快速安全的血型检测产品设计

一种更快、更安全的人类血型测定产品——概念设计

1 引言

进行输血的需求日益增加，特别是针对交通事故（紧急情况）中的患者[1]。在这些情况下，血型检测系统至关重要，因为它们可以避免不相容风险，并实现快速、安全的血型识别。其中一种最简单的操作方法是采集血液并与特异性试剂混合，以判断血液是否发生凝集。结果通过肉眼观察[2]。

目前使用的系统在便携性和执行速度[2,3]等紧急情况相关重要特性方面存在若干局限性。由于这些原因，本文介绍的产品考虑了以下要求：功能性、人体工程学、材料、便携性和可用性。该产品采用半自动系统，集成了机电系统、图像处理算法、机械混合器和用户界面。该系统能够高效地确定人类血型，尤其适用于紧急情况。

本文分为五个部分，分别介绍了血液和血型检测的理论（第2节）、所开发系统的描述（第3节）、电子与软件（第4节）以及结论和未来工作（第5节）。

2 血液组成和血型测定测试

血型的分类基于ABO系统，将血液分为A型、B型、AB型和O型。这些类型通过使用刀片进行人工检测，判断红细胞中是否存在A或B抗原来确定。血液与试剂混合后，含有相应抗原的红细胞会发生宏观的直接凝集[2]。

输血过程通过静脉注射在人体循环系统中进行。确定患者血型并测试其相容性至关重要，该过程通过一个简单的步骤完成：采集少量样本，与试剂（抗体）混合，以确认血型及其Rh因子，用于输血。预期红细胞抗原不会与血液血浆中的抗体发生混合。如有疑问，则给予通用供血者（“O”型）血液[3–9]。

3 产品概念

本项目在开发过程中考虑了一些设计参数，例如尺寸、材料、可用性、结构、安全性、人体工程学和技术。

材料采用聚苯乙烯，轻便且成本低。安全锁扣系统是用户安全性的必要要求。其尺寸 360 × 155 × 90 mm（最大值）使产品具有便携性。触摸屏显示器——其结构可调节方向，便于更好地查看屏幕（图1）。

此外，产品结构简单，如图2所示，详细展示了系统的机械部件。

3.1 产品详情

考虑到每个组件的重要性，这些详情指的是构成所选概念结构的各个部件和零件。该概念包含三个主要部分：(a) 支架，包括整个产品结构，(b) 电子系统，以及 (c) 圆柱形机械系统。

为了分析血液样本，该过程按系统化的顺序遵循以下步骤：

1. 采集血液
2. 将试剂放置在板上
3. 混合血液与试剂
4. 图像采集
5. 通过集成的电子系统进行图像采集和数据处理
6. 运行图像分析软件
7. 在显示器上显示结果

3.2 产品支架

产品支架部分代表产品支撑，是系统结构中的重要组成部分，确保系统的安全性和支撑性。

结构中的一个复杂部件是侧门，它通过上下运动来打开和关闭样本混合的区域。槽口由橡胶制成，以便在打开和关闭结构时都能牢固地贴合用户的双手。

旋转机构的设计用于限制支撑件的开合，如图3所示，以避免不当操作。该支撑件同时也控制显示器倾斜度，因为当支撑件闭合时，显示器无法折叠；而当其处于工作位置时，则允许显示器折叠，使其准备就绪以便使用。

另一部分是“样本盘”，如图4所示。该样本盘设计用于通过将血液与试剂混合来检测血型。利用该样本盘，可在同一结构的不同孔中（每个样本一个孔）同时对四个样本进行混合。

该样本盘的主要目标是使混合过程更快、更安全。它直接连接到本研究中开发的机械系统，可自动完成样本混合，无需用户进行任何操作。为避免血液污染产品，在样本盘表面贴附了一层聚氨酯透明膜。

图5所示的机械系统负责样本盘中试剂和血液的搅拌。

该系统由具有特定几何形状的连杆机构组成，能够实现速度和加速度的增加（和减少），以实现高效混合。其中一根杆通过按钮手动激活，通过连接杆件的激活销将速度和加速度传递给样本盘。

用于执行分析的方法是图像捕捉和处理，该方法在电子系统中实现。样本盘始终以相同方式连接到旋转系统条2，以防止出现错误，如图6所示。

样本盘销钉与杆2槽具有一定的配合，可确保零件位置正确。此外，销钉和孔定位系统位于支撑件的中心，以确保样品高效旋转和定位。为了制备混合物，需要将试剂加入血液中，因此我们建议设计的样品盘在槽口内预先放置好试剂进行销售。

