临床检验分析技术及仪器.ppt
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1、第三章 临床检验分析技术及仪器,本章主要内容 体液、血液成份分析技术及仪器 人体电生理参数检测仪器 人体非电生理参数检测技术及仪器 病人监护仪器(Patient Monitor),前言,医学仪器定义 参考国际标准化组织(ISO)对医疗器械(Medical Device)的定义,医学仪器(Merument)是指那些单纯或者组合应用于人体的仪器,包括所需要的软件。其使用目的是: 疾病的预防、诊断、治疗、监护或者缓解; 损伤或残疾的诊监护、缓解或者补偿; 解剖或生理过 简单的说:器是以医学临床和医学研究为目的仪器,前言,医学仪器的分类 化学分析类仪器(人体各种生物、化学物质检测) 生理类仪器(电生理
2、、非电生理参数检测) 医学成像类仪器(X射线成像计算机断层成像、超声成像、磁共振成像等) 治疗类仪器(激光治疗、微波治疗、超声治疗等),前言,医学仪器发展简史 2500年前黄帝内经中所述“九针”是人类最早发明、精心制作的医疗器械。 1816年发明听诊器 1850年发明临床体温计 由于19世纪末20世纪初科学的重大发现(以量子力学和相对论为代表)和工业文明(以机械制造和电子工程为代表)的出现。现代医学仪器诞生并迅速发展。 1895年伦琴发现X射线(1901年首届诺贝尔物理奖) 1903年荷兰生理学家艾萨文研制出第一台心电图仪(1924年诺贝尔生理学与医学奖) 1924年法国科学家Berger第一
3、次给出人类癫痫病发作时的脑电图。 1972年Housfield与Cormack将计算机与X射线结合,发明计算机断层扫描仪(1979年诺贝尔生理与医学奖) 1973年Lauterbur与Mansfield研制出磁共振成像仪(2003年诺贝尔生理与医学奖),第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,临床检验分析是研究在生理、病理情况下人体内物理、化学变化的一门科学。通过测定血液、体液中一些组分的含量和循环、微循环系统的理化特性,作为医生对病人进行诊断疾病、观察病情、设计治疗、判断疗效的依据。 随着科学技术的发展,尤其是酶学、免疫化学、分子生物学、分析化学、化学仪器、电子技术和计算机技术、传感器技术的快
4、速发展,使临床化学无论在分析技术和仪器研制方面都有很大的进步,多指标分析、高精度数字处理及全自动化,是临床化学分析仪器及其他检验仪器的发展方向。,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,一、自动生化分析仪 用途:生化分析仪主要用于检验人体血清、血浆、或尿液中的各种代谢产物、蛋白、电解质等,例如血糖、血脂、三酸甘油酯、心肌酶谱、尿素氮、淀粉酶等,以作为心脏疾病、肾功能、肝功能的检查判据。,HITACHI 7080 全自动生化分析仪,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,原理:生化分析仪的基本原理是光度法,仪器的核心部分是光电比色计或分光光度计。光度法基于朗伯一比尔定律。当特定波长的光穿过一定厚度一
5、定浓度的有色溶剂的溶液时,入射光强I0与透射光强I之间的关系: I= I0e -Cd 其中是溶质对特定波长的吸收系数(波长一定时,是一个常数),C是溶液浓度,d是光穿过溶液的路径(即比色杯的直径,为一常数)。上式即为朗伯-比尔定律。若测出I0和I,从上式即可计算出物质的浓度C。 几点说明: (1)入射光在比色杯的表面会产生反射,一部分光亦会被比色杯壁和溶剂吸收,为了消除这些因素,测定时还要同时测定一个内装有该溶剂的标准浓度溶液的参考杯。 (2)现代仪器都用特定波长的光来进行测量,一般使用滤光片滤光或棱镜分光获得单一波长的光。,用滤光片的仪器称为滤光光度计或比色计,用棱镜的仪器称为分光光度计。,
6、第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,组成:由光源、单色光器(有滤光片、棱镜、光栅三种类型)、比色杯、光电检测器、放大器、A/D转换器和计算机等部分组成。现代的自动生化分析仪以分光光度计为核心,并将过去手工操作的环节如血清分离、标本输送、标本分配、加试剂混合、控制反应时间、比色、废液处理等,都由计算机控制的机械化装置完成。,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,分类:从结构上分大体可分为三类:连续流动式、分立式和离心式。 1连续流动式 1957年美国Skeggs博士首先提出了气泡隔离连续流动分析原理。这是世界上第一种临床化学分析自动化仪器,从此临床化学自动化分析仪发展迅速。 这种仪器利用比例泵
