专利名称：一种无线互联嵌入式叶酸定量检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及叶酸检测技术领域，特别是一种无线互联嵌入式叶酸定量检测系统及
其检测方法。
背景技术：
研究证实，妇女孕前或妊娠早期缺乏叶酸可造成胎儿神经管畸形。叶酸与同型半胱氨酸代谢关系密切，对预防心血管疾病的发生具有重要的生物学意义。人体叶酸营养状况已成为健康检查的一项重要指标。 叶酸的检测方法已有多种，其中微生物法、同位素放射免疫法的使用较为广泛。微生物法灵敏度高、结果准确，但整个实验周期长，批次间检测结果重复性差；同位素放射免疫法准确度和重复性好，但放射同位素漆):射线对人体造成辐射损害，检测废弃物对环境造
成放射性污染。与上述两种方法相比，化学发光免疫法灵敏度高、结果稳定、误差小、使用周期长、无污染，具有很好的市场应用价值和推广价值。基于上述原因本发明使用化学发光免疫法进行叶酸定量检测。 目前，市场上只有部分通用型化学发光免疫检测装置将叶酸作为检测对象，如美国雅培公司生产的AXSYM全自动免疫发光分析仪，它集成了计算机分析技术、微粒子免疫固相分析技术以及增强化学发光技术等先进技术，可完成包括叶酸检测在内的80多个检测项目。但是这类通用型检测设备使用了许多叶酸检测不必要的技术手段，如计算机辅助分析技术，机械传动与定位技术等，使得仪器结构复杂，体积大，造价高昂，操作繁琐，不利于叶酸定量检测技术在广大基层检测机构及医疗机构推广。 申请号为200710016174. 7的发明公开了一种智能叶酸检测仪，但其架构仍然沿用通用型化学发光免疫检测装置的设计方法，采用上位机与下位机总线互联的结构构，集成计算机辅助分析技术、机械传动技术和自动控制技术，功能全面，结构较为复杂，完全能够胜任多种检测项目的检测要求，严格意义上讲应该视为一种通用型化学发光免疫检测装置，并且该发明缺乏有效的无线网络技术和数据库技术支持，不利于系统扩展和分布式检 目前市场上，针对叶酸采用化学发光免疫技术的专用小型检测设备尚属空白，至于在叶酸检测中使用嵌入式控制技术和无线分布式检测技术更是鲜有相关发明或文献提到。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种无线互联嵌入式叶酸定量检测系统及其检测方法。 本发明所要解决的关键技术问题是设计一套叶酸专用化学发光定量检测系统，在抓住叶酸化学发光免疫检测技术本质的前提下，采用与通用性化学发光免疫检测设备完全不同的技术架构，摒弃通用性设备大而全的设计理念，以降低成本、提高便携性和增强可扩展性为目标，略去样品处理系统、机械定位系统及计算机辅助分析系统，以叶酸化学发光 检测项目为对象，以嵌入式控制系统为核心，整合微光检测技术和无线定位、组网技术，实 现叶酸检测的嵌入式控制和分布式检测。 本发明设计了一种无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，具有单机检测和组网检测 两种工作模式。叶酸检测装置可独立工作在单机检测模式，以AVR ATmega 128单片机和 TinyOS实时操作系统构成的嵌入式控制系统为核心，实现针对叶酸的化学发光免疫定量测 定；叶酸检测装置协同信息采集装置和数据处理中心进行组网检测，组网检测模式充分利 用CC2420射频芯片的Zigbee网络特性，实现多机分布式检测。是一种开放式小型医疗检 测系统。 1.叶酸检测装置系统构成 叶酸检测装置主要包括微光检测、数据处理、半自动加样、无线组网和输入输出控 制五个功能单元。