醫療真空采血管分揀系統研究

王學東 董茂

(邢臺職業技術學院教務處1,山東 邢臺 054035;特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室(浙江工業大學)2,浙江 杭州 310014)

醫療真空采血管分揀系統研究

王學東1董茂2

(邢臺職業技術學院教務處1,山東 邢臺 054035;特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室(浙江工業大學)2,浙江 杭州 310014)

針對目前國內許多市級三甲醫院存在每天門診數量龐大,使用采血管化驗項目眾多,采用人工分揀勞動強度大、分揀效率低等問題,提出了一款面向醫療真空采血管自動分揀系統。介紹了醫療采血管自動分揀方法設計思路,系統采用DSPIC30f5013芯片作為主控制器,設計了基于2.4 GHz無線通信技術的控制系統硬件結構,通過自動條碼掃描模塊獲取采血管化驗項目等相關信息。系統軟件設計采用分布式軟件設計方法,包括下位機現場控制軟件與上位機分揀監控軟件。結果表明,該系統可大大提高分揀速率,降低人工分揀強度。

采血管 條形碼掃描 無線通信技術 自動分揀

0 引言

據2010年某醫學權威雜志不完全統計,2008年國內真空采血管的需求量為8億支左右,到2013年將達到19億支左右。國內在許多市級三甲醫院中,每天門診病人數量龐大,平均每1 000個患者中,可能需要使用800支采血管進行不同的化驗項目[1]。然而,常見的醫療采血化驗項目多達數十種,且每個患者也可能需要多支采血管。一般這些采血管需按批次、按化驗項目進行分類后,才能送到不同的檢驗項目科室進行檢測[2]。目前,國內如上海科華生物工程股份有限公司、廣州陽普醫療、北京積水創格醫療等知名真空采血管企業的真空采血管質量檢測與分揀也是采用人工燈檢。這種檢測方法的結果是主觀性強、效率低、漏檢率較高,檢測工人勞動強度大,穩定性差[3]。僅有極少數的醫院或醫療檢測中心引進國外先進設備,采用機械化的分揀操作流程。在采血管分揀運輸過程中,通常是利用試管架對試管標本進行運輸,通過機械手夾持對試管標本進行條碼掃描[4]。這種試管標本分揀方式雖然分揀效率高,但設備較昂貴,并不符合國內醫療市場的需求。為了解決目前的分揀儀器設備價格昂貴而人工分揀勞動強度高、分揀效率低的問題,本文提出了一種成本低廉、方便可靠的采血管標本分揀系統。

1 系統整體方案設計

根據采血管標本分揀的需要,建立的系統總體結構框圖如圖1所示。系統主要由信號采集、數據通信和執行機構3部分構成。

其中,分揀儀信號采集部分主要由微動開關、采血管條形碼掃描引擎和光電開關等傳感節點構成。數據通信部分由2.4 GHz無線通信模塊、工控機和主控制器等通信節點組成。執行機構部分由步進電機和氣缸構成。條形碼掃描引擎負責掃描待檢采血管項目等信息。微動開關置于采血管運輸盒底部,用于確定采血管標本的位置信息,并通過2.4 GHz無線技術與下位機主控制器進行數據通信。射型光電開關主要完成步進電機的驅動控制信號,控制步進電機驅動分揀設備運轉,配合氣缸完成采血管的分揀動作。工控機上位機監控軟件負責實時監測標本分揀項目的各項指標。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Structure of the system

2 系統運行原理簡述

本采血管自動分揀系統采用循環式的間歇性運動。該循環分揀系統通過一個循環的鏈板線實現循環運動,兩頭轉彎處各附有一個180°尼龍轉彎導軌引導轉彎。循環鏈板線通過步進電機驅動同步帶帶動傳動軸轉動,從而驅動鏈板線運轉。采血管運輸盒在循環鏈板線上等間距分布,循環鏈板線每次運行兩個相鄰運輸盒之間的距離,即每過一個運輸盒停一次,其周期約為2 s。條形碼掃描引擎成功掃描的采血管標本置于采血管運輸盒后,由微動開關感應標本位置信息。當對射光電開關感應到某個運輸盒經過時,立即發出指令,控制步進電機啟停一次,然后通過氣缸推動相應運輸盒翻轉,從而實現分揀動作。同時通過上位機監控軟件實時回饋給操作工人,樣本分揀類型、數量、出口位置、誤揀率等信息顯示在工控機液晶顯示屏上,實現人機交互功能。

