基于STM32的全自動(dòng)病理染色控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚鑫平，甘 浪，林成旭，李雪梅，李 倩，閆 旺，陳 剛，廖廣蘭，劉智勇

（1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢康錄生物技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000）

病理染色技術(shù)應(yīng)用于細(xì)胞觀察和病理分析中，對(duì)疾病的診斷有著關(guān)鍵的作用［1-2］。FISH（fluorescence in situ hybridization，熒光原位雜交）染色是一種以 DAPI（4'，6-Diamidino-2-phenylindole dihydrochloride，4'，6-二脒基-2-苯基吲哚）作為熒光染料的病理檢測(cè)技術(shù)，常被用于檢測(cè)細(xì)胞是否凋亡，并在癌細(xì)胞診斷、腫瘤檢測(cè)與治療中得到廣泛應(yīng)用［3］。

傳統(tǒng)的手工病理切片染色須耗費(fèi)人力和物力，且存在周期長(zhǎng)、操作繁瑣等缺點(diǎn)，不適用于對(duì)大量樣本的染色［4-5］；同時(shí)，染色過(guò)程中的操作失誤和環(huán)境變化也會(huì)對(duì)染色結(jié)果產(chǎn)生影響。在機(jī)電一體化技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，自動(dòng)化病理染色系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。然而，目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化病理染色技術(shù)還不成熟，F(xiàn)ISH染色的全自動(dòng)化水平不高。如廈門通靈生物醫(yī)藥科技有限公司推出的Aliya自動(dòng)免疫組化染色儀，只能實(shí)現(xiàn)烤片、脫蠟等部分FISH染色功能。國(guó)外自動(dòng)染色系統(tǒng)的價(jià)格昂貴，而采用國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化染色機(jī)進(jìn)行FISH染色時(shí)可能出現(xiàn)多種問(wèn)題而導(dǎo)致臨床診斷出現(xiàn)失誤［6-10］，比如：在染色過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)試劑少滴、多滴或未滴的情況，導(dǎo)致染色效果不佳；在加下一試劑時(shí)，上一次滴加的試劑未完全去除而產(chǎn)生弱染色；染色劑滴加位置產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致染色不均勻。究其原因，是染色控制系統(tǒng)存在諸多缺陷。

因此，筆者面向FISH染色技術(shù)，以全自動(dòng)病理染色控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)當(dāng)前自動(dòng)化染色技術(shù)存在的缺陷與不足，利用Keil5開發(fā)系統(tǒng)、QT和Microsoft Visual Studio開發(fā)軟件，基于STM32和GUI（graphical user interface，圖形用戶界面）開展染色控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，解決自動(dòng)染色控制系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問(wèn)題，研發(fā)高效率、高魯棒性、高度集成化的染色控制系統(tǒng)，以提高病理染色的質(zhì)量和效率。

1 染色控制系統(tǒng)組成

染色控制系統(tǒng)包括指令控制系統(tǒng)、執(zhí)行控制系統(tǒng)和電源模塊三大部分，如圖1所示。指令控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，其根據(jù)用戶選擇生成控制指令。執(zhí)行控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制模塊、傳感反饋模塊、溫度控制模塊、繼電器模塊和故障報(bào)警模塊，各模塊分別與上位機(jī)或下位機(jī)直接連接。其中：運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、蠕動(dòng)泵、注射泵運(yùn)動(dòng)的控制；傳感反饋模塊采用下位機(jī)反饋與多種傳感器監(jiān)測(cè)相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)開機(jī)狀態(tài)、啟停狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、剩余時(shí)間、運(yùn)行步驟、空腔溫度及濕度、串口連接狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。上位機(jī)、下位機(jī)和執(zhí)行控制系統(tǒng)之間通過(guò)有線連接的方式進(jìn)行通信。

圖1 染色控制系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of staining control system

