使用AD5933對(duì)血液凝固進(jìn)行阻抗測(cè)量

簡介

血液凝固是一種復(fù)雜的，動(dòng)態(tài)的生理過程，通過這種過程形成凝塊以終止受傷部位的出血。在心臟旁路手術(shù)期間，血液被轉(zhuǎn)移出心臟機(jī)器，從而維持心肺功能。該機(jī)器由灌注師操作，其作用包括監(jiān)測(cè)適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)，以確?；颊叩玫接行У目鼓?jiǎng)┲委?，以避免血栓。為此目的，在手術(shù)期間給予肝素，一種抗凝血藥物，然后快速逆轉(zhuǎn)，以防止出血過多。為了保持凝血和出血之間的微妙平衡，患者的凝血時(shí)間手術(shù)期間每30至60分鐘監(jiān)測(cè)一次，手術(shù)后數(shù)次監(jiān)測(cè)，直至正常凝血時(shí)間恢復(fù)。目前，從患者靜脈注射的血液樣本在床邊測(cè)試，測(cè)量凝血 - 用于調(diào)整抗凝治療的時(shí)間值。

ADI公司是生物醫(yī)學(xué)診斷研究所（BDI）的合作伙伴，科學(xué)，工程和技術(shù)中心，愛爾蘭科學(xué)基金會(huì)。BDI是一個(gè)多學(xué)科研究機(jī)構(gòu)，致力于開發(fā)下一代生物醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備。在其中一項(xiàng)BDI整合計(jì)劃中，ADI公司與都柏林城市大學(xué)以及一家全球?qū)I(yè)制藥和藥物輸送公司合作，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(cè)設(shè)備。該系統(tǒng)將提供關(guān)于患者凝血狀態(tài)的快速，自動(dòng)化信息 - 改善患者安全性，工作流程和決策支持 - 從而改善患者預(yù)后。

血液凝固的電測(cè)量

血液體內(nèi)的凝血由許多細(xì)胞和其他活性成分調(diào)節(jié)。 凝血級(jí)聯(lián)描述了血液成分以及它們?nèi)绾螀⑴c凝塊形成過程。隨著級(jí)聯(lián)激活，血液從非凝固狀態(tài)進(jìn)展到凝固狀態(tài)，引起分子電荷狀態(tài)和有效電荷遷移率的變化。級(jí)聯(lián)的最后步驟涉及兩個(gè)組分，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 - 其自發(fā)聚集。凝血時(shí)間的終點(diǎn)定義為纖維蛋白凝塊形成的時(shí)間。

通過監(jiān)測(cè)凝血樣本的全局阻抗，測(cè)量與凝塊形成相關(guān)的電導(dǎo)率。為了評(píng)估儀器性能，根據(jù)數(shù)據(jù)確定的凝血時(shí)間與凝血時(shí)間的“金標(biāo)準(zhǔn)”臨床測(cè)量值相關(guān)聯(lián)。

使用AD5933進(jìn)行阻抗測(cè)量

AD5933 完全集成的單芯片阻抗分析儀（圖1）是一種高精度阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，它結(jié)合了以下功能。電路板頻率發(fā)生器，帶有12位，1 MSPS，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。頻率發(fā)生器以已知頻率向外部復(fù)阻抗提供激勵(lì)電壓。響應(yīng)信號(hào)（電流）由板載ADC采樣，離散傅立葉變換（DFT）由板載DSP引擎處理。 DFT算法在每個(gè)輸出頻率返回實(shí)數(shù)（R）和虛數(shù)（I）數(shù)據(jù)字。使用這些元件，可以輕松計(jì)算沿掃描每個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗大小和相對(duì)相位。

AD5933的框圖演示了阻抗測(cè)量的完全集成系統(tǒng)。本地?cái)?shù)字處理可以計(jì)算被測(cè)電路的復(fù)阻抗。系統(tǒng)需要初始校準(zhǔn)：用精密電阻代替待測(cè)量的阻抗;并計(jì)算后續(xù)測(cè)量的比例因子。對(duì)于1 kHz至100 kHz的激發(fā)頻率，AD5933可以測(cè)量100Ω至10MΩ之間的阻抗值，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)。 9,10,11,12,13 然而，最近可用的集成電路復(fù)阻抗測(cè)量裝置意味著血凝時(shí)間測(cè)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(shì)，這是關(guān)鍵護(hù)理設(shè)置中的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。

單電源設(shè)備（如AD5933）通常將信號(hào)擺動(dòng)定位在固定直流偏置值。這在大多數(shù)阻抗測(cè)量中不是重要的考慮因素，但是高于特定閾值的直流電壓導(dǎo)致電化學(xué)過程發(fā)生在與電極接觸的水性導(dǎo)電介質(zhì)中，從而改變樣品。為了防止在當(dāng)前項(xiàng)目中使用AD5933進(jìn)行血液樣本測(cè)量時(shí)發(fā)生電解，使用圖2所示的信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電壓激勵(lì)和電流測(cè)量進(jìn)行交流耦合。

血液凝固測(cè)量系統(tǒng)

血液樣本傳遞與測(cè)量儀器之間的界面至關(guān)重要。在這種情況下，血液樣本輸送到的特定微流體通道被設(shè)計(jì)為連接到AD5933儀器電路（圖3）。微流體裝置由三層組成。底層包括兩個(gè)絲網(wǎng)印刷電極，它們連接到AD5933電路的輸入/輸出端口引腳。頂部微模塑聚合物通道由兩個(gè)通過微通道連接的儲(chǔ)存器組成。調(diào)節(jié)凝固反應(yīng)的化學(xué)試劑可以包含在該微通道內(nèi)或中心粘合層上。使用壓敏粘合劑（PSA）粘合頂部和底部通道。施加到一個(gè)儲(chǔ)液器的血液樣品填充微通道。這與絲網(wǎng)印刷電極接觸，電極又與AD5933電路連接。

測(cè)量的阻抗響應(yīng)

凝血和非凝固血液的阻抗響應(yīng)曲線在圖4中比較了樣品。圖中的箭頭表示樣品凝固時(shí)間的確定點(diǎn)。

圖5的阻抗響應(yīng)顯示凝血時(shí)間增加增加血液樣本中肝素的濃度。箭頭表示不同樣品的凝固時(shí)間。

使用上述系統(tǒng)測(cè)量許多臨床相關(guān)的獻(xiàn)血者樣品的凝血時(shí)間，并將這些與在樣本供體樣本，使用臨床金標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)（圖6）。

結(jié)論

AD5933單芯片阻抗分析儀已成功應(yīng)用于凝血過程中血液阻抗變化的測(cè)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(shì)。將這種集成電路技術(shù)與其他介質(zhì)中的新技術(shù)（如微流體和樣品處理）相結(jié)合，為未來醫(yī)療器械的研究和開發(fā)提供了強(qiáng)大的平臺(tái)。