7、压缩不同内径弹性塑料管,将标本和试剂按比例地吸收到管道系统中。在一定条件下,标本和试剂在管道内连续流动,同时在流动过程中完成混合、保温,并使标本和试剂产生反应、比色等步骤。最后打印测定结果。 早期的这种仪器为单通道,只用于测定葡萄糖和尿素氮,测试结果以光密度表示。随后分析项目增加了,测试结果也能以数字打印显示。1964年又开发生产了连续多道分析仪,每小时可测60个样本,每个样本可测六个生化指标,直接显示浓度结构。1977年增加了内置计算机控制系统,每小时可测150个样本,每个样本可测20个指标,使连续流动式分析仪技术达到一个更高水平。,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,2分立式 分立式仪器
8、实际上是以自动化方式模仿手工操作方式,在一个个比色杯中自动地定量加样本,加试剂,经加热而产生化学反应,然后一个个比色杯进行比色测定,再将浓度结果打印记录。所以分立式仪器从结构上都由以下五个部分组成,即样本定量取样和加试剂、反应温度和时间控制、比色以及数据显示和记录。 3离心式 离心式自动生化分剂和样本相混合,并利用离心力使混合物贮存于转子最外端比色槽中。在离心过程中,试剂和样本进行反应,并由垂直于该转子的光度计进行检测。 转子为该仪器重要平均每分钟500转,离心机启动后,样本和试剂在几秒钟内混合并进入比色槽。光度计同时进行检测,并在记录器上显示测定结果。 该仪器可用于终点法测定的动力法测定,在
9、短时间内可分析约30个样本。其另一特点为试剂及样本用量少,故降低了检测费用。,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,二、电解质分析仪 电解质对于保持体液的酸碱平衡、维持渗透压等起着重要作用。电解 质分析仪用于测量人体血液中Na+、K+、Cl-、HCO3-、Ca+等离子。 目前测量人体血液中电解质一般都用离子选择性电极或火焰光度计。 火焰光度计原理:每一元素都有其特定发射光谱,即其谱波长特异性。以火焰为激发源,对某些金属元素的发射光谱进行光度分析的称为火焰光度法。 离子选择性电极原理:依靠电极与样本中离子直接接触,通过建立起电位进行测量的。 钠电极为玻璃电极,由玻璃敏感膜制成。 钾电极的敏感膜由
10、PVC和缬氨酶素的混合物制成。 氯电极敏感膜由金属氯化物材料制成。 重碳酸离子一般以二氧化碳总量来测量,所以也是用二氧化碳气敏电极测量。国际上测定血样本中电解质都采用离子选择性电极分析仪,而采用火焰光度计的只是少数。,几种常用电极,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,三、血液学分析仪 用途:测定全血中白细胞、红细胞、血小板、血红蛋白、平均红细胞容积、红细胞压积等。若仪器测定红细胞、白细胞、血红蛋白三种指标,则称为血细胞计数仪。(过去血红细胞计数是用显微镜以目测法来计数,误差较大这是一项工作在我国一些医院中特别是县级医院,现在用目测法技术仍占相当大比例。) 血细胞计数技术发展情况 50年代库尔
11、特研制生产了第一代血细胞计数器,这对血液实验室产生了很大影响,使血细胞计数从繁重的目测法劳动中解放出来,库尔特计数仪所用原理为电导法,又称。电路接通后,两个电极通过计数器管的小孔形成一个电路(另一负电极在待测血细胞电解质释放液中)。血细胞与释放液比较,电阻较大。当计数管内抽气形成负压后,管外的血细胞悬浮液流向管内,每一个血细胞通过小孔时,由于电阻变化,瞬间产生了电压变化,并产生微弱脉冲信号,此信号再经过放大和触发计数电路,进行记数。现在极大部分血球计数器都是利用此原理进行设计制造的。,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,这种仪器的计数小孔有时会产生堵塞现象,且有时会有一个以上的血细胞同时通过
