快速救护微型生化检测仪的光学系统设计

　　0　引言

　　快速微型救护生化检测仪作为一种便携式生化检测仪器在突发事件的医疗救护中有着非常重要的需求背景。它能在野外环境、突发事件和战场环境下快速检测伤病员的重要生命参数,为抢救伤员赢得宝贵的时间。基于微型光谱仪的快速救护微型生化检测仪的光学系统是该微型救护生化检测仪的重要组成部分,传统光路系统存在体积大、功耗大、使用条件有限(如电源、环境等)等问题,难以满足在野外环境和突发事件条件下的使用需求[1]。

　　为此,本文针对基于微型光谱仪的快速救护微型生化检测仪的要求,提出了基于微型光谱仪为核心的微小型光学系统结构与控制方法。

　　1　光学系统设计

　　1.1　系统总体结构

　　快速救护微型生化检测仪是一种基于微型光谱仪的专用微小型生化检测仪。光学系统总体结构如图1所示,8个样品室组成半圆形结构,系统可进行8项生化参数的检测,样品室外侧弧面的通孔用于安装检测光源,通过步进电机带动光纤探头旋转以实现对8个样品室光谱信号的扫描检测。与直线型结构相比,此结构可以有效节省系统空间,简化传动结构,使整个光路系统控制简便、工作稳定、可靠性高、精度好,有利于仪器微小型化设计。

　　在此结构基础上进行了相应的控制系统设计,控制电路采用ATMEL公司生产的AT89C55作为光学系统驱动控制器,通过I/O端口和驱动电路对工作光源和步进电机进行驱动控制,实现对8个样品室的扫描功能。以单个样品室的检测光路为例(如图2),光源发出的光由透镜准直后射入样品室,经过被测液体,到光谱检测孔,由透镜耦合到探头进入微型光谱仪,从而获取光谱信号[3]。

　　1.2　光源

　　1.2.1　光源的选择

　　生化检测仪要实现多参数检测功能,则光源必须能够提供所有用于检测的光谱信号。通常可用于生化检测的光源有卤钨灯、氘灯、氙灯等,这些光源的发光谱带宽,包括了多种常规物质检测所需的检测波长,能够达到良好的分析效果[4]。但是对于便携式生化检测仪器而言,它们都普遍存在功耗大、发热量大、寿命短、稳定性差等问题,制约了仪器性能。LED作为一种新兴的发光器件,具有低功耗、长寿命、发热量小等优点。

　　LED的工作电压只有5 V,可以与控制电路电源兼容,便于实现自动控制。为解决其谱带较窄的问题,根据被测对象的波长选用相应波长的LED组合,这样既满足了所需光谱波长,又减小其他波长光的干扰。

　　1.2.2　光源的控制

　　为了减少系统功耗,LED在检测过程中不是一直处于开启状态,因此在检测过程中,应通过控制器和驱动电路来有选择性地开启相应的LED。LED驱动电路如图3所示,LED工作电压直接由控制电路电源Vcc提供,PNP管的基极分别接AT89C55的P0.0~P0.5端口,当进行某个生化参数的检测时,单片机对相应的端口输出低电平,PNP管导通,相应的LED进入工作状态,由此实现了对LED的驱动与控制。为防止LED的光强过大导致光谱信号饱和,电路中使用电位器对LED的工作电流进行限制,从而实现调节光强的作用。