引言
血液凝固是一個復(fù)雜、動態(tài)的生理過程，血液會在受傷的地方凝固并止血。在心臟搭橋手術(shù)中，血液會被轉(zhuǎn)移到患者體外負(fù)責(zé)維持心、肺功能的心肺機(jī)中。心肺機(jī)由灌注技術(shù)專家操縱，負(fù)責(zé)監(jiān)控正確的參數(shù)，確保有效地利用抗凝血劑，避免患者的血液凝固。為此，在手術(shù)過程中需要使用肝磷脂這種抗凝血藥物，隨后又必須迅速進(jìn)行逆向操作，以防止失血過多1。為了保持凝血與流血之間的精密平衡，在手術(shù)期間，每隔30～60分鐘需要對患者的凝血時間進(jìn)行一次監(jiān)控，手術(shù)后還需要進(jìn)行多次監(jiān)控，直到患者的凝血時間恢復(fù)正常2。目前，通常在病房就可以采集患者的靜脈血樣，測量得到的凝血時間值可用于調(diào)整抗凝治療。
ADI公司是生物醫(yī)學(xué)診斷學(xué)院(BDI)3的合作伙伴。BDI是愛爾蘭科學(xué)基金會4資助的科學(xué)、工程與技術(shù)中心，是一家致力于開發(fā)下一代生物醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備的多學(xué)科研究機(jī)構(gòu)。在BDI整體計(jì)劃的其中一項(xiàng)中，ADI公司正與都柏林大學(xué)5以及一家全球?qū)I(yè)制藥與藥物輸注公司合作開發(fā)一種凝固監(jiān)控設(shè)備，用于在重癥監(jiān)護(hù)環(huán)境下的病人治療。該系統(tǒng)將提供有關(guān)病人凝血狀況的快速、自動化信息，提高病人安全、流程以及決策支持水平，從而改善病人治療結(jié)果。
血液凝固的電子測量
人體內(nèi)的血液凝固是由許多細(xì)胞和其它活性成分共同作用完成的。凝血級聯(lián)描述了血液的成分以及它們?nèi)绾螀⑴c凝固形成的過程。隨著凝血級聯(lián)被激活，血液從非凝固狀態(tài)轉(zhuǎn)向凝固狀態(tài)過程中，引起分子電荷狀態(tài)和有效電荷移動性的變化。凝血級聯(lián)的最后階段涉及到兩種物質(zhì)：凝血酶與纖維蛋白原。凝血酶切斷纖維蛋白原，形成纖維細(xì)絲——它們本能地聚合在一起。凝血完成時間定義為纖維凝固形成的時刻6,7。
通過監(jiān)控凝血樣本的整個阻抗，可以測量與凝血形成有關(guān)的傳導(dǎo)率變化。為了評估儀器性能，根據(jù)數(shù)據(jù)確定的凝血時間要與臨床測量的凝血時間這個“黃金標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行相關(guān)比較。
利用AD5933進(jìn)行阻抗測量
AD59338全集成單芯片阻抗分析器件（圖1）是一款高精密阻抗轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，片上集成一個頻率發(fā)生器與一個12-bit、1 MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。頻率發(fā)生器在已知頻率上為外部復(fù)數(shù)阻抗提供激勵電壓。片上ADC對響應(yīng)信號（電流）進(jìn)行采樣，通過板上DSP引擎進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）運(yùn)算處理。DFT算法在每個輸出頻率上返回?cái)?shù)據(jù)字的實(shí)部（R）與虛部（I）。利用這些分量，可以很容易地計(jì)算出掃描的每個頻率點(diǎn)對應(yīng)的阻抗幅度和相對相位。
測量系統(tǒng)功能框圖" height="292" src="http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/42-08/AD42_08-FIG-01.jpg" width="507" />
圖1. 阻抗測量系統(tǒng)功能框圖
