全自動(dòng)醫(yī)用體外診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘 ?要：文章針對(duì)單人份多靶熒光檢測(cè)試劑的全自動(dòng)醫(yī)用PCR分析儀，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于該儀器的調(diào)試軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)基于Windows 10系統(tǒng)運(yùn)行，使用Visual Studio 2017的IDE開(kāi)發(fā)工具，釆用C#語(yǔ)言，.NET框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)。主要設(shè)計(jì)了調(diào)試信息監(jiān)測(cè)、結(jié)果顯示、調(diào)試校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分析和人機(jī)交互等5大模塊使得用戶可以通過(guò)軟件對(duì)儀器各模塊進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)和檢測(cè)流程的編輯調(diào)試、設(shè)備參數(shù)的校準(zhǔn)以及相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療器械;PCR分析儀;調(diào)試軟件;結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì);POCT

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）24-0041-04

Abstract： Aiming at the automatic medical PCR analyzer with single copy of multi-target fluorescence detection reagent， a debugging software system applied to the instrument is designed in this paper. The software system runs based on Windows 10 system， uses the IDE development tool of Visual Studio 2017， and adopts C# language， .NET framework for development. It mainly designs five modules： debugging information monitoring， result display， debugging and calibration， data analysis and human-computer interaction， so that users can independently calibrate each module of the instrument， edit and debug the detection process， calibrate the equipment parameters and analyze the relevant detection data through the software.

Keywords： medical apparatus and instruments; PCR analyzer; debugging software; structural system design; POCT

0 ?引 ?言

體外診斷是指通過(guò)采集人體血液、體液、細(xì)胞、組織等生物樣本，進(jìn)行體外檢測(cè)與分析，從而進(jìn)行疾病預(yù)防、診斷、治療監(jiān)測(cè)、預(yù)后觀察，以及健康狀態(tài)評(píng)價(jià)和遺傳性疾病預(yù)測(cè)等，是醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)不可或缺的重要組成部分[1]。目前體外診斷主要分為生化診斷、免疫診斷、分子診斷和即時(shí)診斷（POCT）等四大類[2]。體外診斷經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，已經(jīng)成為各種疾病的預(yù)防、檢驗(yàn)、治療、監(jiān)測(cè)以及健康狀況評(píng)價(jià)中必不可少的一部分。

全自動(dòng)醫(yī)用體外診斷系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“本系統(tǒng)”）主要針對(duì)NAP-Fluo Cycler touch系列、NAP-Fluo Cycler lite touch系列、NAP-Fluo Cycler系列三個(gè)儀器系列的設(shè)備的調(diào)試軟件，通過(guò)設(shè)備調(diào)試軟件的輔助，幫助使用人員，在使用上述三個(gè)系列的設(shè)備時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速儀器檢測(cè)流程編輯、準(zhǔn)確的調(diào)試校準(zhǔn)儀器相關(guān)參數(shù)、精準(zhǔn)有效的分析儀器相關(guān)性能指標(biāo)等工作，提升工作效率，助力防疫、抗疫工作。

1 ?系統(tǒng)功能分析

全自動(dòng)醫(yī)用體外診斷系統(tǒng)主要作用是實(shí)現(xiàn)在線、可視化、便捷地對(duì)NAP-Fluo Cycler touch系列、NAP-Fluo Cycler lite touch系列、NAP-Fluo Cycler系列三個(gè)儀器系列的設(shè)備（下文簡(jiǎn)稱“全自動(dòng)PCR分析儀”）進(jìn)行快速精準(zhǔn)的調(diào)試，提升新冠病毒檢測(cè)效率和安全性，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前常態(tài)化的疫情防控。因此，軟件在功能設(shè)計(jì)層面主要分為三部分，一是對(duì)全自動(dòng)PCR分析儀的配套要求，二是支撐儀器設(shè)備調(diào)試分析的軟件功能需求以及適用范圍，三是外部數(shù)據(jù)支撐需求。具體需求分析如下：