微光检测单元由光电倍增管、CPLD(复杂可编程逻辑器件)接口采样电 路构成，叶酸化学发光标记试剂在反应过程中产生的辐射光通过光电倍增管转化为电信 号，电信号经前置放大器和CPLD采样电路进行级联放大、滤波、分频等信号处理过程成为 规整的数字脉冲信号 一-相对发光单元(RLU);数据处理单元使用AVRATmega 128单片机 和TinyOS实时操作系统构成的嵌入式控制系统，它是本系统的核心，具有实现RLU计数接 口 、人机交互接口 、无线通讯接口 、打印机接口等外围接口控制，完成叶酸拟合算法，进行人 机交互等功能；半自动加样单元由步进电机和三通阀实现，单片机连接控制步进电机自动 加液，三通阀需手动调节选择天价激发液和清洗液；无线组网单元是组网检测模式的核心， 它使用CC2420射频芯片，满足IEEE802. 15. 4标准的Zigbee协议，具体功能将在组网检测 一节展开介绍；输入输出控制单元主要包括键盘，LCD显示器，打印机等。见系统功能示意 图(1) 微光检测单元是叶酸检测装置设计的关键，其测量精度和范围直接决定整个叶酸 检测系统的精密度和稳定性，鉴于此，本发明选用光电倍增管和CPLD高速采样电路，设计 有效的滤波和放大电路，以保证光电转换的可靠性和采样精度。CPLD的滤波阈值和分频系 数可通过软件进行配置，调整上述两个参数到合理区间可兼顾采样精度和范围，使光电检 测的性能最优。其实现见附图(2)。 叶酸检测装置控制核心为加州大学Berkeley分校开发的TinyOS嵌入式实时操作 系统，内核程序仅有4KB，支持轻量级任务及事件驱动，无需上位机及配套软件即可运行。系 统针对叶酸化学发光免疫反应的特点在算法上做了优化，叶酸检测装置单机检测时操作流 程如下所示以人机交互方式测量本底、标准及叶酸标本的RLU计数，通过实验分析选择线 性拟合方式和log-logit坐标系建立拟合曲线，进而求得叶酸标本浓度，并可根据操作人 员的需要打印检测报告，具体操作流程详见附图(3)。 半自动加样功能单元使用贯通轴式步进电机，试剂加样误差不大于0. 5微升，保 证了叶酸化学发光免疫反应的稳定性。 叶酸检测装置使用按键与LED驱动芯片-一MAX6959设计键盘接口 ，其与传统的 PS2键盘接口相比，按键响应时间短，驱动引脚少，节省系统资源；LCD人机界面开发了一套 适合叶酸检测的图文设备驱动，界面美观，可移植性强。 本发明单机工作时是一台叶酸专用检测装置，操作简单，携带方便，为小型医疗检测机构乃至个人提供了叶酸检测的低成本选择。
2.组网检测 组网检测主要由叶酸检测装置、信息采集装置和数据处理中心协同完成。叶酸检测装置已在上一节做了详细介绍，不再赘述；信息采集装置的核心控制系统也是AVRATmega 128单片机和TinyOS实时操作系统，但其外围电路接口较为简单，只有CC2420无线射频电路和RS232总线接口，能够实现信息中转和无线定位功能；数据处理中心是一台配有SQLSever数据库和专用叶酸统计分析软件的计算机，能够实现叶酸检测结果的存取，检索和统计学分析等功能，组网检测功能框图见附图(4)。 信息采集装置用两节干电池供电，也可以使用交流电供电，能够全天候工作。室内视距范围有效通讯距离为70—-100米，工作频率为2405-2485腿z，数据传输速率为250kbps，完全满足叶酸检测结果的传输要求。 信息采集装置在安装前需要设定自身坐标，安装时按自身坐标固定在走廊或室内天花板，每个信息采集装置有效通讯距离内必须有一个或一个以上的其他信息采集装置，叶酸检测装置必须放在某个信息采集装置的有效通讯距离内。根据上述安装要求，多个叶酸检测装置和信息采集节点可组成Zigbee无线网络，能够保持较好的连通性，该Zigbee网络是一种拓扑结构相对稳定多跳网络，维护成本低，理论网络容量可容纳65536个Zigbee通讯设备，可扩展性强。 本发明在试验统计学方法分析不同路径损耗模型的基础上，提出了较为合理的Zigbee路径损耗模型，结合最小二乘估计和三角定位算法，设计了一套基于接受信号强度指示(RSSI)的多级发射能量无线定位方法。其定位精度为每100米，最大定位误差为2-3米。