用于实验教学的仿真血气分析仪研制

杨 煜，安 钢，张建一，吕文伟，李天舒

（吉林大学基础医学院机能科学实验中心，长春 130021）

0 引言

血液、细胞内液、肾脏和肺脏都参与机体的酸碱平衡调节，采用血气分析仪检测动脉血氧分压（PaO2）、动脉血 CO2分压（PaCO2）、动脉血氧饱和度（SaO2）、动脉血 CO2总量（TCO2）、pH 值、动脉血标准碳酸氢盐（SB）、动脉血实际碳酸氢盐（AB）及Na+、K+、Ca2+等各种离子浓度，对临床疾病诊断和治疗具有重要的指导意义[1-2]。血气分析仪是病理、生理学和机能学等相关教学实验内容中必不可少的实验设备。国内临床医院和高校科研单位广泛使用的进口血气分析仪价格大多在20万～80万元之间，每次实验需要的后续投入还包含仪器清洗试剂包和血气分析测试卡两部分，实验耗材支出巨大。由于仪器造价昂贵，维护投入要求高，不利于在高校实验教学中普及推广。目前市场上还没有仿真血气分析教学仪器出售，限制了本科生相关实验教学内容的开展。将计算机软硬件技术和医学基础理论实践相结合，开发血气分析仿真实验教学仪器，在实验经费不足的条件下，可满足学生在大学本科阶段尽早接触先进精密仪器设备进行实验的迫切需求[3-4]。为此，本项目组研制了用于实验教学的仿真血气分析仪，能够模拟测定 PaO2、PaCO2、SaO2、TCO2、pH、SB、AB 及各种离子浓度参数，可为疾病诊断和治疗提供重要依据。

1 仪器设计

仿真血气分析仪由硬件部分和软件部分组成，可模拟血气分析仪进行实验操作。其工作原理如下：将采集血液样本的注射器放入仪器采样位置，由操作软件控制进样，采用MSP430F149单片机控制步进电动机的转动，通过机械传输装置将转动方式转换为平行移动，再拉动注射器抽取血液样本。通过操作软件输入不同实验分组（对照组、实验组、给药组、治疗组），显示相关实验参数测量结果。

1.1 硬件设计

硬件部分包括中央控制电路、键盘输入电路、显示输出电路、微机接口电路、电动机驱动电路和机械传输装置，如图1所示。采用MSP430F149单片机作为微控制器，该单片机采用低功耗设计，具有5种节电模式[5]，16 bit RISC精简指令集、2个带捕获时序寄存器的16 bit定时器、60 KB FLASH 只读存储器（read-only memory，ROM）、2 KB随机存取存储器（ra-ndom access memory，RAM）、48个可重复使用I/O引脚和2个通用同步/异步串行通信接口，具有JTAG调试接口，无需仿真器和编程器，便于开发、调试和升级。中央控制电路如图2所示。

图1 硬件系统设计框架

图2 中央控制电路

微机接口电路实现MSP430F149单片机与微机数字通信功能，通过RS232异步通信传输方式进行数据传输。将仿真血气分析仪的每一实际操作步骤通过串口传输到微机中，通过屏幕显示血气分析仪操作步骤提示信息。

键盘包括16个按键，组成4×4方阵排列。键盘输入电路（如图3所示）采用MSP430F149单片机的P6 口控制，P6.0、P6.1、P6.2、P6.3 为列线控制，P6.4、P6.5、P6.6、P6.7为行线控制。在行线和列线的每个交叉点处有一个按键，并且按键的两端分别连接到行线和列线的控制接线点上。

显示输出电路如图4所示。输出液晶屏L CD1602采用MSP430F149单片机的P4口和P5口控制，有8条数据线和3条控制线。由于LCD1602液晶屏需要5 V电压控制，而MSP430F149单片机的输出控制P口只能输出3 V电压，因此需要进行电压转换。这里采用74LS07芯片将MSP430F149单片机的3 V电压转换成5 V。