12、小孔,造成计数上的偏差。 70年代后期,美国Oetho公司利用光斑产生脉冲以及细胞流经激光束时产生的散射来进行计数,这就是激光血液学测定装置。采用流体动力不聚焦技术,所以不会产生堵塞现象。 血小板计数在临床上诊断某些疾病的作用日益重要,现在血小板测定基本上采用离心法较多,利用特定试剂,在离心机上进行分离,红细胞在离心力作用下沉积,而血小板仍悬浮在试液中,一试液于细胞计数器中进行血小板计数。,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,四、血气分析仪 用途:用于测量血液中的PH值、二氧化碳分压(PCO2)和氧分压(PO2)。若在仪器中再输入个PH电极,即使如此,在临床抢救时已发挥了作用。1957年二氧
13、化碳气敏电极问世,它被立即用于血气分析仪。 60年代,配备有PH值、二氧化碳及氧电极的血气分析仪开始生产,只须采集血液样本,送入仪器后,测量、计算、清洗、标定等都自动进行。 PH值电极是一种 二氧化碳电极实质上是一只平头膜PH电极,它将二氧化碳分压的变化转化成PH值变化,从而达到测量二氧化碳分压。它的结构是在PH电极敏感膜外部装一片能渗透二从而改变了PH值,也即反映了二氧化碳浓度。 气敏氧电极为一极谱电极,氧的测量基于电解氧原理。被测电流大小正比于分压的高低。,五、尿分析仪 尿分析仪是专用于分析尿液的自动生化分析仪。它采用专用的试纸带,利用球面积分式双波长反射光度计原理。由单片机控制,通过测定
14、试纸带颜色变化就可求得尿液中各种成分的浓度。一次检测8个常规指标,有:尿PH、蛋白质、葡萄糖、酮体、隐血、胆红素、尿胆素原、压硝酸盐。 组成:尿分析仪由光电系统(光源、球面积分析仪、滤光片、光电检测器)、扫描机构、残尿吸取机构、试纸带位置检测电路以及单片机控制系统组成。 工作原理:光源灯发出的白光通过球面积分仪的通光筒,照射到浸了尿液的试纸带上。试纸带把光反射到球面积分仪中,球面积分仪具有对反射光的聚焦作用。球面积分仪上有三块滤光片和三个光电检测器。分别对应波长为500nm、620nm、720nm的单色光,其中720nm是参考波长。扫描机构由步进电机驱动带动光电系统对试纸带进行扫描,对标本进行
15、逐一测试。光电转换信号经电流/电压转换器及A/D转换器后进计算机系统进行数据处理,测试结果由微型打印机打印。显示器显示定时间和标本序号,仪器有上电自检功能。,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器,其它医用化学类分析仪器 质谱测量仪(一种把原子或分子根据它们的质量进行分离的一种分析仪器,已成为当今蛋白组研究的重要手段) 色谱仪(层析仪,于混合物中的成分在通过一个装有气体或液体的圆柱时由于速度不同而得以分离) 电泳仪(在电场中离子的移动导致暴露在电场中的离子产生分离的分析方法) 磁共振波谱仪(在外技术。如果测量的是电子的吸收,称为电子自旋共振;如果测量的是核子
16、的吸收称为核磁共振),第2讲 人体电生理参数检测仪器,生物电现象是细胞实现一些最重要功能的关键因素,是生命现象的表现之一。用微电极可以记胞的静息电位和动作电位,一般从几微伏至上百毫伏之间。由细胞电位构成人体的主要电生理电、脑电、肌电、眼震电等。由于它们在一定程度上反映人体生理状况,因而构成了相应的测量仪器用于临床。,第2讲 人体电生理参数检测仪器,一、心电图机 正常人体内,由窦房结发出的一次电兴奋,按一定途径和时程,依次传向心房和心室,引起整个心脏的兴奋,使心脏周期性地收缩,推动血液在全身循环。因此,每一个心动周期中,心脏各部分兴奋过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律。这种
17、生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上来,使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。把测量电极放置在人体表面的一定部位,记录出来的心脏电变化曲线即为临床常规心电图ECG (Electro cardiogram) (图2-4)。,第2讲 人体电生理参数检测仪器,将ECG的五个主要的波定义为P、Q、R、S、T波。心脏发生病变时心电图会发生异常,所以心电图用来诊断心脏疾病。 记录心电图常用标准十二导联法: I、叫标准肢体导联,以右下肢为参考电极左上肢-右上肢为I肢为导。aVR、aVL、aVF为加压导联,Vl-V6 为胸部6导联。心电图依次测量这12个导联的心电信号并加以描记