2 染色控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103ZET6

為了滿足染色控制系統(tǒng)響應(yīng)快速和功耗低的要求，選用意法半導(dǎo)體有限公司（ST Microelectronics）生產(chǎn)的STM32F103ZET6單片微型計(jì)算機(jī)作為下位機(jī)控制器。這種嵌入式單片機(jī)采用32位CM3作為內(nèi)核處理器［11］，其芯片采用最佳代碼密度，具有可預(yù)見的運(yùn)行時(shí)間和改進(jìn)的調(diào)試功能，能夠在低動(dòng)態(tài)功耗下實(shí)現(xiàn)高性能。該單片機(jī)的I/O（input/output，輸入/輸出）口多達(dá)112個(gè)，一共具有8個(gè)定時(shí)器［12-13］；另外，開發(fā)板不僅板載了一組3.3 V和一組5 V的電源輸出，還有一個(gè)適合DC 6～24 V輸入的外部電源輸入口來(lái)保證5 V電源的穩(wěn)定性。單片機(jī)提供USB（universal serial bus，通用串行總線）串口、電源接口和數(shù)字/模擬組合接口等10多種接口，能夠滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)的需求。

2.2 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究中，傳感系統(tǒng)主要包括氣泡傳感器、光電開關(guān)、光纖傳感器和氣體壓力傳感器等傳感器件。

氣泡傳感器用于檢測(cè)蠕動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。選用美國(guó)泰科電子有限公司的AD-101超聲波氣泡傳感器，其響應(yīng)時(shí)間為0.22 ms，工作溫度范圍為0～40℃，輸出3.3 V的TTL（transistor-transistor logic，晶體管-晶體管邏輯）電平信號(hào)。

光電開關(guān)用于電機(jī)初始位置校準(zhǔn)。選用日本Panasonic公司的PM-L25光學(xué)傳感器，其檢測(cè)間距為6 mm，重復(fù)精度可達(dá)0.1 mm，反應(yīng)時(shí)間小于80 μs，工作溫度范圍為-25～55℃。

光纖傳感器用于檢測(cè)移液槍頭是否提取成功。選用惠州博得公司的漫反射光纖傳感器，其反應(yīng)時(shí)間為400 μs，消耗電流在400 mA以下，工作溫度范圍為-10～55℃。

氣體壓力傳感器用于檢測(cè)蓋玻片是否提取成功。選用風(fēng)啟電子科技有限公司的XGZP6847A氣體壓力傳感器，其測(cè)壓范圍為-100～0 kPa，工作溫度范圍為-20～100℃。

2.3 主電路設(shè)計(jì)

采用平板電腦作為上位機(jī)，型號(hào)為Surface Go 2，其配置如下：CPU為Intel（R）Pentium（R）Gold Processor 4425Y@1.70 GHz；GPU 為 Intel（R）UHD Graphics 615；內(nèi)存容量為4 GB，存儲(chǔ)容量為128 GB；操作系統(tǒng)為Windows 10。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)、蠕動(dòng)泵、注射泵等部件的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了以STM32為核心的主電路。其包括電腦與STM32之間的串口通信電路、STM32與運(yùn)動(dòng)部件（M1至M6）之間的驅(qū)動(dòng)電路和電源與STM32電源控制器（power controller，PWR）之間的外圍電路。主電路連接如圖2所示。

圖2 染色控制系統(tǒng)主電路連接示意Fig.2 Main circuit connection schematic of staining control system