根据上述算法每个叶酸检测装置均可实现自身定位，坐标信息将作为叶酸检测装置的网络标示。 组网检测模式下，每台叶酸检测装置检测完毕后会在Zigbee网络内广播检测结果，所有叶酸检测结果经Zigbee无线网络汇集到某一指定的信息采集装置，该信息采集装置通过RS232接口连接数据处理中心，用户可在数据处理中心上访问某一时段所有叶酸检测装置的检测结果。该过程无需借助局域网即可完成叶酸检测的网络化管理，为叶酸定量检测提供了 一套低成本无线分布式解决方案。 同时，数据处理中心可通过RJ45总线接口连接互联网，并开放数据库远程访问端口，可为远程专家医疗诊断系统提供诊断依据或者在相关部门协调下实现某一地区乃至全国范围的叶酸检测普查。 —种无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，包括微光检测装置、半自动加样装置、数
据处理与控制装置、无线组网与定位装置和输入输出控制装置，数据处理与控制装置分别
连接微光检测装置、半自动加样装置、无线组网与定位装置和输入输出控制装置。 所述微光检测装置由光电倍增管、CPLD(复杂可编程逻辑器件)接口采样电路构
成，光电倍增管连接CPLD，辐射光通过光电倍增管转化为电信号，电信号经前置放大器和
CPLD采样电路进行级联放大、滤波、分频等信号处理过程成为规整的数字脉冲信号。 所述光电倍增管采用R212型光电倍增管。 所述半自动加样装置采用贯通轴式混合步进电机和三通阀，单片机连接控制步进电机。
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所述数据处理与控制装置采用ATmega 128单片机和TinyOS实时操作系统构成嵌 入式控制系统。 所述嵌入式控制系统具有实现RLU计数接口 、人机交互接口 、无线通讯接口 、打印
机接口外围接口控制，完成叶酸拟合算法，进行人机交互。 所述无线组网与定位装置无线通讯使用CC2420射频芯片。 所述输入输出控制装置包括键盘、打印机、LCD显示器， 按键使用带有I2C总线接口 MAX6959驱动；LCD显示器支持320X240像素和 240X160像素两种配置，并针对叶酸检测设计了专门的图形设备接口 ；外接打印机接口使 用标准的RS232串口。 —种单机检测模式下叶酸定量检测分析方法，其步骤如下步骤SI.开机自检，正
常转步骤S2，不正常返回提醒操作人员后，返回系统初始化的开机画面； 步骤S2.以人机交互方式测量本底，满意转步骤S3，不满意返回步骤S2 ; 步骤S3.检测试剂空白，满意转步骤S4，不满意，清洗通道后，返回步骤S3 ; 步骤S4.检测试剂标准，检测试剂标准后，输入标准浓度，转步骤S5 ; 步骤S5.生成、显示标准曲线，满意转步骤S6，保存曲线后，转步骤S6，不满意返回
步骤S4 ; 步骤S6.检测待测标本，步骤S7 ; 步骤S7.以人机交互方式测量本底、标准及叶酸标本的RLU计数，通过实验分析选 择线性拟合方式和log-logit坐标系建立拟合曲线，进而求得叶酸标本浓度，计算、显示待 测标本浓度后，打印结果，结束。 —种组网检测模式下无线互联嵌入式架构工作模式，由远程主机、互联网、数据处 理中心、多个叶酸检测装置和信息采集节点组成叶酸检测Zigbee无线网络，远程主机通过 互联网与数据处理中心双向联系，叶酸检测装置与信息采集装置(节点)相互联系，信息采 集装置通过RS232接口连接数据处理中心，组网检测主要由叶酸检测装置、信息采集装置 和数据处理中心协同完成，信息采集装置的核心控制系统也是由AVR ATmega 128单片机和 TinyOS实时操作系统构成，外围电路接口为CC2420无线射频电路和RS232总线接口，实现 信息中转和无线定位功能；数据处理中心是一台配有SQL Sever数据库和专用叶酸统计分 析软件的计算机，实现叶酸检测结果的存取，检索和统计学分析。
