離心判讀儀的研制

何流，李臻，朱家誠，吳焱明，張艷，徐寅生，唐濤.合肥天一生物技術(shù)研究所，安徽 合肥3003；.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 30009

離心判讀儀的研制

何流1，李臻2，朱家誠2，吳焱明2，張艷1，徐寅生1，唐濤1
1.合肥天一生物技術(shù)研究所，安徽 合肥230032；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

微柱凝膠免疫檢測(cè)技術(shù)目前已逐漸成為血液相容性檢查的常規(guī)技術(shù)。當(dāng)前微柱凝膠試驗(yàn)主要依靠單獨(dú)的孵育器和離心機(jī)來進(jìn)行，其試驗(yàn)結(jié)果多通過肉眼來判讀，這不僅需要耗費(fèi)大量人力，且檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化程度也較低。本文闡述了一種基于可編程邏輯控制器技術(shù)的離心判讀儀的研制和應(yīng)用過程。該判讀儀主要由卡盒系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)、照相系統(tǒng)和離心系統(tǒng)組成，集微柱凝膠卡孵育、裝夾、離心和離心結(jié)果判讀等功能于一體，可在減少人力資源浪費(fèi)的同時(shí)大大提高判讀準(zhǔn)確性。

離心判讀儀；免疫檢測(cè)技術(shù)；微柱凝膠卡；可編程邏輯控制器

0 前言

1990年，Lapierre等[1]發(fā)表了微柱凝膠免疫技術(shù)，這是人類紅細(xì)胞血型發(fā)展史上的里程碑。如今，微柱凝膠試驗(yàn)在臨床輸血檢驗(yàn)中已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的血型血清檢測(cè)方法[2]。

現(xiàn)階段，國內(nèi)微柱凝膠試驗(yàn)多由操作員手工完成，其結(jié)果也多由人工判讀。該過程自動(dòng)化程度極低，需耗費(fèi)大量人力；且過分依賴操作員的判讀經(jīng)驗(yàn)，不利于結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化[3]。

為改變以上不足，本研究研制了一種能夠完成微柱凝膠卡孵育、有效性識(shí)別、裝夾、離心和離心結(jié)果判讀等一系列工作的全自動(dòng)離心判讀儀，既可以彌補(bǔ)人工判讀標(biāo)準(zhǔn)化低的缺陷，還可以減少人力資源的浪費(fèi)[4-5]。

1 設(shè)計(jì)原理

目前，微柱凝膠試驗(yàn)主要依靠單獨(dú)的離心機(jī)和孵育器進(jìn)行。操作員將加有標(biāo)本的微柱凝膠卡手工放入孵育器，于37℃孵育15 min后再手工放入離心機(jī)進(jìn)行離心，離心完畢后將卡片取出，通過肉眼觀察、判讀并記錄結(jié)果。

針對(duì)如今微柱凝膠試驗(yàn)過分依靠人力的現(xiàn)狀，現(xiàn)階段急需一種能夠集微柱凝膠卡孵育、有效性識(shí)別、裝夾、離心和離心結(jié)果判讀等功能于一體的儀器。

根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)的全自動(dòng)離心判讀儀的工作流程圖，見圖1。為滿足此工作流程，離心判讀儀應(yīng)包括卡盒系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)、照相系統(tǒng)和離心系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖，見圖2。其中，卡盒系統(tǒng)負(fù)責(zé)將微柱凝膠卡運(yùn)送到卡爪可抓取的位置；抓取系統(tǒng)負(fù)責(zé)將微柱凝膠卡抓取到離心盤中；離心系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照要求對(duì)微柱凝膠卡進(jìn)行定時(shí)定速離心；照相系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)微柱凝膠卡進(jìn)行照相并將圖像傳送給相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行判讀。

圖1 離心判讀儀工作流程圖

圖2 離心判讀儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 卡盒系統(tǒng)

卡盒系統(tǒng)的主要功能是在完成規(guī)定時(shí)間的孵育工作后將裝有微柱凝膠卡的卡盒運(yùn)送到適合抓手抓取的指定位置。為完成此功能，整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)透明的孵育罩罩住，底板下面有一個(gè)功率300 W的加熱絲，由風(fēng)扇將熱風(fēng)吹向卡盒系統(tǒng)，卡盒內(nèi)有溫度傳感器，待溫度達(dá)到規(guī)定范圍后便停止加熱，溫度降低到一定程度后再重新加熱?？ê邢到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分選取步進(jìn)電機(jī)（42BYG250A）作為動(dòng)力源，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)與卡和底盤相連，使之沿直線導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖，便可使卡盒運(yùn)動(dòng)到指定位置，從而完成相應(yīng)功能。

卡盒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精巧、簡便，將對(duì)微柱凝膠卡的孵育和運(yùn)送工作集于一體，大大減少了對(duì)整機(jī)空間的占用，能穩(wěn)定可靠地完成微柱凝膠卡離心前的準(zhǔn)備工作。

