血液流变性观测仪的研制
作者：段炳柱 李 川 李永江 任超世 李贵山 薄丽津 任 倩
单位：段炳柱 李 川 李永江 任超世(中国医学科学院生物医学工程研究所 (300192)；李贵山 薄丽津 任 倩(中国医学科学院血液学研究所)
关键词：血液流变学；血细胞
中国医疗器械杂志990406 提要 介绍用于血液流变学研究，可对血细胞在不同切变率场中的动态流变行为和变化过程进行观察和测量的仪器。具有手动、自动和模拟搏动状态三种切变率工作方式，可提供各种可变流场，切变率可在0.1～1000s-1范围内任意设定。仪器用血量少，操作简便迅速，图像清晰，直观性强，能实时同步地完成显示、测量和记录血细胞的各种动态流变状态。
The Development of a Hemorrhologity Observating
, http://www.100md.com
and Measuring Instrument
Duan Bingzhu Li Guishan Li Chuan Bo Lijin
Li Yongjiang Ren Qian Ren Chaoshi
Institute of Biomedical Engineering and Institute of Hematology,Chinese Academy of Medical Science
ABSTRACT A new instrument for observing blood cell state and the process of variation on hemorrheology has been developed. There are three ways of shear rate:setting by hand,automatically setting and simulating pulsative state. It can provide different variable flow fields. The shear rate can be set in the range from 0.1 to 1000s-1. It needs only a little blood. It can be easyly and rapidely operated. it has clear images. The hemorrheology state of blood cells can be directly perceived through thd instrument by eyes. The display and measurement and record of blood cell′s hemorrheology state can be finished in real time dynamically and simultaneously.
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KEY WORDS Hemorrheology Blood cell
血液流变学检测和研究在临床及基础医学中的重要地位和有效性，已越来越受到医学专家的重视，特别是在对于心、脑、肺及血管等疾病提供预报信息方面，更具有重要的意义。有效地检测血液的流变特性，正确地评价血液的流变行为，一直是血液流变学和生物医学工程学的重要研究领域。人体血液粘度是反映血液流动状态的重要物理指标，不正常的血液粘度将影响人的血压和心脏功能，并引发与之相应的疾病。血液中的红细胞及血小板的变形、聚集等微观流变行为，是构成血液非牛顿流动性的主要因素，血细胞的聚集-解聚过程会使血液粘度产生相应的变化，所以血细胞的流变性在血液流变学研究和临床中占有重要地位。
迄今为止，虽然国内外使用的血液流变学测量方法有许多种，但就其原理和实质而言，大都是单标、单一切变率状态的测量，或仅是对静止血样中的血细胞状态进行观测，缺乏对动态流变特征的检测和研究，不能对不同切变率场中的血细胞及其聚集体随时间和空间的变化过程，即血细胞的聚集-解聚过程，以及血细胞及其聚集体的动态流变特征进行直观的显示、方便的观察和测量。我们研制的血液流变性观测仪可实现对血细胞的动态流变特征和血细胞的聚集-解聚过程进行直观的显示和方便的观测，是血液流变学研究和临床检测的理想仪器。
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1 原理与方法
