離心杯用光電傳感裝置的製作方法

2023-07-02 15:14:31 2

專利名稱：離心杯用光電傳感裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及血液處理設備，特別涉及到血液離心分離設備中用於探測離心杯內血層的光電傳感裝置件。
背景技術：
在使用離心杯對血液成分進行分離的過程中，需要利用探測監視技術來判定血液成份分離結束的最佳時機，並實施相應的自動化控制操作。例如，在血漿單採儀中，需要使用傳感器來判定血漿採集結束的最佳時機。在自體血液回收機中，需要利用傳感器來判定離心杯內紅細胞是否裝滿，防止紅細胞溢出。在血液離心分離過程中，各種血液成分由於比重不同因而受到的離心力大小不同，導致它們彼此分開形成血層，外側為紅色的紅細胞層，內側為淡黃色的血漿層，中間較薄的一層稱為白膜層(主要含白細胞)。通常採用非接觸光電傳感技術來探測不同的血液成分。該技術的原理是:利用血液成分的光反射或透射特性差異，通過探測和分析光電信號的變化來實現對血液成分的區別。現有離心杯血層光電傳感裝置所採用的探測方案主要有下面幾種。1.使用反射鏡和同軸光纖導光，發射和接收共光路，即採用同一透鏡實現聚光照明和集光探測。該方案如圖1所示，發射雷射經位於同軸光纖04中央的單根光纖05a傳導，再經透鏡03和反射鏡02後照射在離心杯01上。來自離心杯01的信號光經反射鏡02和透鏡03後，會聚在位於同軸光纖04外周離散分布的多根光纖05b上，經傳導後由光敏元件接收。2.使用分光鏡，發射和接收不共光路。該方案如圖2所示，由光源和透鏡構成的光發射器06放在分光鏡07的一側,發射光束斜射在分光鏡07上,其反射部分照射到探測目標血層08上,來自目標血層08的信號光再經分光鏡07後,其透射部分由放在分光鏡07另一側的光敏元件09接收。上述兩種離心杯血層光電傳感裝置都是安裝在離心井壁上，傳感器遠離光探測區，由於接收光路長，接收到的信號光較弱。另外，它們接收到的信號強度還受離心杯形狀的限制，若接收光路與離心杯肩部探測區表面法線夾角很大，該方向上的反射較弱，使得探測到的信號強度更加微弱。對於採用光纖導光的方案，雖然其外形小巧，但裝配複雜，而光源與光纖之間的光耦合以及彎曲的光纖本身也存在光能的損耗。另外，由於發射和接收共光路，發射光產生的雜散光易串入信號光中，從而降低光電信號的信噪比。對於採用分光鏡的方案，雖然發射光對信號光不產生幹擾，但由於分光導致光能損失很大，光能量利用率很低。
發明內容本實用新型的目的是克服上述現有技術存在的不足，提供一種新的簡單結構的離心杯血層光電傳感裝置。本實用新型意在降低光的損耗，提高光能量的利用率，進而提高傳感器的信噪比，更重要的是要使得傳感器能夠適用於不同形狀結構的離心杯，提高其適應性。為了達到上述發明目的，本實用新型提供的技術方案如下:本實用新型用於離心杯內全血分層狀況監測的光電傳感裝置是以光波作為信息載體，以血層的漫反射光作為信號光，該信號光由光電探測器收集並被轉換成電信號，以該電信號作為分析處理對象。由於各血層具有不同的反射特性，血漿層相對最弱、白膜層相對最強、紅細胞層處於中間，它們產生的信號光以及對應的光電信號強度不同，通過分析光電信號的強度變化可以實現對不同血層的探測區分。