2.2 抓取系統(tǒng)

抓取系統(tǒng)的主要功能是抓取卡盒中的微柱凝膠卡，將其提升一定高度后橫移到照相系統(tǒng)正前方的位置進(jìn)行拍照；而后再將卡放入離心盤卡槽中，待離心工作完成后再將卡片取出，橫移至之前位置進(jìn)行照相并放回卡盒中。

抓取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖，見圖3。橫移電機(jī)通過齒輪齒條結(jié)構(gòu)與機(jī)架相連，通過電機(jī)可以使橫移機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)；待橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，升降電機(jī)啟動(dòng)，將與之相連的抓手送至相應(yīng)位置以抓取微柱凝膠卡；抓手中有一個(gè)電磁鐵，通過通電吸合與斷電回落可完成抓手的開閉工作。根據(jù)實(shí)際要求，橫移電機(jī)負(fù)載較高，因此選取了步進(jìn)電機(jī)（42BYG250A）來實(shí)現(xiàn)；而升降電機(jī)只需提升抓手，故所需功率較小但對(duì)精度要求較高，因此選取直線步進(jìn)電機(jī)（43L4Z-05-A01）來實(shí)現(xiàn)。

圖3 抓取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

抓取系統(tǒng)作為連接卡盒系統(tǒng)和離心系統(tǒng)的重要組成部件，起著承上啟下的作用。其采用笛卡爾坐標(biāo)式機(jī)械手相關(guān)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，抓取可靠、便于控制，大大提高了工作效率，可以完全代替人工來完成對(duì)微柱凝膠卡的取放工作，極大地降低了人力資源浪費(fèi)。

2.3 離心系統(tǒng)

離心系統(tǒng)的主要功能是使離心盤卡槽旋轉(zhuǎn)至特定位置，方便裝夾微柱凝膠卡并完成定時(shí)定速的離心工作[6]。為完成此功能，選取伺服電機(jī)為動(dòng)力源，經(jīng)連接軸與離心盤相連。通過控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和速度便可完成相應(yīng)的離心工作。離心盤由12個(gè)可上下浮動(dòng)的卡槽組成，可保證高速離心過程中微柱凝膠卡不被甩出。

根據(jù)測(cè)量，離心盤重量m=300 g，直徑d=17 cm，那么所需的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.08×10-3kg·m2，因此選取伺服電機(jī)（MHMD022G1）驅(qū)動(dòng)，并將其置于位置模式。通過伺服電機(jī)既能控制離心盤旋轉(zhuǎn)的角度，又能控制其離心速度。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

離心判讀儀控制系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、歐姆龍可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及相關(guān)配套電器元件構(gòu)成[7]。根據(jù)所需完成工作的要求，離心判讀儀最終采用伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)及電磁鐵等元件相互協(xié)調(diào)工作的方式來實(shí)現(xiàn)微柱凝膠卡孵育、有效性識(shí)別、裝夾、離心、離心結(jié)果判讀及放回等過程的自動(dòng)化。

控制系統(tǒng)中的上位機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面、拍照的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)圖像進(jìn)行判讀處理；下位機(jī)則負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)離心判讀儀的工作流程進(jìn)行控制[8]。PLC的輸入點(diǎn)包括：啟動(dòng)、停止、急停和各個(gè)位置的傳感器信號(hào)輸入等共計(jì)13個(gè)輸入信號(hào)。輸出點(diǎn)主要包括：電源開關(guān)、電機(jī)的脈沖和方向、電磁鐵的吸合和斷開等共計(jì)10個(gè)輸出信號(hào)。從通道數(shù)、I/O點(diǎn)數(shù)、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮，選用歐姆龍CP1H系列PLC。

上位機(jī)程序是在Windows系統(tǒng)的.NET平臺(tái)上，使用C#語言進(jìn)行編寫的，主要用于開發(fā)用戶界面，實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊以及圖像識(shí)別等。上位機(jī)程序使用C#的ADO.NET技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取、修改、刪除等操作。

PLC程序使用梯形圖進(jìn)行編寫，用于對(duì)判讀儀的步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、直線電機(jī)和電磁鐵等進(jìn)行控制，完成從微柱凝膠卡裝夾、離心到離心結(jié)果判讀等過程的邏輯控制。PLC程序通過調(diào)用相關(guān)系統(tǒng)功能模塊與控制單元進(jìn)行通訊的方式，向控制單元發(fā)送和接受信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，同時(shí)可讀取相關(guān)電機(jī)的狀態(tài)。

控制系統(tǒng)邏輯嚴(yán)密，配合得當(dāng)，可以穩(wěn)定可靠地完成一系列工作。

4 結(jié)果判讀過程

離心判讀儀涉及的微柱凝膠試驗(yàn)主要通過調(diào)節(jié)試劑中葡萄糖凝膠的濃度來控制分子篩孔徑大小，使分子篩只允許游離分子通過，從而達(dá)到分離凝集紅細(xì)胞和游離紅細(xì)胞的目的。根據(jù)紅細(xì)胞在凝膠中的停留位置不同，判定血清實(shí)驗(yàn)的陰陽性及強(qiáng)弱[9]。

