn)和需求，適宜于基層醫(yī)療單位普及應(yīng)用的產(chǎn)品還較少。因此，提供一套低成本、高可靠性、高性能且操作簡(jiǎn)單的全自動(dòng)生化分析系統(tǒng)的解決方案，以及基于此方案的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)，對(duì)解決我國(guó)基層醫(yī)療單位的裝備問題，促進(jìn)衛(wèi)生行業(yè)和醫(yī)療儀器行業(yè)發(fā)展具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 儀器系統(tǒng)架構(gòu)

本文所述研制的全自動(dòng)生化分析儀為先進(jìn)的隨機(jī)任選式儀器，由操作部、分析部和結(jié)果輸出部分（打印機(jī)）構(gòu)成，如圖1所示。操作部即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其內(nèi)部安裝有儀器控制與分析軟件，用于控制儀器的運(yùn)行和操作并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理。為配合基層醫(yī)院信息化的需要，操作部還可與LIS服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊。分析部即儀器的主機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)施樣品分析過程的全部操作，包括加樣品、加試劑、攪拌、恒溫孵育、反應(yīng)與測(cè)量等。分析部與操作部在結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，通過串口進(jìn)行雙向通訊，操作部向分析部傳送數(shù)據(jù)與指令，并從分析部獲取測(cè)試數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息。

為從設(shè)計(jì)上滿足“三高”、“三低”的要求，從分析部的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)方案上進(jìn)行了優(yōu)化。儀器分析速度設(shè)計(jì)在每小時(shí)200測(cè)試/小時(shí)左右，整體設(shè)計(jì)上采用一個(gè)反應(yīng)盤、一個(gè)一體化樣本/試劑盤、一根一體化試劑/樣本針、一根攪拌桿的結(jié)構(gòu), 通過整機(jī)布局設(shè)計(jì)和系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各部件的系統(tǒng)工作，執(zhí)行樣本分析的功能。分析部的基本組成和布局如圖2所示。用戶根據(jù)所開展的項(xiàng)目，將相應(yīng)的試劑放在樣本/試劑盤上的試劑位上，并完成定標(biāo)測(cè)試。在日常樣本測(cè)試時(shí)，首先在操作部（電腦）上申請(qǐng)所需測(cè)試，并把樣本放在指定的樣本位中，然后運(yùn)行儀器。操作部根據(jù)申請(qǐng)的項(xiàng)目生成周期性的測(cè)試指令，并發(fā)送給分析部，通過分析部中央控制單元，將測(cè)試指令解析生成底層控制指令，發(fā)送給各底層單元執(zhí)行。樣本/試劑針首先把定量的指定試劑注入特定的反應(yīng)杯，經(jīng)過一定的孵育時(shí)間后，樣本/試劑針再把定量的樣本注入反應(yīng)杯中，然后反應(yīng)盤把該反應(yīng)杯旋轉(zhuǎn)至攪拌位完成攪拌，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)周期性地旋轉(zhuǎn)測(cè)量直至反應(yīng)結(jié)束。操作部根據(jù)分析部每個(gè)周期的測(cè)量數(shù)據(jù)，按照一定的算法完成結(jié)果的計(jì)算。

圖 1儀器系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 System framework

該設(shè)計(jì)能支持各種分析模式，如終點(diǎn)法、固定時(shí)間法、動(dòng)力學(xué)法。整機(jī)的分析流程如如圖3所示。

圖 3全自動(dòng)生化儀的分析流程Fig.3 Analysis procedure of fully automated biochemical analyzer

