临床检验医学设备的分类、特点与核心技术

        一、临床检验医学设备的分类
        临床检验医学所需设备可以划分为I卜'JL大类，上百品种。

        (1)临床生化分析类。包括各种生化分析仪、电解质分析仪、血气分析仪、电泳 仪等。主要用于临床常规生物化学检验，如肝肾功能、电解质、血脂、血气、酶和同工酶、心肌标志物等项目的检查。

        (2)临床免疫分析类。包括放射免疫测定仪器、酶免疫测定仪器、免疫荧光测定 仪器、化学发光测定仪器等。主要用于临床常规免疫检验，如各种激素、肝炎标志物、 肿瘤标志物、治疗性药物、细胞因子等项目的检查。

        (3)临床血细胞分析类。包括各种血细胞分析仪、病埋细胞图像分析系统和流式细胞仪等。主要用于临床常规血细胞分析、病理细胞分析、淋巴细胞亚群分析及其他细胞免疫分析等项目的检查。

        (4)临床尿液分析类。包括各种尿液干化学分析仪、尿液有形成分分析仪等。主
        要用于临床常规尿液分析，
        (5)临床血凝分析类。包括各种血液凝固分析仪（血凝仪）等。主要用于术前筛查、出凝血功能项目的检查等。

        (6)临床微生物分析类。包括血培养检测系统（血培养仪）、微生物鉴定和药敏分析系统和厌氧培养系统等。主要用于临床常规微生物的分离、培养与鉴定等项目的检查。

        (7)临床分子生物学分析类。包括各种聚合酶链反应(PCR)仪、核酸合成仪、 核酸序列分析仪、凝胶图像分析系统、生物芯片和相关仪器等。主要用于遗传性疾病、 感染性疾病的基因诊断、法医学鉴定、药物筛选等。

        (8)其他类。如即时检验（或称床旁检验）即POCT(point - of - care Lest)仪器， 如血糖仪、心肌标志测读仪、血气分析仪等，分别用于糖尿病、急性心肌梗死和酸碱平衡紊乱等快速检验；血液流变分析仪用于血液流变学项目的检查；血沉仪用于血沉 的临床测定等。此外，一些辅助配套仪器或设备，如生物安全柜、真空采m系统及只他一些一次性耗材筹。

        二、临床检验医学设备研究开发的特点
        与其他学科相比，临床检验医学有着独有的特点，其涉及面广、亚母业多、使用 仪器设备品种繁杂等，特别是国内外不同医疗单位对设备的需求差别很大。因此，进 行临床检验医学仪器设备研究开发时要考虑下述几点。

        (1)需要较高的研发投入。临床检验医学仪器具有很高的科技含量，足多学科相互交叉、渗透、综合的产物，涉及电子技术、计算机技术、生物化学、精密机械、光学、自动控制等诸多技术领域。由于临床检验医学仪器研发周期一般较妊、技术人员 业务水平要求高、相关配套设备较多，凡其应用直接涉及到临床疾病的渗断和治疗，所以对安全性和可靠性的要求近乎苛求，国内外都相继出台了一些具体的法规或要求。 这些特点决定了临床检验医学仪器产品研究开发需要有较高的人、财、物的投入。

        (2)根据需要平衡不同档次的产品差别。由于地域资源、人口经济状况、生活水平等存在着不同程度的差异，因此，无论在发达国家还是发展中国家，临床检验医学 仪器设备市场都始终呈现出高、中、低档产品都有临床实验室需求，呈现差别分明、 各有千秋的特点。以生化分析仪器为例，低端的半自动生化分析仪和高端的高速 自动进样模块武全自动生化分析仪，性能天壤之别，售价相差百倍以上，但仍各有市 场，互相不被替代，这一情况在我国尤为明显与突出，这在其他工业或医疗产品中是不多见的。科学分析市场，合理分配与平衡不同档次产品的研发计划，是一项复杂艰巨的任务。

