【作 者】解传芬，王志红，王炜

深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司，深圳，518054

全自动生化分析系统是临床检验中最经常使用的重要分析设备之一，主要用于定量测定血清、血浆或其它体液的各种生化指标，如葡萄糖、白蛋白、总蛋白、胆固醇和转氨酶等，在辅助诊断、疗效监测和健康检查等方面具有重要意义。

目前我国基层医疗单位，如乡镇卫生院和城市社区卫生服务中心等共有40000多家，为广大群众提供了便捷的基本医疗服务。但限于国家现有资源和条件，广大基层医院在生化分析仪的装备方面还比较滞后，很多单位还在使用半自动生化仪，只有部分条件较好的单位装备了一些全自动生化分析仪。随着国家对基础医疗的推进，改善基层医院的生化分析仪装备条件也成为一个急需解决的问题。

基层医疗单位在生化分析方面具有一定的特殊性。日标本量一般在几十个左右，因此对仪器的处理速度要求不高；仪器的装备主要靠政府投入，因此在仪器的采购成本上有较苛刻的要求；较少的日测试量决定了生化分析业务的收入有限，为了维持日常运行，对使用、维护成本要求较为严格；实验室的电源环境、水环境、洁净度等方面差异大，部分实验室难以满足普通生化分析仪器较为严格的要求；专业检验人员较为缺乏，希望能够比较简单、方便地完成相应的分析测试，同时分析质量必须满足临床的要求；由于一般没有备用机，且距一般设在中心城市的厂家的服务中心有一定的距离，希望仪器的故障率越低越好。这些特点对仪器提出了一些要求，我们可以用“三高”和“三低”来概括。“三高”是指可靠性高、易用性高和环境适应性高，“三低”是指使用成本低、维护成本低和对使用者要求要低。经过多年的发展，目前市场上已有一些较为成熟的生化分析产品，但是由于设计中没有充分考虑到我国基层医院的具体特点和需求，适宜于基层医疗单位普及应用的产品还较少。因此，提供一套低成本、高可靠性、高性能且操作简单的全自动生化分析系统的解决方案，以及基于此方案的产品研发和生产，对解决我国基层医疗单位的装备问题，促进卫生行业和医疗仪器行业发展具有显著的经济效益和社会效益。

1 仪器系统架构

本文所述研制的全自动生化分析仪为先进的随机任选式仪器，由操作部、分析部和结果输出部分（打印机）构成，如图1所示。操作部即计算机系统，其内部安装有仪器控制与分析软件，用于控制仪器的运行和操作并进行必要的数据处理。为配合基层医院信息化的需要，操作部还可与LIS服务器实现数据双向通讯。分析部即仪器的主机，负责实施样品分析过程的全部操作，包括加样品、加试剂、搅拌、恒温孵育、反应与测量等。分析部与操作部在结构上相互独立，通过串口进行双向通讯，操作部向分析部传送数据与指令，并从分析部获取测试数据与状态信息。

为从设计上满足“三高”、“三低”的要求，从分析部的系统架构和技术方案上进行了优化。仪器分析速度设计在每小时200测试/小时左右，整体设计上采用一个反应盘、一个一体化样本/试剂盘、一根一体化试剂/样本针、一根搅拌杆的结构, 通过整机布局设计和系统时序设计，实现各部件的系统工作，执行样本分析的功能。分析部的基本组成和布局如图2所示。用户根据所开展的项目，将相应的试剂放在样本/试剂盘上的试剂位上，并完成定标测试。在日常样本测试时，首先在操作部（电脑）上申请所需测试，并把样本放在指定的样本位中，然后运行仪器。操作部根据申请的项目生成周期性的测试指令，并发送给分析部，通过分析部中央控制单元，将测试指令解析生成底层控制指令，发送给各底层单元执行。样本/试剂针首先把定量的指定试剂注入特定的反应杯，经过一定的孵育时间后，样本/试剂针再把定量的样本注入反应杯中，然后反应盘把该反应杯旋转至搅拌位完成搅拌，在规定的时间内周期性地旋转测量直至反应结束。操作部根据分析部每个周期的测量数据，按照一定的算法完成结果的计算。