要完成結(jié)果判讀，離心判讀儀需用到圖像識(shí)別技術(shù)，包括圖像截取、灰度處理、縱向投影、濾波處理和圖像曲線判讀等[10]。

圖像截取是在拍攝的原照片基礎(chǔ)上將6個(gè)反應(yīng)孔部分截取出來，將6個(gè)反應(yīng)孔的照片分別送入判讀程序進(jìn)行判讀[11]；灰度處理是將反應(yīng)孔中試劑圖像各像素的R、G、B 3個(gè)分量的亮度值按照加權(quán)平均的方法計(jì)算出其灰度值，將彩色圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像[12]；縱向投影是將反應(yīng)孔圖像按灰度值投影轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的波形圖；濾波處理則是將圖像中的噪聲去除[13-14]；圖像曲線判讀是將反應(yīng)孔的圖像曲線與大數(shù)據(jù)庫中最接近的圖像曲線進(jìn)行對(duì)比，選出最接近的圖片，從而得出判讀結(jié)果。

如果最后無法得到判讀結(jié)果，系統(tǒng)便會(huì)彈出人工判讀窗口，可通過判讀員對(duì)結(jié)果進(jìn)行人工判讀，并將判讀結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫，用于之后的判讀。

實(shí)際結(jié)果表明，離心判讀儀能夠準(zhǔn)確地對(duì)離心結(jié)果進(jìn)行快速判讀，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)論

離心判讀儀利用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)凝柱微膠卡孵育、有效性識(shí)別、裝夾、離心和離心結(jié)果判讀等一系列工作的自動(dòng)化，降低了人力資源浪費(fèi)，提高了判讀的速度和準(zhǔn)確性，使結(jié)果判讀變得標(biāo)準(zhǔn)化。該儀器在一定程度上改變了微柱凝膠試驗(yàn)的過程，對(duì)其進(jìn)行推廣能夠提高我國醫(yī)療機(jī)構(gòu)的輸血檢測(cè)水平，進(jìn)而促進(jìn)我國臨床輸血的安全性和標(biāo)準(zhǔn)化，提高廣大人民的健康水平。

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期刊文章摘要

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論著類文章摘要的內(nèi)容應(yīng)包括研究目的、研究方法、主要發(fā)現(xiàn)（包括關(guān)鍵性或主要的數(shù)據(jù)）和主要結(jié)論，一般應(yīng)寫成冠以“目的（Objective）”、“方法（Methods)”、“結(jié)果（Results）”和“結(jié)論（Conclusion）”小標(biāo)題的結(jié)構(gòu)式摘要。臨床試驗(yàn)研究論著結(jié)構(gòu)式摘要的小標(biāo)題也可以擴(kuò)展，例如“方法”可以細(xì)分為“設(shè)計(jì)（Design）”、“環(huán)境（Setting）”、“患者或研究對(duì)象（Patients or participants）”、“干預(yù)措施（Interventions）”、“主要終點(diǎn)測(cè)量指標(biāo)（Main outcome measures）”等，可以根據(jù)需要選用。

綜述類文章摘要的內(nèi)容應(yīng)包括綜述的主要目的、資料來源、綜述時(shí)所選擇的研究數(shù)目及這些研究是如何選擇的、提煉數(shù)據(jù)的規(guī)則及這些規(guī)則是如何應(yīng)用的、數(shù)據(jù)綜合的最重要的結(jié)果和結(jié)論。可以寫成結(jié)構(gòu)式摘要，也可寫成指示性或報(bào)道-指示性摘要。

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Development of the Centrifugal Analyzer

HE Liu1, LI Zhen2, ZHU Jia-cheng2, WU Yan-ming2, ZHANG Yan1, XU Yin-sheng1, TANG Tao1
1.Hefei Tianyi Institute of Biological Technology, Hefei Anhui 230032, China; 2.School of Mechanical and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China

Nowadays, MGIA (Micro-Column Gel Immune-Assay) has gradually become the conventional technology for the blood consistency testing. The micro-column gel testing mainly depends on breeders and centrifuges separately, the results of which not only need to be read with the naked eye, but require a lot of manpower. Moreover, its standardization degree was in a comparatively low level. In this paper, the development and application of a PLC-based (Programmable-Logic-Controller-Based) centrifugal analyzer is introduced, which mainly consists of the cartridge system, grasping system, photographic system and centrifugal system. With integration of multiple functions including the micro-column gel card clamping, incubation, centrifuging and centrifugalization result determining and reading, the centrifugal analyzer reduces the waste of human resources and greatly improve the accuracy of the result reading.

centrifugal analyzers; immunity testing techniques; micro-column gel cards; programmable logic controller

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.009

1674-1633(2015)04-0032-03

2014-12-26

2015-01-30

作者郵箱：stoney23@foxmail．com