血液具有透光性，而血液中的不同成份分别具有不同的透光率和不同的形状。根据这一特点，利用光学原理，将产生血液流变场的锥板用光学玻璃制成，用平行光在盛放血样的锥板下方向上照射。在锥板上方设置一光学显微镜，通过显微目镜即可观测到不同切变率场中的血细胞流变状态及血细胞聚集—解聚过程。利用摄像装置与显微系统的结合，将光信号进行光电转换后传输给显示系统，即可在显示屏幕上对血细胞的流变状态和聚集—解聚过程进行动态时空显示以及更方便地观察和测量，同时还可用与显示器相连接的录像装置将血细胞的流变状态和聚集—解聚过程记录下来，供分析和研究时使用。
2 结构与设计
血液流变性观测仪由血液切变流场发生系统、光学显微放大系统、显示与记录系统及测量定位系统等构成。
血液切变流场发生系统的作用是产生和实现血细胞在不同切变率场中的聚集—解聚过程。光学显微放大系统、显示与记录系统及测量定位系统共同完成对血细胞的动态流变特征和聚集—解聚过程的显示、观察和记录，以及血细胞及其聚集体大小的测量。
, 百拇医药
2.1 血液切变流场发生系统
血液切变流场发生系统包括控制电路、驱动和传动装置，以及用光学玻璃制成的锥板血池。如图1所示。
图1 血液切变流场发生系统
控制信号发生器可产生各种控制信号，包括切变率设定、切变率工作方式选择、电机的启动或停止及运转状态等控制信号。驱动信号发生器则根据控制信号的类型产生相应的驱动信号，该信号作用于电机，使电机处于正确的工作状态。
步进电机既可作驱动用，还可通过控制信号的作用使步进电机的输出转速在一定的范围内连续变化。本设计通过步进电机变速和机械齿轮传动系统变速相结合，实现了锥板转速可在较大范围内的连续变化。根据流场的切变率与锥板转速之间的关系，即可实现切变率在很宽范围内(0.1s～1000s-1)的连续可变性。
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在控制电路的作用下，血液切变流场发生系统的流场切变率不仅可以在0.1s～1000s-1范围内连续变化和任意设定，还可自动分级设定和在设定的切变率上叠加一搏动信号，以模拟血液在血管中的不同流动状态，使观察和测量到的血细胞的流变特性具有动态性和客观性，更接近人体中血液的流变特性。
2.2 光学显微放大系统和显示与记录系统
光学显微放大系统包括光源、光导纤维、物镜光组、目镜光组、棱镜光组和放大镜组。其中物镜光组、目镜光组和棱镜光组构成一个显微观测系统。
显示与记录系统包括摄像头，显示器和录像机。
光学玻璃制成的锥板置于光源和显微物镜之间，如图2所示。
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图2 光学显微放大系统和显示与记录系统
为了避免光源直接照射玻璃锥板，热辐射对血样流变性的影响，采用光导纤维传递照射光，并自下而上地照射锥板。照射光束应与光学系统的光轴平行。
光学显微放大系统设计在锥板上方，并可整体在垂直方向上升降调节，以便在目镜中或显示器屏上观察到清晰的血细胞图像和整个血流变过程的图像。血细胞在显示屏上的图像已被放大约600倍，通过屏上设置的50微米测量标尺可以测定血细胞及其聚集体的尺寸大小，以及单位面积中血细胞聚集体数量的多少，以此可以作为临床诊断疾病的重要依据。
该议器有两种方法观测血细胞形态及血液的流变过程：一是通过目镜进行目测，目镜中也设有用于估测的测量标尺；另一是在显示器屏上进行观测，由于图像放大倍数高，所以较用目镜观测更为方便。用显示屏观测的同时还可使录像机与显示器相接，将血细胞聚集—解聚的全过程记录下来，供以后研究使用。
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两种观测方法是通过设置在显微镜中的棱镜光组来实现的。棱镜光组将来自物镜光组的成像光束分成两路，一路射向目镜光组，另一路射向放大光组与摄像头。因此，血细胞的流变过程既可由目镜中观测，也可在显示器屏上观测。
摄像头将光信号进行光电转换后传递给显示器，将血细胞的形态及血液流变的全过程显示出来，利用屏上设置的测量标尺即可对血细胞及其聚集体的大小和单位面积上的多少进行测量和计数。
2.3 测量定位系统
测量定位系统包括两部分：显微镜升降定位系统和锥板水平二维平移定位系统。
显微放大系统整体可在垂直方向上升降调节，该升降系统包括升降导轨和调节手轮。转动调节手轮即可使显微放大系统在导轨上垂直升降，调节物镜与血细胞之间的距离，直到在目镜中或显示器上能看到清晰的血细胞图像时止。
, 百拇医药
锥板水平二维平移定位系统包括两组平移导轨，两组导轨的移动方向相互垂直。通过转动调节手轮带动导轨。当使两组导轨分别在X、Y两方向上移动时，可借助在目镜中观察或直接在显示器屏上观察来确定锥板血池的位置，以使欲测量的血细胞处于最佳测量位置上。
锥板、光源、驱动锥板转动的马达和齿轮传动系统均安装在锥板水平二维平移定位系统上，随导轨一起移动。
3 性能和特点
该血液流变性观测仪具有均匀切变流场，且切变率变化范围宽(0.1s～1000s-1)，同时还具有多种切变率工作方式：