图3 键盘输入电路

1.2 软件设计

MSP430F149单片机控制硬件电路的程序（即各种硬件驱动软件）用C语言编写，计算机显示分析处理软件用VB语言编写。其中硬件驱动软件包括电动机驱动软件、键盘输入软件、液晶显示软件、数据通信软件等，如图5所示。通电开机后系统执行总控程序。首先将MSP430F149单片机I/O口P2、P3、P4、P5进行初始化设置，以便后续端口的硬件驱动处理。然后循环执行按键选择程序。计算机显示分析处理软件包括主控Windows窗口界面程序（如图6所示）、微机通信程序、微机数据显示程序（如图7所示）等。编辑不同实验分组的数据文件形成数据库，再通过编辑查询软件引导形成对应分组所需的数据文件，用VB语言对存储数据进行特征识别，获得符合实验分组的各种数据，最终形成实验结果。

图4 显示输出电路

图5 硬件驱动软件流程设计

图6 软件操作界面

图7 实验数据显示界面

2 使用方法

打开“血气分析”界面图标进入操作系统，按照软件上的提示步骤操作。进行血液样品采集时，严格按照血气分析仪测量的要求规范操作，利用注射器吸入1%肝素抗凝剂浸润内壁后排出，分别采集实验动物的动脉血和静脉血，排出气泡，用手反复搓捻注射器10次混匀后，针头封闭备用，以便减小空气影响，样品在10 min内检测。打开仪器电源等待START指示灯亮，系统自检后打开进样舱门，将采集的抗凝血液样品对准进样口，按START键，步进电动机转动推动机械螺杆向前推进注射器，将血液样品吸入，完成加样。在实验内容界面选择实验项目名称、实验分组类别、实验动物类型后点击“确认”键，便可显示并打印对应分组的模拟测量结果。

3 应用效果

该仪器可完全模拟真实血气分析仪的采样要求和进样操作。将采集的血液样本按不同类别进行分组实验测试，全部成功完成步进电动机对机械螺杆的控制，带动注射器将样品推进到样品舱，而且数据显示快速准确，可靠性高，符合实验教学要求。该仪器不仅替代了成本高昂的仪器，节省实验耗材成本，同时避免了完全采用虚拟实验时对采血细节的忽视，可达到血气分析实验教学目的。将该仪器应用于临床医学和药学相关专业的本科生教学，在酸碱平衡紊乱实验、家兔乏氧性缺氧和呼吸衰竭实验、家兔急性失血性休克实验等多个项目中，受益学生人数每年达千人。

利用仿真血气分析仪的虚实结合优势，重视实验细节及关键影响步骤，深刻理解采样过程对血气分析实验结果的影响，有利于学生掌握反映酸碱平衡状况的常用指标及其意义。通过在病理、生理学及机能学实验课教学中开展血气分析检测，可有效激发学生探索未知研究领域的好奇心，提升动手操作的实践能力，既培养学生在血气分析方面的操作能力和认知能力，也有助于提高学生自主学习和分析解决问题的能力。该仪器为高尖端实验技术应用于教学中创建了实验平台，培养了学生的临床思维方式。

4 结语

血气分析指标作为疾病诊断和治疗的重要依据，已成为临床常规检测的基本需求，是评价血液酸碱平衡紊乱、呼吸酸碱平衡紊乱和代谢性酸碱平衡紊乱的重要指标，广泛应用于危重病患的监护[6]、围产期及新生儿监护[7]、呼吸道疾病控制[8]、麻醉剂量监控等临床实践中。但是机体酸碱平衡的病理、生理变化基础理论知识对于学生来讲抽象而且不易掌握，血气分析仪的高成本也是其成为应用于教学实验受限的主要因素。模拟血气分析实验教学仪器的开发降低了实验成本，从根本上解决了这一问题。本文研制的仿真血气分析仪采用虚实结合方法[9-10]，通过进行样品加样的实际操作，利用计算机仿真技术实现实验结果的检测，可模拟测定 PaO2、PaCO2、SaO2、TCO2、pH、SB、AB及各种离子浓度参数。但仿真血气分析仪在设计实验项目分组类型方面目前局限于仅有的6个教学实验项目，由于在软件设计中提供了开放的数据管理模式，未来将结合科研课题项目进一步地深入探索，针对临床危重病监护的血液离子改变及多种类型临床疾病药物治疗效果的血气指标对比等内容，改进并充实最新研究数据，实现数据库拓展，提供更多的实验分组类型，开展广泛深入的教学实践。