3 控制器硬件電路設計

3.1 主控制板電路設計

3.1.1 步進電機驅動模塊

系統的循環鏈板由步進電機通過同步帶驅動鏈輪轉動。步進電機采用北京和利時公司生產的110BYG系列三相混合式步進電機,配合SH-32206步進電機驅動器使用,具有可選十六細分運行模式,最高可達3 000步/轉,可完全滿足醫療分揀系統的運行精度要求。由于驅動器端口內置光耦,其驅動信號通過接收有效脈沖脈沖沿指令,為確保脈沖信號的可靠響應,有效信號占空比應小于50%,且脈沖有效電平的持續時間不應少于50 μs[5]。步進電機驅動器的接線圖如圖2所示。

圖2 步進電機驅動器接線圖Fig.2 The wirings of stepper motor driver

3.1.2 氣缸驅動模塊

根據采血管分揀系統運行原理需求,系統采血管的分揀動作主要通過控制氣缸的伸縮完成,而氣缸的伸縮動作由電磁閥控制實現。由于氣缸只需要完成伸、縮兩個動作,通過采用小型雙作用氣缸,配合二位五通電磁閥使用即可簡單實現。系統采用標準工作電壓為DC 24 V的電磁閥,其最高工作頻率可達5次/s。由于24 V電磁閥的工作電流較大,為簡化驅動電路,控制信號通過一個三級管放大功率,由一個SSR固態繼電器進行控制。電磁閥的驅動電路如圖3所示。

圖3 電磁閥驅動電路Fig.3 Driving circuit of electromagnetic valve

3.1.3 條形碼掃描模塊

條形碼掃描模塊主要包括采血管條形碼掃描和運輸盒的條形碼掃描兩部分。其中,采血管條形碼負責采集待揀樣本的檢測項目等信息;運輸盒條形碼掃描負責確定待揀樣本在循環鏈板線上的位置信息。系統采用漫反射的光電開關與條碼掃描引擎配合使用,當被掃描對象接近掃描引擎時,光電開關觸發CPU發送掃描觸發命令至掃碼引擎,完成一次掃描,反之掃描引擎不工作[7]。另外,由于標準串口使用的是RS-232電平,而CPU主控單元使用的是TTL電平,兩者之間需要進行電平轉換,因此,掃描器工作電路需要增加MAX232芯片來實現,增加有效的通信距離。掃描引擎的具體工作情況示意圖如圖4所示。

圖4 條形碼掃描模塊工作原理圖Fig.4 Operating principle of the bar code scanning module

3.1.4 數據通信模塊

控制器數據通信模塊主要負責主控芯片與工控機之間的數據交互。通過數據通信模塊,控制器可接收來自工控機的分揀控制等信號,同時工控機可對控制器發送的樣本分揀項目與位置信息做相應的處理。控制器采用Microchip公司生產的DSPIC30f5013做為主控芯片。該芯片支持2個帶FIFO緩沖區的可尋址UART模塊,同時兼容2個CAN2.0B標準的CAN總線模塊[8]。由于條形碼掃描模塊已占用兩個標準串口與控制器相連,故數據通信模塊選用CAN總線,通過MCP2551高速CAN收發器通信。CAN數據通信工作電路原理圖如圖5所示。

圖5 CAN數據通信電路原理圖Fig.5 Principle of CAN data communication circuit

3.2 小控制板電路設計

控制器小電路板安裝于采血管運輸盒內部。當成功掃描后的采血管樣本置于運輸盒中時,由微動開關采集感應信號,通過2.4 GHz無線通信模式將采血管位置信息發送至控制器主電路板。無線通信模式采用NRF24L01高速嵌入式無線數傳模塊,只需要單片機預留5個GPIO、1個中斷輸入引腳,就可以很容易實現無線通信功能,非常適合用來為MCU系統構建無線通信功能。

由于DSP主控芯片的I/O口輸出電壓為5 V,為防止輸出電流過大燒毀模塊,需要串聯電阻分壓[9]。 2.4 GHz無線通信模塊的電路原理圖如圖6所示, NRF24L01的基本電氣特性如表1所示。

圖6 2.4 GHz無線通信模塊的電路原理圖Fig.6 Circuit principle of 2.4 GHz wireless communication module

表1 NRF24L01的基本電氣特性Tab.1 The basic electrical characteristics of NRF24L01

4 控制器軟件設計

控制器軟件系統主要包括下位機軟件和上位機監控軟件2層,CAN總線通信作為上下2層軟件通信的紐帶。

4.1 下位機軟件設計

4.1.1 下位機軟件框架

下位機軟件主程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 軟件主程序設計流程圖Fig.7 The flowchart of software main program design

醫療采血管分揀系統的下位機軟件設計主要由主程序、中斷服務程序和各子程序組成。軟件全部采用程序模塊化設計。各子程序主要包括:①初始化子程序——串口初始化、定時器初始化及各子程序初始化等;②中斷子程序——定時器中斷、串口中斷子程序;③步進電機驅動、氣缸控制、樣本定位子程序等。