(1) 手动：切变率在0.1s～1000s-1之间连续可变，任意设定。
(2) 自动：在设定切变率下限后，分10个台阶从最低切变率自动增加到切变率上限值，使每级台阶持续6s。
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(3) 搏动：在设定的切变率上叠加一搏动信号，以模拟血液在血管内的搏动流动状态，搏动频率可在0.1Hz～10Hz之间设定。
本仪器用血量少，仅需全血样本约50μl，操作简便迅速，完成一个血样检测约10min，图像清晰，是目前国内外较先进的仪器。它能实时同步地完成血细胞及其聚集体的时空状态显示、测定和记录血细胞的动态流变特征和流变过程，并且能为与血液粘度随切变率的改变相对应，从微观的细胞聚集—解聚的变化分析宏观的全血非牛顿性征提供客观依据。
本仪器最新颖的特点是能直接地观测血细胞及其聚集体的形态特征和尺寸大小，可推广应用。
4 结束语
本仪器可测定健康人、心脑血管血栓性病人及尘肺病人的红细胞的聚集—解聚动态变化过程，也可用于对血小板聚集体随切变率变化的观测，还可用于石油部门对油水两相液滴的流变性研究。因此，在探讨悬浮液中微观结构物理图像的变化方面有着广泛的应用前景。
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参 考 文 献
1 陈文杰主编. 血液流变学. 天津科学技术出版社出版. 1987
2 段炳柱等. 多功能切变流场发生装置的研制.中国医疗器械杂志.1997.(4)
3 王保华. 生物医学电子学. 北京：高等教育出版社。 1988
4 李天元主编. 简明机械工程师手册. 云南科技出版社. 1988
5 徐家骅主编. 计量工程光学. 机械工业出版社出版. 1981
(1998年9月10日收稿), 百拇医药
单位：段炳柱 李 川 李永江 任超世(中国医学科学院生物医学工程研究所 (300192)；李贵山 薄丽津 任 倩(中国医学科学院血液学研究所)
关键词：血液流变学；血细胞
中国医疗器械杂志990406 提要 介绍用于血液流变学研究，可对血细胞在不同切变率场中的动态流变行为和变化过程进行观察和测量的仪器。具有手动、自动和模拟搏动状态三种切变率工作方式，可提供各种可变流场，切变率可在0.1～1000s-1范围内任意设定。仪器用血量少，操作简便迅速，图像清晰，直观性强，能实时同步地完成显示、测量和记录血细胞的各种动态流变状态。
The Development of a Hemorrhologity Observating
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and Measuring Instrument
Duan Bingzhu Li Guishan Li Chuan Bo Lijin
Li Yongjiang Ren Qian Ren Chaoshi
Institute of Biomedical Engineering and Institute of Hematology,Chinese Academy of Medical Science
ABSTRACT A new instrument for observing blood cell state and the process of variation on hemorrheology has been developed. There are three ways of shear rate:setting by hand,automatically setting and simulating pulsative state. It can provide different variable flow fields. The shear rate can be set in the range from 0.1 to 1000s-1. It needs only a little blood. It can be easyly and rapidely operated. it has clear images. The hemorrheology state of blood cells can be directly perceived through thd instrument by eyes. The display and measurement and record of blood cell′s hemorrheology state can be finished in real time dynamically and simultaneously.