图 1仪器系统架构Fig. 1 System framework

该设计能支持各种分析模式，如终点法、固定时间法、动力学法。整机的分析流程如如图3所示。

图 3全自动生化仪的分析流程Fig.3 Analysis procedure of fully automated biochemical analyzer

本方案采用一根针加试剂和样本，在保证精度的同时，相对于中型生化仪节省了一套加样系统的成本，同时由于仪器结构的简化也相应降低了故障率。采用基于一次性反应杯技术的测量系统，从而省去了大中型生化仪中结构复杂、成本高、故障率和维护要求高的反应杯清洗系统，简化了系统结构，为系统的高可靠性、低成本奠定了基础。为了解决电环境的适用问题，主机除温控系统的加热器外，采用宽电源设计。针对水质的问题，设计了完善的过滤措施，保护仪器正常运行。同时集成了一路水质监测传感器，在水质无法满足分析要求时给出报警，以保证结果的可靠性。易用性主要通过优化操作流程和提供检测系统来实现。仪器在出厂时内部已经集成了经过优化的完整分析参数，能够根据条码自动调出完整的分析参数，配合完善的校准品和质控品，用户仅需要掌握基本的仪器操作方法，即可保证分析过程中结果的可靠性。

2 详细设计与实现

2.1 电源系统的设计

基层医疗单位所处的供电环境有时难以满足220V±10%的要求，可能会造成仪器运行的异常甚至分析结果的异常。整机的供电设计采用两个部分，温度控制部分使用的大功率加热器采用220 V市电供电，通过结构设计和控制算法，保证系统在180～264 VAC范围内可以正常工作；其他部分采用先进的开关电源设计技术，允许输入交流电压范围宽达90～264VAC，频率范围50/60±3 Hz，而输出的直流电压稳定无波动，不影响仪器测试性能。电源结构如图4所示。

2.2 加样系统与搅拌系统

加样系统负责完成试剂和样本的分注，其精度直接影响测量结果，是生化仪的关键技术之一[1]。最小加样量及加样精度是生化仪的两个重要指标，低的最小加样量可以节省试剂，降低测试成本；同时，加样系统的精度也直接决定仪器的测试性能。本系统样本分注量为3 μL～45 μL，试剂分注量为20 μL～450 μL。本系统采用一套加样系统来完成样本和试剂的分注。在保证试剂加样范围的同时，又要满足小样本量时的准确度和精密度。为此设计了高精度的注射器驱动模块，并配以合理的液路设计和连接技术。采用了高性能的液面检测技术，采样针在下降过程中能够迅速感应液面信号，检测到液面后立即减速停止，开始吸样，最大限度地减小了针插入液面的深度，以减小针尖挂液对测试结果的影响。排液时，采用了随量跟踪技术，采样针根据所分配液体的多少，自动调整下降深度，以减小挂液和交叉污染。

图 4 PFC功率变换电路原理图Fig.4 Schematic diagram of power conversion circuit

2.3 反应与测量系统

多波长光度计是生化仪的另一个核心模块，直接决定仪器的测量性能。本系统采用了在低速生化仪中性价比最高的滤光片轮结构进行分光，8个波长的滤光片均布在滤光片轮圆周上，在滤光片轮的匀速转动中，使光源经透镜组，先后通过不同波长的滤光片，得到各波长的单色光，再经过光径比色部件（反应杯），进行比色检测。其结构如图5所示。本系统采用一次性反应杯技术，通过精密的模具技术把透紫外光学塑料加工成10个反应杯为一个整体的杯联，杯联固定于反应盘上并随反应盘旋转而定位。在反应完成后，操作者把杯联进行手动更换，在保证高性能的同时，极大地简化了仪器结构，降低了成本，降低了故障率。而且，设计从分析流程上省去了大中型仪器清洗反应杯的过程，提高了系统响应的及时性。