一種離心杯用光電傳感裝置，所述光電傳感裝置安裝在離心杯頭固定板下方，該光電傳感裝置包括有光發射器、光接收器和電子電路，所述電子電路包括有光源驅動模塊和光電信號處理模塊，所述的電源驅動模塊連接所述的光發射器，光電信號處理模塊連接所述的光接收器，所述光發射器發出的探測光束照射至位於離心杯肩部的探測區域，離心杯內血層產生的漫反射光由光接收器接收並轉化為電信號傳輸至位於主機內的光電信號處理模塊，由該光電信號處理模塊處理該電信號並將控制信號輸送至與主機連接的輸液泵和閥門上。在本實用新型的離心杯血層光電傳感裝置中，所述的離心杯和光電傳感裝置安裝在一個可減弱外界光影響的離心井中。在本實用新型的離心杯血層光電傳感裝置中，所述光發射器和光接收器的軸線處於同一平面內，且光發射器和光接收器的軸線之間呈20 40度的夾角；所述光接收器的軸線與探測區域的表面法線所成夾角為O 20度。在本實用新型的離心杯血層光電傳感裝置中，所述光發射器由光源和位於光源前方的會聚透鏡組成，所述光源為LED、或為雷射二極體，所述的光源發出為波長處於600 770nm之間的紅色可見光；所述光接收器包括接收透鏡和位於接收透鏡後方的光敏元件；所述光敏元件為光電二極體、或為光電三極體、或為光電池。基於上述技術方案，本實用新型用於離心杯內全血分層狀況監測的光電傳感裝置與現有技術相比具有如下技術優點:1.本實用新型採用在封閉離心機內漫反射接收血層信號並經過多重分析來判斷出是否監測到紅細胞層，進而控制主機中輸液泵的泵速和閥門的開閉，從而為全血的供給情況和後續的進一步處理提供控制依據。2.本實用新型離心杯血層光電傳感裝置安裝到離心杯頭固定板的下方，並採取使光發射器和光接收器呈一定夾角分布的簡單結構，不使用光纖與分光鏡，避免了由於光纖和分光鏡引起的光能損耗問題，而且發射光與信號光不會相互幹擾，提高了光電信號的信噪比。3.本實用新型離心杯血層光電傳感裝置以血層的漫反射光作為信號，並使光接收器與檢測區域的表面法線呈一定角度，使得接收信號強度不受離心杯形狀結構的限制，既可用於錐形離心杯也可用於鼓形離心杯。

圖1是現有技術的一種利用光纖傳導的離心杯血層光電傳感裝置結構示意圖。[0019]圖2是現有技術的一種利用分光鏡傳導的離心杯血層光電傳感裝置結構示意圖。圖3是本實用新型離心杯血層光電傳感裝置的結構示意圖。圖4是本實用新型離心杯血層光電傳感裝置的安裝位置示意圖。圖5全血進入離心杯過程中各分層依次經過光電傳感裝置探測點時的狀態示意圖。圖6全血進入離心杯過程中光電傳感裝置探測到的各分層的數值變化的理論曲線圖。圖7全血進入離心杯過程中光電傳感裝置探測到的各分層的數值變化的實際曲線圖。
具體實施方式
下面我們結合附圖和具體的實施例來對本實用新型離心杯血層光電傳感裝置做進一步的詳細闡述，以求更為清楚明白地理解本實用新型結構組成和工作流程，但不能以此來限制本實用新型保護範圍。本實用新型光電傳感裝置的工作原理是以光波作為信息載體，以血層的漫反射光作為信號光，該信號光由光電探測器收集並被轉換成電信號，以該電信號作為分析處理對象。由於各血層具有不同的反射特性，血漿層相對最弱、白膜層相對最強，紅細胞層處於中間，它們產生的信號光以及對應的光電信號強度不同，通過分析光電信號的強度變化可以實現對不同血層的探測區分。本實用新型離心杯內全血分層狀況的監測方法是由主機控制輸液泵和閥門向離心杯內注入全血，由一光發射部件發出探測光束照射於所述離心杯上的探測區域，該探測區域為離心杯的肩部，進入離心杯內的全血因離心轉動所形成的血漿層、白膜層和紅細胞層依次通過探測區域並分別對探測光束產生漫反射光；由一光接收部件接收不同血層的漫反射光，經由一光電轉換部件將接收的漫反射光轉換成為電信號；所述電信號經由一電子電路模塊處理後傳輸至主機的分析模塊，並由分析模塊計算處理該電信號以判斷是否探測出紅細胞層，主機依據判斷結果控制輸液泵的泵速和閥門的開合。