Analog Devices: Analog Dialogue

2008年8月第42卷

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阻抗测量监控血液凝固

作者:Helen Berney    J.J. O'Riordan

引言
血液凝固是一个复杂、动态的生理过程,血液会在受伤的地方凝固并止血。在心脏搭桥手术中,血液会被转移到患者体外负责维持心、肺功能的心肺机中。心肺机由灌注技术专家操纵,负责监控正确的参数,确保有效地利用抗凝血剂,避免患者的血液凝固。为此,在手术过程中需要使用肝磷脂这种抗凝血药物,随后又必须迅速进行逆向操作,以防止失血过多1。为了保持凝血与流血之间的精密平衡,在手术期间,每隔30~60分钟需要对患者的凝血时间进行一次监控,手术后还需要进行多次监控,直到患者的凝血时间恢复正常2。目前,通常在病房就可以采集患者的静脉血样,测量得到的凝血时间值可用于调整抗凝治疗。

ADI公司是生物医学诊断学院(BDI)3的合作伙伴。BDI是爱尔兰科学基金会4资助的科学、工程与技术中心,是一家致力于开发下一代生物医学诊断设备的多学科研究机构。在BDI整体计划的其中一项中,ADI公司正与都柏林大学5以及一家全球专业制药与药物输注公司合作开发一种凝固监控设备,用于在重症监护环境下的病人治疗。该系统将提供有关病人凝血状况的快速、自动化信息,提高病人安全、流程以及决策支持水平,从而改善病人治疗结果。

血液凝固的电子测量
人体内的血液凝固是由许多细胞和其它活性成分共同作用完成的。凝血级联描述了血液的成分以及它们如何参与凝固形成的过程。随着凝血级联被激活,血液从非凝固状态转向凝固状态过程中,引起分子电荷状态和有效电荷移动性的变化。凝血级联的最后阶段涉及到两种物质:凝血酶纤维蛋白原。凝血酶切断纤维蛋白原,形成纤维细丝——它们本能地聚合在一起。凝血完成时间定义为纤维凝固形成的时刻6,7

通过监控凝血样本的整个阻抗,可以测量与凝血形成有关的传导率变化。为了评估仪器性能,根据数据确定的凝血时间要与临床测量的凝血时间这个“黄金标准”进行相关比较。

利用AD5933进行阻抗测量
AD59338全集成单芯片阻抗分析器件(图1)是一款高精密阻抗转换系统,片上集成一个频率发生器与一个12-bit、1 MSPS的模数转换器(ADC)。频率发生器在已知频率上为外部复数阻抗提供激励电压。片上ADC对响应信号(电流)进行采样,通过板上DSP引擎进行离散傅里叶变换(DFT)运算处理。DFT算法在每个输出频率上返回数据字的实部(R)与虚部(I)。利用这些分量,可以很容易地计算出扫描的每个频率点对应的阻抗幅度和相对相位。

图1. 阻抗测量系统功能框图

图1. 阻抗测量系统功能框图

AD5933的功能框图展示了完全集成的阻抗测量系统。本地数字处理支持测试电路的复数阻抗计算。这个系统要求初始校准:用一个精密电阻替代被测量的阻抗,并计算出后面测量的比例系数。对于1 kHz~100 kHz的激励频率,AD5933可以测量100 Ω~10 MΩ之间的阻抗,系统精度为0.5%。

血液凝固与阻抗变化的相互关系已经确定很长时间,详见文献9,10,11,12,13。不过,最近推出了复数阻抗测量的集成器件,这意味着测量凝血时间的仪器可以小型化。它在节能、便携性、仪器外观方面具有重大的优势,这在重症监护设备中是需要重点考虑的因素。

单电源器件,如AD5933,通常信号摆幅的中心在固定直流偏置值附近。在大多数阻抗测量中,这不是一个需要着重考虑的问题,但当直流电压超过特定门限值时,会使水导电媒质在与电极接触时发生电化学反应,从而改变样本。在当前利用AD5933进行血样测量项目中,为了防止出现这种电解反应,电压激励和电流测量都采用交流耦合,使用如图2所示的信号调理电路。

图2. 具有输出信号调理功能的AD5933

图2. 具有输出信号调理功能的AD5933

血液凝固测量系统
血样采集与测量仪器之间的接口非常关键,在这种情况下,设计了一种特定的微流体通道,将血样传递至AD5933测量仪器电路(图3)。微流体设备由3层组成:底层包括两个丝网印刷电极,它和AD5933电路的输入/输出端口引脚连接。顶层的微成形聚合体通道包括两个储存库,它们通过微通道相连。在微通道或中间的连接层可以包含调整凝血反应的化学试剂,利用压敏粘合剂(PSA)将顶部与底部通道粘接在一起,储存库的血样将充满微通道,微通道接触网版印刷电极,从而与AD5933电路实现接口。