2.4 软件系统设计

软件系统主要进行仪器操作控制与数据的分析处理，用于完成测试申请、登记、工作列表生成、反应过程检测与结果计算、数据的输出入以及存储与查询。从软件功能上可分为操作软件和控制软件，操作软件完成项目申请、编排、执行和测试结果处理；控制软件负责样本试剂添加、光电数据采集和温度控制等动作的执行。软件结构如图6所示。

图 5 反应与测量系统原理示意图Fig.5 Schematic diagram of reaction and measure system

图 6 软件架构Fig.6 Framework of software system

3 检测系统的构建

生化分析系统由仪器、试剂和校准品等构成。按照三者有机结合的程度不同，一般分为封闭系统和开放系统两种使用模式。封闭系统由生产厂家完成试剂参数在仪器上的优化与确定，完成校准品的定值以及完整的分析性能的验证，用户只需要按照要求完成基本操作，即可得到分析结果。开放式应用则需要用户自行完成试剂参数在仪器上的优化与确定，完成系统的校准以及完整的分析性能的验证，一般需要在人力物力上投入较大，对使用者的要求较高，基层医疗单位无力完成。此前由于完整的检测系统仅有国外几个厂家可以提供，国内基层医疗单位主要以开放式系统的模式使用，使用麻烦，同时分析结果的保证有时会成为一个问题。本系统利用迈瑞公司在检测系统构建方面的积累，在面向基层的生化仪上对40个常用项目进行了检测系统的构建[2]。首先确定试剂全部分析参数，如波长、样本量、试剂量、反应时间、定标模型等；在此基础上进行精密度、线性、干扰等分析性能的验证和优化，基本性能通过后才进行校准品的定值及方法学对比验证。经过检测系统的构建后，试剂的分析参数、报警参数、定标模型、定标效期等数据存入仪器的数据库中，通过条形码技术对试剂进行管理[3]。在日常使用中，用户只要把试剂放到仪器的试剂盘中，进行样本申请，即可完成测试。仪器将通过条码扫描自动识别试剂的种类并调入数据库中的参数进行分析，在方便用户的同时，保证了通过基本的操作既可以获得良好的结果。同时，由于实现了国产化，基层用户可以用承受得起的成本，享受使用的方便性，并得到可靠的结果。

4 测试结果

参照CLSI EP系列文件[4，5]对本文研制的全自动生化分析系统进行了性能验证，表1和图7分别给出了ALT的精密度数据和方法学对比数据。结果表明，该仪器精密度较高，并和主流分析系统具有良好的可比性，能够满足医疗机构的使用要求。

表1 ALT的精密度数据Tab.1 The precision performance of ALT

图 7 ALT方法学对比结果Fig.7 Comparison of ALT Method

5 总结

本课题研制的全自动生化分析仪，除了具备目前行业内主流产品的分析性能和功能特点外，充分考虑我国基层医院的特殊需求，通过针对性的设计，达到了高可靠性、高易用性、高环境适应性以及使用成本低、维护成本低、对使用者要求低等目标。该系统的研制，对我国基层医疗单位解决检验装备难的问题起到一定的作用。

[1] 王炜. 全自动生化分析仪关键技术进展[J]. 中国医疗器械信息,2010, 16(12): 18-19.

[2] 王磊, 丁军发, 等. 利用酶学参考实验室网络建立IVD厂家ɣ-GT溯源性主校准品[J]. 计量学报, 2010, 31(z1): 97-100.

[3] 江慎斗, 解传芬, 胡泓.应用于生化仪的条码识别系统[J]. 医疗装备, 2005, 18(10) : 1-3.

[4] CLSI. Evaluation of Precision Performance of Clinical Chemistry Devices: EP5-A, [P]1999.

[5] CLSI. Method Comparison and Bias Estimation Using Patient Samples: EP9-A2, [P]2002-12-19.