AD5933的功能框圖展示了完全集成的阻抗測量系統(tǒng)。本地?cái)?shù)字處理支持測試電路的復(fù)數(shù)阻抗計(jì)算。這個系統(tǒng)要求初始校準(zhǔn)：用一個精密電阻替代被測量的阻抗，并計(jì)算出后面測量的比例系數(shù)。對于1 kHz～100 kHz的激勵頻率，AD5933可以測量100 Ω～10 MΩ之間的阻抗，系統(tǒng)精度為0.5%。
血液凝固與阻抗變化的相互關(guān)系已經(jīng)確定很長時間，詳見文獻(xiàn)9,10,11,12,13。不過，最近推出了復(fù)數(shù)阻抗測量的集成器件，這意味著測量凝血時間的儀器可以小型化。它在節(jié)能、便攜性、儀器外觀方面具有重大的優(yōu)勢，這在重癥監(jiān)護(hù)設(shè)備中是需要重點(diǎn)考慮的因素。
單電源器件，如AD5933，通常信號擺幅的中心在固定直流偏置值附近。在大多數(shù)阻抗測量中，這不是一個需要著重考慮的問題，但當(dāng)直流電壓超過特定門限值時，會使水導(dǎo)電媒質(zhì)在與電極接觸時發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而改變樣本。在當(dāng)前利用AD5933進(jìn)行血樣測量項(xiàng)目中，為了防止出現(xiàn)這種電解反應(yīng)，電壓激勵和電流測量都采用交流耦合，使用如圖2所示的信號調(diào)理電路。
圖2. 具有輸出信號調(diào)理功能的AD5933
血液凝固測量系統(tǒng)
血樣采集與測量儀器之間的接口非常關(guān)鍵，在這種情況下，設(shè)計(jì)了一種特定的微流體通道，將血樣傳遞至AD5933測量儀器電路(圖3)。微流體設(shè)備由3層組成：底層包括兩個絲網(wǎng)印刷電極，它和AD5933電路的輸入/輸出端口引腳連接。頂層的微成形聚合體通道包括兩個儲存庫，它們通過微通道相連。在微通道或中間的連接層可以包含調(diào)整凝血反應(yīng)的化學(xué)試劑，利用壓敏粘合劑(PSA)將頂部與底部通道粘接在一起，儲存庫的血樣將充滿微通道，微通道接觸網(wǎng)版印刷電極，從而與AD5933電路實(shí)現(xiàn)接口。
圖3. 阻抗測量系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)包含被測血樣的聚合體微通道。系統(tǒng)允許血樣與調(diào)節(jié)凝血的特定試劑相互作用，并在血樣與AD5933測試儀器之間創(chuàng)建一個接口。
測量阻抗響應(yīng)
圖4給出凝固與未凝固血樣阻抗響應(yīng)曲線的對比。圖中的箭頭標(biāo)明血樣凝固時間點(diǎn)的確定。
圖4. 未凝固(黑色)與凝固(紅色)血樣的阻抗比較
圖5的阻抗響應(yīng)曲線說明，隨著血樣中肝磷脂濃度的增加，血液凝固時間也隨著增加。圖中箭頭表示不同血樣的凝血時間。
圖5.凝血時間增加時的阻抗比較：從最短(藍(lán)色)到最長(黑色)
通過上面介紹的系統(tǒng)，對大量臨床捐贈血樣的凝固時間進(jìn)行了測量，并利用臨床黃金標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)對血樣抽樣的凝固時間進(jìn)行測量，對兩種測量結(jié)果進(jìn)行相關(guān)對比(圖6)。
圖6. 利用AD5933測量系統(tǒng)測量的凝固時間與臨床黃金標(biāo)準(zhǔn)測量的凝固時間的相關(guān)對比，
對于每個血樣，測量次數(shù)n = 6。
結(jié)束語
AD5933單芯片阻抗分析儀已經(jīng)成功地用于凝血期間血液阻抗變化的測量。同現(xiàn)有的商用解決方案相比，對于終端用戶而言，AD5933在靈活性、功耗、尺寸等方面具有很大的優(yōu)勢。將這種集成電路技術(shù)與其它領(lǐng)域（如微流體學(xué)以及采樣處理）最新技術(shù)相結(jié)合，可為未來醫(yī)療設(shè)備的研究與開發(fā)提供一個強(qiáng)大的平臺。