離心判讀儀的研制

何流，李臻，朱家誠，吳焱明，張艷，徐寅生，唐濤.合肥天一生物技術研究所，安徽 合肥3003；.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 30009

離心判讀儀的研制

何流1，李臻2，朱家誠2，吳焱明2，張艷1，徐寅生1，唐濤1
1.合肥天一生物技術研究所，安徽 合肥230032；2.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009

微柱凝膠免疫檢測技術目前已逐漸成為血液相容性檢查的常規技術。當前微柱凝膠試驗主要依靠單獨的孵育器和離心機來進行，其試驗結果多通過肉眼來判讀，這不僅需要耗費大量人力，且檢測標準化程度也較低。本文闡述了一種基于可編程邏輯控制器技術的離心判讀儀的研制和應用過程。該判讀儀主要由卡盒系統、抓取系統、照相系統和離心系統組成，集微柱凝膠卡孵育、裝夾、離心和離心結果判讀等功能于一體，可在減少人力資源浪費的同時大大提高判讀準確性。

離心判讀儀；免疫檢測技術；微柱凝膠卡；可編程邏輯控制器

0 前言

1990年，Lapierre等[1]發表了微柱凝膠免疫技術，這是人類紅細胞血型發展史上的里程碑。如今，微柱凝膠試驗在臨床輸血檢驗中已經逐漸取代傳統的血型血清檢測方法[2]。

現階段，國內微柱凝膠試驗多由操作員手工完成，其結果也多由人工判讀。該過程自動化程度極低，需耗費大量人力；且過分依賴操作員的判讀經驗，不利于結果的標準化[3]。

為改變以上不足，本研究研制了一種能夠完成微柱凝膠卡孵育、有效性識別、裝夾、離心和離心結果判讀等一系列工作的全自動離心判讀儀，既可以彌補人工判讀標準化低的缺陷，還可以減少人力資源的浪費[4-5]。

1 設計原理

目前，微柱凝膠試驗主要依靠單獨的離心機和孵育器進行。操作員將加有標本的微柱凝膠卡手工放入孵育器，于37℃孵育15 min后再手工放入離心機進行離心，離心完畢后將卡片取出，通過肉眼觀察、判讀并記錄結果。

針對如今微柱凝膠試驗過分依靠人力的現狀，現階段急需一種能夠集微柱凝膠卡孵育、有效性識別、裝夾、離心和離心結果判讀等功能于一體的儀器。

根據以上要求設計的全自動離心判讀儀的工作流程圖，見圖1。為滿足此工作流程，離心判讀儀應包括卡盒系統、抓取系統、照相系統和離心系統，其整體結構設計框圖，見圖2。其中，卡盒系統負責將微柱凝膠卡運送到卡爪可抓取的位置；抓取系統負責將微柱凝膠卡抓取到離心盤中；離心系統負責按照要求對微柱凝膠卡進行定時定速離心；照相系統負責對微柱凝膠卡進行照相并將圖像傳送給相應計算機軟件進行判讀。

圖1 離心判讀儀工作流程圖

圖2 離心判讀儀整體結構設計框圖

2 結構設計

2.1 卡盒系統

卡盒系統的主要功能是在完成規定時間的孵育工作后將裝有微柱凝膠卡的卡盒運送到適合抓手抓取的指定位置。為完成此功能，整個系統由一個透明的孵育罩罩住，底板下面有一個功率300 W的加熱絲，由風扇將熱風吹向卡盒系統，卡盒內有溫度傳感器，待溫度達到規定范圍后便停止加熱，溫度降低到一定程度后再重新加熱。卡盒系統運動部分選取步進電機（42BYG250A）作為動力源，通過齒輪齒條機構與卡和底盤相連，使之沿直線導軌往復運動。通過控制步進電機的脈沖，便可使卡盒運動到指定位置，從而完成相應功能。

卡盒系統的設計精巧、簡便，將對微柱凝膠卡的孵育和運送工作集于一體，大大減少了對整機空間的占用，能穩定可靠地完成微柱凝膠卡離心前的準備工作。

2.2 抓取系統

抓取系統的主要功能是抓取卡盒中的微柱凝膠卡，將其提升一定高度后橫移到照相系統正前方的位置進行拍照；而后再將卡放入離心盤卡槽中，待離心工作完成后再將卡片取出，橫移至之前位置進行照相并放回卡盒中。

抓取系統結構設計框圖，見圖3。橫移電機通過齒輪齒條結構與機架相連，通過電機可以使橫移機構沿導軌做直線運動；待橫移機構運動到指定位置時，升降電機啟動，將與之相連的抓手送至相應位置以抓取微柱凝膠卡；抓手中有一個電磁鐵，通過通電吸合與斷電回落可完成抓手的開閉工作。根據實際要求，橫移電機負載較高，因此選取了步進電機（42BYG250A）來實現；而升降電機只需提升抓手，故所需功率較小但對精度要求較高，因此選取直線步進電機（43L4Z-05-A01）來實現。

圖3 抓取系統結構設計框圖

抓取系統作為連接卡盒系統和離心系統的重要組成部件，起著承上啟下的作用。其采用笛卡爾坐標式機械手相關原理進行設計，抓取可靠、便于控制，大大提高了工作效率，可以完全代替人工來完成對微柱凝膠卡的取放工作，極大地降低了人力資源浪費。

