阻抗測量監(jiān)測血液凝固

作者：Helen Berney and J.J. O'Riordan

血液凝固是一個復(fù)雜、動態(tài)的生理過程，通過該過程形成凝塊以結(jié)束受傷部位的出血。在心臟搭橋手術(shù)期間，血液被轉(zhuǎn)移到心肺機(jī)，該機(jī)器維持心肺功能。該機(jī)器由灌注師操作，其作用包括監(jiān)測適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)，以確保患者得到有效的抗凝劑治療以避免血栓。為此，在手術(shù)期間給予肝素（一種抗凝藥物），然后快速逆轉(zhuǎn)以防止出血過多。1為了保持凝血和出血之間的微妙平衡，在手術(shù)期間每30至60分鐘監(jiān)測一次患者的凝血時間，并在手術(shù)后監(jiān)測幾次，直到恢復(fù)正常的凝血時間。2目前，從患者靜脈注射管線采集的血液樣本在床邊進(jìn)行測試，測量的凝血時間值用于調(diào)整抗凝治療。

ADI公司是生物醫(yī)學(xué)診斷研究所（BDI）的合作伙伴，3a 科學(xué)、工程和技術(shù)中心，由愛爾蘭科學(xué)基金會資助。4BDI是一家多學(xué)科研究機(jī)構(gòu)，專注于開發(fā)下一代生物醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備。根據(jù)BDI集成計劃之一，ADI公司正在與都柏林城市大學(xué)合作5以及一家全球?qū)I(yè)制藥和藥物輸送公司，為在重癥監(jiān)護(hù)環(huán)境中接受治療的患者開發(fā)凝血監(jiān)測設(shè)備。該系統(tǒng)將提供有關(guān)患者凝血狀態(tài)的快速、自動化信息，從而改善患者安全、工作流程和決策支持，從而改善患者治療效果。

凝血的電測量

體內(nèi)的血液凝固受到許多細(xì)胞和其他活性成分的調(diào)節(jié)。凝血級聯(lián)描述了血液的成分以及它們?nèi)绾螀⑴c凝塊形成過程。隨著級聯(lián)反應(yīng)被激活，血液從非凝血狀態(tài)發(fā)展到凝血狀態(tài)，導(dǎo)致分子電荷狀態(tài)和有效電荷遷移率的變化。級聯(lián)的最后步驟涉及兩種成分，凝血酶和纖維蛋白原。凝血酶通過切割纖維蛋白原起作用，形成纖維蛋白絲 - 自發(fā)聚集。凝血時間的終點被定義為纖維蛋白凝塊形成的時間。6,7

通過監(jiān)測凝血血液樣本的全局阻抗，可以測量與凝塊形成相關(guān)的電導(dǎo)率變化。為了評估儀器性能，根據(jù)數(shù)據(jù)確定的凝血時間與凝血時間的“金標(biāo)準(zhǔn)”臨床測量相關(guān)。

使用AD5933進(jìn)行阻抗測量

AD59338完全集成的單芯片阻抗分析儀（圖1）是一款高精度阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，將板載頻率發(fā)生器與12位、1 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）相結(jié)合。頻率發(fā)生器以已知頻率向外部復(fù)阻抗提供激勵電壓。響應(yīng)信號（電流）由板載ADC采樣，分立傅里葉變換（DFT）由板載DSP引擎處理。DFT算法在每個輸出頻率處返回實數(shù)（R）和虛數(shù)（I）數(shù)據(jù)字。使用這些元件，可以輕松計算沿掃描的每個頻率點阻抗的幅度和相對相位。

圖1.阻抗測量系統(tǒng)功能框圖。

AD5933的框圖展示了阻抗測量系統(tǒng)的完整集成。本地數(shù)字處理可以計算被測電路的復(fù)阻抗。系統(tǒng)需要初始校準(zhǔn)：用精密電阻代替要測量的阻抗;并為后續(xù)測量計算比例因子。AD5933可以測量100 Ω至10 MΩ之間的阻抗值，對于1 kHz至100 kHz的激勵頻率，系統(tǒng)精度為0.5%。