本方案采用一根針加試劑和樣本，在保證精度的同時(shí)，相對(duì)于中型生化儀節(jié)省了一套加樣系統(tǒng)的成本，同時(shí)由于儀器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化也相應(yīng)降低了故障率。采用基于一次性反應(yīng)杯技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，從而省去了大中型生化儀中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、故障率和維護(hù)要求高的反應(yīng)杯清洗系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的高可靠性、低成本奠定了基礎(chǔ)。為了解決電環(huán)境的適用問題，主機(jī)除溫控系統(tǒng)的加熱器外，采用寬電源設(shè)計(jì)。針對(duì)水質(zhì)的問題，設(shè)計(jì)了完善的過濾措施，保護(hù)儀器正常運(yùn)行。同時(shí)集成了一路水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，在水質(zhì)無法滿足分析要求時(shí)給出報(bào)警，以保證結(jié)果的可靠性。易用性主要通過優(yōu)化操作流程和提供檢測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。儀器在出廠時(shí)內(nèi)部已經(jīng)集成了經(jīng)過優(yōu)化的完整分析參數(shù)，能夠根據(jù)條碼自動(dòng)調(diào)出完整的分析參數(shù)，配合完善的校準(zhǔn)品和質(zhì)控品，用戶僅需要掌握基本的儀器操作方法，即可保證分析過程中結(jié)果的可靠性。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基層醫(yī)療單位所處的供電環(huán)境有時(shí)難以滿足220V±10%的要求，可能會(huì)造成儀器運(yùn)行的異常甚至分析結(jié)果的異常。整機(jī)的供電設(shè)計(jì)采用兩個(gè)部分，溫度控制部分使用的大功率加熱器采用220 V市電供電，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法，保證系統(tǒng)在180～264 VAC范圍內(nèi)可以正常工作；其他部分采用先進(jìn)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)，允許輸入交流電壓范圍寬達(dá)90～264VAC，頻率范圍50/60±3 Hz，而輸出的直流電壓穩(wěn)定無波動(dòng)，不影響儀器測(cè)試性能。電源結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 加樣系統(tǒng)與攪拌系統(tǒng)

加樣系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成試劑和樣本的分注，其精度直接影響測(cè)量結(jié)果，是生化儀的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。最小加樣量及加樣精度是生化儀的兩個(gè)重要指標(biāo)，低的最小加樣量可以節(jié)省試劑，降低測(cè)試成本；同時(shí)，加樣系統(tǒng)的精度也直接決定儀器的測(cè)試性能。本系統(tǒng)樣本分注量為3 μL～45 μL，試劑分注量為20 μL～450 μL。本系統(tǒng)采用一套加樣系統(tǒng)來完成樣本和試劑的分注。在保證試劑加樣范圍的同時(shí)，又要滿足小樣本量時(shí)的準(zhǔn)確度和精密度。為此設(shè)計(jì)了高精度的注射器驅(qū)動(dòng)模塊，并配以合理的液路設(shè)計(jì)和連接技術(shù)。采用了高性能的液面檢測(cè)技術(shù)，采樣針在下降過程中能夠迅速感應(yīng)液面信號(hào)，檢測(cè)到液面后立即減速停止，開始吸樣，最大限度地減小了針插入液面的深度，以減小針尖掛液對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。排液時(shí)，采用了隨量跟蹤技術(shù)，采樣針根據(jù)所分配液體的多少，自動(dòng)調(diào)整下降深度，以減小掛液和交叉污染。

圖 4 PFC功率變換電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of power conversion circuit

2.3 反應(yīng)與測(cè)量系統(tǒng)

多波長(zhǎng)光度計(jì)是生化儀的另一個(gè)核心模塊，直接決定儀器的測(cè)量性能。本系統(tǒng)采用了在低速生化儀中性價(jià)比最高的濾光片輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行分光，8個(gè)波長(zhǎng)的濾光片均布在濾光片輪圓周上，在濾光片輪的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)中，使光源經(jīng)透鏡組，先后通過不同波長(zhǎng)的濾光片，得到各波長(zhǎng)的單色光，再經(jīng)過光徑比色部件（反應(yīng)杯），進(jìn)行比色檢測(cè)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。本系統(tǒng)采用一次性反應(yīng)杯技術(shù)，通過精密的模具技術(shù)把透紫外光學(xué)塑料加工成10個(gè)反應(yīng)杯為一個(gè)整體的杯聯(lián)，杯聯(lián)固定于反應(yīng)盤上并隨反應(yīng)盤旋轉(zhuǎn)而定位。在反應(yīng)完成后，操作者把杯聯(lián)進(jìn)行手動(dòng)更換，在保證高性能的同時(shí)，極大地簡(jiǎn)化了儀器結(jié)構(gòu)，降低了成本，降低了故障率。而且，設(shè)計(jì)從分析流程上省去了大中型儀器清洗反應(yīng)杯的過程，提高了系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)性。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要進(jìn)行儀器操作控制與數(shù)據(jù)的分析處理，用于完成測(cè)試申請(qǐng)、登記、工作列表生成、反應(yīng)過程檢測(cè)與結(jié)果計(jì)算、數(shù)據(jù)的輸出入以及存儲(chǔ)與查詢。從軟件功能上可分為操作軟件和控制軟件，操作軟件完成項(xiàng)目申請(qǐng)、編排、執(zhí)行和測(cè)試結(jié)果處理；控制軟件負(fù)責(zé)樣本試劑添加、光電數(shù)據(jù)采集和溫度控制等動(dòng)作的執(zhí)行。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖 5 反應(yīng)與測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of reaction and measure system