有益效果 本发明的无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，具有单机检测和组网检测两种工作 模式。叶酸检测装置可独立工作在单机检测模式，以AVRATmega 128单片机和TinyOS实 时操作系统构成的嵌入式控制系统为核心，实现针对叶酸的化学发光免疫定量测定；叶酸 检测装置协同信息采集装置和数据处理中心进行组网检测，组网检测模式充分利用CC2420 射频芯片的Zigbee网络特性，实现多机分布式检测。该系统体积小，成本低，操作简单，可 扩展性强，是一种开放式小型医疗检测系统。 本发明是一套针对叶酸检测的专用设备，叶酸检测装置采用嵌入式控制，结构紧 凑，体积小，携带方便，成本低，在单机检测时使用针对叶酸化学发光免疫检测技术的优化
算法，精度高，操作简单，为小型医疗检测机构乃至个人提供了叶酸检测的低成本选择；叶 酸检测装置协同信息采集装置和数据处理中心进行组网检测，可扩展性强，灵活性好，该检测系统可开放远程数据库访问端口，为远程专家医疗诊断系统提供诊断依据。 本发明是一种小型嵌入式光学检测仪表及其组成的无线分布式检测系统，是一套
针对叶酸定量检测的专用设备。 本发明适用于叶酸定量检测。
图1本发明叶酸定量检测系统组成、结构图； 图2本发明叶酸检测装置微光检测单元工作原理图； 图3本发明单机检测操作流程图； 图4本发明组网检测工作原理及结构示意图。
具体实施例方式
图1为本发明的叶酸定量检测系统组成、结构图，如图所示本系统包括微光检测装置1、半自动加样装置2、数据处理与控制装置3、无线组网与定位装置4和输入输出控制装置5，五个功能单元。 数据处理与控制装置3分别连接微光检测装置1、半自动加样装置2、无线组网与定位装置4和输入输出控制装置5。 微光检测装置1使用北京滨松光子的R212型光电倍增管进行光电转化，采样电路使用CPLD实现，四层板抗干扰设计，采样精度与范围可通过软件配置CPLD的滤波阈值和分频系数实现，最高RLU计数可达6553600 ; 半自动加样装置2使用贯通轴式混合步进电机驱动，双向加液，三通阀选择加液类型； 数据处理与控制装置3硬件使用Atmel公司的AT Mega 128芯片，该芯片是一款51内核单片机，内置128Kb flash存储器和4KB SRAM存储器，处理能力强。软件系统使用Cygwin虚拟环境下GCC编译工具和AVR Studio JTAG仿真调试工具，在UC Berkley开发的多任务实时嵌入式操作系统TinyOS下完成；无线组网与定位装置4:无线通讯使用CC2420射频芯片，它兼容IEEE 802.15.4
标准的Zigbee协议，可实现无线定位和组网功能； 输入输出控制装置5包括键盘、打印机、LCD显示器。 按键使用带有I2C总线接口 MAX6959驱动；LCD显示器支持320X240像素和240X160像素两种配置，并针对叶酸检测设计了专门的图形设备接口 ；外接打印机接口使用标准的RS232串口。 信息采集装置软硬件结构与叶酸检测装置类似，只是做了一定精简，硬件核心部件是Atmel公司的AT Mega 12851内核单片机，软件使用UC Berkley开发的TinyOS多任务实时嵌入式操作系统。外围接口只有支持Zigbee协议的CC2420射频接口和RS232总线接口。信息采集装置主要用于组网检测时构建Zigbee网络，辅助叶酸检测装置进行自身定位。 图2本发明叶酸检测装置微光检测装置工作原理图 微光检测装置1由光电倍增管、CPLD(复杂可编程逻辑器件)接口采样电路构成。光电倍增管连接CPLD。叶酸化学发光标记试剂在反应过程中产生的辐射光通过光电倍增管 转化为电信号，电信号经前置放大器和CPLD采样电路进行级联放大、滤波、分频等信号处 理过程成为规整的数字脉冲信号-一相对发光单元(RLU)。光电倍增管采用R212型光电倍 增管。 