        (3)产品的更新换代周期短。
        随着技术的进步，其他学科先进技术的引入，临床 检验医学设备的产品档次也在不断平移与变化。高端技术不断向低档转移，今天的“”产品，明天可能就成为“中档”产品；今天的“中档”产品，明天可能就成为 “低档”产品。所以，产品的更新换代周期短也是临床检验医学设备研发需要注意的一个问题。谁对市场需求及行业发展把握较准，谁在新技术研发上加大投入，谁就有可 能成为明天的“擂主”或市场的“弄潮儿”。因此国外有实力的大公司，大多都把研发 重点放在高端产品市场上，以获取高额利润和掌握检验仪器发展的主导权。

        (4)中、低档产品应用市场份额较大。在发达国家，由于市场运行机制的健全， 临床应用的不断成熟，医疗单位通常并不盲目追求临床检验医学仪器的先进性与， 而是根据自身的不同等级，服务的不同对象，应用的不同场合等具体情况，选择适合自身需要档次的设备，收取相应的诊断费用。发达国寡完善的医疗保险制度，也限制了盲目追求设备的非理性消费。据统计，临床检验医学产品领域，中、低档产品 在国外的市场份额大约占50% - 60%。与此同时，国外一些大的临床检验医学设备公司虽然其拥有许多先进技术，但在中、低档产品市场的竞争中，受研发高投入（包括 临床应用研究等）的限制已经没有显著的竞争优势，而小公司或其他行业的企业则难以逾越临床检验医学仪器的高技术门槛而取得优势，这为国内临床检验J襄学仪器设备的生产企业的发展提供了好的契机。

        三、临床检验医学设备核心技术

        临床榆验医学仪器设备的研发与制造涉及诸多学科，是在根据临床实际需要的基 础上，将各种技术有机结合、相互补弃、相互适应的有机复合体。I『前在这类产品的研发及应用中，有话多核心技术需要考虑与关注。

        （一）自动血细胞分析仪相关技术 
        血细胞分析仪巾的细胞计数主要根据血细胞的不良导电性实现的。如图8-1所示 在由电解质浒液构成的稳定电跚中迎过一个血细胞时，由于血细胞的导电性低于电解 质导致电路中的电阻增加，结果引起瞬间的电压变化而出现一个脉冲信号，所产生脉 冲信号经过放大、甄别、整形后，送入计数系统计数。白细胞计数前先用溶血剂去除 红细胞的干扰，而在计数红细胞时由于白细胞相对量很少，其干扰町以被忽略不讣。 由于细胞产生的脉冲强度与细胞体积成正比，血液中的血小板体积与其他细胞相差较大，很容易通过设定其体积的阀值范围与其他细胞进行甄别。图8-2显示了细胞体积 直方图与所形成的脉冲信号图；图8 -3示意各种白细胞在体积分布直方蓝图中的分布范 围。为了使血细胞计数及相关参数检测更加准确，目前很多血细胞分析仪器均引人光散射分析技术以及其他特殊技术。

        (1)重叠校正技术。在进行细胞计数时，可能出现两个细胞同时通过检测小孔导致 细胞的漏计，而出现这种情况主要受到细胞浓度的影响，目前的血液细胞分析仪在血细胞计数中，可根据血液样品中的红细胞浓度，在程序中加入校正公式对细胞计数结 果进行校正，保证了计数结果的准确性。

        (2)扫流技术。血细胞通过感应孔计数后，有些没有及时离开计数孔细胞可能会随 液流的回流而被重新返回计数区造成重复计数，在小孔后面增加个扫流液系统，将计数过的细胞通过扫流液冲进废液管道，从而防止血细胞计数的假性升高。

        (3)脉冲编辑。相同体积血细胞从计数孔中央通过与其从偏心通过时产生的感应脉冲信号不同，用脉冲编辑技术，可校正由此产生的细胞计数错误。

        ( 4)鞘流技术。利用流体动力学原理设计用以保证细胞位于鞘液中心并排成一列 通过检测孔中心或通过激光束中心，并使计数后细胞不会返回敏感区，目前许多较为的血液分析仪一般采用此种技术。