運(yùn)動(dòng)部件主要包括伺服電機(jī)（M1）、直線電機(jī)（M2）、蠕動(dòng)泵（M3）、微量注射泵（M4）、真空泵（M5）和氣泵（M6）。M1選用雷賽智能控制股份有限公司的42CME08伺服電機(jī)；M2選用寧波格特威電機(jī)有限公司的11HY3401-25D52型直線步進(jìn)電機(jī)；M3選用卡默爾流體科技（上海）有限公司的KCS-SA-A-B166蠕動(dòng)泵；M4選用美國(guó)TRICONTINENT公司的Air-Z Legacy微量注射泵；M5和M6分別選用德國(guó)THOMAS公司的1410隔膜真空泵和6015SE氣泵。主要運(yùn)動(dòng)部件的參數(shù)如表1所示。Driver1至Driver4為驅(qū)動(dòng)器，除與電機(jī)或泵配套的驅(qū)動(dòng)器外，其余驅(qū)動(dòng)器選用德軒電機(jī)有限公司的DM420驅(qū)動(dòng)器。

表1 染色控制系統(tǒng)主要運(yùn)動(dòng)部件的參數(shù)Table 1 Parameters of main moving parts of staining control system

多個(gè)伺服電機(jī)與直線電機(jī)的配合運(yùn)動(dòng)使機(jī)械部件達(dá)到預(yù)定位置。利用蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)染色過(guò)程中試劑滴加功能。對(duì)于體積精度要求較高的微量試劑，則利用高精度微量注射泵實(shí)現(xiàn)對(duì)試劑量的精確控制，以避免試劑量誤差對(duì)染色效果的影響。利用真空泵實(shí)現(xiàn)蓋玻片的吸取，避免在高溫下試劑揮發(fā)，充分保證試劑與樣本反應(yīng)，以保證染色效果。利用氣泵對(duì)殘留試劑進(jìn)行清除，以避免弱染色。

3 染色控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

以STM32F103ZET6為核心的下位機(jī)包括中央處理器（central processing unit，CPU）、通信模塊、中斷模塊、時(shí)鐘模塊和I/O模塊，如圖3所示。STM32的通信模式有串行和并行兩種，不同的串口有不同的I/O引腳配置，上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后被下位機(jī)接收；中斷模塊用來(lái)處理主程序以外的異常情況，初始化時(shí)須設(shè)置中斷的搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)，產(chǎn)生中斷時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行事件處理；時(shí)鐘模塊在一定的時(shí)鐘頻率下通過(guò)裝載計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)定時(shí)器功能，在初始化時(shí)須進(jìn)行時(shí)鐘使能和預(yù)分頻設(shè)置；I/O模塊通過(guò)端口使能和工作模式設(shè)置配置引腳功能，引腳除了作為普通I/O端口使用外，還具有復(fù)用和重映射功能。通信模塊與中斷模塊共同負(fù)責(zé)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信，時(shí)鐘模塊負(fù)責(zé)設(shè)置外設(shè)所需要的時(shí)鐘頻率，I/O模塊通過(guò)控制引腳信號(hào)或脈沖的輸入輸出來(lái)控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)。

圖3 下位機(jī)模塊構(gòu)成Fig.3 Module composition of lower computer

染色控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件主要有2種驅(qū)動(dòng)方式：脈沖驅(qū)動(dòng)和電源直接驅(qū)動(dòng)。脈沖驅(qū)動(dòng)方式是指在相應(yīng)的硬件連接下，單片機(jī)輸出有一定規(guī)律的脈沖就能使執(zhí)行部件工作的驅(qū)動(dòng)方式。系統(tǒng)中M1、M2、M3、M4的驅(qū)動(dòng)方式為脈沖驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向由方向控制信號(hào)的電平高低決定。電源直接驅(qū)動(dòng)方式是指將執(zhí)行部件連上電源就能使其工作的驅(qū)動(dòng)方式，其通過(guò)設(shè)置單片機(jī)電平引腳的高低電平控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行部件的啟?？刂?。系統(tǒng)中M5和M6由電源直接驅(qū)動(dòng)。在硬件連接的基礎(chǔ)上，通過(guò)單片機(jī)的脈沖引腳和電平引腳控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)。STM32 I/O模塊的引腳分配如表2所示。

