临床检验分析技术与仪器

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(PatientMonitor)前言医学仪器定义参考国际标准化组织(ISO)对医疗器械(MedicalDevice)的定义，医学仪器(Medicalinstrument)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;损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或者补偿;解剖或生理过程的研究、替代或者调节;妊娠控制。简单的说：医学仪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（电生理参数、非电生理参数检测）医学成像类仪器（X射线成像、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（电治疗、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。HITACHI7080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-εCd其中ε是溶质对特定波长的吸收系数(波长一定时，ε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。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析仪是20世纪70年代以来发展很快，目前已占绝对优势。它的原理是利用离心力使试剂和样本相混合，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。转子为该仪器重要部件之一，由透明有机玻璃制成，为圆盘状，有约30个长条反应槽呈辐射状排列。转速平均每分钟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量大的工作，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，又称电阻法。在含有血细胞悬浮的电解质释放液中，侵入有正电极的计数器管(上有一小孔)。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)。若在仪器中再输入大气压，病人体温及血红蛋白等数据，可进一步计算得到HCO3、二氧化碳总量、硷过量（BE）等数据。最初的血气分析仪只有一个PH电极，即使如此，在临床抢救时已发挥了作用。1957年二氧化碳气敏电极问世，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值电极是一种对氢离子具有选择性敏感的玻璃膜离子选择电极。它的结构形式大部分为平头膜PH电极。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氧化碳的薄膜，当血样本通过此薄膜时，二氧化碳气体透过薄膜进入电极外缓冲液，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，其原理是基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（在外部磁场作用下，基于对电子或核子吸收电磁射线进行测量与分析的技术。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。用微电极可以记录到细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信号有心电、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，