血液凝固與阻抗變化的相關(guān)性早已在文獻(xiàn)中得到證實。9,10,11,12,13然而，最近集成電路復(fù)阻抗測量裝置的出現(xiàn)意味著血液凝固時間測量儀器可以小型化。這在節(jié)能、便攜性和最終儀器占地面積方面具有顯著優(yōu)勢，這是重癥監(jiān)護(hù)環(huán)境中的一個關(guān)鍵考慮因素。

AD5933等單電源器件通常將信號擺幅集中在固定的直流偏置值周圍。在大多數(shù)阻抗測量中，這不是一個重要的考慮因素，但是高于特定閾值的直流電壓會導(dǎo)致與電極接觸的水性導(dǎo)電介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)過程，從而改變樣品。為了防止在當(dāng)前項目中使用AD5933進(jìn)行血液樣本測量時發(fā)生這種電解，電壓激勵和電流測量使用圖2所示的信號調(diào)理電路進(jìn)行交流耦合。

圖2.AD5933，帶輸出信號調(diào)理功能。

凝血測量系統(tǒng)

血液樣本輸送和測量儀器之間的接口至關(guān)重要。在這種情況下，設(shè)計了一個特定的微流體通道，用于將血液樣本輸送到AD5933儀表電路（圖3）。微流體裝置由三層組成。底層包括兩個絲網(wǎng)印刷電極，它們連接到AD5933電路的輸入/輸出端口引腳。頂部微成型聚合物通道由兩個通過微通道連接的儲液罐組成。調(diào)節(jié)凝血反應(yīng)的化學(xué)試劑可以包含在該微通道內(nèi)或中心鍵合層上。頂部和底部通道使用壓敏粘合劑（PSA）粘合。應(yīng)用于一個儲液器的血液樣本充滿微通道。這通過絲網(wǎng)印刷電極接觸，絲網(wǎng)印刷電極又與AD5933電路接口。

圖3.阻抗測量系統(tǒng)的示意圖，其聚合物微通道包含待測血液樣本。它允許樣品與調(diào)節(jié)凝血事件的特定試劑相互作用，并在樣品和AD5933儀器之間創(chuàng)建接口。

測量的阻抗響應(yīng)

圖4比較了凝血和非凝血血液樣本的阻抗響應(yīng)曲線。圖中的箭頭表示建立樣品凝血時間的點。

圖4.非凝血（黑色）和凝血（紅色）血液樣本的阻抗曲線比較。

圖5的阻抗響應(yīng)顯示了凝血時間隨著血液樣本中肝素濃度的增加而增加。箭頭表示不同樣品的凝血時間。

圖5.用于增加凝血時間的阻抗曲線比較：最短（藍(lán)色）到最長（黑色）。

使用上述系統(tǒng)測量許多臨床相關(guān)獻(xiàn)血者樣本的凝血時間，并且這些時間與使用臨床金標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)對樣本供體樣本進(jìn)行的測量相關(guān)（圖6）。

圖6.使用AD5933測量系統(tǒng)測量的提取凝血時間與臨床金標(biāo)準(zhǔn)凝血時間測量的相關(guān)性，每個樣品n = 6。

結(jié)論

AD5933單芯片阻抗分析儀已成功應(yīng)用于凝血過程中的血阻抗變化測量。與現(xiàn)有的商用解決方案相比，它為最終用戶提供了靈活性、功率和尺寸優(yōu)勢。將這種集成電路技術(shù)與其他介質(zhì)中的新技術(shù)相結(jié)合，如微流體和樣品處理，為未來的醫(yī)療器械研發(fā)提供了強(qiáng)大的平臺。

審核編輯：郭婷