راهي اسان براي اندازه گيري همو گلوبين
طراحي و ساخت دستگاه هموگلوبين متر دو اشعه اي
مهندس سيد محمد امين مقدس، گروه مهندسي پزشكي، دانشكده برق، دانشگاه خواجه نصيرالدين طوسي، دكتر بهنام باستاني؛ دكتر حميد ابريشمي مقدم، دكتر شهريار غريبزاده، آزمايشگاه سيستمهاي عصبي- عضلاني، دانشكده مهندسي پزشكي، دانشگاه اميركبير
آشنايي با هموگلوبين
يك مولكول هموگلوبين از دو جفت زنجيرة پليپپتيدیa و b (گلوبين) و چهار گروه پروستتيكهم، كه هر كدام حاوي يك اتم آهن دو ظرفيتي است، تشكيل يافته است. هرهم قابليت تركيب با يك مولكول اكسيژن يا دياكسيدكربن بهصورت برگشتپذير را دارد. هر گرم هموگلوبين در صورت اشباع كامل، 34/1ميلي ليتر اكسيژن در بر دارد.
ميزان هموگلوبين در پرخوني و در حالت افزايش غلظت خون (در سوختگي، استفراغ شديد و اسهال)، افزايش و در آنميهاي مختلف، مصرف داروهاي ايجاد كنندة آنمي آپلاستيك يا هموليز و در فقر آنزيم G6PD (گلوكز 6 فسفات دهيدروژناز)، كاهش مييابد. محدودة هموگلوبين براي افراد سالم مطابق جدول زير است:
روش متداول برای اندازه گيری ميزان هموگلوبين روش فتومتري (سيانومت هموگلوبين)، دراين روش غلظت رنگ هموگلوبين بوسيله ليز شدن گلبولهاي قرمز (شكستن غشاي آنها) براي آزاد كردن هموگلوبين اندازه گيري ميشود.
آماده سازي نمونه
در روش سيانومت هموگلوبين خون كامل به همراه مادة ضد انعقاد، سيترتتريسديمدوآبه، (به نسبت2/1-5/1 ميليگرم به ازاي هر ميليليتر خون) تهيه ميگردد كه اين محلول در يخچال 4 درجه سانتيگراد به مدت 24 ساعت پايدار و قابل نگهداري است و از محلول درابكين (فريسيانيدپتاسيم و سيانيدپتاسيم) براي رقيق كردن خون استفاده مي شود (به نسبت 20ميكروليتر خون به ml 5 درابكين).
قانون بير لامبرت
اساس كار فتومتر بر پاية قانون بير- لامبرت است:
طبق نظر بير، هرگاه يك دسته شعاع نور تكفام P0 از محلولي به غلظتC عبوركند، كم شدن شدت نور متناسب با غلظت مادة جاذب نور در محلول است.
با توجه به مطالب گفته شده قانون بير- لامبرت به شكل زير بيان ميشود:
مقدار نور جذب شده به غلظت مادة رنگي و مسافتي كه نور طي ميكند بستگي دارد. هرچه غلظت و مسافت طي شده بيشتر باشد، مقدار نور جذب شده بيشتر خواهد بود. در رابطة فوق، P0 توان تشعشعي ورودي به نمونه، P توان تشعشعي خروجي از نمونه، a ضريب جذب نمونه، كه وابسته به طبيعت مادة جاذب نور و طول موج نوري است، طول مسير پيموده شده توسط نور (طول كووت)، و C غلظت مادة جاذب نور است.
بلوك دياگرام و طرز كار دستگاه هموگلوبينمتر دواشعهای:
در شكل1 بلوك دياگرام يك دستگاه هموگلوبين آمده است كه ارتباط بين قسمت هاي مختلف اين دستگاه را نمايش مي دهد:
طرز كار دستگاه هموگلوبينمتر دواشعهاي:
دستگاه هموگلوبينمتر دواشعهاي از دو كانال مجزا و مشابه تشكيل شده است، كه هر كدام از كانالها جداگانه شامل يكLED به صورت حروفي دو عدد لنز و ديافراگم، كووت، محل نگهداري كووت و آشكارساز نوري است، كه در مسير اپتيكي كانال نمونه، كووت حاوي هموگلوبين به همراه محلول معرف درابكين و در مسير اپتيكي كانال مرجع كووت حاوي فقط محلول معرف درابكين قرار داده 
ميشود.
منبع نورها در نقطة كانوني عدسي همگرايي قرار گرفته است، لذا بعد از اينكه از لحاظ ميزان تابش نوري و دمايي به حالت پايدار رسيدند، دو دسته نور مجزايِ موازي شده و محدود شده، توسط ديافراگمهاي روي عدسي، وارد محفظههاي نمونه و مرجع شده واز مسير كووت ها عبور داده ميشود.