PCR分析儀是一種用于生物學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、藥學(xué)領(lǐng)域的分析儀器，本系統(tǒng)的重要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)用于新冠試劑檢測(cè)分析的全自動(dòng)PCR分析儀進(jìn)行調(diào)試，設(shè)備儀器是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)醫(yī)用體外診斷最重要的介質(zhì)和載體。本系統(tǒng)所支撐的全自動(dòng)PCR分析儀由核酸提取系統(tǒng)、PCR擴(kuò)增分析系統(tǒng)、光學(xué)傳感器、電源部件、金屬模塊部件、外殼部件和配套支撐軟件（版本號(hào)V1.0）組成。如圖1所示。

其中，核酸提取系統(tǒng)是整個(gè)PCR分析儀重要的基礎(chǔ)模塊之一，由磁吸附部件、機(jī)械臂部件、移液裝置、加熱模塊組成;PCR擴(kuò)增分析系統(tǒng)作為核心部件，由控制部件、熒光檢測(cè)部件、加熱模塊組成。

2 ?軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)全自動(dòng)PCR分析儀的設(shè)備構(gòu)成部件及作用明確，根據(jù)對(duì)其配套支撐軟件功能需求、數(shù)據(jù)需求、使用范圍需求的綜合分析，結(jié)合在抗疫實(shí)際環(huán)境中的諸多因素考慮，提出了全自動(dòng)醫(yī)用體外診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與框架設(shè)計(jì)，具體如2圖所示。

全自動(dòng)醫(yī)用體外診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從系統(tǒng)使用的用戶出發(fā)，圍繞三個(gè)維度進(jìn)行設(shè)計(jì)，即流程的設(shè)置、設(shè)備校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的設(shè)置、設(shè)備性能數(shù)據(jù)的采集與比對(duì)分析。根據(jù)用戶的三類需求，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有三部分組成，第一部分以PCR設(shè)備儀器為核心基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)備的特性引申出整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐需求（第二部分）包括了外部數(shù)據(jù)擬合、外部導(dǎo)入的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)本身產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、分析呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是有效支撐軟件六大功能的重要內(nèi)容。至此可以分析出，全自動(dòng)醫(yī)用體外診斷系統(tǒng)最重要的核心是軟件部分的功能，其功能組成如圖3所示。

由于軟件系統(tǒng)主要作用是針對(duì)NAP-Fluo Cycler touch系列、NAP-Fluo Cycler lite touch系列、NAP-Fluo Cycler系列三個(gè)儀器系列的設(shè)備，通過(guò)可交互式控制軟件的方式，幫助使用人員編輯儀器的檢測(cè)流程和調(diào)試校準(zhǔn)儀器的相關(guān)參數(shù)、以及分析儀器的相關(guān)性能指標(biāo)。在開(kāi)發(fā)語(yǔ)言上的選擇，需要充分考慮使用環(huán)境、性能、交互等方面的要求，由于本系統(tǒng)重要核心之一是調(diào)試和校準(zhǔn)，基于此，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選擇使用C#7.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)。C#是一種最新的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，它使得程序員可以快速地編寫各種基于Microsoft .NET平臺(tái)的應(yīng)用程序，Microsoft .NET提供了一系列的工具和服務(wù)來(lái)最大程度地開(kāi)發(fā)利用計(jì)算與通訊領(lǐng)域。本項(xiàng)目于設(shè)備進(jìn)行通訊及參數(shù)調(diào)試，C#相比較于其他語(yǔ)言，更勝一籌。

3 ?系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及效果展示

3.1 ?主界面設(shè)計(jì)說(shuō)明

系統(tǒng)主界面主要包含主要設(shè)備信息部分和Nap配置信息部分，如圖4所示。

3.1.1 ?主要設(shè)備信息部分

包括標(biāo)題顯示軟件的日期版本、設(shè)備連接接口底層軟件版本顯示、設(shè)備ID顯示、設(shè)備耗材是否在位標(biāo)識(shí)、設(shè)備艙蓋是否關(guān)閉標(biāo)識(shí)、PCR模塊實(shí)時(shí)溫度、提取模塊實(shí)時(shí)溫度、軟件運(yùn)行時(shí)間等內(nèi)容。

