đồ án máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động

Đồ án môn học ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: MÁY XÉT NGHIỆM SINH HÓA BÁN TỰ ĐỘNG GVHD: THẦY LÊ CAO ĐĂNG Tp.HCM tháng 11 năm 2015 Đồ án môn học Lời nói đầu Có thể nói y tế ngành trọng đầu tư hàng đầu hầu hết quốc gia không riêng Việt Nam, nên song song với nhu cầu thiết bị y tế ngày tăng nhanh mặt số lượng phải đảm bảo chất lượng, phải nói đến chuyên ngành thiết bị y tế xét nghiệm đặc biệt, máy xét nghiệm sinh hóa có ứng dụng vơ rộng rãi (xét nghiệm sinh hóa nhanh chóng, đơn giản cho kết xác cao) Hiện nay, cơng nghệ phát triển, máy xét nghiệm sinh hóa ngày cải tiến nhiều nhiên điều lại gắn với mức độ phức tạp có tích hợp cao máy xét nghiệm sinh hóa Vì hiểu rõ ngun lý cấu tạo máy xét nghiệm sinh hóa việc cần thiết kỹ sư y sinh bác sĩ chuẩn đoán Trên sở tìm hiểu kiến thức từ nguồn tài liệu từ thấy hướng dẫn, nhóm sinh viên chúng em thiết kế lại máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động , tự thực mẫu xét nghiệm đề tài đồ án mơn học nhóm chúng em Do kiến thức mức độ tương đối làm việc khoảng thời gian có giới hạn nên đề tài chúng em cịn nhiều sai sót hạn chế Chúng em mong góp ý sửa chửa để đề tài hoàn thiện khả thi phương diện kỹ thuật kinh tế Chúng em chân thành cảm ơn Thầy Lê Cao Đăng hướng dẫn giúp đỡ chúng em thiết kế hồn thành đề tài Đồ án mơn học MỤC LỤC Đồ án môn học PHẦN I: MỞ ĐẦU Lời nói đầu: Xét nghiệm sinh hóa đóng vai trị quan trọng y học việc hóa chất miễn dịch việc nghiên cứu thay đổi sinh lý, bệnh lý số hóa sinh thể người, đặc biêt đóng góp vào việc dự phịng, chẩn đốn theo dõi điều trị Vì máy xét nghiệm sinh hóa, đặc biệt máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động sử dụng rộng rãi Nắm bắt điều này, nên nhóm muốn tìm hiểu thưc kế, góp phần đáp ứng nhu cầu vận hành tốt • • • Tính ưu việt máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động: Chính xác định lượng nhiều chất có nồng độ thấp Đánh giá kết nhanh, nhạy Hiện có cải tiến cập nhật nhiều công nghệ tiến PHẦN II : NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Một số dụng cụ cần biết: 1.1 Kính lọc giao thoa Sử dụng kính lọc giao thoa cho dải thông hẹp gần 10nm, lọc loại hấp thụ gần 10% xạ tới qua tồn dải quang phổ ánh sáng tới cảm biến quang có cường độ cao Do vậy, hầu hết loại máy sinh hố sử dụng loại kính lọc Chúng thiết kế nhiều lớp kính đặt gần khoảng cách lớp kính 1/2 độ dài bước sóng mà ta cần lọc Nguyên lý lọc màu loại kính sau: Khi ta cho chùm ánh sáng trắng qua kính lọc, tia sáng vào kính tán xạ nhiều lớp kính đặt cách 1/2 λ, tia sáng có bước sóng khơng trùng với bước sóng kính lọc tương ứng bị triệt tiêu Đồ án môn học đầu ta thu ánh sáng có bước sóng tng ng 1/2 Hình 1.1 Cấu tạo kính lọc giao thoa 1.2 Nhiễu xạ cách tử Cách tử cấu tạo dựa tượng nhiễu xạ.Khi ánh sáng qua khe hẹp xuất hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.Vùng nhiễu xạ cho phổ ánh sáng chiếu tới Một cách tử nhiều xạ gồm số lượng lớn rãnh song song cách khắc gần bề mặt có độ bóng cao thép, thuỷ tinh thạch anh Cách tử nhiễu xạ điển hình có 1200 - 2000 vạch/mm, mật độ dày độ đơn sắc tốt Khi ánh sáng trắng chiếu lên cách tử, bước sóng khác bị chệch theo góc khác hình 1.2 Đồ án mơn học ánh sáng tới Màu ánh sáng đơn sắc xác định góc Hình 1.2 mức nhiễu xạ cách tử phản xạ Khe sáng Thấu kính hội tụ Nguồn sáng Khe sáng Cách tử suốt Hình 1.3 Cấu trúc cách tử truyền Nếu chùm sáng khuếch tán sau hội tụ lại khe hẹp chọn bước sóng ánh sáng cách dịch chuyển khe hẹp Cách tử loại gọi cách tử phản xạ thường dùng để phân tích vùng tử ngoại Trong phân tích ánh sáng khả kiến thường sử dụng cách tử truyền có cấu trúc Đồ án mơn học 1.3 Cuvét Hình 1.4: Cuvet Được dùng máy xét nghiệm để dựng mẫu đo,vì cuvét phải làm với đặc tính: • Cho qua tất bước sóng dùng xét nghiệm • Có bề mặt quang học đảm bảo song song phẳng tuyệt đối để tránh phản xạ ánh sáng chiếu tới • Phải có độ bền hố học, khơng bị hố chất làm hỏng Trong thực tế có nhiều loại cuvet phụ thuộc vào chất liệu chế tạo.Cuvét thường làm từ thạch anh, thuỷ tinh nhựa trong, có chiều dày quang học chuẩn cm để đảm bảo tính chất Định luật đo màu: Phương pháp đo màu phương pháp phân tích thành phần dung dịch dựa việc so sánh cường độ cường độ màu dung dịch nghiên cứu với cường độ dung dịch chuẩn (dung dịch có nồng độ biết trước) Người ta dùng phương pháp đo màu chủ yếu để xác định lượng nhỏ chất có dung dịch.Phân tích phương pháp đo màu tốn thời gian so với phương pháp khác, cho kết xác mà khơng cần phải tách riêng chất cần Đồ án môn học xác định khỏi thành phần dung dịch Phương pháp đo màu thực hai cách bản: • Phương pháp đo màu chủ quan ( Quan sát mắt ) • Phương pháp đo màu khách quan ( Đo màu quang điện) Phương pháp đo màu chủ quan không cịn dùng tính xác mang tính chất tương đối, phụ thuộc vào người quan sát Phương pháp đo màu quang điện cho kết xác, khách quan nên ứng dụng phổ biến xét nghiệm 2.1 Sự hấp thụ ánh sáng dung dịch Nếu rọi chùm sáng có cường độ I vào cuvét đựng dung dịch phần Ir bị phản xạ bề mặt cuvét, phần khác I a bị dung dịch hấp thụ, phần cịn lại It qua cuvét ngồi, đại lượng cường độ ánh sáng có hệ thức sau: I0=Ir+Ia+It (1-1) Trên thực tế, loại phân tích ta sử dụng loại cuvét nên cường độ ánh sáng phản xạ Ir không đổi Mặt khác, bề mặt cuvét làm phẳng ánh sáng chiếu vào tập trung gần vng góc với bề mặt cuvét nên I r nhỏ Vì bỏ qua thành phần phản xạ Ta có hệ thức đơn giản sau: I0= Ia+It (1-2) Bằng cách đo cường độ ánh sáng tới I0 cường độ ánh sáng khỏi cuvét I t, ta tìm cường độ ánh sáng bị hấp thụ Ia Đồ án mơn học Ir Ia It I0 Hình 2.1 Mơ tả đường truyền ánh sáng qua cuvét chứa dung dịch 2.2 Định luật Bouguer - Lambert Dựa thực nhiệm, P Bouguer I.Lambert thiết lập mối liên hệ ánh sáng truyền môi trường