قسمتي از نورمربوط به كانال نمونه جذب محلول نمونه شده و بخشي از آن خارج ميشود. شدت نور خروجي كمتر از شدت نور ورودي به كووتها است، به همين ترتيب قسمتي از نورمربوط به كانال مرجع جذب 
محلول معرف شده و بخشي از آن خارج ميشود. نورهاي خروجي از كووتها پس از عبور از عدسيِ ديگري موجود در مسيرشان، روي آشكارساز (مبدل نور به فركانس) مربوط به خود كه در نقطه كانون عدسي قرار گرفته است، متمركز ميشود. در نهايت فركانس خروجي سنسورها توسط تايمر و كانترهاي ميكروكنترلرPIC18F458 شمارش و از هم كم ميشود تا جذب نوري فقط هموگلوبين به دست آيد، (به عبارتي فركانس حاصل از آشكارساز مربوط به كانال نمونه، كه متناسب با جذب حلال و مادة حل شونده است بايداز فركانس حاصل از آشكار ساز مربوط به كانال مرجع كه متناسب با جذب حلال است، با روتين خاصي كم شود تا فقط جذب مربوط به مادة حل شونده به دست آيد)، سپس با انجام پردازشهاي لازم، نتايج محاسبه شده به صورت غلظت ( كه متناسب با ميزان جذب نوري هموگلوبين در طول موج 540 نانومتر است) بر روي نمايشگرLCD نمايش داده ميشود.
طراحي سختافزار سيستم
مدار تثبيت نور لامپ
جهت طراحي منبع تغذيه لامپ با قابليت تنظيم ولتاژ و كنترل خاموش و روشن شدن لامپ از روشهاي مختلفي مي توان استفاده كرد. يك راه دقيق براي تنظيم ولتاژ استفاده از رگولاتورهاي دقيق ميباشد. براي توليد منبع تغذية دقيق با رزالوشن بالا مي توان ازD/A ها براي توليد ولتاژهاي دقيق با محدودة نسبتاًَ وسيع استفاده كرد. با توجه به اهميت تثبيت نور لامپ در طول انجام آزمايش، از مدار شكل (2) استفاده شده است.
مدار آشكارساز نوري
براي اندازهگيري نور عبوري از كووت، از آشكارسازهاي نوريTSL230 استفاده شده است. اين آشكار سازها به صورت آيسيهاي 8 پايه بوده كه علاوه بر اندازه گيري نور و تبديل آن به جريان معكوس در فتوديود، داراي يك بخش مبدل جريان معكوس فتوديود، به فركانس است.
در شكل3 بلوك دياگرامي از اين آيسي آمده است
خروجي اين آيسيها قابل تنظيم است و مي تواند به صورت قطار پالس و يا موج مربعي باDuty cycle=50% باشد. فركانس خروجي با نور ورودي رابطة مستقيم دارد. محدوه حساسيت اين آیسي در شكل (4) نشان داده شده است.
طراحي بخش مكانيكي
قسمتهاي مكانيكي دستگاه را مي توان به 4 قسمت، تقسيم كرد كه عبارت است از:
1- بدنه،
2- محفظة اپتيكي،
3- محفظة نمونه و
4-محفظه و پايه آشكارسازی
كه شرح آنها در ادامه آمده است:
بدنه
شكل(5) بدنة دستگاه را نشان ميدهد. بدنة دستگاه از دو قسمت مجزا تشكيل يافته است:
الف- شاسي و
ب- روپوش فوقاني.
شاسي كه بر روي آن تمامي قسمتها نصب ميشود و از يك فیبر چوبی به ابعاد 23×31 سانتیمتر و ضخامت دو میلی
مترتشكيل شده است.
شماتيك روپوش فوقاني نيز در شكل نشان داده شده است كه از ورق آهن يك میلیمتر ساخته شده است. بر روي روپوش فوقاني محل قرارگيري، كليدها و درب دستگاه تعبيه شده است. زاويه قرار گرفتن LCD، 45درجه در نظر گرفته شده است، تا بيشترين تابش نور را از LCDحاصل شود ونوشتهها به راحتي ديده شود. درب محفظهها نيز قسمتي از روپوش فوقاني است.
2- محفظة اپتيك
محفظه اپتيك شامل پاية لامپ و ديوارههاي حايل نور است. اين محفظه از دقت بسيار بالايي برخوردار است زيرا كوچكترين اختلاف در تغيير فاصلة عدسيها وLED ها مشكلات بسياري بر عملكرد سيستم تحميل خواهد كرد.
