結核感染T細胞斑點自動檢測儀開發(fā)

張堉晨，張從鵬，王晨

（北方工業(yè)大學機械與材料工程學院，北京 100144）

0 引言

隨著機電一體化技術和醫(yī)學圖像處理的快速發(fā)展，醫(yī)療器械正向著自動化、智能化的方向發(fā)展。結核感染T細胞斑點檢測試驗（T-SPOT.TB）作為當今診斷結核感染的新方法[1]，具有靈敏度高、特異性強等特點[2]，其結果判定的主要手段通常是人工計數[3-4]，這種判定方式不僅檢測效率較低下，而且受主觀影響較大[5]。為提高檢測效率和準確度，減輕檢測人員工作強度，本文設計并開發(fā)了結核感染T細胞斑點自動檢測儀的控制系統，可以自動地對T-SPOT.TB試劑盒進行逐孔采集、檢測并生成報告，對早期結核病的診斷具有重要作用[6]。

1 自動檢測儀總體設計

1.1 總體架構

自動檢測儀通過嵌入式控制器對承載著試劑盒的運動平臺進行運動控制，并以光電傳感器作為反饋，通過PC機控制視覺系統對T-SPOT圖像進行采集和處理，根據圖像處理結果，判定其最終結果為陰性或陽性。本文采用“PC機+嵌入式控制器+運動平臺”的控制系統架構。PC機作為上位機，負責圖像采集與處理、數據存儲、生成報告、人機交互，以及向下位機發(fā)送運動指令；嵌入式控制器作為下位機，負責步進電動機的運動控制和傳感器信號的采集，進而控制運動平臺；運動平臺負責承載試劑盒運動至圖像采集位置。上下位機之間采用CAN總線通信方案[7]。自動檢測儀的總體架構如圖1所示。

圖1 自動檢測儀總體架構

1.2 機械結構

使用SolidWorks軟件對自動檢測儀進行機械結構設計，其三維建模如圖2所示。

圖2 自動檢測儀機械結構設計

X軸電動機、Y軸電動機控制防滑臺水平移動，主要負責取盒、退盒和試劑孔圖像的逐孔采集，防滑臺承載試劑盒水平運動并防止試劑盒滑動，自動檢測儀的整體尺寸為530 mm×380 mm×355 mm。內部結構如圖3所示。

圖3 自動檢測儀內部結構圖

1.3 自動檢測流程

T-SPOT自動檢測流程是在機械平臺、運動控制算法和圖像處理算法之上設計的，在上位機中新建任務后，點擊“開始檢測”按鈕即可自動檢測整個24人份（96孔）試劑盒并得到結果報告。運動平臺首先進行系統初始化和系統自檢，成功后進行回零任務，將防滑臺上的試劑盒定位至A1試劑孔圖像采集的大概位置，由于手動放置試劑盒一定會存在誤差，故需進行A1試劑孔居中校準。本文需檢測的T-SPOT.TB試劑盒有8排12列的試劑孔，如圖4所示。為縮短檢測時間，按照固定路徑逐孔、逐行地采集并處理圖像。待所有96個試劑孔圖像采集和處理等工作完成后，由上位機進行數據存檔并生成報告。自動檢測流程如圖5所示。

圖4 T-SPOT.TB試劑盒

圖5 自動檢測流程圖

2 嵌入式控制器設計

2.1 嵌入式控制器硬件設計

嵌入式控制器以STM32F407VGT6為主控芯片，基于控制系統總體架構和功能需求，采用模塊化的設計思想對硬件電路進行設計[8]，主要包括供電模塊、最小系統模塊、步進電動機控制模塊、傳感器模塊、通信模塊和數據存儲模塊。

本文使用Altium Designer16軟件繪制電路原理圖和PCB，控制器的整體尺寸為104 mm×80 mm，樣板如圖7所示。

圖6 嵌入式控制器硬件框架圖

圖7 嵌入式控制器樣板

2.2 嵌入式控制器軟件設計

嵌入式控制器軟件以Keil uVision5作為程序編寫平臺，主要負責對兩軸步進電動機的S曲線加減速規(guī)劃和運動控制，以及同上位機實時通信，根據系統的運動流程及控制要求設計軟件程序，如圖8所示。主體設計內容是對上位機發(fā)送的CAN總線報文進行解析后，通過實時操作系統進行任務調度和任務管理，通過6個限位開關和2個編碼器的信號檢測對步進電動機的運動狀態(tài)進行控制，實現對平臺的運動控制和與上位機的通信，完成對整個試劑盒的逐孔圖像采集。

圖8 嵌入式控制器軟件結構

主程序在運行時，首先進行各個模塊的初始化和μC/OS-II實時操作系統的配置。然后等待上位機發(fā)送運動指令，直到進入CAN通信接收中斷函數，將接收到的運動指令進行解析，根據解析出的電動機號、運動方向、運動步數、運動速度等參數或者回零、退盒等具體運動流程，對步進電動機自行進行S曲線加減速規(guī)劃和PID控制[9-10]。在本次運動任務完成后，向上位機發(fā)送到位報文，上位機由此判斷運動是否完成。然后繼續(xù)等待上位機發(fā)送運動指令。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3 PC機應用軟件設計

應用軟件基于Visual Studio 2015的.Net Framework 4.0開發(fā)環(huán)境，主要負責圖像采集與圖像處理、運動指令的發(fā)送和到位報文的接收、人機交互功能、結果判定和數據儲存等功能。

圖10 應用軟件結構

圖11 自動檢測流程控制

圖12 人機交互界面

為保證軟件運行的過程中不會出現卡頓，圖像采集、圖像處理和CAN總線通信在多個線程中運行[11]。圖像采集部分對相機SDK進行二次開發(fā)，通過調用相機SDK中的接口函數實現圖像的配置、采集、顯示和儲存；通過調用封裝過的結核感染T細胞斑點計數函數完成圖像處理；通過調用ECANVCI.dll文件中的一系列函數實現CAN數據的發(fā)送和接收。

4 實驗

搭建自動檢測儀控制系統，進行結核感染T細胞斑點自動檢測實驗，如圖13所示。實驗方法為：通過已有的12個T-SPOT.TB試劑盒樣本對自動檢測儀進行整機測試，測試過程中，檢測儀運行穩(wěn)定，檢測流程有序，應用軟件運行流暢，沒有出現任何故障，滿足系統要求。采集到的圖像清晰，達到圖像處理的標準。平均每個試劑盒的總檢測時間為194 s，其中取盒、檢測、退盒3個運動動作的平均時間分別為20 s、161 s、13 s。

圖13 整機測試現場

5 結論

本文設計了一種結核感染T細胞斑點自動檢測儀，構建了“PC機+嵌入式控制器+運動平臺”的控制系統架構，并設計了檢測儀的機械結構；設計了基于STM32F407的嵌入式控制器，滿足檢測儀控制需求并具有良好的穩(wěn)定性和實時性；開發(fā)了PC機應用軟件，實現了T-SPOT的自動檢測流程控制和人機交互等功能。