乙肝快速分析仪
来源：UC论文网2015-11-04 15:21
摘要：
第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的意义和目的 传染疾病的控制和检测已成为当今社会所面临的一个严峻课题。在中国，乙肝病患者多达一亿，防治病毒性肝炎已成为保障我国人民健康最紧迫
第 1 章 绪 论
1.1 课题研究的意义和目的
传染疾病的控制和检测已成为当今社会所面临的一个严峻课题。在中国，乙肝病患者多达一亿，防治病毒性肝炎已成为保障我国人民健康最紧迫的任务之一，其对促进经济发展和社会和谐具有重要的意义。面临这种严峻的形势，分辨出健康人群与病菌携带者，隔离传染源成了势在必行的措施[1-2]。
我国是乙型肝炎的重灾区，10％以上的人口为乙肝表面抗原(Hepatitis B VirusAntigen)阳性患者。乙型肝炎传染的主要来源是乙肝病毒(Hepatitis B Virus)携带者和慢性乙型肝炎患者。乙型肝炎表面抗原(HBsAg)是乙型肝炎感染的重要指标。因此，乙型肝炎表面抗原的检测通常是日常体检、献血、手术和急诊输血前后的常规检查项目。检测乙型肝炎表面抗原对降低医院内交叉感染、早期诊断乙肝、早期预防乙肝、早期治疗乙肝具有重要的意义。随着城镇化建设的推进，不断增加的就诊患者数量和层出不穷的新型传染疾病已对医学检验构成了巨大的挑战和负担。过去完全依赖人工检验的方式已经无法满足现实需要，迫切要求设计一种自动化设备来代替人的工作从而提高检验效率。现有常用的乙肝病毒检测方法主要有四种[3]，分别是免疫荧光法、酶免疫法、固相放射免疫法和金标免疫法。免疫荧光法通常会受血清组成、试管、仪器等本底荧光和激发光源杂散光影响，灵敏度有限。酶免疫法虽然准确性好，试剂稳定，但设备昂贵，所有必需品全部依赖进口，检测成本高，不适合急诊、基层医院和需要大面积筛查的检测项目。固相放射免疫法是以放射性同位素为标记物，检测精度高，但会对生物分子本身有影响，并且有放射性污染问题。金标免疫法与另外三种方法相比，具有独特的优势。它具有快速、操作简单、单步完成等优点，因此特别适用于大型医院的急诊，中、小医院和家庭以及需要大面积推广的筛查项目使用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究概况
21 世纪初，外洋推出了全主动酶联免疫体系阐发仪，它们都是对应于酶联免疫（ELISA）法的仪器。日本协和医药株式的 AP-960 全主动酶联免疫阐发仪，瑞士哈美顿公司的 FAME（费米）全主动酶免阐发体系，见图 1.1，瑞士 Tecan 公司的TECAN 全主动酶联免疫事情站，见图 1.2，但是针对付酶联免疫（ELISA）法的仪器都存在检测时间长，仪器用度昂贵的特点，并不实用于一样寻常体检、献血职员体检、手术及急诊输血前后的通例查抄项目。由于其代价昂贵，没有得到遍及应用。
1.2.2 国内研究现状
目前实验室普遍用于检测乙型肝炎表面抗原（HBsAg）的方法有两种，一种是酶联免疫（Enzyme-linked Immunosorbent Assay）法，操作复杂，检测时间长，较为繁琐，又不便单样本快速检测。另外一种目前采用的胶体金免疫层析法是 20 世纪90 年代国外兴起的一种快速诊断技术，它具有快速检测乙型肝炎表面抗原（HBsAg），无需洗涤、终止，操作快速简便等优点。
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第 2 章 乙肝表面抗原胶体金试纸条定量检测机理
乙肝外貌抗原胶体金试纸条的检测必要综合应用生化和光电等技能。传统的检测一样通常只注意试纸条的生化性能，其对应革新步伐也仅仅停顿在质料与生化阐发的层面上，诸如吸水层质料、标志抗体含量、胶体金颗粒巨细和硝酸纤维素膜质料等。这些是导致乙肝外貌抗原胶体金试纸条检测技能限于现有定性或半定量检测、研究的希望迟钝的重要缘故原由。为办理试纸条定量检测研究的瓶颈，本章将对乙肝外貌抗原胶体金试纸条孕育发生的光谱峰特性曲线举行研究，并深入阐发影响光谱峰的种种因素。