        (5)延时计数技术。当细胞数少于特定值时，仪器对计数后的细胞进行重复计数， 以保证获取更多的细胞数，减少统计学误差，从而得到更加正确的结果和细胞直方图形。

        (6)三欢计数技术或多段计数技术。采用同时进行三次计数取平均值的做法或将总体计数时间分为多段进行统计，如果各段之间差异不大，可直接给出准确结果，如 果差异稍大则进行提示或报警，如果差异明显则不给出结果，因而保证了计数结果的 质量和准确。

        (7)浮动界标技术。不同类型血细胞计数主要根据其大小实现的，人为给出正常 的不同细胞体积参数对细胞进行分类在某些病理情况下细胞发生异常变化时，细胞分 类就会产生错误，浮动界标可根据不同体积细胞分布曲线的交界处寻找低点，将此 点作为不同细胞体积的分界线，这样町以有效处理病理情况下细胞体积变化剥细胞计 数的影响。

        (8)拟合曲线技术。在血小板计数范嘲为2- 25tl时，为排除电子噪音和小红细胞干扰，根据正常人血小板体积分布呈对数正态分布的理论，通过0- 70fl的电子拟合曲线将投有被计数的大血小板计算在内，得到既无噪音干扰又无小红细胞影响的准确血小板计数结果。

        (9)燃烧电路及高电压反冲技术。由于血液中蛋白质等成分极易堵塞血细胞计数孔而造成机器故障。目前的仪器均设置了自动排堵功能：通过负压或正压，使用清洗剂对小孔的内外进行强力冲洗来排除堵孔或通过燃烧电路，对小}L局部增加高电压， 使得堆积在小孔周围的蛋白质等杂质进行烧灼分解，然后再用清洗液冲洗干净。 不同类型的白细胞的功能不同，白细胞分类对临床疾病的诊断和鉴别诊断中具有 作用。
        初的血细胞分析仪对白细胞的分类是根据电阻抗原理，即不同细胞大小在电路中所产生的脉冲强度不同，从而将血液中的白细胞分成三群：以淋巴细胞为主的小细胞群、以粒细胞为主的大细胞群和单核细胞为主的中间细胞群。 上述白细胞分类方法显然不能满足临床的需要，后来仪器设计人员通过联合不同的技术方法，终实现了传统白细胞的五分类：中性、嗜酸、嗜碱粒细胞，淋巴细胞 和单核细胞。

        这些方法包括：

        ①在电阻抗技术的基础上联合电导和光散射技术，通过对不同类型白细胞的体积、胞浆结构和颗粒性质差异进行区分；

        ②电阻抗结合射频技术，利用射频电流可透过细胞膜，分析细胞体积、细胞核、及细胞颗粒的差异；

        ③光散射结合化学染色技术，利用不同类型白细胞内过氧化物酶活性及对化学试剂损伤耐 受性的差异，结合光散射技术对细胞俸积的分析；

        ④多角度偏振光散射技术，根据细 胞通过激光束照射后不同角度的散射光，分析不同白细胞的大小、胞浆结构、胞核特征、颗粒分布。 综上分析，自动血细胞分析仪相关核心技术为以下三种技术。

        (l)半导体激光器和激光鞘流技术。低中档血细胞分析仪多采用电阻抗法，即应用电阻抗传感器装置对白细胞进行分类，一般可分为二群或三群。激光由于具有单色性 好、相干性高、方向性强等特点，因此在临床检验医学仪器中获得广泛的应用。其中，血细胞分析仪均采用激光鞘流技术，即用激光器对白细胞进行具体分类，如分为五群或结合其他技术进行更加细致的分析。与普通的气体激光器相比，半导体激光器具有经济、寿命长、体积小、启动快、电耗小、对电压要求低等优点，在五分类 血细胞分析仪中的应用是一个必然的技术趋势。

