凝血酶原時間壓電傳感器頻率動態(tài)響應(yīng)規(guī)律的研究及壓電凝血傳感器檢測系統(tǒng)的研制.pdf

1、生物分析是生命科學(xué)中一個重要的領(lǐng)域。近年來，壓電傳感器檢測技術(shù)逐漸成為生物分析中的研究熱點(diǎn)，其基本原理是利用石英晶體振蕩特性對石英晶體表面質(zhì)量負(fù)載(質(zhì)量效應(yīng))和反應(yīng)體系物理性狀如密度、粘度、電導(dǎo)率(非質(zhì)量效應(yīng))等的改變具有高度敏感的特性，通過對石英晶體進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳飳W(xué)處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計，構(gòu)建出具有具有ng級檢測能力的生物傳感器。目前，壓電傳感器在分子識別、臨床診斷、分子成膜過程、表面性質(zhì)、毒理研究等領(lǐng)域中己得到較為廣泛的應(yīng)用。 凝血

2、與纖溶系統(tǒng)是血液系統(tǒng)的一個重要組成部分，主要功能是維持生理性止血和生理性抗凝的功能。凝血系統(tǒng)異常常與多種疾病相關(guān)，且通常具有嚴(yán)重的后果，如中風(fēng)、血友病等等。臨床實(shí)踐中，在采取某些醫(yī)療措施之前，也必須充分了解該病人的凝血功能情況。因此，凝血系統(tǒng)功能的檢查對醫(yī)療者和醫(yī)療對象都十分重要。壓電傳感器具有靈敏度高、可實(shí)時檢測、體積小、成本低廉等特點(diǎn)，因此，研究將壓電傳感器應(yīng)用于凝血時間檢測將具有潛在的廣闊的應(yīng)用前景。 在前期研究中，我們已

3、經(jīng)構(gòu)建出了壓電凝血檢測儀的核心平臺和分析軟件，并證明了利用壓電傳感器檢測凝血功能具有可行性。但是，該研究平臺需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善以提高其穩(wěn)定性和實(shí)用性，在分析壓電凝血試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法上也需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，才能保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性能滿足研究和實(shí)際應(yīng)用的需要。 目的： 改進(jìn)壓電凝血傳感器檢測池及檢測儀；開發(fā)更加實(shí)用、使用方便并具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能的專用軟件；在此基礎(chǔ)上研究凝血反應(yīng)壓電傳感器頻率動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，建立有效的PT

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理模型并探索壓電傳感器檢測臨床標(biāo)本的可行性。 方法： 1.選用基頻為10MHz的AT切型銀膜電極石英晶體傳感器構(gòu)建螺旋式檢測池，使不同檢測池具有同質(zhì)性。在傳感器上下各墊加-O形硅膠密封圈，并置于金屬基座上。在此基礎(chǔ)上采用金屬螺母螺旋加壓的方式使檢測池密封并保證傳感器單面觸液，并增強(qiáng)檢測池屏蔽電磁干擾的能力。 2.改進(jìn)檢測儀相關(guān)硬軟件：棄用原始的頻率計數(shù)卡，直接在振蕩電路中內(nèi)建電路計數(shù)單元，提高計數(shù)精確度

5、；改進(jìn)檢測位控溫裝置，提高溫控精度并降低機(jī)械振動和屏蔽電磁干擾；在硬件改進(jìn)的基礎(chǔ)上，采用VisualC++語言設(shè)計全新的專用檢測軟件，增加可以滿足實(shí)際檢測要求的并具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的功能模塊以完善軟件功能。 3.以凝血酶原時間(PT)檢測為例，理論分析反應(yīng)體系的粘度密度變化規(guī)律，推導(dǎo)出反應(yīng)過程中壓電傳感器頻率動態(tài)變化的響應(yīng)模型，并在此基礎(chǔ)上建立PT凝血反應(yīng)結(jié)果計算方法，及驗(yàn)證該方法的正確性和有效性。 4.同時利用現(xiàn)有的

6、全自動凝血分析儀和本研究構(gòu)建的壓電傳感器凝血檢測系統(tǒng)及建立的凝血酶原時間壓電傳感器頻率動態(tài)響應(yīng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型檢測部分臨床標(biāo)本的凝血酶原時間，進(jìn)行方法學(xué)比較，并分析本研究構(gòu)建的壓電凝血檢測方法的重復(fù)性及檢測臨床標(biāo)本的可行性。 結(jié)果： 1.成功構(gòu)建出可用于實(shí)際檢測的螺旋式檢測池。該檢測池在空氣中頻率穩(wěn)定性可以達(dá)到±0.1ppm/min，在液相中頻率穩(wěn)定可達(dá)到±0.3ppm/min。全金屬外殼，保證了該檢測池具有良好的抗電磁干