18、。,第2讲 人体电生理参数检测仪器,心电图机的关键是前置放大器,对心电放大器的要求是放大倍数高(约5000倍),输入阻抗高(10M),共模抑制比CMRR大(80100dB)频率响应足够宽(0.05Hz100Hz),以及良好的电气安全技术,现都采用浮地电源和光电隔离放大器。,图2-5 具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机方框图,第2讲 人体电生理参数检测仪器,现代心电图机装有微处理器,不仅控制导联自动转换,还具有分析功能,叫自动分析心电图机。这种心电图机可以自动测量心率、各种幅度、间期。例如R波幅度、ST段电平、QRS波群宽度、瞬时心率、平均心率等几十个参数,这些参数一同与心电图由阵列式热
19、敏打印机打印出来。自动分析心电图一般采用16位微机,16bit的AD转换器,用4000或8000次秒的采样频率,使分析精度很高。 90年代出现的心电工作站使用个人电脑,采集12导联心电数据,可进行心率失常分析,心电向量图分析以及心室晚电位分析。,第2讲 人体电生理参数检测仪器,二、脑电图机 脑电图:大脑皮层的神经元具有自发生物电活动,因此大脑皮层经常具有持续的节律性电位改变,称为自发脑电活动。临床上采用双极或单极记录方法在头皮上观察大脑皮层的电位变化,记8道或16道脑电波行,用8笔或16笔的墨水笔描记。现代脑电波有64道和128道的。其中前置放大器也采用浮地电源和光隔离技术,由微机控制,键盘操
20、作。 脑电信号特征:从头皮描记的脑电波强度很小,一般为1050v,频率范围从0.5100Hz。国际上对脑电波的分类(按波的重复节律不同)统一为四个阶段: 波 4-138Hz 波 13-408Hz 波 4-8Hz 波 0.5-48Hz 临床应用:脑电波形的频率特性似乎比幅度特性在临床上更显得重要。脑电在时域(Time domain)中不易得到什么特征参数,而若将它们变换到频域(Frequency domain)中就很容易分出波、波、波、波。这四种波是否出现,出现频繁程度等均与生理病理状态有关。临床常用来诊断癫痫等神经病和脑部肿瘤。,第2讲 人体电生理参数检测仪器,三、诱发电位仪 除了自发脑电波外
21、,用刺激的方法能够引起大脑皮层局部区域的电活动,称为脑诱发电位EP(Evoked Potential)。刺激方式通常有三种:视觉刺激、听觉刺激和体感刺激,可在与刺听觉诱发电位AEP(Auditory Evoked Potential)、体感诱发电位SEP(Somatic Evoked Potential).,表2.1三种诱发电位的测量部位及临床价值,第2讲 人体电生理参数检测仪器,四、脑电地形图仪(Topographic Brain Mapping) 现代脑电地图仪将脑电图仪、诱发电位仪及自发脑电/诱发脑电地形图集一机,彩色电视监视器上可显示16道脑电图,或16道诱发电位,或脑电地形图。 由自
22、发脑电经统计分析绘成的地形图称为自发脑电地形图。 由诱发脑电各潜伏期作出的地形图称为诱发脑电地形图。 脑电地形图对诊断脑部疾病(例如癫痫、肿瘤)比波形更直观。正常脑电地形图左右两侧对称,视觉诱发脑电地形图呈现不对称性,说明被测者脑部有疾病。,第2讲 人体电生理参数检测仪器,五、动态脑电记录分析系统(脑电Holter系统) 脑电Holter系统可以把病人在正常生活环境中从事日常活动的脑电活动长时间地(至少24小时)实时记录,然后回放并进行详细观,从而有利于对异常脑电波的发现与诊断,主要用于对癫痫的鉴别和诊断。 脑电Holter系统由记录器和计算机回放分析系统两部分组成。 记录器一般做成佩带式的,
23、能够24小时大容量多信道无失真的脑电信号存储。 计算机回放系统有回。分析功能有:各种形式的脑电地形图;功率谱分析、谱参数提取;各节律能量直方图;压缩功率谱阵图;相关分析、时域分析;伪差滤除;癫痫波自动识别及定位;睡眠波分析等。,第2讲 人体电生理参数检测仪器,六、眼震电图仪 当眼球运动时,就可以记录到眼动波形,眼动波形也是一种生物电信号,分水平眼动波形和垂直眼动波形。当前庭器官在受到某种刺激(例如角加速度刺激,冷热水温度刺激)时,就会产生诱发眼震。眼震是一种半节律性变化的眼球摆动,由两个时相慢相和快相组成。由于眼球的角膜和视网膜之间存在着不同的生物电位,眼球的摆动会引起这个电位的变化,且这个变
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