自動血涂片制備機的研制與實驗

岑啟鋒，孫明磊，畢樹生

北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100083

引言

血涂片的顯微鏡檢查是血細胞形態學檢查的基本方法，在臨床檢驗中占有重要的地位[1]。制作良好的血涂片是血細胞形態學檢查的前提，傳統的人工制作血涂片受操作人員的水平高低以及環境的影響，會出現細胞分布不均勻，細胞重疊，細胞破裂，染色不均勻，深淺不一等現象而且難以標準化[2-3]。自動化血涂片制備機可以代替人工方式，不僅可以大大提高血涂片的制作效率，而且可以消除人為因素和環境因素的干擾[4]，提高血涂片的質量穩定性，保證了血涂片質量，更重要的是促進血涂片鏡檢的標準化[5]。國內臨床檢驗大多使用進口的推染片機，如貝克曼庫爾特、西森美康、西門子和ABX等公司開發出多種全自動推染片系統[6]，這些設備往往價格昂貴，結構復雜，維修成本高，不適合在制片量少的臨床檢驗機構推廣使用。

針對上述現狀，本文設計了結構簡單、成本低和使用便利的自動化血涂片制備機，包括機械系統和控制系統，基于實驗樣機進行了推片和染片實驗。實驗結果表明所設計的血涂片制備機能夠完成自動推片和染片功能，相比于人工制片方式優勢明顯，通過實驗研究了制片參數對制片質量的影響關系。

1 血涂片制備機工作原理

1.1 自動推片工作原理

模擬人工制作血涂片的方法，設計了推片機構，其三維圖，見圖1。推片機工作原理：通過步進電機和絕對值編碼器構成的位置閉環，控制玻片載臺處于與水平位置，手動用毛細吸管取一滴血（大約6 μL）滴在設計的滴血標志處，啟動推片后，載臺向下傾斜，接著直流電機帶動推片運動到血液前方,調整載臺水平使玻片接觸推片，推片向后運動接觸血液，保持接觸一定時間，使血液沿推片邊沿展開，然后向前運動到指定位置，從而制作標準血涂片，載臺下傾接受風機對其進行風干，推片返回初始位置，最后載臺向上旋轉豎直位置，取出血涂片。影響推片質量的因素主要有推片速度、推片角度和血液的理化參數[7-9]。本推片機通過手動調節推片夾板來調節推片角度，通過控制直流電機來控制推片運動的速度以及長度。

圖1 推片機設計三維圖

1.2 自動染片工作原理

基于對人工血涂片染色流程的分析設計了自動染片機，其三維圖，見圖2。染片機的工作原理：將推片機推好的血涂片插入玻片插槽中，啟動染液流程，染液槽中被注入染液，步進電機通過絲杠帶動玻片插槽在染缸中上下往復運動，通過對抽液泵的程序控制實現染液、緩沖液和清洗液按工藝流程設計進出染液槽，利用風干機對染色后的血涂片進行風干。影響染色效果的因素主要有：血涂片在染槽中上下運動的速度，染色時間，染液溫度等[10-11]。本染片機通過步進電機的轉速控制實現血涂片上下運動速度調節，通過對抽液泵的時間控制來實現染色時間的調整。

圖2 染片機設計三維圖

2 系統設計

2.1 控制系統總體設計

根據血涂片制備機的控制功能需求，設計了其控制系統，主要包括基于PC端的上位機設計和下位機設計，控制系統整體框圖，見圖3。上位機采用微軟的MFC設計監控界面，下位機采用基于STM32處理器的控制驅動一體硬件設計和基于實時操作系統uC/OS-III的軟件設計，完成對制備機電機的控制以及傳感器信號采集處理，上位機與下位機之間采用基于Modbus通訊協議的串口通訊。