محفظة نمونه
محفظه نمونه كه در جهت عبور نور بعد از محفظة اپتيكي قرار دارد، چند وظيفة مهم بر عهده دارد اول آنكه نمونة آزمايش را به گونهاي در جهت نور عبوري قرار دهد كه انجام اين عمل بهطور دقيق تكرارپذير باشد و نور از درون نمونه عبور كرده و از عدسي نصب شده روي ديواره ديگر محفظه گذشته و خارج شود. دوم آنكه اجازة ورود نور از منابع ديگر بجز نوري با طول موج مورد نظر از محفظه اپتيك را ندهد. بنابراين درب محفظه با برآمدگي كه در قسمت پله اي بالاي محفظه مينشيند، طراحي گرديده است. براي آنكه دست به راحتي در درون محفظة اپتيكي وارد شود و كووت ها را درون پايه ها قرار دهد، ابعاد محفظة 6×10 سانتیمتر در نظر گرفته شده است. كووتها با قرارگيري در پاية نگهدارندة كووت در مقابل نور قرار ميگيرد.
محفظه و پاية آشكارسازي
محل آشكارساز نوري را بهگونهاي بايد در نظر گرفت كه تقريباً از تمام سطح حساس فتوديود استفاده شود و نيز هميشه بايد از رسيدن نور مزاحم محيطي به آن جلوگيري كرد.
طرز كار دستگاه از ديد نرمافزار
با روشنكردن دستگاه، سيستم شروع به مقداردهي اوليه به بخشهاي مختلف خود ميكند، بعد از نمايش پيغام مشخصات سازندة دستگاه، برنامه منتظر فشار كليد سفيد ميماند، با فشار اين كليد پيامهايي مبني بر شروع آزمايش با فشردن كليد سفيد و يا انجام مراحل كاليبراسيون با فشار كليد آبي روي صفحه ظاهر ميشود. با گذاشتن كووتهاي خالي در محل هاي مربوطه و فشردن كليد آبي مراحل كاليبراسيون انجام شده و اطلاعات آن جهت استفاده در روتين اندازهگيري در ميكروكنترلر ذخيره ميشود.
با فشردن كليد سفيد از كاربر خواسته ميشود كه در يك محفظه كووت حاوي معرف درابكين و در محفظة ديگر كووت خون بعلاوه مادة ضدانعقاد و درابكين قرار داده شود، سپس با زدن مجدد كليد سفيد روتين اندازهگيري انجام شده و نتيجه به صورت غلظت بر روي صفحه نمايش ظاهر ميشود و برنامه منتظر زدن كليد قرمز جهت برگشت به اول برنامه، منتظر ميشود.
نتايج و يافتههاي تحقيق
در اين پروژه دستگاه هموگلوبينمتر دواشعهاي با قابليت تكرارپذيري نتايج و با دقت اندازهگيري بالا ساخته شد و صحت عملكرد و نتايج دستگاه با آزمايشهاي مختلف مورد تاييد قرار گرفت.
جهت كاليبراسيون دستگاه و تبديل خروجي دستگاه (فركانس) به غلظت، از 15 نمونة خوني موجود درآزمايشگاه هماتولوژي بيمارستان «هدايت» كه با مادة ضد انعقاد همراه بوده و با محلول درابكين آمادهسازي شده بودند، استفاده شد.
داده هاي حاصله در نرم افزار MATLAB مورد تحليل قرار گرفت و بعد از Fit كردن يك خط به كمك همين نرمافزار حول دادهها، فرمول زير جهت تبديل فركانس (خروجي دستگاه) به معيار غلظت بدست آمد:
كه C غلظت هموگلوبين خون و Freq. فركانس خروجي دستگاه است.
مراجع
]1 [ پروفسور آرتور گايتون، فيزيولوژی پزشكي، ترجمه دكتر فرخ شادان، انتشارات چهر، 1380.
]2[ دكترحميد رضا سقا، «كتاب جامع تجهيزات و فرآوردههای آزمايشگاهی»، انتشارات كتاب مير، 1382.
[3] P. Horowitz & W. Hill, “The Art of Electronics”, second edition, Cambridge University Press, 1989.
[4] “TSL230 Datasheet”, Texas Advanced Optoelectronic Solutions, TAOS, 2000.
[5] Robert B. Northrop, “Noninvasive Instrumentation and Measurement in Medical Diagnosis”, CRC Press, 2002.
پاورقي:
6 Drabkin
جدول 1: محدودة هموگلوبين براي افراد سالم بر حسب g/dl
شكل 1: بلوك دياگرام اجزاي تشكيل دهندة دستگاه هموگلوبينمتر دواشعهاي
شكل2: شماتيك مدار تثبيت نور لامپ
شكل3: بلوك دياگرام آشكارسازنوريTSL230
شكل4: محدودة حساسيت آشكارسازهاي نوري TSL230
شكل(5) : نماي داخلي و بيروني دستگاه
شكل(6): الف: فلوچارت روتين كاليبراسيون، ب :فلوچارت روتين اندازهگيري
)