圖 6 軟件架構(gòu)Fig.6 Framework of software system

3 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

生化分析系統(tǒng)由儀器、試劑和校準(zhǔn)品等構(gòu)成。按照三者有機(jī)結(jié)合的程度不同，一般分為封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)兩種使用模式。封閉系統(tǒng)由生產(chǎn)廠家完成試劑參數(shù)在儀器上的優(yōu)化與確定，完成校準(zhǔn)品的定值以及完整的分析性能的驗(yàn)證，用戶只需要按照要求完成基本操作，即可得到分析結(jié)果。開放式應(yīng)用則需要用戶自行完成試劑參數(shù)在儀器上的優(yōu)化與確定，完成系統(tǒng)的校準(zhǔn)以及完整的分析性能的驗(yàn)證，一般需要在人力物力上投入較大，對(duì)使用者的要求較高，基層醫(yī)療單位無力完成。此前由于完整的檢測(cè)系統(tǒng)僅有國(guó)外幾個(gè)廠家可以提供，國(guó)內(nèi)基層醫(yī)療單位主要以開放式系統(tǒng)的模式使用，使用麻煩，同時(shí)分析結(jié)果的保證有時(shí)會(huì)成為一個(gè)問題。本系統(tǒng)利用邁瑞公司在檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建方面的積累，在面向基層的生化儀上對(duì)40個(gè)常用項(xiàng)目進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建[2]。首先確定試劑全部分析參數(shù)，如波長(zhǎng)、樣本量、試劑量、反應(yīng)時(shí)間、定標(biāo)模型等；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精密度、線性、干擾等分析性能的驗(yàn)證和優(yōu)化，基本性能通過后才進(jìn)行校準(zhǔn)品的定值及方法學(xué)對(duì)比驗(yàn)證。經(jīng)過檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建后，試劑的分析參數(shù)、報(bào)警參數(shù)、定標(biāo)模型、定標(biāo)效期等數(shù)據(jù)存入儀器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過條形碼技術(shù)對(duì)試劑進(jìn)行管理[3]。在日常使用中，用戶只要把試劑放到儀器的試劑盤中，進(jìn)行樣本申請(qǐng)，即可完成測(cè)試。儀器將通過條碼掃描自動(dòng)識(shí)別試劑的種類并調(diào)入數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)進(jìn)行分析，在方便用戶的同時(shí)，保證了通過基本的操作既可以獲得良好的結(jié)果。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，基層用戶可以用承受得起的成本，享受使用的方便性，并得到可靠的結(jié)果。

4 測(cè)試結(jié)果

參照CLSI EP系列文件[4，5]對(duì)本文研制的全自動(dòng)生化分析系統(tǒng)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，表1和圖7分別給出了ALT的精密度數(shù)據(jù)和方法學(xué)對(duì)比數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，該儀器精密度較高，并和主流分析系統(tǒng)具有良好的可比性，能夠滿足醫(yī)療機(jī)構(gòu)的使用要求。

表1 ALT的精密度數(shù)據(jù)Tab.1 The precision performance of ALT

圖 7 ALT方法學(xué)對(duì)比結(jié)果Fig.7 Comparison of ALT Method

5 總結(jié)

本課題研制的全自動(dòng)生化分析儀，除了具備目前行業(yè)內(nèi)主流產(chǎn)品的分析性能和功能特點(diǎn)外，充分考慮我國(guó)基層醫(yī)院的特殊需求，通過針對(duì)性的設(shè)計(jì)，達(dá)到了高可靠性、高易用性、高環(huán)境適應(yīng)性以及使用成本低、維護(hù)成本低、對(duì)使用者要求低等目標(biāo)。該系統(tǒng)的研制，對(duì)我國(guó)基層醫(yī)療單位解決檢驗(yàn)裝備難的問題起到一定的作用。

[1] 王煒. 全自動(dòng)生化分析儀關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械信息,2010, 16(12): 18-19.

[2] 王磊, 丁軍發(fā), 等. 利用酶學(xué)參考實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)建立IVD廠家?-GT溯源性主校準(zhǔn)品[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào), 2010, 31(z1): 97-100.

[3] 江慎斗, 解傳芬, 胡泓.應(yīng)用于生化儀的條碼識(shí)別系統(tǒng)[J]. 醫(yī)療裝備, 2005, 18(10) : 1-3.

[4] CLSI. Evaluation of Precision Performance of Clinical Chemistry Devices: EP5-A, [P]1999.

[5] CLSI. Method Comparison and Bias Estimation Using Patient Samples: EP9-A2, [P]2002-12-19.