4.1.2 樣本數據對接策略

要實現采血管的正確分揀,必須首先處理好待檢樣本的數據對接問題,準確判斷樣本的位置信息和項目。現將樣本數據對接策略舉例如下。

設有A、B、C三個不同項目類型采血管,假設分別對應①、②、③號樣本收集盒。當A項采血管由人工掃描后置于某一運輸盒上,則該運輸盒上的微動開關將被觸壓一次,假設該運輸盒的編號為1,即可確定A項采血管置于了該運輸盒上。通過2.4 GHz無線通信模塊發射信號,下位機軟件即可將A項采血管與1號運輸盒進行綁定。若事先定義的A項采血管樣本需分類到②號樣本收集盒上,當1號運輸盒運轉到②號樣本收集盒位置時,控制器便驅動對應氣缸推動1號運輸盒翻轉,實現樣本分揀,同時解綁運輸盒,等待進入下一次循環分揀。

4.2 上位機軟件設計

上位機分揀控制軟件不僅可以顯示分揀信息,還可同時接收醫院分揀中心發布的信息,提供實時信息服務,提升樣本分揀工作的操作效率。上位機軟件將一天內所采集的數據信息匯聚至監控中心的服務器,監控中心人員即可通過計算機實時監測與信息化系統軟件平臺,對相關參數進行統計、分析,并隨時查詢和調用[10]。

5 結束語

該醫療采血管分揀系統基于2.4 GHz無線網絡,在控制系統引導下,驅動分揀機構實現樣本分揀功能,特別是用于自動醫療真空采血管分揀流水線中,做為采血管正式檢測化驗環節前的半自動分揀工序,完成采血管不同化驗項目的分揀與歸類。試驗結果表明,該醫療采血管分揀系統的實際分揀速度為1 500～2 500個/h,可大大提高分揀效率,降低檢測工人的勞動強度,且可靠性更高。研究中發現,為進一步提高系統分揀速率,需在分揀環節前增加一個自動裝載工序,對排序后的待檢樣本進行分揀,真正實現分揀過程的自動化。

[1] 蔣斌.真空采血管在臨床上的應用及探討[J].中國醫藥導報, 2010,7(28):148-149.

[2] 鐘德優,黃麗芳,石作水.真空采血管標識及標簽應用現狀分析[J].國際檢驗醫學雜志ISTIC,2012,33(19).

[3] 譚陽花.真空采血管在體檢中應用及操作技術[J].醫學信息:中旬刊,2010,5(10):3009-3010.

[4] 季廣厚.一種試管標本分揀方法及分揀設備[P].中國專利: CN102151661A,2013-04-03.

[5] 森創.三相混合式步進電機驅動器[EB/OL].[2012-08-10] [2014-01-25].http://www.syn-tron.com.

[6] 鄭萍,李廣榮,鄭云,等.一種新型高速電磁閥驅動電路[J].電子產品世界,2006(2):85-88.

[7] 王志恒,張艷杰,荀一,等.基于Wi-Fi無線通信技術的成套商用冰箱控制系統[J].輕工機械,2013,31(4):43-47.

[8] Microchip Technology Inc.dsPIC30F5011/5013 datasheet[Z]. Chandler:Microchip Technology Inc,2007.

[9] 劉志平,趙國良.基于nRF24L01的近距離無線數據傳輸[J].應用科技,2008,35(3):56-58.

[10] 陳超.遠程醫療監控系統服務器平臺的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2012.

Research on the Sorting System for Medical Vacutainers

At present,most of the domestic 3-A class municipal hospitals are facing huge amount of outpatients every day,and numerous laboratory tests are using blood collection tubes.To solve the problems of manually sorting of blood collection tubes,such as labor intensity and low sorting efficiency,the sorting system for medical vacutainers is proposed.The design ideas of automatic sorting method for medical blood collection tubes is introduced,the system uses DSPIC30F5013 chip as the main controller;the control system hardware structure based on 2.4 GHz wireless communication technology is designed,and the automatic bar code scanning module works for acquiring information of laboratory test items of the blood collection tubes.The design of system software adopts distributed software design method,including slave computer field control software and host computer sorting monitoring software.The results show that the system greatly improves the sorting rate, and reduces the labor intensity of manual sorting.

Blood collection tube Bar code scanning Wireless communication technology Automatic sorting

TH772

A

修改稿收到日期:2014-05-08。

王學東(1976-),男,2006年畢業于中國農業大學農業機械化工程專業,獲碩士學位,副教授;主要從事數控技術的研究。