引言
人体内电解质对神经的正常应激性、酶的催化作用、保持体液酸碱平衡、维持渗透压等起着重要作用。因此，测定人体中电解质发生异常的变化程度是临床诊断的重要指标。
过去，临床对电解质的分析采用火焰光度法。该方法不仅需要使用压缩气体和可燃气体,而且还必须先分离样品，得到血清后再稀释才能测定，分析速度慢，测量误差比较大。而离子选择性电极法可直接测量样本，无需稀释，样本用量少，分析速度快，测量准确度高，已成为临床电解质分析的主流。目前，我国高性能的电解质分析仪基本上依赖进口，这类产品虽然测量精确度高、性能稳定、智能化程度高，但是大部分只作为一个大型系统的一个模块(OLYMPUS系列自动生化分析仪中可以增加电解质分析模块)，仪器价格昂贵，在小型医院很难推广。国内也有一些公司研制生产独立电解质分析仪，虽然价格较低，但大部分采用分配阀控制液体管路，这种做法易造成阀门处管路堵塞，导致交叉污染，影响测量精确度;另外，常采用运算能力较弱的微处理器，人机交互能力较差，数据处理能力较低。
为此，本文提出一种电磁阀控制液体管路的设计方案，并基于ARM7研制一种AC980临床电解质分析仪，有效解决管路堵塞问题，减少交叉污染，提高仪器的稳定性，保证测量精确度，同时仪器还具有强大的数据处理能力和良好的人机交互能力。
1离子浓度测量原理
临床以钾(K+)、钠(Na+)、氯(Cl-)、钙(Ca2+)离子的定量分析为主。一般采用离子选择性电极法，它利用膜电势来测定溶液中离子浓度。当离子选择性电极和含特定离子的溶液接触时，在它的敏感膜
和溶液的交界面上产生与离子浓度直接有关的膜电势。这个电势和离子浓度的关系符合Nernst方程。根据这一关系只要把特定的离子选择性电极组合在一起就可以实现对溶液中各种离子浓度的测量。
目前，离子选择性电极还无法测到其电位的绝对值，一般都是指定一个电极电位相对不变的电极作为标准，即可测量其他电极的电位。国际纯粹和应用化学联盟(IUPAC)选定“标准氢电极”作为比较标准,规定标准氢电极的电位为零,其他各种电极的电位均是在标准状态下以其为标准测定的。由于标准氢电极对使用条件要求严格,制备不方便而未能普遍,使用较普遍的参比电极是甘汞电极。另外，离子选择性电极是一种比较脆弱的传感器，容易受到温度等因素的影响，产生零点漂移。故在测量样本前，需要系统定标，克服零点漂移，提高测量精确度。
仪器启动后，分别测量特定离子浓度已知的A标准液和B标准液电位。根据Nernst方程求出各个特定电极的实际斜率SLOP：
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式中，EA、EB分别为A标准液与B标准液测量电位，CA、CB分别为A标准液与B标准液中离子浓度。
定标完成后，仪器进入自检模式。测量A标准液浓度，把测量结果与已知的A标准液浓度进行对比，判断电极定标是否符合测量样本的要求。若不符合要求，提示操作人员选择再次定标;若符合要求，进入主菜单，进行样本离子浓度测量。离子浓度计算公式为：
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式中，EX为待测样本测量电位，CX为待测样本离子浓度，SLOP为电极实际斜率。另外，人体血液中Ca2+浓度的测量易受到pH值的影响，在临床测量中必须测量样本的pH值，对所测的Ca2+浓度进行校正，即：
(7.4)/1.89aaNC=iC+pH−\*MERGEFORMAT(3)
式中，NCa为校正后Ca2+浓度，iCa为校正前Ca2+浓度，pH为pH值。
2系统设计
仪器按功能分为：液体管路部分，信号预处理与采样部分，数据处理与仪器控制部分(见图1)。