表2 STM32 I/O模塊的引腳分配Table 2 Pin assignment of STM32 I/O module

在Keil5開發(fā)系統(tǒng)中，采用C語(yǔ)言編寫執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)控制程序，經(jīng)編譯后用FlyMcu軟件燒錄至STM32開發(fā)板。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先進(jìn)行初始化，包括使能時(shí)鐘、設(shè)置端口模式、配置串口中斷等；隨后，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位，并等候上位機(jī)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令；待控制系統(tǒng)收到上位機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令后，單片機(jī)控制執(zhí)行部件作出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成全自動(dòng)病理染色工作。下位機(jī)程序流程框圖如圖4所示。

圖4 下位機(jī)程序流程框圖Fig.4 Program flow chart of lower computer

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)包括GUI、顯示單元、人機(jī)交互單元、邏輯處理單元和通信單元，如圖5所示。GUI由文本框、分組框、菜單欄和工具欄等組成；顯示單元實(shí)現(xiàn)圖形、圖像、文本和文件的顯示；人機(jī)交互單元通過(guò)按鈕、編輯框、單選框和下拉框等控件實(shí)現(xiàn)人機(jī)直接交互；邏輯處理單元在讀取數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也能實(shí)現(xiàn)文件加載和API（application programming interface，應(yīng)用程序接口）調(diào)用；通信單元根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行串口配置，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GUI、顯示單元和人機(jī)交互單元共同實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，邏輯處理單元用以保存和處理用戶數(shù)據(jù)，通信單元完成上位機(jī)與下位機(jī)、溫度控制模塊之間的通信。

圖5 上位機(jī)模塊構(gòu)成Fig.5 Module composition of upper computer

完整的染色過(guò)程分為以下11個(gè)步驟：烤片、脫蠟、洗滌、通透、水處理、酶處理、乙醇處理、變性、雜交、洗滌和染色［14-16］。每一個(gè)步驟所需試劑及時(shí)間如表3所示。為了提高染色系統(tǒng)的工作效率，系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)多塊載玻片上的切片同時(shí)進(jìn)行處理。另外，考慮實(shí)際染色情況，某些切片可能只需要其中幾個(gè)步驟。

表3 面向FISH染色的全自動(dòng)病理染色系統(tǒng)的染色步驟Table 3 Staining steps of fully automatic pathological staining system for FISH staining

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。在MicrosoftVisual Studio軟件中添加QT庫(kù)，采用QT Designer Version 5.13.0設(shè)計(jì)GUI界面，在Microsoft Visual Studio 2017開發(fā)環(huán)境中采用C++語(yǔ)言進(jìn)行界面程序編寫。所開發(fā)的染色控制系統(tǒng)的GUI界面如圖6所示。該系統(tǒng)可以控制12塊切片的染色過(guò)程，配置了3種染色模式，每種模式對(duì)應(yīng)不同切片類型的染色流程。通過(guò)點(diǎn)擊主窗口上方代表載玻片位置的數(shù)字按鈕選擇每一塊載玻片上樣本的執(zhí)行模式，在復(fù)選框選擇試劑類型，利用中心表格和剩余時(shí)間顯示當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)度。染色過(guò)程中通透劑和蛋白酶的反應(yīng)時(shí)間、雜交和變性的溫度和時(shí)間可以進(jìn)行設(shè)置，其他步驟的溫度和時(shí)間是固定的。

圖6 染色控制系統(tǒng)GUI界面Fig.6 GUI interface of staining control system

用戶通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤設(shè)置染色系統(tǒng)的執(zhí)行步驟，界面控件狀態(tài)用底層數(shù)據(jù)記錄。控件主要包括按鈕（PushBotton）、分 組 框（GroupBox）、文 本 框（Label）、菜單欄（MenuBar）、編輯框（LineEdit）和復(fù)選框（ComboBox），在C++程序中定義狀態(tài)變量來(lái)記錄控件狀態(tài)。界面狀態(tài)變量及其事件、設(shè)定值如表4所示。