        (2)荧光染色技术。细胞染色技术已经成为重要的血细胞分析手段。通过对细胞 进行荧光或组织化学染色，如对细胞质的过氧化物酶染色或对核酸物质DNA、RNA的 荧光染色，可以得到过去检测技术无法得到的细胞膜、细胞核和细胞质的光学信息。 联合应用激光散射和细胞染色技术，利用不同白细胞对过氧化物酶活性的差异及细胞 表面结构不同，在不同角度对照射澈光散射的差异，进行白细胞分类和计数。
        另外，还可以在红细胞检测中，加入染色荧光材料，经激光照射激发后，可对其中的网织红 细胞进行计数和分类。不难看出，荧光染色技术在血细胞分析仪中的应用越来越重要。

        (3)配套用试剂生产技术。血细胞分析仪的使用必须借助各种稀释剂、清洗剂、 溶血剂、鞘液等对细胞进行处理、着色及其他化学反应，试剂对仪器的适用程度直接关系到仪器性能的发挥和分析结果的准确性。因此，与之相配套的分析试剂已成为血细胞分析仪器的重要组成部分，如果试剂系统性能不良，仪器的总体性能将大打折扣。 因此，试剂的研制和应用必须与仪器设备研发同步。此外，与仪器设备相配套的校准 品、质控品对保证仪器设备的分析精度同样具有重要作用，而这正是国内厂家容易忽 视和比较薄弱的环节。

        （二）自动生化分析仪相关核心技术

        (l)光栅光谱应用技术。在生化分析中，为了保证检测结果的准确性、重复性和检测速度，检验仪器需要特异性很高的光谱信号。生化分析仪的光源多采用卤素灯，光路系统有前分光和后分光两类，目前全自动生化分析仪多采用后分光。分光装置有干涉滤光片和光栅分光两类，干涉滤光片多用在半自动生化分析仪上，而光栅分光由于单色性好、分辨率高、色散大、使用寿命长和易于实现自动化而成为全自动生化分 析仪必然的选择。光栅分光又可分为全息反射式光栅、蚀刻式凹面光栅等形式。

        (2)高精度加样技术。加样系统是检验仪器中，定量地把样本（通常是微量）和 试剂加入指定反应杯以进行反应的关键装置，一般包括定量吸量器、加样针等组成。 加样系统的精度直接影响系统精度。加样的精确度一般靠以下技术保证：合理的液路 设计和连接技术；液面检测技术，采样针能够感应液面，探测到液面后插入适当深度后会停止，这样可以减少挂液；随量跟踪技术，采样针根据所分配液体的多少自动调整下降深度，防止飞溅并减小挂液；堵塞检测，搡针能自动检测血液或试剂中纤维蛋白原或其他杂物堵针。堵针后根据内置压力感受器进行处理，如果无法自动排除则停机报警。随着生化分析向微虽化发展，加样系统的性能也不断提高，目前有些自动生 化分析仪样本采样已经实现1μl时的变异系数(CV)值小于1.5%。这还依靠精密机械 加工技术的保证。

        (3)自动清洗技术。全自动生化分析仪都采用可以重复使用的比色杯，仪器自带 有反应杯清洗装置，实现反应杯的在线清洗和重复使用，提高了机器的自动化水平。 清洗装置一般包括吸液针、吐液针和擦拭块等组成。清洗的效果直接决定着仪器的交叉污染程度，也是影响测量精密度和准确性的因素之一。同时自动清洗系统的应用， 是临床检测中避免血液污染的有效措施，也是全自动检验分析仪器发展的趋势。

        (4)高精度恒温控制技术。生化反应对温度波动非常敏感，为了取得较为准确的结果，通常要求把反应室的温度波动控制在±0 l℃，这对温度控制系统提出了很高的要求。目前有干式恒温器加热、水浴式循环直接加热、恒温液循环间接加热等方式，一般多采用后两类。

        (5)配套用试剂生产技术。自动生化分析仪的使用必须借助各种各样的试剂，试 剂的应用直接关系到仪器的使用与检验结果的准硇可靠，试剂也是仪器的重要组成部 分。如果试剂系统性能不良，缺乏标准化与量值溯源性，仪器的总体性能将大打折扣。 因此，试剂的研制和应用必须与产品研制开发同步，如研制仪器配套用的各种检验项目的试剂外，配套用校准品、质控品等也是需要研发的品种，需要引起国内生产厂家 需要引起重视，并摸索出一套适合我国国情的完整的测定分析系统。