在本實用新型中的光電傳感裝置的設計由下述三個工作部件構成:1.光發射器:其任務是發射探測光束作為信息載體。2.光接收器:其任務是收集信號光並將其轉換為電信號。3.電子電路:其包含光源驅動電路和光電信號處理電路，它們分別與光發射器和光接收器相連接。其中，光源驅動電路用於驅動光發射器的光源；光電信號處理電路用於分析處理光接收器輸出的光電信號。對於本實用新型在血液處理設備上的具體安裝位置，我們可以從圖3和圖4上明顯看出，其中，圖3是本實用新型離心杯血層光電傳感裝置的結構示意圖。圖4是本實用新型離心杯血層光電傳感裝置的安裝位置示意圖。在不同的血液處理設備上，離心杯的可旋轉部分可能存在差異，但固定不動的杯頭部分是相同的，且都是由夾持固定板固定。本實用新型離心杯光電傳感裝置安裝在離心杯頭固定板下方。另外，離心杯和光電傳感裝置安裝在一個可屏蔽外界光影響的封閉離心井中，這樣可以屏蔽外界光對於探測光的影響，避免造成誤判。[0033]正如上述文字講述的，本實用新型的光電傳感裝置在結構上包括有光發射器、光接收器和電子電路，所述電子電路包括有光源驅動模塊和光電信號處理模塊，所述的電源驅動模塊連接所述的光發射器，光電信號處理模塊連接所述的光接收器。所述光發射器發出的探測光束照射至位於離心杯肩部的探測區域，離心杯內血層產生的漫反射光由光接收器接收並轉化為電信號傳輸至位於主機內的光電信號處理模塊，由該光電信號處理模塊處理該電信號並將控制信號輸送至與主機連接的輸液泵和閥門上。上述光發射器的作用是產生探測光束，它由光源和會聚透鏡構成。光源可以採用紅色LED、雷射二極體等；會聚透鏡可將光源發出的發散光束會聚成小光斑。光接收器的作用是探測信號光並輸出光電信號，它由光敏元件和接收透鏡構成。光敏元件可以是光電三極體、光電二極體、光電池等光電器件。電子電路包含光源驅動電路和光電信號處理電路兩部分，它們分別與光發射器和光接收器相連接。光接收器接收到電子電路中的光電信號處理模塊上，光接收器接收到的光信號以光電信號並由電子信號處理模塊進行處理，即光電信號傳輸至與光接收器連接的電子電路中的電子信號處理模塊上；電子電路中的光源驅動模塊連接至光發射器中的電源上。其中，光源驅動電路用於驅動光發射器的光源，光電信號處理電路用於分析處理光接收器輸出的光電信號。所述光源為LED、或為雷射二極體,該光源發出為波長處於600 770nm之間的紅色可見光。在本實用新型離心杯血層光電傳感裝置固定在離心杯頭固定板下方，與離心杯肩部具有一定的距離。光發射器發出的光束照射於離心杯肩部的探測區域，光接收器軸線與探測區域的法線夾角為O 20度。離心杯內血液反射產生的光信號由光接收器接收並轉化為光電信號。上述光發射器和光接收器處於同一平面內，且光發射器和光接收器的軸線之間呈20 40度的夾角。本實用新型離心杯血層光電傳感裝置可適用於不同外形結構的離心杯，其中一種類型的離心杯為錐形離心杯，其內筒為圓錐形，另一種類型的離心杯為鼓形離心杯，其內筒呈圓柱形。實施例1本實施例的離心杯血層光電傳感裝置包括光發射器，光接收器和電子電路三個部分。如圖5所不,光電傳感裝置由光源la、會聚透鏡lb、接收透鏡3a、光敏兀件3b、光源驅動電路4a、光電信號處理電路4b構成。