图3

图3. 阻抗测量系统示意图,系统包含被测血样的聚合体微通道。系统允许血样与调节凝血的特定试剂相互作用,并在血样与AD5933测试仪器之间创建一个接口。

测量阻抗响应
图4给出凝固与未凝固血样阻抗响应曲线的对比。图中的箭头标明血样凝固时间点的确定。

图4. 未凝固(黑色)与凝固(红色)血样的阻抗比较

图4. 未凝固(黑色)与凝固(红色)血样的阻抗比较

图5的阻抗响应曲线说明,随着血样中肝磷脂浓度的增加,血液凝固时间也随着增加。图中箭头表示不同血样的凝血时间。

图5.凝血时间增加时的阻抗比较:从最短(蓝色)到最长(黑色)

通过上面介绍的系统,对大量临床捐赠血样的凝固时间进行了测量,并利用临床黄金标准测量系统对血样抽样的凝固时间进行测量,对两种测量结果进行相关对比(图6)。

图6. 利用AD5933测量系统测量的凝固时间与临床黄金标准测量的凝固时间的相关对比,
对于每个血样,测量次数n = 6。

结束语
AD5933单芯片阻抗分析仪已经成功地用于凝血期间血液阻抗变化的测量。同现有的商用解决方案相比,对于终端用户而言,AD5933在灵活性、功耗、尺寸等方面具有很大的优势。将这种集成电路技术与其它领域(如微流体学以及采样处理)最新技术相结合,可为未来医疗设备的研究与开发提供一个强大的平台。

致谢
本论文的有关材料基于爱尔兰科学基金会的资助项目(编号05/CE3/B754)的支持。作者感谢Dermot Kenny、Gerardene Meade、Sarah O’Neill以及爱尔兰皇家外科医学院分子与细胞治疗部门的设备与技术支持,感谢Nigel Kent在微结构方面的工作,感谢Tony Killard博士领导的都柏林城市大学生物诊断学院凝固监控研究团队。

参考文献
1Bowers, John and James J. Ferguson. “Use of the Activated Clotting Time in Anticoagulation Monitoring of Intravascular Procedures.” Texas Heart Institute Journal. 20 (4). 1993. 258–263.

2Kost, Gerald, J., ed. Principles and Practice of Point-of-Care Testing. Lippincott, Williams and Wilkins. 2002.

3www.bdi.ie

4www.sfi.ie

5www.dcu.ie

6Guest, M.M. “Circulatory Effects of Blood Clotting, Fibrinolysis, and Related Hemostatic Processes.” Handbook of Physiology, Circulation III, American Physiological Society. Washington, DC. 1964.

7Brummel-Siedins, K., T. Orfeo, Jenny N. Swords, S.J. Everse, and K.G. Mann. “Blood Coagulation and Fibrinolysis.” Chapter 21 in Wintrobe’s Clinical Hematology. 11th edition. Volume 1. M.M. Wintrobe and J.P. Greer, eds. Lippincott, Williams, and Wilkins. 2004.

8ADI website: www.analog.com (Search) AD5933 (Go)

9Ur, A. “Changes in the electrical impedance of blood during coagulation.” Nature 226. 1970a. 269–270.

10Ur, A. “Determination of blood coagulation using impedance measurements.” Biomedical Engineering 5 (7). 1970b. 342–345.

11Ur, A. “Detection of clot retraction through changes of the electrical impedance of blood during coagulation.” American Journal of Clinical Pathology 56 (6). 1971. 713–717.

12Ur, A. “Analysis and interpretation of the impedance blood coagulation curve.” American Journal of Clinical Pathology 67 (5). 1977. 470–476.

13Theiss, W. and A. Ulmer. “Comparative and direct measurement of the electrical impedance in blood coagulation.” Thrombosis Research 13. 1978. 751–765.

 

作者简介
Helen Berney [helen.berney@analog.com]现任ADI公司医疗产品部研究工程师,于2006年2月加入ADI公司。她毕业于爱尔兰都柏林城市大学,获得生物工艺学专业理学学士学位,随后在爱尔兰科克大学获得基于硅的免疫检测诊断领域博士学位。Helen曾经在位于科克的国家微电子研究中心生物应用部从事传感器与集成系统开发工作。她在英国纽卡斯尔大学纳米科学技术中心工作期间从事生物医学研究创新方面的微电子与纳米技术开发,获得弗休姆奖学金。
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J.J. O’Riordan
[jj.oriordan@analog.com]1984年毕业于列墨瑞克大学,获得工学学士学位,并加入位于爱尔兰列墨瑞克的ADI公司测试开发部。他1998年获得列墨瑞克大学计算机系统硕士学位。他致力于测试技术开发,为ADI公司第一款MicroConverter产品开发了测试程序,并为高分辨率DAC、Σ-Δ转换器、低泄漏开关以及其它产品开发了测试能力。最近,J.J.致力于医疗技术方面的工作,设计并完成了凝血监控仪以及血糖仪等产品。在业余时间,J.J. 还喜欢各种运动,而且是国际皮划艇联合会认证的生活与专业教练。
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