如图所示，叶酸化学发光标记试剂在反应过程中产生的辐射光通过光电倍增管转 化为电信号，电信号经前置放大器和CPLD采样电路进行级联放大、滤波、分频等信号处理 过程成为规整的数字脉冲信号-一 相对发光单元(RLU)。 图3为本发明在分析检测模式下单机检测操作流程图，检测人员在人机交互的过 程中完成检测任务，操作简便。其基本操作流程包括步骤Sl.开机自检，正常转步骤S2， 不正常返回提醒操作人员后，返回系统初始化的开机画面；步骤S2.以人机交互方式测量 本底，满意转步骤S3，不满意返回步骤S2 ;步骤S3.检测试剂空白，满意转步骤S4，不满意， 清洗通道后，返回步骤S3 ;步骤S4.检测试剂标准，检测试剂标准后，输入标准浓度，转步骤 S5 ;步骤S5.生成、显示标准曲线，满意转步骤S6，保存曲线后，转步骤S6，不满意返回步骤 S4 ;步骤S6.检测待测标本，步骤S7 ;步骤S7.以人机交互方式测量本底、标准及叶酸标本 的RLU计数，通过实验分析选择线性拟合方式和log-logit坐标系建立拟合曲线，进而求得 叶酸标本浓度，计算、显示待测标本浓度后，打印结果，结束。 图4为本发明在组网检测模式下的工作原理、示意图，该模式下本发明进行化学 发光检测，叶酸检测结果经Zigbee网络传输到信息采集装置，然后通过RS232总线上传到 数据处理中心，数据处理中心上安装有Visual Basic编程环境开发的专用叶酸统计分析软 件，结合SQLServer 2000数据库系统完成叶酸检测结果的存取，检索和统计学分析。
组网检测模式下无线互联嵌入式架构工作模式，包括由远程主机(远程主机是为 医护人员提供的一个远程数据终端，可实现数据显示和检测控制)、互联网、数据处理中心、 多个叶酸检测装置和信息采集节点组成叶酸检测Zigbee无线网络。远程主机通过互联网 与数据处理中心双向联系。叶酸检测装置与信息采集装置(节点)相互联系。相互联系指 无线联系。信息采集装置通过RS232接口连接数据处理中心。 组网检测主要由叶酸检测装置、信息采集装置和数据处理中心协同完成。信息采 集装置的核心控制系统也是由AVR ATmega 128单片机和TinyOS实时操作系统构成，但其 外围电路接口较为简单，只有CC2420无线射频电路和RS232总线接口 ，能够实现信息中转 和无线定位功能；数据处理中心是一台配有SQL Sever数据库和专用叶酸统计分析软件的 计算机，能够实现叶酸检测结果的存取，检索和统计学分析等功能，组网检测功能框图见附 图(4)。
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权利要求
一种无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，包括微光检测装置(1)、半自动加样装置(2)、数据处理与控制装置(3)、无线组网与定位装置(4)和输入输出控制装置(5)，其特征在于，数据处理与控制装置(3)分别连接微光检测装置(1)、半自动加样装置(2)、无线组网与定位装置(4)和输入输出控制装置(5)。
2. 根据权利要求1所述的无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，其特征在于，所述微光检测装置(1)由光电倍增管、CPLD接口采样电路构成，光电倍增管连接CPLD，辐射光通过光电倍增管转化为电信号，电信号经前置放大器和CPLD采样电路进行级联放大、滤波、分频等信号处理过程成为规整的数字脉冲信号。
3. 根据权利要求2所述的无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，其特征在于，所述光电倍增管采用R212型光电倍增管。