        （三）自动免疫分析仪相关核心技术

        (l)酶免疫测定（EIA）技术。酶免疫测定是20世纪70年代初发展起来的一项崭新的技术，它的基本原现是酶标记抗原或抗体，再利用免疫反应击测定抗原或抗体，其浓度町用酶活力的大小反映出来。由于ELA将抗原抗体反应的高亲和力、高特异性 和酶促反应的高催化力、高灵敏性巧妙地结合起来，因而受到广泛重视。近年来，发展极为迅速，已有取代放射免疫分析法( RIA)的趋势，被普遍地应用于生物学和医学 研究的各个领域。EIA技术要求测试液终体积要在250μl以下，是一般光电比色计无 法测试的。同时出于试样量多、故要求测试快速，仪器的稳定性好。这些都对光电比色技术提出了更高的要求。

        (2)发光免疫测定技术。包括各种化学发光（卣接发光、酶促发光）、电化学发光测定技术等。

        具体如：①荧光免疫分析技术( FIA)，主要有荧光偏振免疫(FPIA)技术、时间分辨荧光免疫技术(TR - FIA)、酶促荧光放大免疫分析技术(FEIA)等；

        ② 化学发光免疫技术( CLIA)，主要有磁性微粒子分离技术和直接化学发光技术、生物素一亲和素系统放大酶免疫和增强化学发光技术、磁微粒技术翮碱性磷酸酶标记放大化 学发光技术、电化学发光免疫分析( ECLIA)技术等。 需要注意的是，进行研发时（尤其是国内企业）一定要注意专利问题，因为目前 国内外广泛使用的许多自动免疫分析仪的发光剂（如化学发光剂）、固相载体（如磁性 微粒子、塑料微珠等）都足有专利的。相比而言，TR - FIA、CLIA因涉及这些问题要少一些，是目前研究较多的技术之一。

        (3)其他相关技术。高精度加样技术、自动清洗技术、高精度恒温控制技术、各种光学检测技术与仪器等，有些与自动生化分析仪类似。此外，将磁性微粒子分离技术与EIA技术结合制成非均相免疫测定模块或将化学发光技术与其他技术结合制成免疫测定模块，可把临床生化与免疫学检测有机结合在一起，这样{铷备出的生化分析仪 同时具有免疫学分析功能，大大扩展了生化分析仪的内涵与可检测项目和内容，可同 时完成临床化学、免疫测定方面的检测。

        （四）尿液分析技术

        (1)尿液分析试剂带技术。试剂带是将多种项目试剂块集成在一个试剂带上，使 用多联试剂带（见图8-4），浸入一次尿液可同时测定多个检测项目，它采用了多层模结构：层尼龙膜起保护作用，防止大分子物质对反应的干扰，保证试剂带的完 整性；第二层绒制屡，它包括过碘醴盐区（有些试剂膜块含有此医）和试剂区，过碘酸盐区可破坏维生素C的干扰物质，试剂区含有试剂成分，主要与尿液所测定物质发 生化学反应，产生颜色变化；第三层是吸水层，可使尿液均匀快速地浸入，并能抑制 尿液流到相邻反应区；后一层选取尿液不浸润的塑料片作为支持体。

        当把浸了尿液的试剂带放入分析仪的试剂带传送带褙内，传送系统将试剂带传送 到检测器下面进行扫描时，试剂带上已产生化学反应的特种试剂块被光源照射，其反 射光被检测器接收。试剂带中各试剂块与尿液中相应成分进行独立反应，显示不同颜 色，颜色的深度与尿液中某种成分成比例关系：试剂带中还有另一个试剂块称为“颜色补偿区”，它可作为尿液本身颜色，以此时颜色球液及仪器变化等米产生的误差进行补偿。测定缚种试剂带反射光的光量值与空白块的反射光量值进行比较，通过计算机 求出反射率换算成浓度值，便可由分析仪打印出半定量的数值。