2.3 離心系統

離心系統的主要功能是使離心盤卡槽旋轉至特定位置，方便裝夾微柱凝膠卡并完成定時定速的離心工作[6]。為完成此功能，選取伺服電機為動力源，經連接軸與離心盤相連。通過控制伺服電機轉動的角度和速度便可完成相應的離心工作。離心盤由12個可上下浮動的卡槽組成，可保證高速離心過程中微柱凝膠卡不被甩出。

根據測量，離心盤重量m=300 g，直徑d=17 cm，那么所需的轉動慣量為1.08×10-3kg·m2，因此選取伺服電機（MHMD022G1）驅動，并將其置于位置模式。通過伺服電機既能控制離心盤旋轉的角度，又能控制其離心速度。

3 控制系統設計

離心判讀儀控制系統硬件主要由工控機、歐姆龍可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及相關配套電器元件構成[7]。根據所需完成工作的要求，離心判讀儀最終采用伺服電機、步進電機、直線電機及電磁鐵等元件相互協調工作的方式來實現微柱凝膠卡孵育、有效性識別、裝夾、離心、離心結果判讀及放回等過程的自動化。

控制系統中的上位機主要負責人機交互界面、拍照的實現以及對圖像進行判讀處理；下位機則負責對整個離心判讀儀的工作流程進行控制[8]。PLC的輸入點包括：啟動、停止、急停和各個位置的傳感器信號輸入等共計13個輸入信號。輸出點主要包括：電源開關、電機的脈沖和方向、電磁鐵的吸合和斷開等共計10個輸出信號。從通道數、I/O點數、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮，選用歐姆龍CP1H系列PLC。

上位機程序是在Windows系統的.NET平臺上，使用C#語言進行編寫的，主要用于開發用戶界面，實現與PLC的通訊以及圖像識別等。上位機程序使用C#的ADO.NET技術對數據庫中的數據進行存儲、讀取、修改、刪除等操作。

PLC程序使用梯形圖進行編寫，用于對判讀儀的步進電機、伺服電機、直線電機和電磁鐵等進行控制，完成從微柱凝膠卡裝夾、離心到離心結果判讀等過程的邏輯控制。PLC程序通過調用相關系統功能模塊與控制單元進行通訊的方式，向控制單元發送和接受信號，實現對電機的控制，同時可讀取相關電機的狀態。

控制系統邏輯嚴密，配合得當，可以穩定可靠地完成一系列工作。

4 結果判讀過程

離心判讀儀涉及的微柱凝膠試驗主要通過調節試劑中葡萄糖凝膠的濃度來控制分子篩孔徑大小，使分子篩只允許游離分子通過，從而達到分離凝集紅細胞和游離紅細胞的目的。根據紅細胞在凝膠中的停留位置不同，判定血清實驗的陰陽性及強弱[9]。

要完成結果判讀，離心判讀儀需用到圖像識別技術，包括圖像截取、灰度處理、縱向投影、濾波處理和圖像曲線判讀等[10]。

圖像截取是在拍攝的原照片基礎上將6個反應孔部分截取出來，將6個反應孔的照片分別送入判讀程序進行判讀[11]；灰度處理是將反應孔中試劑圖像各像素的R、G、B 3個分量的亮度值按照加權平均的方法計算出其灰度值，將彩色圖像轉為灰度圖像[12]；縱向投影是將反應孔圖像按灰度值投影轉換為相應的波形圖；濾波處理則是將圖像中的噪聲去除[13-14]；圖像曲線判讀是將反應孔的圖像曲線與大數據庫中最接近的圖像曲線進行對比，選出最接近的圖片，從而得出判讀結果。

如果最后無法得到判讀結果，系統便會彈出人工判讀窗口，可通過判讀員對結果進行人工判讀，并將判讀結果錄入數據庫，用于之后的判讀。

實際結果表明，離心判讀儀能夠準確地對離心結果進行快速判讀，達到了預期設計目的。

5 結論

離心判讀儀利用PLC技術實現了對凝柱微膠卡孵育、有效性識別、裝夾、離心和離心結果判讀等一系列工作的自動化，降低了人力資源浪費，提高了判讀的速度和準確性，使結果判讀變得標準化。該儀器在一定程度上改變了微柱凝膠試驗的過程，對其進行推廣能夠提高我國醫療機構的輸血檢測水平，進而促進我國臨床輸血的安全性和標準化，提高廣大人民的健康水平。

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期刊文章摘要

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Development of the Centrifugal Analyzer

HE Liu1, LI Zhen2, ZHU Jia-cheng2, WU Yan-ming2, ZHANG Yan1, XU Yin-sheng1, TANG Tao1
1.Hefei Tianyi Institute of Biological Technology, Hefei Anhui 230032, China; 2.School of Mechanical and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China

Nowadays, MGIA (Micro-Column Gel Immune-Assay) has gradually become the conventional technology for the blood consistency testing. The micro-column gel testing mainly depends on breeders and centrifuges separately, the results of which not only need to be read with the naked eye, but require a lot of manpower. Moreover, its standardization degree was in a comparatively low level. In this paper, the development and application of a PLC-based (Programmable-Logic-Controller-Based) centrifugal analyzer is introduced, which mainly consists of the cartridge system, grasping system, photographic system and centrifugal system. With integration of multiple functions including the micro-column gel card clamping, incubation, centrifuging and centrifugalization result determining and reading, the centrifugal analyzer reduces the waste of human resources and greatly improve the accuracy of the result reading.

centrifugal analyzers; immunity testing techniques; micro-column gel cards; programmable logic controller

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.009

1674-1633(2015)04-0032-03

2014-12-26

2015-01-30

作者郵箱：stoney23@foxmail．com