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2.1 乙肝表面抗原试纸条
乙肝外貌抗原胶体金试纸条具有易操纵、检测速率快、无污染和本钱低廉等长处，比年来其已被遍及用于临床诊断。凭据抗原、抗体特异性纪律及胶体金显色的根来源根基理，当被测样本液浸泡或滴入试纸条时，在吸水纤维毛细力吸引作用下，被检目的通过胶体金的活动被移动到预先装有抗体的测试线上。当被测样本液中的被检目的与预置抗体对应，则产生特异性联合，测试线产生颜色转变，多为赤色或紫赤色[30]。相反，若被检目的与预置抗体不立室，测试线则不产生显色。使用光电检测体系阐发测试线上色带的光谱形状和峰值，可以得到与色带颜色成正相干的被检液浓度。
纳米金是指粒子直径小于 100nm 的微小金粒子。表面带负电荷的纳米金颗粒因静电力作用在水中呈稳定状态，其与水的混合物成胶体状态，又称胶体金。胶体金的特性使其表面带有大量电荷，因而其对蛋白质等高分子物质具有很强的吸附作用。胶体金标记蛋白就是利用该表面吸附作用将蛋白质附着在胶体金颗粒上获得的。金颗粒具有高电子密度特性，当其标记体在固相载体上的密度超过一定数量时可呈现肉眼即可识别的红色或紫红色。
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第3章 乙肝快速分析仪控制系统的设计.................... 33-46
3.1 乙肝快速分析仪基本构成...................... 33-34
3.2 乙肝快速分析仪控制系统的设计 .................34-45
3.2.1 控制系统结构设计...................... 34-35
3.2.2 控制系统内处理器通讯方式设计................. 35-37
3.2.3 控制系统主要器件的选择与器件外围电路设计............. 37-40
3.2.4 机械传动控制模块的设计 .......................40-41
3.2.5 光电检测模块的设计 .........................41-44
3.2.6 智能IC 卡接口模块的设计 ...................44-45
3.3 本章小结 ................................45-46
第4章 控制系统的软件设计
乙肝表面抗原快速检测仪系统的控制任务是以硬件电路为平台，由相应控制程序实现的。底层运行于 DSP 内的主控制程序采用 C 语言和汇编语言混合编写，用TI 公司发布的免费 IDE 软件 CCS 进行编译、下载和调试。顶层 ARM 嵌入式控制程序采用 Qt/Embedded 语言进行编写。相关控制程序设计主要包括主程序设计、人机接口程序设计两部分，其中主程序设计又包含通信模块、快速检测模块和检测线位置计算模块三个子部分。
4.1 主程序设计
乙肝表面抗原快速检测仪系统底层软件采用 C 语言和 TMS320F2812 的汇编指令集实现。TMS320F2812 内部采用流水线操作、改进的哈佛结构、特殊的 DSP 指令和专用的硬件乘法器。它使用了多总线技术，使得 1 条指令可以同时访问程序空间和数据空间，具有高速的并行性和强大的数据处理能力。TMS320F2812 工作主频最高可达 150 MHz(时钟周期 6.67 ns)，其先进的内部和外设结构使得该处理器完全满足主程序的运行要求。