3.1.2 ?Nap配置信息部分

Nap配置部分既支持對(duì)現(xiàn)有nap文件的操作，以及對(duì)新的調(diào)試流程中節(jié)點(diǎn)的編輯和調(diào)試操作。具體內(nèi)容有：

（1）現(xiàn)有nap文件。

用戶可以直接對(duì)默認(rèn)目錄下的現(xiàn)有nap配置文件進(jìn)行操作，操作功能包括直接打開(kāi)、導(dǎo)入新的操作流程文件、對(duì)編輯好的nap文件進(jìn)行保存、對(duì)保存或編輯完成的流程導(dǎo)出nap文件。

（2）節(jié)點(diǎn)操作。

打開(kāi)現(xiàn)有的nap文件或者新建的流程邊界過(guò)程中，用戶可以對(duì)流程的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自定義操作，主要包含全部展開(kāi)、全部折疊、上移、下移、增加節(jié)點(diǎn)、增加子節(jié)點(diǎn)、復(fù)制節(jié)點(diǎn)、粘貼節(jié)點(diǎn)、刪除節(jié)點(diǎn)等功能。

（3）節(jié)點(diǎn)調(diào)試。

軟件連接到全自動(dòng)PCR分析儀后通過(guò)NAP配置的調(diào)試功能可以調(diào)試設(shè)置的流程動(dòng)作。設(shè)備通過(guò)串口的方式與調(diào)試軟件客戶端電腦進(jìn)行連接，用戶使用nap配置的調(diào)試參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行節(jié)點(diǎn)調(diào)試，在節(jié)點(diǎn)調(diào)試過(guò)程中，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行連接狀態(tài)控制、運(yùn)行模式控制、運(yùn)行狀態(tài)控制等操作，軟件提供連接狀態(tài)控制、運(yùn)行模式控制、運(yùn)行狀態(tài)控制。

3.2 ?溫度曲線界面

溫度曲線模塊主要用來(lái)實(shí)時(shí)顯示溫度曲線，以及保存溫度曲線數(shù)據(jù)，溫度曲線界面如圖5所示。

設(shè)備連接后，實(shí)時(shí)溫度曲線顯示過(guò)去600 s內(nèi)的溫度曲線，同時(shí)顯示提取模塊和PCR模塊的實(shí)時(shí)溫度。每次重新連接設(shè)備后溫度數(shù)據(jù)會(huì)重新清零。同時(shí)，系統(tǒng)提供溫度數(shù)據(jù)保存功能，設(shè)備連接后，用戶可以自主啟動(dòng)溫度數(shù)據(jù)保存功能，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將溫度數(shù)據(jù)保存到軟件制定的默認(rèn)文件夾下，保存成功后會(huì)提示具體的保存路徑信息。

3.3 ?熒光曲線顯示

熒光曲線界面用于實(shí)時(shí)顯示熒光曲線溫度，可選擇不同的通道數(shù)據(jù)，以及保存熒光數(shù)據(jù)，如圖6所示。

熒光數(shù)據(jù)窗體實(shí)時(shí)顯示讀取到的熒光值，最少顯示40個(gè)循環(huán)，超過(guò)40個(gè)循環(huán)后根據(jù)實(shí)際的循環(huán)數(shù)后，實(shí)時(shí)調(diào)整曲線，以顯示所有熒光數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)的通道前面的選擇框打鉤時(shí)表示顯示該通道的熒光值，在軟件中CH1-CH5對(duì)應(yīng)FAM通道1-5孔的，CH6-CH10對(duì)應(yīng)HEX通道1-5孔的熒光數(shù)據(jù)，CH11-CH12對(duì)應(yīng)ROX通道1-5孔的熒光數(shù)據(jù)。用戶也可以一次性改變?nèi)客ǖ赖臒晒鈹?shù)據(jù)隱藏或者顯示，同時(shí)，可以根據(jù)用戶需要，在設(shè)備連接，并且有采集到熒光數(shù)據(jù)后，用戶可以自定義設(shè)置自動(dòng)保存數(shù)據(jù)功能，將數(shù)據(jù)離線數(shù)據(jù)文件保存到默認(rèn)的文件夾下。