4. 根据权利要求1所述的无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，其特征在于，所述半自动加样装置(2)采用贯通轴式混合步进电机和三通阀，单片机连接控制步进电机。
5. 根据权利要求1所述的无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，其特征在于，所述数据处理与控制装置(3)采用ATmega 128单片机和TinyOS实时操作系统构成嵌入式控制系统。
6. 根据权利要求5所述的无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，其特征在于，所述嵌入式控制系统具有实现RLU计数接口 、人机交互接口 、无线通讯接口 、打印机接口外围接口控制，完成叶酸拟合算法，进行人机交互。
7. 根据权利要求1所述的无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，其特征在于，所述无线组网与定位装置(4)无线通讯使用CC2420射频芯片。
8. 根据权利要求1所述的无线互联嵌入式叶酸定量检测系统，其特征在于，所述输入输出控制装置(5)包括键盘、打印机、LCD显示器，按键使用带有I2C总线接口 MAX6959驱动；LCD显示器支持320X240像素和240X160像素两种配置，并针对叶酸检测设计了专门的图形设备接口 ；外接打印机接口使用标准的RS232串口 。
9. 一种单机检测模式下叶酸定量检测分析方法，其步骤如下步骤Sl.开机自检，正常转步骤S2，不正常返回提醒操作人员后，返回系统初始化的开机画面；步骤S2.以人机交互方式测量本底，满意转步骤S3，不满意返回步骤S2 ;步骤S3.检测试剂空白，满意转步骤S4，不满意，清洗通道后，返回步骤S3 ;步骤S4.检测试剂标准，检测试剂标准后，输入标准浓度，转步骤S5 ;步骤S5.生成、显示标准曲线，满意转步骤S6，保存曲线后，转步骤S6，不满意返回步骤S4 ;步骤S6.检测待测标本，步骤S7 ;步骤S7.以人机交互方式测量本底、标准及叶酸标本的RLU计数，通过实验分析选择线性拟合方式和log-logit坐标系建立拟合曲线，进而求得叶酸标本浓度，计算、显示待测标本浓度后，打印结果，结束。
10. —种组网检测模式下无线互联嵌入式架构工作模式，由远程主机、互联网、数据处理中心、多个叶酸检测装置和信息采集节点组成叶酸检测Zigbee无线网络，其特征在于，远程主机通过互联网与数据处理中心双向联系，叶酸检测装置与信息采集装置相互联系，信息采集装置通过RS232接口连接数据处理中心，组网检测主要由叶酸检测装置、信息采集装置和数据处理中心协同完成，信息采集装置的核心控制系统也是由AVR ATmega 128单片机和TinyOS实时操作系统构成，外围电路接口为CC2420无线射频电路和RS232总线接口，实现信息中转和无线定位功能；数据处理中心是一台配有SQL Sever数据库和专用叶酸统计分析软件的计算机，实现叶酸检测结果的存取，检索和统计学分析。
全文摘要
本发明公开一种无线互联嵌入式叶酸定量检测系统及其检测方法，包括微光检测装置、半自动加样装置、数据处理与控制装置、无线组网与定位装置和输入输出控制装置，数据处理与控制装置分别连接微光检测装置、半自动加样装置、无线组网与定位装置和输入输出控制装置。方法1.开机自检；2.检测本底；3.检测空白；4.检测标准；5.生成标准曲线；6.检测待测标本；7.计算待测标本浓度，打印结果。本发明适用于叶酸定量检测。
文档编号G01N21/76GK101788491SQ20101012414
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月15日 优先权日2010年3月15日
发明者姜向远, 宋筱亮, 张焕水, 文正伟 申请人:山东大学;山东优生医疗科技有限公司