其中光源Ia和會聚透鏡Ib組合成為光發射器4,接收透鏡3a和光敏元件3b組合成為光接收器5，光源驅動電路4a和光電信號處理電路4b組合成為電子電路。光發射器與光接收器軸線位於同一平面內，它們之間的夾角為30度。上述的光源Ia是波長為650nm的紅色可見光。本實施例離心杯血層光電傳感裝置的安裝位置如圖6所示，光電傳感裝置5通過支架6安裝在用於夾持和固定離心杯頭2b的固定板7的下方，光接收器軸線與探測區表面法線夾角為10度。在本實施例離心杯血層光電傳感裝置中，光源Ia採用紅色雷射二極體，波長為650nm，會聚透鏡Ib和接收透鏡3a採用玻璃透鏡。雷射二極體由光源驅動電路4a驅動發出波長為650nm的雷射光束,光敏兀件3b米用光電三極體。當光電傳感裝置工作時，光源Ia發射的雷射束經會聚透鏡Ib會聚後照射在離心杯2的肩部2a探測區域處，光斑直徑小於0.5mm。接收透鏡3a與探測光斑之間的距離(探測距離)約20mm。當血液在離心杯內進行成分分離時，血液會分離層血漿、白膜層和紅細胞層，隨著血液的灌入和血漿被趕出，分離出來的各種血層將依次經過光束探測區，它們的產生漫反射光被接收透鏡3a收集到光電三極體3b的光敏面上，其產生的光電信號被輸入到光電信號處理電路4b中進行分析處理，並與閾值進行比較。實驗表明，在離心杯中進行血液離心分離時，空氣層、血漿層、白膜層和紅細胞層會依次通過光束探測區10，其流程如圖5所示，圖5中顯示出光電傳感器隨時間變化所檢測到的依次為空氣11、血漿12、白膜層13和紅細胞層14。在圖5所示的檢測流程基礎上，經過本實用新型的光電傳感裝置所探測到的探測光信號轉換為光電信號以後，光電信號值與分離時間的關係如圖6所示。由圖可知，在初始分離時，在圖5中a階段探測到的為空氣，光電信號對應A B，在圖5中b階段探測到的是空氣和血漿的混合體，光電信號對應B D，在圖5中c階段探測到的為血漿層，光電信號對應D E，在圖5中d階段探測到的是白膜層，光電信號對應E F，在以後階段探測到的是紅細胞層，光電信號對應G。由於本實用新型光電傳感裝置的目的檢測離心杯內紅細胞的量，使其達到所需的要求即可停止再向離心杯輸入全血。在實踐中，檢測到的紅細胞層的光電信號值與血眾層的光電信號值相差很大，故而可以在E F階段設定閾值，一旦超過閾值即可發出指令停止向離心杯內輸入全血。當血液在離心杯內進行成分分離時，血層傳感器的光電信號由於以下原因，會存在各種噪聲和變化:機械震動，產生周期性的噪聲；電子噪聲，產生非周期性的隨機噪聲；光源因發光器件老化而衰減，使得信號整體減弱；光接受器件由於灰塵等汙染，引起信號整體減弱；不同的血液，由於溶血情況的不同，對光的散射不同，使得血漿信號和紅細胞層信號的幅度差不同；離心杯表面光潔度、厚度不同或不均勻，對光的散射不同或不均勻，使得信號整體基線發生變化；外界光對傳感器產生幹擾，使得信號整體基線變高；進血速度的不同，血液紅細胞壓積比的不同，引起分層面通過監測點的速度不同，信號的變化速度不同。這樣，當血液在離心杯內進行成分分離時，血層傳感器的光電信號由於以下原因，會存在各種噪聲和變化，實際測出的信號並不是圖6所示的光滑曲線，而是具有噪聲的曲線，如圖7所示，故而才需要上述的幅值判斷法或斜率判斷法來判斷是否已經探測到紅細胞層。為了及時準確地判斷紅細胞層到達的時間，需要用使用特定的判斷算法。