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液体管路部分由电磁阀、蠕动泵、吸液池、进样针、三通阀门组成。电磁阀是一种由电磁线圈控制阀门通断的单向阀门，该阀门由一个MOS管驱动，控制液体管路的通断。由上图可知该仪器有2个电磁阀，分别控制A标准液和B标准液管路的通断，2种标准液和检测样本在三通阀门处汇合。这种设计的好处在于，不会像分配阀一样，由于长期的阀门旋转而造成阀门内部间隙有残留物，从而使阀门堵塞，引起交叉污染。在仪器的实际应用中，电磁阀的长期通断动作，不会有残留物的存在而造成管路在阀门处堵塞，进而减少A标准液、B标准液以及待测样本交叉污染的问题，提高仪器稳定性与测量精确度。
信号预处理与采样部分由离子选择性电极、放大电路以及A/D组成。数据处理与仪器控制由CPU完成：协调液晶显示，打印机，键盘，实时时钟等工作。仪器硬件框图(见图2)。
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仪器采用Philip公司基于ARM7TDMI-S内核的嵌入式片上系统LPC2214处理器作为数据处理器和仪器控制器。其最大工作频率可达60MHz，三级流水线体系，数据处理能力强，提高仪器数据的处理速度，增强仪器的整体性能;该处理器接口丰富，包括UART、I2C总线、SPI总线等，方便串行外设的扩展，如：A/D，存储器，实时时钟以及上位机通讯等;该处理器GPIO数量高达112个，方便并行外设的扩展，如：液晶显示(LCD)，打印机，键盘，步进电机等;另外，其工作电压为3.3V，内核工作电压为1.8V，并且有2种低功耗模式，可大大降低芯片的功耗。
信号预处理直接影响系统的测量精确度。离子选择性电极是高输入阻抗信号源，故信号放大的前级要选用高输入阻抗的放大器，并设计成高输入阻抗的放大电路，进行阻抗变换。在信号预处理模块处，采用高输入阻抗放大电路(见图3)。
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其中R0，R1，R2，R3采用高精密度电阻。由于离子电极信号都以参比电极为标准，因此检测信号以双端输入至放大电路（见图3），其中Ui为离子选择性电极电压，Ur为参考电极电压；离子选择性电极信号Uo满足：
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仪器测量的液体类型有3种：A标准液、B标准液以及样本，其中A标准液同时起清洗液的作用。
A标准液测量。仪器校准定标时需要测量A标准液，仪器打开A电磁阀，关闭B电磁阀，关闭进样器，开启蠕动泵，A标准液沿管路经过吸液池，进样针，进样器，三通阀门，到达离子选择性电极处，关闭A电磁阀，关闭蠕动泵，离子浓度转换成电信号，等待A/D采样，采样信号送进控制器处理。信号采集完成，开启蠕动泵，把测量过的A标准液吸进废液桶。
B标准液测量。在仪器校准定标时需要测量B标准液，仪器打开B电磁阀，关闭A电磁阀，关闭进样器，开启蠕动泵。B标准液沿管路经过三通阀门，到达离子选择性电极处，关闭B电磁阀，关闭蠕动泵，离子浓度转换成电信号，等待A/D采样，采样信号送进控制器处理。信号采集完成，开启蠕动泵，把测量过的B标准液吸进废液桶，同时吸入A标准液清洗仪器管路。
样本测量。样本测量是仪器的基本功能，通常分为血液样本测量和尿液样本测量。测量时，系统关闭A电磁阀和B电磁阀，打开进样器，把进样针插入样本，开启蠕动泵。样本通过进样针，进样器，三通阀门，到达离子选择性电极处，关闭进样器，关闭蠕动泵，离子浓度转换成电信号，等待A/D采样，采样信号送进控制器处理。信号采集完成，开启蠕动泵，把已测样本吸进废液桶，同时吸入A标准液清洗仪器管路。
3仪器软件设计