với chất môi trường truyền dẫn Định luật Bouguer - Lambert phát biểu sau: “Những lớp chất có chiều dày đồng nhất, điều kiện hấp thụ tỉ lệ dòng sáng rọi vào lớp chất đó.” Để giải thích điều này, ta giả thiết chùm sáng có cường độ 100 lux, qua lớp dung dịch có chiều dày định, chùm sáng bị hấp thụ 50% ban đầu Như vậy, chùm sáng ló sau dung dịnh lại 50 lux Ta tiếp tục cho chùm sáng qua lớp dung dịch tính chất chiều dày lớp dung dịch trước Sau qua lớp thứ hai này, chùm sáng lại bị hấp thụ 50% cường độ cịn lại 25 lux Giả sử có lớp mơi trường có bề dày x (hình 1.11) chùm sáng đơn sắc chiếu tới mà cường độ sáng trước vào môi trường I 0, sau qua môi trường cường độ ánh sáng I x Trường hợp yếu tố phản xạ khúc xạ coi vơ nhỏ bỏ qua Mối quan hệ cường độ ánh sáng trước sau qua môi trường biểu diễn công thức: Đồ án môn học I x = I e − µx (1-3) Trong µ hệ số hấp thụ môi trường, phụ thuộc vào chất, mật độ mơi trường vào bước sóng ánh sáng chiếu tới Dấu trừ cho biết cường độ ánh sáng qua bề dày x bị giảm Biểu thức biểu thức biểu diễn định luật Bouguer - Lambert cho biết qui luật giảm cường độ ánh sáng sau truyền qua môi trường Thường người ta viết định luật Bouguer dạng sau: I = I 10 − Kx (1-4) Trong k hệ số tắt, k = 0,43 µ Nếu I0 = I 10 K= x Vậy hệ số tắt có giá trị nghịch đảo bề dày mà với cường độ ánh sáng bị yếu 10 lần Nói khác đi, lấy chiều dày hấp thụ đại lượng nghịch đảo hệ số tắt cường độ ánh sáng bị giảm 10 lần 2.3 Định luật Bouguer – Lambert - Beer Khi nghiên cứu hấp thụ ánh sáng dung dịch, Beer thiết lập mối liên hệ hệ số tắt K với nồng độ chất hấp thụ ánh sáng sau: K= ε C (1-5) Trong đó: C: nồng độ chất tan dung dịch ε: hệ số không phụ thuộc vào nồng độ Định luật Beer tương tự định luật Bouguer – Lambert Nhưng định luật Bouguer – Lambert khảo sát thay đổi độ hấp thụánh sáng với dung dịch có nồng độ 10 Đồ án mơn học Vi điều khiển AVR: xử lý trung tâm toàn bo mạch Với mẫu Arduino khác chip khác Ở Arduino Uno sử dụng ATMega328 Lập trình cho Arduino Thiết kế board mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính thông dụng mang lại nhiều lợi cho Arduino, nhiên sức mạnh thực Arduino nằm phần mềm Mơi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngơn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu dựa tảng C/C++ quen thuộc với người làm kỹ thuật Và quan trọng số lượng thư viện code viết sẵn chia sẻ cộng đồng nguồn mở lớn Giao diện IDE Arduino Thanh menu IDE gồm: Biên dịch, Biên dịch nạp, New, Open, Save, Serial Monitor Cắm board vào cổng USB, cài Driver (có thư mục cài IDE Arduino) Xác định cổng COM kết nối PC: Truy cập Divice Manager> Pors (Com & LPT) > Arduino (COM…) ; có nghĩa board Arduino nối vào cổng COM… 56 Đồ án môn học Chọn cổng COM tương ứng IDE: Tools > Serial Port > COM… (số cổng COM tương ứng xem trên) Chọn board Arduino IDE: Tools > Board > Arduino Uno Mở code: File > Open > Chọn file *ino Nạp code: Bấm lệnh Upload (biểu tượng mũi tên nằm ngang, thứ từ bên trái) Q trình nạp bắt đầu có thơng báo hoàn tất (Nạp bootloader cho Atmega328 từ PC với khai báo thích hợp IDE) Cấu trúc chương trình Arduino: - Khai báo thư viện chuẫn IDE: #include - Khai báo thư viện kèm theo (tên file chứa thư mục): #include "UnoJoy.h" - Định nghĩa macro (khi biên dịch, đoạn code macro thay vào chỗ gọi nó): #ifndef UNOJOY_H { ….