同时，样本盘配有透明且粘性的保护膜，允许使用注射器加入血液。由于该膜由粘性材料制成，当注射器针头拔出后，保护膜可确保样本盘相应孔的完全密封。

3.3 机械系统分析

该系统水平地振荡。通过这种方式，与用户手动按压按钮直接相关的情况相比，该机构能够达到更高的速度和加速度。这是由于利用杆系以及相对于各自旋转中心的不同距离，从而放大了速度和加速度的量值。

样本盘中血液与试剂混合时的效率高低取决于混合效果的好坏速度和加速度值，但也取决于这些值的突然变化。这些突然变化由用户激活按钮运动方向的方向反转来保证，并通过之前描述的杆系进一步增强。

当按钮移动时，杆1绕其旋转中心转动，从而增加槽与连接两根杆的销钉接触点处的角速度；随后，由于杆2也绕其自身的旋转中心转动，进而带动样本盘销钉移动（图7）。

该机构使沿支架结构轨迹运动的销产生更高的角速度，从而带动血液样本盘旋转。这一结论可通过多次测试结果证明，测试中使用的旋转电机具有10度角位移和1赫兹频率的摆动特性。操作仿真在Solidworks软件的运动分析环境中进行。

经验证的速度和加速度可实现预期的高效混合。

所开发机构的另一个重要方面是杆1和杆2的旋转物理限制，该限制的设计确保它们的旋转始终在为此设计的可用自由空间内进行。该限制的示意图如图7所示。

使用机械系统时角速度和加速度增加的实验结果如图8和9所示。

该系统呈现了速度和加速度量，使得杆系相对于两个系统杆机构底部的角速度和角加速度能够高效地执行其功能。

在参考文献[10]中提出了另一种类似机构，然而其对应的速度和加速度接近于零。在此系统中，由于存在上述机械限制，导致运动受到限制，从而引起由销（运动杆上的销）—孔（叶片上的孔）组成的机械联轴器的位移接近于零。

4 电子学和软件

电子系统旨在利用图像处理技术自动判断凝集反应。进行血型鉴定时，需遵循以下步骤：将血液样本与试剂混合；进行图像采集；对图像进行分析、图像处理算法；并确定血型，见图10[3–5]。

该分析用于表征血液/试剂的混合过程。在此过程中，分析在专门设计的容器——样本盘中进行，该样本盘能够同时分析确定ABO和Rh血型系统血型所需的四个样本。此过程完成后，分析结果即可进入下一阶段。

集成发光二极管的网络摄像头提供足够的光线，以捕捉血液样本与试剂之间的凝集反应。无论是否发生反应，结果均为肉眼可见，因此可以完整拍摄样本图像。图像采集后，摄像头会将图像发送至个人计算机（PC）—Lilliput—由其使用特定工具对图像进行处理。

该系统配备了一个完整的高性能微处理器面板，适用于图形应用，可实现高分辨率的图形显示。此外，它还具有低成本的优势。最后，该系统非常小巧，包含电池在内屏幕尺寸仅为7英寸。如前所述，该集成系统被放置在一个设计结构中，以便将其应用于PC上，支持不同的折叠配置，从而方便不同用户灵活使用。

使用国家仪器公司的 LABVIEW 软件开发的血型判定软件，已通过标准血液[1–4]的实验测试，并验证了其效率。

5 结论和未来工作

本技术研究旨在开发一种能够高效、快速且安全地测定人类血型的产品，减少分析过程中固有的相容性问题和人为错误，适用于紧急情况。

该工作从产品导向的角度出发，旨在获得一种易于使用和操作的便携式系统，能够避免在机械系统中放置样本时出现错误，并防止结果发生人为解释错误，实现快速且低成本的响应，并优先提供高效解决方案。该概念基于以往手工分型和肉眼可见结果的原理，旨在构建一个采用相同原理但响应速度更快、且不会因操作人员人为因素导致错误结果的系统。此外，由于血型判定采用了图像处理技术，通常由医疗专业人员承担的不允许出错的压力得以缓解，因为该系统是半自动的。

机械系统在扩展的进化过程中，经过大量仿真和方案比选后精心开发而成。该系统旨在具备一系列特定特性，例如结构简单，尤其是血液/试剂混合过程的简化以及易于构建。

为此，在试验了一系列3D建模变体后，最终系统被理想化为五个部分：支架、杆1和杆2、样本盘支架以及激活按钮。因此，该系统可被视为一种简单的系统，旨在取代手工血型检测，并能确保实现其目标。

速度和加速度存在突然变化（由于运动方向变化），并具有倍增作用（由于杆的旋转中心增加了相应的距离）。通过这种配置，系统以最高效率混合组分。由于这一特性，我们可以得出结论：这是一种创新产品，对提升人类安全具有重要实用价值。

作为未来工作，考虑对产品进行重新设计，以基于创新技术创建更小规模的产品。