一種病理石蠟切片輔助裝置的研制

張 博，田 金，許 鋒

（北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，北京 100191）

0 引言

一直以來，我院中心實(shí)驗(yàn)室制片人員在使用切片機(jī)制作病理石蠟切片時(shí)總是遇到切片卷曲或褶皺的問題，導(dǎo)致成片率低，標(biāo)本浪費(fèi)嚴(yán)重，直接影響工作效率。目前，解決問題的辦法是在蠟塊表面噴射霧滴，從而改變蠟塊表面硬度，達(dá)到避免切片卷曲或者褶皺的目的。這類裝置的工作過程是通過超聲霧化的方式將水霧化，經(jīng)過螺紋管的輸送將霧滴噴射到蠟塊表面，但是價(jià)格昂貴，一般單位很難負(fù)擔(dān)。將家用加濕器稍加改動(dòng)，在其出霧口處增加一根螺紋管，霧滴通過螺紋管被引到蠟塊表面，也可實(shí)現(xiàn)和上述裝置相同的效果。但是長時(shí)間使用后，螺紋管內(nèi)易產(chǎn)生積水，使切片機(jī)刀具被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)大大提高，甚至導(dǎo)致切片機(jī)的損壞。將霧化發(fā)生裝置前置是解決問題的關(guān)鍵，但目前采用的霧化技術(shù)是無法實(shí)現(xiàn)的。本文研制的病理石蠟切片輔助裝置在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)之上，重新選擇霧化發(fā)生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)霧化發(fā)生裝置的前置，避免了上述裝置存在的不足。

1 霧化發(fā)生原理

本裝置采用微孔超聲霧化技術(shù)，重新設(shè)計(jì)了霧化發(fā)生裝置[1-4]，實(shí)現(xiàn)了該裝置的前置。微孔超聲霧化發(fā)生裝置的基本結(jié)構(gòu)與普通超聲霧化器略有不同，由不銹鋼片和環(huán)形壓電陶瓷片貼合而成，通過激光設(shè)備在鋼片上打數(shù)百個(gè)微米級的微孔。其原理是利用壓電驅(qū)動(dòng)的方式使流體通過孔徑為微米級的微孔板從而形成霧滴[5]。與現(xiàn)有超聲霧化的產(chǎn)霧方式不同，采用透射式產(chǎn)霧方式。霧滴是由流體穿透霧化片產(chǎn)生的，流體很容易被設(shè)計(jì)好的包含霧化片的容器包裹，可實(shí)現(xiàn)霧滴朝下噴射。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置實(shí)物圖如圖1所示，按照功能分為霧化發(fā)生系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、供電系統(tǒng)四大系統(tǒng)。其工作原理如圖2所示。

圖1 病理石蠟切片輔助裝置實(shí)物圖

圖2 病理石蠟切片輔助裝置工作原理圖

2.1 霧化發(fā)生系統(tǒng)

霧化發(fā)生系統(tǒng)由霧化片、小水箱、霧化驅(qū)動(dòng)電路和霧化電源控制器4個(gè)部分組成。其中，霧化片和小水箱位于霧化噴頭內(nèi)，霧化驅(qū)動(dòng)電路和霧化電源控制器位于機(jī)身內(nèi)。

霧化片選用直徑16 mm、孔徑4 μm的醫(yī)用級霧化片，其工作額定電壓5 V，額定功率2 W，振蕩頻率108 kHz，最大出霧速率30 mL/h。

小水箱是利用SolidWorks三維CAD軟件設(shè)計(jì)，并通過3D打印機(jī)制作的[6]，如圖3所示。其前端出水口與霧化片相連，末端留有上、下水接頭，用于連接供水軟管。其側(cè)面預(yù)留液位傳感器的安裝位置。小水箱外安裝圓柱形外殼，外殼前端安裝噴嘴，后端與螺紋管連接。噴嘴、霧化片、小水箱、圓柱形外殼組成了噴頭（如圖4所示），即本裝置的霧化發(fā)生裝置。

圖3 小水箱3D模型與3D打印實(shí)物

圖4 噴頭分解圖

霧化驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)霧化片產(chǎn)生水霧，選用與霧化片相同頻率且鎖定頻率的驅(qū)動(dòng)芯片。霧化驅(qū)動(dòng)電路包含霧化開關(guān)和指示燈接口，分別與機(jī)身上的霧化開關(guān)按鈕和按鈕內(nèi)的指示燈相連。

霧化電源控制器通過調(diào)節(jié)霧化驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓來控制噴頭的出霧量。霧化電源控制器即調(diào)壓器，其調(diào)壓范圍由出霧狀態(tài)（從剛出霧到出霧量最大）決定。通過測試，確定調(diào)壓范圍為 3～5 V。選用LM317可調(diào)三端集成穩(wěn)壓三極管作為核心器件，并組成調(diào)壓電路，如圖5所示。LM317穩(wěn)壓三極管電壓調(diào)節(jié)范圍為 1.2～37 V，輸出電流可達(dá)1.5 A以上，內(nèi)部帶有過載保護(hù)電路，具有穩(wěn)壓精度高、工作可靠等特點(diǎn)[7]。其輸出電壓Uo計(jì)算公式為