表4 界面狀態(tài)變量及其事件、設(shè)定值Table 4 Interface state variables and their events and set values

上位機(jī)通信單元通過(guò)USB數(shù)據(jù)線分別與STM32開發(fā)板和溫度控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并分別定義通信協(xié)議。上位機(jī)與開發(fā)板之間遵循USART（universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter，通用同步/異步串行接收/發(fā)送器）串口通信協(xié)議，由上位機(jī)傳輸給開發(fā)板的數(shù)據(jù)通過(guò)輸入移位寄存器后存至輸入數(shù)據(jù)緩沖器，再由MCU（micro control unit，微控制單元）內(nèi)核處理。上位機(jī)與溫度控制模塊之間采用Modbus通信協(xié)議，采用RS485接口標(biāo)準(zhǔn)，上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位、無(wú)校驗(yàn)位、2個(gè)停止位，數(shù)據(jù)傳輸速率為9 600 bit/s。GUI界面的相關(guān)設(shè)置數(shù)據(jù)通過(guò)T口USB數(shù)據(jù)線由電腦發(fā)送給STM32開發(fā)板從而控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)，界面將所需溫度傳輸給溫度控制模塊以控制試劑反應(yīng)溫度；在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前溫度也實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)。通信內(nèi)容及STM32數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖7所示。

圖7 通信內(nèi)容及STM32數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程Fig.7 Communication content and STM32 data transmission process

系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)通過(guò)多傳感器監(jiān)測(cè)，下位機(jī)獲取傳感器信號(hào)后將其傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)得到多源信息數(shù)據(jù)后利用并聯(lián)融合的功能結(jié)構(gòu)及決策層融合的方式進(jìn)行多傳感信息融合。融合流程如圖8所示。首先，系統(tǒng)通過(guò)處理每個(gè)傳感器的原始信號(hào)得出各監(jiān)測(cè)對(duì)象的特征和屬性，包括蠕動(dòng)泵狀態(tài)電機(jī)狀態(tài)、槍頭狀態(tài)和蓋玻片狀態(tài)等；然后，將所有的屬性判別結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析得到系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)；最后，根據(jù)融合結(jié)果對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行作出決策。該融合方式使得系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好［17-20］、抗干擾能力強(qiáng)，且具有很好的靈活性。

4 全自動(dòng)病理染色實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

根據(jù)FISH染色需求設(shè)計(jì)并開發(fā)了全自動(dòng)病理染色系統(tǒng)。其模型渲染圖及結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖9所示。系統(tǒng)長(zhǎng)為850 mm，寬為500 mm，高為540 mm，凈重60 kg；主要由X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)模塊、切片預(yù)處理模塊、微量試劑滴加模塊、密封模塊和加熱模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)可同時(shí)完成12個(gè)樣本的FISH染色，溫控范圍為室溫至110℃，溫控精度為±1℃，可以在2 min內(nèi)從37℃升溫至95℃。

圖9 全自動(dòng)病理染色系統(tǒng)模型渲染圖及結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.9 Model rendering diagram and physical structure diagram of fully automatic pathological staining system

利用所研發(fā)的全自動(dòng)病理染色系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在通透25 min、酶處理30 min、變性85℃-5 min和雜交42℃-2 h的條件下進(jìn)行單片組織樣本染色實(shí)驗(yàn)。人機(jī)交互時(shí)間為55 s，整個(gè)流程運(yùn)行時(shí)間為281 min，其中試劑反應(yīng)時(shí)間占比為92.17%，機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間占比為7.83%。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量可知，滴加試劑的位置精度達(dá)到0.05 mm，試劑體積精度達(dá)到0.6 μL，在蓋玻片作用下試劑對(duì)樣本的覆蓋率達(dá)到93%以上，氣泵處理后試劑殘留小于50 μL，設(shè)備故障響應(yīng)時(shí)間小于0.5 s。實(shí)驗(yàn)完成后將樣本置于熒光顯微鏡下觀察，得到的熒光圖像如圖10所示。由圖可知，熒光圖像的對(duì)比度高，信號(hào)點(diǎn)明顯，細(xì)胞邊界清晰，染色均勻，達(dá)到了病理判讀的要求。在不同溫濕度環(huán)境下對(duì)不同樣本進(jìn)行多次染色實(shí)驗(yàn)后可知，設(shè)備運(yùn)行故障率小于3%，滴加試劑類型的準(zhǔn)確率為100%，且染色效果良好，圖像可判讀率達(dá)到90%以上。