乙肝表面抗原快速检测仪系统的控制流程如图 4.1 所示。首先确定好定时器的定时时间。试纸条被放入测试口，当定时时间到时，仪器开始检测。步进电机驱动机械系统带动试纸条运动，光点检测系统从试纸条背景区向检测线移动扫描。光照射在试纸条上，反射光由传感器接收并进行光电信号的转换。控制主程序对采集获得的电信号进行处理，计算出待测样本浓度并通过顶层应用程序显示给操作者，同时还可以按需要打印出来或存储与智能 IC 中。
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结论
本文根据乙肝表面抗原金标免疫试纸条的检测现状和发展趋势，利用光学传感器技术、光电信息处理技术、信号处理技术和 ARM-DSP 双核控制结构设计方法等，设计了一套自动检测乙肝表面抗原金标免疫试纸条的控制系统。论文取得主要研究成果：
（1）研究了乙肝表面抗原金标免疫试纸条定量检测机理和光谱峰信号的基本组成，深入分析了影响乙肝表面抗原金标免疫试纸条光谱峰的各种因素，对生化噪声和光电噪声引起的试纸条光谱峰变化进行了研究，利用小波变换的奇异性检测算法实现了对检测线位置的识别。
（2）利用嵌入式系统技术对乙肝快速检测仪的控制系统进行了设计，单板实现了控制器上下位机实现的功能。控制系统采用 ARM-DSP 双核控制结构，同时满足了多任务控制和运动控制需求，在保持计算机控制系统原有优点的基础上提供了小体积、低功耗、抗干扰等新特性，为快速检测仪的小型化和便携化设计奠定了基础。
（3）完成了乙肝快速检测仪控制系统的软件设计。控制系统的软件设计主要在底层控制、上层交互应用和中间层数据访问接口三方面进行。底层控制方面完成了检测仪主程序及其各功能模块的设计，上层交互应用方面完成了以 Qt/Embedded 函数库为基础的人机交互应用程序的设计及其交叉编译，中间层数据访问接口方面实现了嵌入式应用程序与双口 RAM 驱动程序的数据通讯。总结了嵌入式软件设计的基本步骤：选择嵌入式操作系统及应用程序的基础类库，编写相关硬件驱动程序，设计程序界面，编写程序结构代码，选择正确的编译器进行交叉编译，下载程序到目标机调试运行。此方法适用大部分嵌入式软件设计。
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参考文献（略）
1.1 课题研究的意义和目的
传染疾病的控制和检测已成为当今社会所面临的一个严峻课题。在中国，乙肝病患者多达一亿，防治病毒性肝炎已成为保障我国人民健康最紧迫的任务之一，其对促进经济发展和社会和谐具有重要的意义。面临这种严峻的形势，分辨出健康人群与病菌携带者，隔离传染源成了势在必行的措施[1-2]。
我国是乙型肝炎的重灾区，10％以上的人口为乙肝表面抗原(Hepatitis B VirusAntigen)阳性患者。乙型肝炎传染的主要来源是乙肝病毒(Hepatitis B Virus)携带者和慢性乙型肝炎患者。乙型肝炎表面抗原(HBsAg)是乙型肝炎感染的重要指标。因此，乙型肝炎表面抗原的检测通常是日常体检、献血、手术和急诊输血前后的常规检查项目。检测乙型肝炎表面抗原对降低医院内交叉感染、早期诊断乙肝、早期预防乙肝、早期治疗乙肝具有重要的意义。随着城镇化建设的推进，不断增加的就诊患者数量和层出不穷的新型传染疾病已对医学检验构成了巨大的挑战和负担。过去完全依赖人工检验的方式已经无法满足现实需要，迫切要求设计一种自动化设备来代替人的工作从而提高检验效率。现有常用的乙肝病毒检测方法主要有四种[3]，分别是免疫荧光法、酶免疫法、固相放射免疫法和金标免疫法。免疫荧光法通常会受血清组成、试管、仪器等本底荧光和激发光源杂散光影响，灵敏度有限。酶免疫法虽然准确性好，试剂稳定，但设备昂贵，所有必需品全部依赖进口，检测成本高，不适合急诊、基层医院和需要大面积筛查的检测项目。固相放射免疫法是以放射性同位素为标记物，检测精度高，但会对生物分子本身有影响，并且有放射性污染问题。金标免疫法与另外三种方法相比，具有独特的优势。它具有快速、操作简单、单步完成等优点，因此特别适用于大型医院的急诊，中、小医院和家庭以及需要大面积推广的筛查项目使用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究概况