3.4 ?調(diào)試校準(zhǔn)界面

調(diào)試校準(zhǔn)界面如圖7所示。該模塊用于在設(shè)備連接后對(duì)PCR儀進(jìn)行單獨(dú)模塊的調(diào)試控制，對(duì)初始化和溫度參數(shù)的校準(zhǔn)操作，以及配合外部數(shù)據(jù)，對(duì)外部熒光數(shù)據(jù)模板做擬合數(shù)據(jù)分析。在調(diào)試校準(zhǔn)模塊主要提供運(yùn)動(dòng)控制、LED等調(diào)試、機(jī)器校準(zhǔn)、溫度校準(zhǔn)、熒光校準(zhǔn)、設(shè)備信息校準(zhǔn)、閾值比例設(shè)置、曲線擬合分析等模塊功能。

3.5 ?數(shù)據(jù)分析界面

數(shù)據(jù)分析界面如圖8所示。用于分析熒光數(shù)據(jù)或者溫度數(shù)據(jù)，然后得出技術(shù)規(guī)格書中要求的相關(guān)技術(shù)參數(shù)信息。軟件中主要提供數(shù)據(jù)采集設(shè)置、數(shù)據(jù)分析兩大部分。

數(shù)據(jù)采集設(shè)置：用戶可以根據(jù)需要對(duì)測(cè)溫盒采集間隔時(shí)間、熒光數(shù)據(jù)分析時(shí)的目標(biāo)通道進(jìn)行自定義設(shè)置，以支撐數(shù)據(jù)分析功能的使用。

數(shù)據(jù)分析：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析主要包括PCR溫度數(shù)據(jù)分析、PCR熒光數(shù)據(jù)分析、提取模塊溫度數(shù)據(jù)分析三類。PCR溫度數(shù)據(jù)分析包含PCR模塊的升溫速率、降溫速率、控溫精度、溫度準(zhǔn)確性、溫度均勻性、溫度持續(xù)時(shí)間準(zhǔn)確性等指標(biāo);PCR熒光數(shù)據(jù)分析用于分析熒光數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行熒光重復(fù)性分析分析、熒光強(qiáng)度干擾性分析、熒光強(qiáng)度精密度分析、以及樣本重復(fù)性Ct值分析;提取模塊溫度數(shù)據(jù)分析用于對(duì)提取模塊的加熱數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析提取模塊的升溫速率、控溫精度、溫度準(zhǔn)確性。

4 ?結(jié) ?論

由于新冠病毒具有隱蔽性強(qiáng)、傳染性強(qiáng)、重癥率高的特點(diǎn)，境外疫情愈演愈烈，雖然國(guó)內(nèi)疫情已得到控制，但從長(zhǎng)期看，新冠病毒將長(zhǎng)期與人類共存，常態(tài)化的快速檢測(cè)是疫情防控的必備手段。 本系統(tǒng)主要針對(duì)疫情防控過(guò)程中使用到的全自動(dòng)醫(yī)用PCR分析儀，設(shè)計(jì)研究了高效便捷的可交互式調(diào)試軟件，減少PCR分析儀在設(shè)備調(diào)試、檢測(cè)流程配置、設(shè)備性能校準(zhǔn)等環(huán)節(jié)的人力成本和時(shí)間成本，進(jìn)而有效的支撐疫情常態(tài)化環(huán)境下的體外診斷工作，有效促進(jìn)防疫抗疫工作能力的提升。

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作者簡(jiǎn)介：陳維民（1963.08—），男，漢族，廣東潮安人，工程師，本科，研究方向：醫(yī)療器械。