系统没有采用目前常用的多处理器硬件设计，而由一个芯片独立处理所有的事务。当面对一个多状态、多任务、多线程的处理难题时，采用操作系统的软件设计应该是最佳选择;系统在没有使用常用操作系统的情况下，利用调度器的概念，模拟一个简易的操作系统。这个操作系统不是独立的，而是程序的一部分。系统将要实现的功能拆分成多个功能模块ABCDEF……，按照一定的调度顺序访问这些功能模块;每个任务又被分成多个简单的步骤，每访问一次功能块完成一个步骤，经过多次访问完成所有的任务。而调度顺序则由调度器根据任务的需要和设计者的要求进行安排。这样，以程序设计模块化为原则，超级循环为框架，调度器为简易的操作系统，并且始终贯穿多级任务与多状态任务的设计思想，构成整个系统软件的设计。系统的主循环与调度器部分程序(见图4)。本系统软件在ADS1.2环境下开发，采用C语言编写，用H-JTAG仿真器仿真调试。仪器上电开机后，先进行电极活化，然后进行定标、自检，根据自检情况进入主菜单。系统软件总框图(见图5)。该仪器还具有急诊等待和睡眠状态功能，保证仪器一直处于可以用于样本检测的状态，满足临床要求，体现仪器的智能化。
4仪器性能及试验结果
4.1仪器性能
AC980电解质分析仪(2台)，经江苏省质量技术监督医疗仪器计量测试中心检测，安全指标和性能指标如下：测量范围和电极斜率值参考范
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围（见表1）。检测性能指标（见表2）。安全符合GB4793.1中适用条款的要求：检测表明AC980电解质分析仪安全指标和性能指标均符合行业标准《YY/T0589-2005电解质分析仪》，满足临床要求。
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4.2对比实验
4.2.1材料(1)AC980电解质分析仪;OLYMPUS-AU640自动生化分析仪(含电解质分析模块)。(2)A标准液，含K+为4mmol/L，Na+为140mmol/L，Cl-为100mmol/L，Ca2+为1.25mmol/L。B标准液，含K+为8.0mmol/L，Na+为110mmol/L，Cl-为70mmol/L，Ca2+为2.50mmol/L。(3)定值质控血清(上海生物制品研究所生产。批号：050412)。
4.2.2测量方法和结果(1)2种仪器均严格按说明书操作。(2)实验结果：首先进行精密度试验。收集外观澄清无溶血的病人血清50份，混匀。每天测定10次，在3天内测试完毕，统计数据用x±s，CV=s/x表示，统计结果(见表3)。
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然后进行准确度试验：定值质控血清的K+、Na+、Cl-靶值为5.53mmol/L、137.8mmol/L、104.5mmol/L。
用AC980和OLYMPUS-AU640自动生化分析仪(含电解质分析模块)测量混合血清和定值质控血清共30次，每天10次，3天测完，统计数据用x±s表示，统计结果(见表4)。
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4.2.3结论
由精密度试验结果可知：仪器整体性能比较稳定，绝对误差(s)和相对误差(CV)都在相关行业标准之内。由准确度实验结果可知：仪器测量精确度比较高，符合相关行业标准，但是在所做实验的对比项目中，有些离子测量的统计结果优于OLYMPUS-AU640，也有些离子不及OLYMPUS-AU640。
5结束语
仪器系统设计，在满足仪器功能和测量精确度的条件下，尽量简捷;采用电磁阀控制液体管路不仅设计简单而且从根本上解决管路在阀门处容易堵塞的问题，保证仪器的稳定性和测量的准确度。软件设计以模块化为原则，超级循环为框架，调度器为简易的操作系统，并且始终贯穿多级任务与多状态任务的设计思想;不仅使系统程序高效率执行，还使仪器的操作简单化。该仪器还具有以下特点：可以分别对血液样本和尿液样本测量，检测速度快，测量精度高，人机交互界面友好，性能稳定，价格低廉。该仪器已被基层医院广泛采用。
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