21 世纪初，外洋推出了全主动酶联免疫体系阐发仪，它们都是对应于酶联免疫（ELISA）法的仪器。日本协和医药株式的 AP-960 全主动酶联免疫阐发仪，瑞士哈美顿公司的 FAME（费米）全主动酶免阐发体系，见图 1.1，瑞士 Tecan 公司的TECAN 全主动酶联免疫事情站，见图 1.2，但是针对付酶联免疫（ELISA）法的仪器都存在检测时间长，仪器用度昂贵的特点，并不实用于一样寻常体检、献血职员体检、手术及急诊输血前后的通例查抄项目。由于其代价昂贵，没有得到遍及应用。
1.2.2 国内研究现状
目前实验室普遍用于检测乙型肝炎表面抗原（HBsAg）的方法有两种，一种是酶联免疫（Enzyme-linked Immunosorbent Assay）法，操作复杂，检测时间长，较为繁琐，又不便单样本快速检测。另外一种目前采用的胶体金免疫层析法是 20 世纪90 年代国外兴起的一种快速诊断技术，它具有快速检测乙型肝炎表面抗原（HBsAg），无需洗涤、终止，操作快速简便等优点。
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第 2 章 乙肝表面抗原胶体金试纸条定量检测机理
乙肝外貌抗原胶体金试纸条的检测必要综合应用生化和光电等技能。传统的检测一样通常只注意试纸条的生化性能，其对应革新步伐也仅仅停顿在质料与生化阐发的层面上，诸如吸水层质料、标志抗体含量、胶体金颗粒巨细和硝酸纤维素膜质料等。这些是导致乙肝外貌抗原胶体金试纸条检测技能限于现有定性或半定量检测、研究的希望迟钝的重要缘故原由。为办理试纸条定量检测研究的瓶颈，本章将对乙肝外貌抗原胶体金试纸条孕育发生的光谱峰特性曲线举行研究，并深入阐发影响光谱峰的种种因素。
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2.1 乙肝表面抗原试纸条
乙肝外貌抗原胶体金试纸条具有易操纵、检测速率快、无污染和本钱低廉等长处，比年来其已被遍及用于临床诊断。凭据抗原、抗体特异性纪律及胶体金显色的根来源根基理，当被测样本液浸泡或滴入试纸条时，在吸水纤维毛细力吸引作用下，被检目的通过胶体金的活动被移动到预先装有抗体的测试线上。当被测样本液中的被检目的与预置抗体对应，则产生特异性联合，测试线产生颜色转变，多为赤色或紫赤色[30]。相反，若被检目的与预置抗体不立室，测试线则不产生显色。使用光电检测体系阐发测试线上色带的光谱形状和峰值，可以得到与色带颜色成正相干的被检液浓度。
纳米金是指粒子直径小于 100nm 的微小金粒子。表面带负电荷的纳米金颗粒因静电力作用在水中呈稳定状态，其与水的混合物成胶体状态，又称胶体金。胶体金的特性使其表面带有大量电荷，因而其对蛋白质等高分子物质具有很强的吸附作用。胶体金标记蛋白就是利用该表面吸附作用将蛋白质附着在胶体金颗粒上获得的。金颗粒具有高电子密度特性，当其标记体在固相载体上的密度超过一定数量时可呈现肉眼即可识别的红色或紫红色。
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第3章 乙肝快速分析仪控制系统的设计.................... 33-46
3.1 乙肝快速分析仪基本构成...................... 33-34
3.2 乙肝快速分析仪控制系统的设计 .................34-45
3.2.1 控制系统结构设计...................... 34-35
3.2.2 控制系统内处理器通讯方式设计................. 35-37