7、擾能力。 2.成功設(shè)計并將頻率計數(shù)電路單元內(nèi)建于原有的振蕩電路。該頻率計數(shù)電路單元采用基頻為20MHz的真空高性能傳感器作為基準(zhǔn)計時時鐘，使得頻率計數(shù)精度提高到0.1ppm/s，且計數(shù)精度不受所測頻率變化的影響；采用了絕熱對流恒溫控溫方式，有效降低了溫控過程中儀器的機(jī)械振動，并將溫控精度提高到±0.1℃；編寫出PESA-4.0軟件，該軟件繼承了原有軟件實(shí)時動態(tài)檢測的特點(diǎn)，并增加了圖像編輯、保存、打印、曲線擬合、定標(biāo)、凝血時間換算

8、、病人信息關(guān)聯(lián)、結(jié)果報告、歷史結(jié)果查閱等功能，可以滿足實(shí)際檢測的需要。 3.根據(jù)凝血反應(yīng)級聯(lián)放大原理，結(jié)合Sauerbrey方程、流體力學(xué)及剪切波傳播原理，理論推導(dǎo)出凝血酶原時間反應(yīng)過程中，壓電傳感器頻率的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律符合反S數(shù)學(xué)模型：F=f0-△f×[1/1+e(tm-t)/dt]1/2，其中，t代表時間自變量，F(xiàn)代表壓電傳感器頻率因變量，f0、⊿f、tm和dt為模型參數(shù)，分別代表反應(yīng)開始前傳感器頻率、頻率變化值、最大反應(yīng)速度

9、時間點(diǎn)、反應(yīng)速度決定因子。實(shí)驗(yàn)表明，⊿f、tm和dt均與凝血反應(yīng)體系中凝血因子的數(shù)量和質(zhì)量相關(guān)，其中，⊿f與凝血因子的質(zhì)和量呈現(xiàn)正相關(guān)，而tm、dt則與凝血因子的質(zhì)和量呈負(fù)相關(guān)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出凝血時間與三個參數(shù)的多元回歸方程，并將其作為PT凝血時間的計算方法。該方法被命名為壓電凝血反S曲線擬合模型(Inverse-SFittingmodelofpiezoelectriccoagulation，ISF)，并申請了國家發(fā)明專利(專利申請?zhí)?/p>

10、：200610057904.3)。 4.利用本研究試制的壓電凝血檢測儀和ISF模型檢測了20例臨床病例，結(jié)果與STAGO全自動凝血儀相關(guān)性達(dá)到0.995，且Bland&Altmann分析顯示兩種方法的檢測結(jié)果在臨床上均可接受，提示本研究構(gòu)建的PT實(shí)驗(yàn)壓電法可以用于臨床實(shí)驗(yàn)室診斷。 5.利用本研究構(gòu)建的壓電凝血檢測儀和ISF模型重復(fù)檢測了20次高值和低值質(zhì)控血漿，與全自動凝血儀STAGO相比，壓電法的重復(fù)性明顯差于STAG

11、O(p值分別為0.000、0.003)。但是從變異系數(shù)上分析，壓電法檢測高值和低值質(zhì)控血漿的變異系數(shù)分別僅為4.3％和4.1％，完全可以滿足臨床檢測精度的要求，可以試行臨床檢測。 結(jié)論： 1.螺旋式檢測池具有良好的電磁屏蔽效果，良好的氣相和液相諧振能力，可以應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用研究。 2.自行設(shè)計的硬件計數(shù)電路能提高計數(shù)準(zhǔn)確性，溫控裝置可以有效提高溫控精度，整個檢測儀硬件可以應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用和研究。 3.自行設(shè)計

12、編寫的PESA-4.0軟件，可以實(shí)時顯示凝血過程，增加了多個滿足實(shí)際檢測要求的功能模塊，并具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果報告功能。 4.自行構(gòu)建的壓電凝血反S曲線擬合模型符合凝血酶原時間壓電傳感器頻率動態(tài)響應(yīng)的規(guī)律，模型中的三個參數(shù)分別反映了凝血反應(yīng)壓電傳感器頻率曲線的相應(yīng)特征，可以有效判別不同血漿的PT時間差異，該模型可以準(zhǔn)確地計算PT實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 5.臨床血漿標(biāo)本的PT檢測顯示，本研究構(gòu)建的壓電法可以初步應(yīng)用于臨床血漿標(biāo)本的