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KEY WORDS Hemorrheology Blood cell
血液流变学检测和研究在临床及基础医学中的重要地位和有效性，已越来越受到医学专家的重视，特别是在对于心、脑、肺及血管等疾病提供预报信息方面，更具有重要的意义。有效地检测血液的流变特性，正确地评价血液的流变行为，一直是血液流变学和生物医学工程学的重要研究领域。人体血液粘度是反映血液流动状态的重要物理指标，不正常的血液粘度将影响人的血压和心脏功能，并引发与之相应的疾病。血液中的红细胞及血小板的变形、聚集等微观流变行为，是构成血液非牛顿流动性的主要因素，血细胞的聚集-解聚过程会使血液粘度产生相应的变化，所以血细胞的流变性在血液流变学研究和临床中占有重要地位。
迄今为止，虽然国内外使用的血液流变学测量方法有许多种，但就其原理和实质而言，大都是单标、单一切变率状态的测量，或仅是对静止血样中的血细胞状态进行观测，缺乏对动态流变特征的检测和研究，不能对不同切变率场中的血细胞及其聚集体随时间和空间的变化过程，即血细胞的聚集-解聚过程，以及血细胞及其聚集体的动态流变特征进行直观的显示、方便的观察和测量。我们研制的血液流变性观测仪可实现对血细胞的动态流变特征和血细胞的聚集-解聚过程进行直观的显示和方便的观测，是血液流变学研究和临床检测的理想仪器。
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1 原理与方法
血液具有透光性，而血液中的不同成份分别具有不同的透光率和不同的形状。根据这一特点，利用光学原理，将产生血液流变场的锥板用光学玻璃制成，用平行光在盛放血样的锥板下方向上照射。在锥板上方设置一光学显微镜，通过显微目镜即可观测到不同切变率场中的血细胞流变状态及血细胞聚集—解聚过程。利用摄像装置与显微系统的结合，将光信号进行光电转换后传输给显示系统，即可在显示屏幕上对血细胞的流变状态和聚集—解聚过程进行动态时空显示以及更方便地观察和测量，同时还可用与显示器相连接的录像装置将血细胞的流变状态和聚集—解聚过程记录下来，供分析和研究时使用。
2 结构与设计
血液流变性观测仪由血液切变流场发生系统、光学显微放大系统、显示与记录系统及测量定位系统等构成。
血液切变流场发生系统的作用是产生和实现血细胞在不同切变率场中的聚集—解聚过程。光学显微放大系统、显示与记录系统及测量定位系统共同完成对血细胞的动态流变特征和聚集—解聚过程的显示、观察和记录，以及血细胞及其聚集体大小的测量。
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2.1 血液切变流场发生系统
血液切变流场发生系统包括控制电路、驱动和传动装置，以及用光学玻璃制成的锥板血池。如图1所示。
图1 血液切变流场发生系统
控制信号发生器可产生各种控制信号，包括切变率设定、切变率工作方式选择、电机的启动或停止及运转状态等控制信号。驱动信号发生器则根据控制信号的类型产生相应的驱动信号，该信号作用于电机，使电机处于正确的工作状态。
步进电机既可作驱动用，还可通过控制信号的作用使步进电机的输出转速在一定的范围内连续变化。本设计通过步进电机变速和机械齿轮传动系统变速相结合，实现了锥板转速可在较大范围内的连续变化。根据流场的切变率与锥板转速之间的关系，即可实现切变率在很宽范围内(0.1s～1000s-1)的连续可变性。
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在控制电路的作用下，血液切变流场发生系统的流场切变率不仅可以在0.1s～1000s-1范围内连续变化和任意设定，还可自动分级设定和在设定的切变率上叠加一搏动信号，以模拟血液在血管中的不同流动状态，使观察和测量到的血细胞的流变特性具有动态性和客观性，更接近人体中血液的流变特性。
2.2 光学显微放大系统和显示与记录系统
光学显微放大系统包括光源、光导纤维、物镜光组、目镜光组、棱镜光组和放大镜组。其中物镜光组、目镜光组和棱镜光组构成一个显微观测系统。
显示与记录系统包括摄像头，显示器和录像机。
光学玻璃制成的锥板置于光源和显微物镜之间，如图2所示。
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图2 光学显微放大系统和显示与记录系统