圖10 實(shí)驗(yàn)所得的熒光圖像Fig.10 Fluorescence images obtained from experiments

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研發(fā)的全自動(dòng)病理染色控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多樣本FISH染色的全自動(dòng)化過(guò)程控制。該控制系統(tǒng)采用有線傳輸方式實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)、下位機(jī)與執(zhí)行控制系統(tǒng)三者之間的有效通信，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。采用多傳感器融合的傳感反饋模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，有效提升了系統(tǒng)魯棒性和病理染色質(zhì)量。選擇STM32F103ZET6單片微型計(jì)算機(jī)作為下位機(jī)控制器，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)主電路及輔助電路，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)執(zhí)行部件在互不干擾狀態(tài)下的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。選用高精度伺服電機(jī)和微量注射泵用于試劑的提取與滴加，結(jié)合傳感反饋模塊保證了試劑量的準(zhǔn)確性，有效避免了弱染色和染色不均的情況，保證了染色效果?；赒T開發(fā)軟件和Microsoft Visual Studio開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了上位機(jī)人機(jī)交互GUI界面，采用C++狀態(tài)變量記錄用戶操作，通過(guò)優(yōu)化染色模式選擇方案節(jié)約了人機(jī)交互時(shí)間成本。利用該控制系統(tǒng)能夠一次性實(shí)現(xiàn)12個(gè)樣本的FISH染色全自動(dòng)化，且可以同時(shí)處理不同類型的樣本，極大地提升了染色效率，同時(shí)避免了手工染色中的環(huán)境干擾因素，進(jìn)一步提升了染色質(zhì)量。

將所研發(fā)的全自動(dòng)病理染色系統(tǒng)與市場(chǎng)上已有的FISH自動(dòng)染色系統(tǒng)進(jìn)行比較，相關(guān)參數(shù)對(duì)比如表5所示?？梢钥闯?，相較于已有的染色系統(tǒng)，本系統(tǒng)在整機(jī)尺寸、質(zhì)量、溫度范圍、升溫速度、溫控精度和自動(dòng)化程度等方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

表5 所研發(fā)的全自動(dòng)病理染色系統(tǒng)與已有自動(dòng)化染色系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比Table 5 Parameter comparison between the fully automatic pathological staining system developed and the existing automated staining system

5 結(jié)語(yǔ)

面向FISH染色技術(shù)，利用Keil5和Microsoft Visual Studio 2017開發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言開發(fā)了基于STM32和GUI的全自動(dòng)病理染色控制系統(tǒng)，取得了以下良好效果：

1）所研發(fā)的病理染色控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多樣本FISH染色過(guò)程的全自動(dòng)化控制，且控制系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高精度和良好的魯棒性。

2）采用傳感反饋模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)染色過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合伺服電機(jī)和高精度注射泵能夠在防止環(huán)境干擾的前提下保證試劑量的精準(zhǔn)度，有效避免了染色不均和弱染色現(xiàn)象，提升了病理染色質(zhì)量。

3）所設(shè)計(jì)的GUI人機(jī)交互界面能夠在實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置的前提下節(jié)約人機(jī)交互成本，方便用戶操作，體現(xiàn)了人機(jī)工程相關(guān)理念。