圖3 血涂片制備機控制系統總體框圖

2.2 控制系統硬件設計

主控部分采用意法半導體的基于Cortex-M3系列32位增強型ARM 芯片STM32F103作為控制芯片，根據硬件控制功能需求設計外圍電路，包括電源電路、時鐘電路、復位電路、通訊接口電路、傳感器接口電路以及信號隔離電路等，驅動部分采用步進電機驅動芯片TMC260和直流電機驅動芯片L298N，完成芯片外圍電路搭建，整體硬件系統功能框圖，見圖4。主控部分主要完成以下功能：① 采用Modbus通訊協議與上位機通過RS232接口實現串口通訊，接受上位機的控制指令以及反饋下位機采集的傳感器及其它數據信息；② 與專用步進電機驅動芯片TMC260采用SPI通訊，配置驅動參數，通過DIR/STEP方式實現對制備機步進電機的控制；③ 通過直流電機驅動芯片L298N完成對推片直流電機、抽液泵以及風干機的控制；④ 采集處理接近開關、絕對值編碼器、液位傳感器、溫度傳感器的信息。

圖4 硬件系統功能框圖

2.3 控制系統軟件設計

2.3.1 血涂片制備機的電機控制

血涂片制備機的染片部分和玻片載臺水平調節部分采用步進電機驅動，推片部分采用直流電機控制。

（1）玻片載臺的水平是制作高質量血涂片的前提，調整載臺的步進電機需要精確位置控制。步進電機的控制采用細分技術，本系統采用的TMC260可以最多實現256細分，通過內部的映射表，控制輸出電流，細分后的步距精度為1.8°/256=0.00703°，采用絕對值編碼器R25作為檢測元件，通過SPI通訊，每次讀出10個bit位的角度值，其測量精度為360°/1024=0.3516°，滿足系統水平誤差在±1°的要求，步進電機采用位置閉環控制，其控制系統結構，見圖5。

圖5 步進電機閉環系統結構圖

（2）血涂片上血膜在染缸中上下運動時與染液經歷分離和接觸的過程，在血膜進入染液和離開染液，需要速度緩慢變化，在運動換向時要避免玻片抖動，需要設計好染片機步進電機的速度曲線。S形曲線是目前比較好的運動控制算法，它是由被控對象運動速度曲線呈S形而來的，包含七段三次樣條函數[12]，具有良好的加減速性能，加速度不產生突變，速度快速而平穩，本染片機步進電機的控制采用七段對稱S曲線設計，見圖6。根據設定最大速度v1，最大加速度a1，加速時間t1以及運動距離s，確定速度曲線，然后離散生成步進電機控制數據實現染片速度控制。

圖6 七段對稱S型曲線

（3）推片功能是通過直流電機的控制來實現，電機的速度和位置控制性能直接影響推片機推片效果。為避免積分飽和，直流電機的控制采用積分分離的增量式數字PID控制策略，實現位置環，速度環和電流環的控制，其閉環控制系統結構，見圖7。

圖7 直流電機控制系統框圖

推片完成后，載臺向下傾斜10°，推片與玻片分離，接著推片在電機作用下，返回到初始位置，返回過程只要求精準快速。

2.3.2 實時多任務系統設計

uC/OS-III是一個可裁剪、可固化、可剝奪型的多任務內核，內核最小可以裁剪到4 KB，消耗程序存儲器資源很少，具有高效的執行效率，任務的切換達到實時性[13]。根據下位機功能需求，完成基于uC/OS-III實時操作系統的多任系統設計，任務設計，見表1。使用的系統資源有任務信號量，信號量，任務消息，事件標志組，消息隊列，延時。

表1 下位機任務設計表

根據任務設計，編寫下位機的工作流程圖，見圖8。

圖8 下位機任務流程圖

2.3.3 VC++上位機設計

Visual C++是現今最復雜，但也是功能最為強大的一種Windows 應用程序開發工具[14]，采用微軟的MFC基礎類庫設計了血涂片制備機的人機交互界面系統，見圖9，實現以下功能：① 通過串口實現與下位機的通訊，發送控制命令；② 接收下位機發送過的狀態信息并顯示出來。