为了避免光源直接照射玻璃锥板，热辐射对血样流变性的影响，采用光导纤维传递照射光，并自下而上地照射锥板。照射光束应与光学系统的光轴平行。
光学显微放大系统设计在锥板上方，并可整体在垂直方向上升降调节，以便在目镜中或显示器屏上观察到清晰的血细胞图像和整个血流变过程的图像。血细胞在显示屏上的图像已被放大约600倍，通过屏上设置的50微米测量标尺可以测定血细胞及其聚集体的尺寸大小，以及单位面积中血细胞聚集体数量的多少，以此可以作为临床诊断疾病的重要依据。
该议器有两种方法观测血细胞形态及血液的流变过程：一是通过目镜进行目测，目镜中也设有用于估测的测量标尺；另一是在显示器屏上进行观测，由于图像放大倍数高，所以较用目镜观测更为方便。用显示屏观测的同时还可使录像机与显示器相接，将血细胞聚集—解聚的全过程记录下来，供以后研究使用。
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两种观测方法是通过设置在显微镜中的棱镜光组来实现的。棱镜光组将来自物镜光组的成像光束分成两路，一路射向目镜光组，另一路射向放大光组与摄像头。因此，血细胞的流变过程既可由目镜中观测，也可在显示器屏上观测。
摄像头将光信号进行光电转换后传递给显示器，将血细胞的形态及血液流变的全过程显示出来，利用屏上设置的测量标尺即可对血细胞及其聚集体的大小和单位面积上的多少进行测量和计数。
2.3 测量定位系统
测量定位系统包括两部分：显微镜升降定位系统和锥板水平二维平移定位系统。
显微放大系统整体可在垂直方向上升降调节，该升降系统包括升降导轨和调节手轮。转动调节手轮即可使显微放大系统在导轨上垂直升降，调节物镜与血细胞之间的距离，直到在目镜中或显示器上能看到清晰的血细胞图像时止。
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锥板水平二维平移定位系统包括两组平移导轨，两组导轨的移动方向相互垂直。通过转动调节手轮带动导轨。当使两组导轨分别在X、Y两方向上移动时，可借助在目镜中观察或直接在显示器屏上观察来确定锥板血池的位置，以使欲测量的血细胞处于最佳测量位置上。
锥板、光源、驱动锥板转动的马达和齿轮传动系统均安装在锥板水平二维平移定位系统上，随导轨一起移动。
3 性能和特点
该血液流变性观测仪具有均匀切变流场，且切变率变化范围宽(0.1s～1000s-1)，同时还具有多种切变率工作方式：
(1) 手动：切变率在0.1s～1000s-1之间连续可变，任意设定。
(2) 自动：在设定切变率下限后，分10个台阶从最低切变率自动增加到切变率上限值，使每级台阶持续6s。
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(3) 搏动：在设定的切变率上叠加一搏动信号，以模拟血液在血管内的搏动流动状态，搏动频率可在0.1Hz～10Hz之间设定。
本仪器用血量少，仅需全血样本约50μl，操作简便迅速，完成一个血样检测约10min，图像清晰，是目前国内外较先进的仪器。它能实时同步地完成血细胞及其聚集体的时空状态显示、测定和记录血细胞的动态流变特征和流变过程，并且能为与血液粘度随切变率的改变相对应，从微观的细胞聚集—解聚的变化分析宏观的全血非牛顿性征提供客观依据。
本仪器最新颖的特点是能直接地观测血细胞及其聚集体的形态特征和尺寸大小，可推广应用。
4 结束语
本仪器可测定健康人、心脑血管血栓性病人及尘肺病人的红细胞的聚集—解聚动态变化过程，也可用于对血小板聚集体随切变率变化的观测，还可用于石油部门对油水两相液滴的流变性研究。因此，在探讨悬浮液中微观结构物理图像的变化方面有着广泛的应用前景。
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参 考 文 献
1 陈文杰主编. 血液流变学. 天津科学技术出版社出版. 1987
2 段炳柱等. 多功能切变流场发生装置的研制.中国医疗器械杂志.1997.(4)
3 王保华. 生物医学电子学. 北京：高等教育出版社。 1988
4 李天元主编. 简明机械工程师手册. 云南科技出版社. 1988
5 徐家骅主编. 计量工程光学. 机械工业出版社出版. 1981
(1998年9月10日收稿), 百拇医药