        (2)流式细胞尿液年J形成分分析技术。当一个尿液标水被稀释被稀释并经染色液染色后，靠液压作JH通过鞘液流动池，当反应样品从样品喷嘴出口进入鞘液流动室时， 它被一种无粒子颗粒的鞘液包围，使每个细胞以单个纵列的形式通过流动池的中心（竖直）轴线，在这里每个尿披细胞被氲激光光束照射。每个细胞有不同程度荧光强度（fluonrescent light intensity，Fl;从染色尿液细胞发出的荧光，主要反映细胞的定量特性，如细胞膜、核膜、线粒体和核陋）、散射光强度（forward scattered light intensity，Fsc；这种仪器测定的是前向散划光强度，芒成比例反映细胞的大小）和电阴抗的大小（电阻 抗电信号主要与细胞的体积成正比）。
        仪器谁是通过对前向散刺光信号（散射光强度和 散射光脉冲宽度）、前向荧光信号（荧光强度和荧光脉冲宽度）和电阻抗值的大小一起 综合分析，得出尿有形成分的大小、横截面1、染色部分的长度、细胞容积等信息，算出红细胞、白细胞、上皮细胞、管型、细菌等定量结果，并绘出细胞直方图和散射图。

        (3)影像尿液有形成分分析技术。通过流动式艟微镜系统，屎液标本在层流平板式 流式细胞技术基础上，对进入分析系统的的尿液有形成分进行白动数码影像拍摄，自 动粒子识别软件和高度训练的神经网络技术迅速根据被拍摄到的“粒子”的大小、外形、对比度、纹理特征来初步鉴别分析。

        (4)智能化尿液有形成分分析技术。视觉智能化技术是仿照人的视觉系统对可见 实物目标的捕捉、定位、采集、识别、统计、学习、储存等功能，以精确定位控制机 构、自动传感光学环境调节系统，高速数字摄像机代替人眼进行可见实物目标的捕捉、 定住、采集，依靠数字摄像技术和计算机技术，运用各种复杂的针对各种有形成分特征的数字算法，以大容^量、高运速计算机代替大脑对目标的各项特征参数进行运算， 统计、拟合、储存，实现自动识别。

        （五）生物传感技术 生物传感技术是生物技术与传感技术交叉结合，生物学与物理学、化学融为一体 的产物，也称为生物传感器。生物传感器的关键元件是生物敏感膜和换能器。测定原理是：待测定物质经扩散作用，进入同定化生物敏感膜层，经分子识别发生生物化学 反应，产生的信息被相应的亿学或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可经计算系统计算出待测物的浓度。因此，其主要特点为：

        ①根据生物化学反应的特异性和多样性，可以制成测定所有生物化学物质的传感器；
        ②这类传感器主要是在无试剂条件下操作（除缓冲液以外），使用简便、快速、准确；
        ③可重复使用，连续分析，联机操作。在功能方面，生物传感器已经发展到活体测定，
        多指标测定和联机在线测定。 生物传感技术的分类和命名方法较多，H不尽统一，主要接分子识别元件和器件 不同进行分类。按分子识别元件的不同可以将生物传感器分为：酶传感器，微生物传 感器，免疫传感器，组织传感器和细胞器传感器等五类。按照所用换能器件不同可以 将生物传感器分为六类，即生物电极，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传 感器，压电晶体生物传感器。目前国内外已商晶化的生物电极有酶电极、微生物电极、 免疫电极、组织电极和细胞电极，以及生物微电极和介体酶电极等。
        目前生物传感器向微型化、集成化和智能化方向发展。新型的生物传感器已基本实现了传感器的口动 调零、自动平衡、自动补偿、自选量程、自动显示和自动报警等功能，还实现丁能对众多检测参数和数据进行快速处理和综合分析，及时给出有价值的信息，并对体系进行反馈控制。生物传感技术及其临床应用也是目前国内外比较关注的热点之一。