} #endif - Định nghĩa cấu trúc liệu mới: typedef struct data_t {…;} struct data_t ; - Đặt tên chân board theo chức (chân nối encoderA): const int encoderA = 2; - Khai báo biến toàn cục: int Pulse0 = 20; - setup() { + Các lệnh cấu hình hoạt động chân (nhập, xuất, kéo lên), giao tiếp … + Các lệnh thực lần nhất, không cần lặp + Khai báo hàm ngắt; } - loop() { + Các lệnh lặp chu trình; } - Khai báo hàm, hàm thực ngắt {…;} Thay đổi chức board Arduino: Có thể hiểu board Arduino gồm phần cứng phần mềm Chức board phụ thuộc vào phần mềm, tức file hex nạp chip Atmega16u, phụ trách giao tiếp USB-UART với máy tính 57 Đồ án mơn học Mặc định board làm việc với IDE, trở thành gamepad hay thiết bị khác nạp file hex tương ứng với thiết bị (lúc khơng thể kết nối với IDE được) Cách nạp file Hex cho chip Atmega16u: - Tải, cài phần mềm flip file hex mong muốn Set chế độ DFU (reset chip giao tiếp): chạm chân GND lên chân Reset cụm - ICSP1 (2 chân ngồi cùng, phía cổng USB) Chạy flip, chọn loại chíp (16u) Chọn file Hex nạp Rút cắm lại dây USB cho PC nhận lại board Khi muốn Arduino làm việc với IDE phải khơi phục nạp lại file Hex có thư mục cài IDE (trong Arduino\hardware\arduino\firmwares\atmegaxxu2) Code chạy chương trình: // Khái báo thư viện cho LCD #include // Khai báo chân để kết nối LCD với ARDUINO // Chân VEE LCD kết nối với chân số 12 ARDUINO // Chân E LCD kết nối vơi chân số 11 ARDUINO // Chân D4 LCD kết nối với chân số ARDUINO // Chân D5 chân số _ // Chân D6 chân số _ // Chân D7 chân số _ LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2); // Khai báo biến sensorPin nhận giá trị từ chân A0 ARDUINO 58 Đồ án môn học // Chân A0 kết nối với photodiode int sensorPin = A0; // Khai báo biến buttonPin nhận giá trị từ chân số ARDUINO // Chân số ARDUINO kết nối với nút nhấn "màu xanh" int buttonPin = 8; // Khai báo biến buttonPin1 nhận giá trị từ chân số ARDUINO // Chân số ARDUINO kết nối với nút nhấn "màu đỏ" int buttonPin1 = 9; int A,B; double Io_max,I_standard,I_sample,detaA_sample,detaA_standard,C; void setup() { Serial.begin(9600); // Khai báo chức biết sensorPin nhận giá trị pinMode(sensorPin,INPUT); // Khai báo chức biết buttonPin nhận giá trị pinMode(buttonPin,INPUT); // Khai báo cở LCD 16*2 lcd.begin(16,2); } 59 Đồ án môn học // Chương trình void loop() { // Trong giá trị biến buttonPin HIGH vẩn vong lập while while (digitalRead(buttonPin) == HIGH); // Trong giá trị biến buttonPin LOW vẩn vong lập while while (digitalRead(buttonPin) == LOW); // delay 20 mili giây để chống tượng dội nút nhấn delay(20); // Lệnh xóa màng hình LCD lcd.clear(); // Lệnh đặt trỏ màng hình LCD vị trí cột hàng thứ lcd.setCursor(1,0); // Lệnh xuất chuổi màng hinh lcd.print("GLU mg/dl"); // Lệnh đăt trỏ màng hinh LCD vị trí cột hàng thư lcd.setCursor(1,1); // Lệnh xuất chuổi màng hình lcd.print("Blank Yes?"); while (digitalRead(buttonPin) == LOW); 60 Đồ án môn học while (digitalRead(buttonPin) == HIGH); // Đoạn lệnh đọc giá trị vào từ photodiode xuất màng hình // Đọc giá trị cường độ ánh sáng chưa có "mẫu" if (digitalRead(buttonPin) == LOW) { delay(20); A = analogRead(sensorPin); Io_max = A*5/1024; lcd.clear(); lcd.setCursor(1,0); lcd.print("Blank"); lcd.setCursor(1,1); lcd.print(Io_max); lcd.setCursor(6,1); lcd.print("V"); lcd.setCursor(9,1); lcd.print("STD?"); // Ý nghĩa dòng lệnh while nút cịn ấn giữ khơng đợi nút nhả rổi làm tiếp while (digitalRead(buttonPin) == LOW); 61 Đồ án môn học delay(20); } // Ý nghĩa dòng lệnh While để chương trinh "dừng" lại đợi while (digitalRead(buttonPin) == HIGH); delay(20); // Đoạn lệnh đọc giá trị vào từ photodiode xuất màng hình // Đọc giá trị cường độ ánh sáng có "mẫu standard" if (digitalRead(buttonPin) == LOW) // đọc cường độ ánh sánh có standard { delay(20); A = analogRead(sensorPin); I_standard = A*5/1024; lcd.clear(); lcd.setCursor(1,0); lcd.print("STD"); lcd.setCursor(1,1); lcd.print(I_standard); lcd.setCursor(6,1); lcd.print("V"); lcd.setCursor(9,1); 62 Đồ án mơn học lcd.print("Sample?"); // Ý nghĩa dịng lệnh while nút cịn ấn giữ khơng đợi nút nhả rổi làm tiếp while (digitalRead(buttonPin) == LOW); delay(20); } // Ý nghĩa dòng lệnh While để chương trinh "dừng" lại đợi while (digitalRead(buttonPin) == HIGH); delay(20); // Đoạn lệnh đọc giá trị vào từ photodiode xuất màng hình // Đọc giá trị cường độ ánh sáng có "mẫu sample" if (digitalRead(buttonPin) == LOW) { delay(20); A = analogRead(sensorPin); I_sample = A*5/1024; lcd.clear(); lcd.setCursor(1,0); lcd.print("SAMPLE"); lcd.setCursor(1,1); 63 Đồ án môn học lcd.print(I_sample); lcd.setCursor(6,1); lcd.print("V"); lcd.setCursor(9,1); lcd.print("GLU?"); // Ý nghĩa dòng lệnh while nút cịn ấn giữ khơng đợi nút nhả rổi làm tiếp while (digitalRead(buttonPin) == LOW); delay(20); // Ý nghĩa dòng lệnh While để chương trinh "dừng" lại đợi while (digitalRead(buttonPin) == HIGH); delay(20); detaA_sample = log(Io_max/I_sample); detaA_standard = log(Io_max/I_standard); C = 100*detaA_sample/detaA_standard; lcd.clear(); lcd.setCursor(1,0); lcd.print("GLU"); lcd.setCursor(1,1); lcd.print(C); 64 Đồ án môn học lcd.setCursor(9,1); lcd.print("mg/dl"); // Ý nghĩa dòng lệnh while nút ấn giữ khơng đợi nút nhả rổi làm tiếp while (digitalRead(buttonPin) == LOW); delay(20); // Ý đoạn lệnh dã đọc nồng độ mẫu // "dừng" chương trình đợi khì nút "mầu đỏ" nhấn // quay lại đầu chương trình A = 