選擇適當(dāng)限流電阻R1和可調(diào)電阻RP（電位器）的阻值就可達(dá)到所需電壓的調(diào)節(jié)范圍，且輸出電壓穩(wěn)定。

圖5 調(diào)壓電路圖

2.2 自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)

自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)由主水箱、水泵、輸水管、螺紋管和自動(dòng)補(bǔ)水控制電路組成。自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)用于為噴頭內(nèi)的小水箱自動(dòng)補(bǔ)水。噴頭的體積較小，其內(nèi)部小水箱的容積僅為8 mL。為了保證噴頭長時(shí)間出霧，在機(jī)身中額外放置一個(gè)大容積主水箱，通過自動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)為噴頭自動(dòng)補(bǔ)水。

主水箱位于機(jī)身內(nèi)，機(jī)身上面板留有注水口。主水箱選用容積為400 mL的方形水箱。

水泵位于機(jī)身內(nèi)，通過輸水管與主水箱、小水箱相連。水泵選用直流12 V、2 W的微量蠕動(dòng)泵，額定輸注流速為12 mL/min。微量蠕動(dòng)泵的輸注速率低，且停機(jī)后液體不倒流，適合為小容積水箱供水。

螺紋管選用內(nèi)徑8 mm、可任意方向彎曲的金屬螺紋管。輸水管選用2根外徑4 mm的硅膠軟管，其管徑由螺紋管內(nèi)徑?jīng)Q定。

自動(dòng)補(bǔ)水控制電路由液位傳感器、直流5 V單路繼電器和微量蠕動(dòng)泵組成，如圖6所示。液位傳感器選用青島諾泰（Nutech）公司的BWDM01電容式檢測傳感器。該傳感器采用直流5 V供電，有3個(gè)引腳（VDD、OUT、GND），其中 OUT 引腳常態(tài)輸出高電平，接觸液面或觸摸后輸出低電平[8]。

圖6 自動(dòng)補(bǔ)水控制電路

自動(dòng)補(bǔ)水控制電路的工作過程如下：通過位于噴頭內(nèi)小水箱處的液位傳感器檢測水箱水位狀態(tài)。若液位未到達(dá)小水箱頂部，液位傳感器發(fā)出高電平信號，通過信號放大電路將高電平信號放大，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，微量蠕動(dòng)泵啟動(dòng)，水從主水箱通過硅膠軟管輸送到噴頭的小水箱內(nèi)。若液位達(dá)到小水箱頂部，液位傳感器發(fā)出低電平信號，繼電器斷開，微量蠕動(dòng)泵停止工作，停止供水。待噴頭小水箱內(nèi)的水位下降后，液位傳感器再次輸出高電平，微量蠕動(dòng)泵再次開啟，為小水箱補(bǔ)水。

2.3 報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)是以聲光報(bào)警的形式提示用戶為主水箱補(bǔ)水，以免霧化噴頭因缺水損壞。報(bào)警系統(tǒng)由液位傳感器、發(fā)光LED、蜂鳴器組成，缺水報(bào)警電路如圖7所示。

圖7 缺水報(bào)警電路圖

液位傳感器選用與補(bǔ)水系統(tǒng)中相同型號的傳感器，工作電壓5 V，粘貼于主水箱底部。發(fā)光LED和蜂鳴器采用5 V供電。報(bào)警系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)主水箱內(nèi)水位高于液位傳感器位置時(shí)，液位傳感器輸出低電平信號，發(fā)光LED與蜂鳴器并聯(lián)的電路無法形成回路，此時(shí)沒有聲光報(bào)警；當(dāng)水箱內(nèi)水位低于液位傳感器位置時(shí)，液位傳感器輸出高電平，發(fā)光LED與蜂鳴器并聯(lián)的回路導(dǎo)通，此時(shí)缺水燈點(diǎn)亮，蜂鳴器響起，從而達(dá)到提醒用戶的目的。

2.4 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)用于提供霧化發(fā)生系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)所需的各種規(guī)格用電。供電系統(tǒng)由電源適配器、降壓模塊、電源分配板組成。

本裝置主要用電設(shè)備包括微量蠕動(dòng)泵（額定功率2 W）、霧化片（額定功率2 W）、液位傳感器、發(fā)光LED和蜂鳴器，用電電壓為12和5 V。在同樣輸出功率的情況下，高電壓電源所需的電流小，小電流對電路承載能力要求低，對用電者相對安全。因此，選12 V作為主供電電壓。所有用電器的總功率小于10 W，選用供電電流2 A的電源適配器即滿足用電要求。