上述主機內的分析模塊處理電信號方法或者為單獨的幅值判別法，或者為單獨的斜率判別法，或者是幅值判別法和斜率判別法的結合，只要其中一個方法判別出紅細胞層，即可輸出控制信號。對於幅值判別法，其大致流程是:(I)先確定基線，當幅值與基線的差超過一個固定的閾值時，判定為檢測到紅細胞層；(2)在(I)的基礎上，閾值不固定，閾值大小隨時間逐步降低。對於斜率判別法，其大致方法是:(I)計算每一點上的斜率，當斜率超過一個固定的閾值時，判定為檢測到紅細胞層；(2)計算每一點上的斜率，當連續幾個點的斜率都超過一個固定的閾值時，判定為檢測到紅細胞層；(3)計算每一點上的斜率，當連續幾個點的斜率都是正值且斜率的累積值超過一個固定的閾值時，判定為檢測到紅細胞層。下面我們對於上述的幅值判別法和斜率判別法逐個進行詳細闡述:[0050]一、幅值判別法:I)第一步，基線判定。記錄單位時間的光電信號採樣值，並計算出每連續η個(3^η^ 10)採樣的平均值作為判斷值。在判斷的初始階段，首先根據公式計算前η點採
樣的平均值f和標準差C:
權利要求1.一種離心杯用光電傳感裝置，其特徵在於，所述光電傳感裝置安裝在離心杯頭固定板下方，該光電傳感裝置包括有光發射器、光接收器和電子電路，所述電子電路包括有光源驅動模塊和光電信號處理模塊，所述的光源驅動模塊連接所述的光發射器，光電信號處理模塊連接所述的光接收器，所述光發射器發出的探測光束照射至位於離心杯肩部的探測區域，離心杯內血層產生的漫反射光由光接收器接收並轉化為電信號傳輸至位於主機內的光電信號處理模塊，由該光電信號處理模塊處理該電信號並將處理後的信號輸送主機。
2.根據權利要求1所述的離心杯用光電傳感裝置，其特徵在於，所述的離心杯處和光電傳感裝置安裝在一個可屏蔽外界光影響的封閉離心井中。
3.根據權利要求1所述的離心杯用光電傳感裝置，其特徵在於，所述光發射器和光接收器的軸線處於同一平面內，且光發射器和光接收器的軸線之間呈20 40度的夾角；所述光接收器的軸線與探測區域的表面法線所成夾角為O 20度。
4.根據權利要求1所述的離心杯用光電傳感裝置，其特徵在於，所述光發射器由光源和位於光源前方的會聚透鏡組成，所述光源為LED、或為雷射二極體。
5.根據權利要求4所述的離心杯用光電傳感裝置，其特徵在於，所述的光源發出為波長處於600 770nm之間的紅色可見光。
6.根據權利要求1所述的離心杯用光電傳感裝置，其特徵在於，所述光接收器包括接收透鏡和位於接收透鏡後方的光敏元件；所述光敏元件為光電二極體、或為光電三極體、或為光電池。
專利摘要本實用新型涉及一種離心杯用光電傳感裝置，該光電傳感裝置包括有光發射器、光接收器和電子電路，電子電路由光源驅動模塊和光電信號處理模塊組成，光源驅動模塊連接於光發射器，光電信號處理模塊連接於光接收器，光發射器與光接收器的軸線呈一定夾角，光發射器在光源驅動模塊的驅動下發出探測光束，照射於離心杯肩部的探測區域，離心杯內血層的漫反射光作為信號光由光接收器接收並輸出光電信號，該信號由光電信號處理模塊進行分析處理。本實用新型的裝置能降低光的損耗，提高光能量的利用率，進而提高傳感器的信噪比，提高其適應性。
文檔編號G01N21/17GK202974847SQ20122064736
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者經建中, 劉繼純, 唐海波, 陶晨 申請人:金衛醫療科技(上海)有限公司