3.2.3 控制系统主要器件的选择与器件外围电路设计............. 37-40
3.2.4 机械传动控制模块的设计 .......................40-41
3.2.5 光电检测模块的设计 .........................41-44
3.2.6 智能IC 卡接口模块的设计 ...................44-45
3.3 本章小结 ................................45-46
第4章 控制系统的软件设计
乙肝表面抗原快速检测仪系统的控制任务是以硬件电路为平台，由相应控制程序实现的。底层运行于 DSP 内的主控制程序采用 C 语言和汇编语言混合编写，用TI 公司发布的免费 IDE 软件 CCS 进行编译、下载和调试。顶层 ARM 嵌入式控制程序采用 Qt/Embedded 语言进行编写。相关控制程序设计主要包括主程序设计、人机接口程序设计两部分，其中主程序设计又包含通信模块、快速检测模块和检测线位置计算模块三个子部分。
4.1 主程序设计
乙肝表面抗原快速检测仪系统底层软件采用 C 语言和 TMS320F2812 的汇编指令集实现。TMS320F2812 内部采用流水线操作、改进的哈佛结构、特殊的 DSP 指令和专用的硬件乘法器。它使用了多总线技术，使得 1 条指令可以同时访问程序空间和数据空间，具有高速的并行性和强大的数据处理能力。TMS320F2812 工作主频最高可达 150 MHz(时钟周期 6.67 ns)，其先进的内部和外设结构使得该处理器完全满足主程序的运行要求。
乙肝表面抗原快速检测仪系统的控制流程如图 4.1 所示。首先确定好定时器的定时时间。试纸条被放入测试口，当定时时间到时，仪器开始检测。步进电机驱动机械系统带动试纸条运动，光点检测系统从试纸条背景区向检测线移动扫描。光照射在试纸条上，反射光由传感器接收并进行光电信号的转换。控制主程序对采集获得的电信号进行处理，计算出待测样本浓度并通过顶层应用程序显示给操作者，同时还可以按需要打印出来或存储与智能 IC 中。
..................................
结论
本文根据乙肝表面抗原金标免疫试纸条的检测现状和发展趋势，利用光学传感器技术、光电信息处理技术、信号处理技术和 ARM-DSP 双核控制结构设计方法等，设计了一套自动检测乙肝表面抗原金标免疫试纸条的控制系统。论文取得主要研究成果：
（1）研究了乙肝表面抗原金标免疫试纸条定量检测机理和光谱峰信号的基本组成，深入分析了影响乙肝表面抗原金标免疫试纸条光谱峰的各种因素，对生化噪声和光电噪声引起的试纸条光谱峰变化进行了研究，利用小波变换的奇异性检测算法实现了对检测线位置的识别。
（2）利用嵌入式系统技术对乙肝快速检测仪的控制系统进行了设计，单板实现了控制器上下位机实现的功能。控制系统采用 ARM-DSP 双核控制结构，同时满足了多任务控制和运动控制需求，在保持计算机控制系统原有优点的基础上提供了小体积、低功耗、抗干扰等新特性，为快速检测仪的小型化和便携化设计奠定了基础。
（3）完成了乙肝快速检测仪控制系统的软件设计。控制系统的软件设计主要在底层控制、上层交互应用和中间层数据访问接口三方面进行。底层控制方面完成了检测仪主程序及其各功能模块的设计，上层交互应用方面完成了以 Qt/Embedded 函数库为基础的人机交互应用程序的设计及其交叉编译，中间层数据访问接口方面实现了嵌入式应用程序与双口 RAM 驱动程序的数据通讯。总结了嵌入式软件设计的基本步骤：选择嵌入式操作系统及应用程序的基础类库，编写相关硬件驱动程序，设计程序界面，编写程序结构代码，选择正确的编译器进行交叉编译，下载程序到目标机调试运行。此方法适用大部分嵌入式软件设计。
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参考文献（略）