對于5 V用電設(shè)備，選用DC 12 V轉(zhuǎn)5 V降壓模塊提供所需供電。輸出電流1 A的降壓模塊滿足此類設(shè)備的供電要求。

根據(jù)用電設(shè)備的需求，設(shè)計(jì)電源分配電路。在多孔實(shí)驗(yàn)電路板上制作電路，并在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上焊接接線端子，與主電源和降壓模塊連通，主電源供電處留有總電源開關(guān)。

3 使用方法

本裝置使用方便、操作簡單，操作步驟如下：

（1）將本裝置放置在切片機(jī)頂部的置物平臺上，連接電源適配器且接通市電。打開水箱蓋，將純凈水或自來水注入水箱并加滿。（2）打開電源開關(guān)，補(bǔ)水指示燈亮起，蠕動(dòng)泵開始工作。待補(bǔ)水指示燈熄滅（表示噴頭內(nèi)小水箱已滿），打開霧化開關(guān)，此時(shí)噴頭開始出霧。（3）手動(dòng)調(diào)節(jié)螺紋管，使噴頭位置處于蠟塊正上方，噴出的霧滴能夠完全覆蓋到蠟塊表面。根據(jù)標(biāo)本質(zhì)地的不同，可上下轉(zhuǎn)動(dòng)霧化調(diào)節(jié)旋鈕，匹配需要的出霧量，即可正常進(jìn)行切片操作。

4 性能測試

性能測試主要包括系統(tǒng)功能測試和應(yīng)用測試兩部分。

4.1 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)功能測試包括功能性測試和耐久性測試。

功能性測試采用功能測試表的方式進(jìn)行。將四大系統(tǒng)分成4個(gè)功能組，按組將功能逐項(xiàng)列出，在每項(xiàng)測試結(jié)論后，添加“通過”與“未通過”選項(xiàng)。只有所有測試項(xiàng)均勾選“通過”，才能斷定功能性測試通過。初次做功能性測試時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)均未通過，不能達(dá)到補(bǔ)水和報(bào)警的目的。將問題逐個(gè)排查與測試后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的液位傳感器未起作用。咨詢液位傳感器廠家后，判斷是液位傳感器的驅(qū)動(dòng)能力不足導(dǎo)致的，須增加信號放大電路才能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器和蜂鳴器等用電設(shè)備。經(jīng)過對電路修改與檢測后，問題得到解決，功能性測試通過。

耐久性測試以13 h為一個(gè)測試周期（由主水箱的容量與微量蠕動(dòng)泵的輸注速率計(jì)算），觀察本裝置在這個(gè)周期內(nèi)能否不中斷工作，達(dá)到即通過測試。測試期間，噴頭有出霧中斷的現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)過深入分析發(fā)現(xiàn)，小水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，水不能持續(xù)保持與霧化片接觸導(dǎo)致出霧中斷。經(jīng)過對小水箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改并測試后，問題得到解決，耐久性測試通過。

4.2 應(yīng)用測試

采用對比實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證本裝置的有效性。實(shí)驗(yàn)在實(shí)際的切片環(huán)境中進(jìn)行，由中心實(shí)驗(yàn)室的制片員操作。首先進(jìn)行正常情況下的切片測試，將切下的石蠟切片拍照記錄。然后使用本裝置進(jìn)行切片測試。啟動(dòng)本裝置，使水霧均勻噴灑在蠟塊上，再進(jìn)行切片操作，并將切下的蠟片拍照記錄。最后將2次的切片照片進(jìn)行比較，如圖8所示。使用本裝置的石蠟切片沒有出現(xiàn)卷曲的現(xiàn)象，出片連續(xù)且平整。未使用本裝置的石蠟切片卷曲嚴(yán)重，多褶皺，且出現(xiàn)斷裂。表明本裝置是有效的。隨后對本裝置是否存在噴頭滴水問題進(jìn)行測試。啟動(dòng)本裝置，調(diào)整噴頭位置，使水霧對準(zhǔn)切片機(jī)刀具，連續(xù)運(yùn)行1 h后，刀具上并未出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，測試通過。

圖8 使用病理石蠟切片輔助裝置前后切片對比

5 結(jié)語

病理石蠟切片輔助裝置以提高石蠟病理切片質(zhì)量為基本要求，通過選用微孔超聲霧化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)霧化發(fā)生裝置的前置，解決了噴頭滴水的問題。實(shí)際應(yīng)用測試證明了本裝置能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，本裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、工作噪聲小、價(jià)格低廉。

通過一段時(shí)間的使用，本裝置也暴露出一些需要改進(jìn)和注意的問題：（1）螺紋管過硬導(dǎo)致噴頭位置不易調(diào)整，后期會重新選擇相對柔軟的螺紋管材料，以適應(yīng)使用者的習(xí)慣；（2）霧滴溫度不能調(diào)節(jié)導(dǎo)致標(biāo)本材料適用范圍窄，后期需要對不同標(biāo)本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定適合的水溫范圍，通過在水箱處增加加溫或制冷裝置的方式來解決問題。