0; B = 0; while (A < B+1) { if (digitalRead(buttonPin1) == LOW) { delay(20); B = B - 2; while (digitalRead(buttonPin1) == LOW); lcd.clear(); } 65 Đồ án môn học } } } Kết quả: 4.1 Chuẩn bị hóa chất - Hóa chất sử dụng: Glucose hãng CENTRONIC Quy trình pha hóa chất: 4.2 Mục đích đánh giá - Kiểm tra chất lượng máy xét nghiệm sinh hóa khâu quan trọng quy trình đảm bảo chất lượng nhằm phát sai số, nguyên nhân dẫn đến tình trạng sai số để từ đưa biện pháp xử lý kịp - thời Giám xác bảo việc bảo dưỡng, bảo trì hiệu chuẩn thiết bị định kỳ 66 Đồ án môn học Đánh giá độ tin cậy thiết bị 4.3 Những số thống kê để đánh giá chất lượng - Kiểm tra độ xác( dùng đại lượng hệ số biến thiên): Kiểm tra độ lặp lại - nhằm phát sai số ngẫu nhiên( độ lệch chuẩn) Một phương pháp xét nghiệm coi xác kết xét nghiệm thu phân tán so với giá trị trung bình Độ xác tương ứng với khoảng cách kết xét nghiệm riêng rẽthu với trị số trung bình Sự phân tán - kết xét nghiệm nhỏ độ xác cao Độ xác thực: Một phương pháp xét nghiệm coi xác thực kết xét nghiệm thu xấp xỉ giá trị thực 4.4 Xử lý số liệu BẢNG SỐ LIỆU THU ĐƯỢC Số Máy xét Máy đồ án lần nghiệm sinh Blank(V) Standard(V) đo hóa bán tự động PM650(mg/dl) 101 4.2 2.62 Sample(V) Nồng độ Glucose(mg/dl) 2.63 98.8 101 4.24 2.57 2.5 102 100 4.25 2.7 2.69 100 103 4.23 2.42 2.39 102 98 4.24 2.58 2.46 101 99 4.25 2.53 2.51 101 101 4.24 2.51 2.48 103 98 4.24 2.45 2.50 98 101 4.24 2.34 2.37 98.2 10 100 4.24 2.45 2.46 99.2 BẢNG KẾT QUẢ 67 Đồ án môn học Máy Trị số trung Phương sai bình Máy xét nghiệm 100.2 2.4 sinh hóa bán tự động PM650 Máy đồ án 100.32 3.03 Độ lệch chuẩn Hệ số biến thiên 1.55 1.54% 1.74 1.73% 4.5 Nhận xét Theo bảng số liệu kết thu ta thấy: - Số liệu đo từ máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động PM650 máy đồ án có sai lệch khơng đáng kể - Hệ số biến thiên máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động PM650nhỏ so với máy đồ án chệnh lệch số liệu không nhiều - Trị số trung bình sau 10 phép thử nồng độ glucose từ máy đồ án có giá trị xấp xỉ so với nồng độ mẫu( standard =100mg/dl)  Dù có sai số yếu tố khách quan gây giá trị đo chấp nhận Đây kết tham khảo, chưa kiểm tra mức QC cao QC thấp nên không đánh giá độ xác kết làm đồ án CHƯƠNG VII: TÀI KIỆU THAM KHẢO PHẦN III: TỔNG KẾT 68 Đồ án môn học 69 ... chất máy quang kế, pha, máy tự ủ tính tốn kết máy sinh hoá bán tự động, thao tác vận hành máy cịn cơng việc hút mẫu, pha mẫu ủ mẫu tính tốn máy làm hồn tồn máy sinh hố tự động Vì vậy, máy sinh. .. y tế xét nghiệm đặc biệt, máy xét nghiệm sinh hóa có ứng dụng vơ rộng rãi (xét nghiệm sinh hóa nhanh chóng, đơn giản cho kết xác cao) Hiện nay, công nghệ phát triển, máy xét nghiệm sinh hóa ngày... lại nhờ xét nghiệm sinh hố phịng thí nghiệm 19 Đồ án mơn học Xét nghiệm sinh hố phân có giá trị chẩn đoán bệnh đường tiêu hoá Nhưng xét nghiệm dùng lý vệ sinh, người ta thực với phân xét nghiệm