圖9 上位機操作界面

（1）串口通訊設計：上位機與下位機采用基于Modbus通訊協議的RS232接口通訊，上位機串口采用Windows API編寫多線程程序。Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信[15]。它已經成為一種通用工業標準，有ASCII和RTU兩種通訊模式，RTU模式要求數據連續傳輸，且字節傳輸效率高，更適用于測控系統中數據的實時傳輸，而且RTU模式在單片機上易實現，本系統通訊采用RTU模式。

（2）界面操作與顯示：操作界面主要包括串口參數設置，玻片載臺調平控制，推片控制，染片控制，推片速度位移曲線顯示以及狀態顯示。

3 實驗結果展示

推染片實驗平臺采用最終設計制造的樣機（圖10），血液樣本來自于醫院臨床檢驗的剩余血液，染色方法采用瑞氏姬姆薩染液+PBS緩沖液，采圖設備使用血細胞形態分析儀。

圖10 試驗樣機

（1）推片機推片與手工推片對比實驗：采用同一樣本，取等量的血液，進行推片機和手工推片，推片效果，見圖11。實驗表明，推片機制作的血涂片相比人工制作的血涂片，血膜厚薄適宜，細胞分布均勻，兩側保留0.3 cm空隙，尾部呈羽狀，質量穩定，而且推片機推片消除了人工推片過程中推片速度和推片角度的不穩定性，提高了推片效率，從滴血到推片10 s以內。

圖11 推片機推片與人工推片效果圖

（2）染片機染片與手工染片對比實驗：采用相同染液，染片機和手工各染5片，分別取染色效果最好一片做對比，染片效果，見圖12。從圖中可以看出，染片機染色相對于人工染色，染色更均勻，色澤更鮮明，細胞顆粒和染色質結構更清楚，無染料沉渣，而且染片機染色消除了人工染色質量的不穩定性，也提高了染片的效率。

（3）推片速度對推片效果的影響實驗：采用同一樣本、等量血液和相同的推片角度，設置不同推片速度進行推片，推片結果，見圖13。實驗表明，血膜長度隨著推片速度的增加減小，血膜厚度隨速度增加而增加。

圖12 染片機染色與人工染色效果圖

圖13 不同推片速度下推出的血涂片

（4）推片角度對推片效果的影響實驗：采用同一樣本、等量血液和相同的推片速度，設置不同推片角度進行推片，實驗結果，見圖14。實驗表明，隨著推片角度的增大血膜的長度減小，血膜隨速度的增加而逐漸變厚。

圖14 不同推片角度下推出的血涂片

（5）染色時間對血涂片的染色效果的影響實驗：控制A液（瑞氏姬姆薩染液）染色時間從60～210 s，B液（PBS緩沖液）染色時間2 min，清水沖洗60 s，染色效果，見圖15。實驗表明A染液對染色有顯著影響，隨著染色時間的減小染色變淺，染色過程的殘留染液導致染色進一步加深。

圖15 A染液不同染色時間的效果圖

4 結論

本文針對傳統人工制作血涂片存在著效率低、質量穩定性差和成功率低等問題，提出了一種集推片和染片功能于一體的自動化血涂片制備機方案，設計并制作了結構簡單、成本為進口設備的60%～80%和操作便利的血涂片制備機樣機。通過實驗驗證了所設計的血涂片制備機能夠實現推染片功能，與人工制片相比，血涂片制備機制作血涂片的效率高，質量高，穩定性好，便于統一標準化，可以與目前使用較多的自動血細胞圖像分析系統CellavisionDM96[16]配合使用，通過實驗初步探討了制片參數對制片質量的影響。本套血涂片制備機并未實現從滴血到最終出標準血涂片過程的完全自動化，需要后續改進，制片質量有待進一步提高，建議下一步研究方向：① 采用血液分配器實現控制滴血的自動化；② 在樣機基礎上添加移動機械手，實現推染流程全自動化；③ 優化控制系統，提高制片參數的控制精度；④ 通過大量實驗，深入研究制片參數與制片質量之間更精確的影響關系，需要研究血液的理化參數對制片質量的影響。