全自動生化分析儀的快速精準穩定加樣機械系統設計

李少敏，張興偉，盧新建，趙永杰，龐文裕

（1.汕頭大學工學院，廣東 汕頭 515063；2.汕頭大學第二附屬醫院，廣東 汕頭 515041；3.廣東省智行機器人科技有限公司，廣東 佛山 528226）

0 引言

在臨床醫學診斷時，常常對血常規、膽固醇、葡萄糖、尿酸、轉氨酶、尿素氮、白蛋白、免疫球蛋白等人體生化指標進行檢測[1]，通過觀測這一系列人體體液指標特征，從而確定肌體組織是否發生病變，進而對病人的病情做出判斷、治療以及治愈后健康狀態的跟蹤調查.由于傳統的檢測需要醫生手動完成加樣、加試劑、混合、去干擾物、保溫、檢測、計算等一系列既繁瑣又緩慢的流程，并且在操作中會引入較大的誤差，而自動生化儀誕生以來既在一定程度上減少了手工操作產生的誤差，提高了檢測的準確性，又為醫務人員提供了更精確、更全面的信息[2-4]，因此廣受各種醫療、科研機構青睞.隨著現代電子技術、計算機技術、光學和各種生化技術的進步，全自動生化儀應運而生.全自動生化分析儀（Automatic Biochemical Analyzer）作為用于臨床檢驗的體外診斷定量分析儀，它能快速進行肝功能、腎功能、血糖、血脂等常規生化指標的檢測，對疾病的診斷、治療和預后及健康狀態提供信息依據，為臨床疾病診斷提供準確的判斷[5].從檢測試劑被放在試劑盤上開始，經過加樣、分析、取樣、再加樣等一系列操作直到最后打印結果為止，均由儀器自動加載完成，極大地便利了醫學檢測流程.加樣精度與速度是影響高速高精度全自動生化檢測的關鍵因素.生化檢測項目較多，且對檢測結果的精度要求較高，加樣數據的采集、輸入、分析與輸出是決定全自動生化儀檢測精度的關鍵環節[6].當加樣速度較低時，全自動生化儀容易得到準確的生化檢測結果；而當加樣速度提升時，加樣針將產生晃動，從而導致加樣運動不平穩.同時加樣速度加快將影響加樣精度的準確性，會減少樣品加樣量和試劑吸取量，使加樣精度的準確性降低，由于目前全自動生化分析儀樣本試劑反應量都在微升量級，加樣精度的降低將造成測量結果的偏差，甚至出現假陽性[7].此外，全自動生化儀使用了較長一段時間之后，本機濃縮洗液較初始階段洗液用量會明顯減少，這將導致試劑針、樣本針清洗不干凈而產生交叉污染，并進一步致使反應杯清洗不干凈引起檢測結果不準確[8].因此，開展生化分析儀加樣系統的設計，針對樣品吸取、試劑吸附、清洗以及加樣針精準的微量加樣控制進行深入研究，以確保加樣數據的穩定輸入與輸出和提高生化儀檢測結果的準確性，在學術研究和工程應用兩方面都具有重要的價值.

降低生化儀的最小加樣精度是目前提高生化檢測加樣速度與精度的重要方法.為了節約試劑、降低醫療成本，同時加快儀器的分析測試速度，生化儀的加樣量也在不斷降低.國外相關研究領域對生化儀微量加樣控制進行了深度研發，使其最小加樣量被不斷刷新，從1 mL到100 μL、10 μL再到如今的1 μL，對微量加樣的最小值要求越來越高[9].如Beckman公司在CX系列和Olympus公司在AU系列的全自動生化分析儀上的注射泵在其控制系統的驅動下加樣最小精度可達1 μL.當標本、試劑加入量較少并且試劑加樣注射器使用時間較長時，其測定結果的變異系數隨著時間的延長逐漸變大[10]，使生化檢測結果產生誤差.而法國的Pulssa科技公司生產的微量注射泵在行程測量下，理論加樣精度可突破1 μL，實現1 μL到1 mL范圍的加樣，在其完善的控制系統的驅動下，實際加樣最小值變異系數小于1%，允許誤差已小于2%[11]，大幅度降低了變異系數帶來的影響.國內相關研究發展較晚，近年來長春光機所、深圳邁銳、上海科華等企業，都相繼研制出功能完善、工作效率高、具有自主知識產權的全自動生化分析儀，在一定程度上打破了國際上日本、德國和美國等生化分析儀公司在中國市場的壟斷局面[11-12]，但目前國內生化分析儀最小加樣量還在5 μL左右，試劑消耗量較大，且控制精度不夠高，穩定性和可靠性還較差[13]，相較國際先進水平尚存在一定的差距.為進一步研發具有高精度微量控制的全自動生化儀，需要攻克影響其性能提升的諸多技術問題，其中就包括與生化儀微量加樣模塊相協同配合的加樣系統的設計問題.

本文設計了一款快速、精準、穩定的生化分析儀加樣系統，加樣系統包含機械傳動、光電編碼盤定位、液面檢測與防撞警報、微量加樣以及加樣針清洗五個模塊.本文設計的加樣系統可精確控制加樣針插入試劑或樣本的深度，在滿足高精度微量加樣控制的基礎上，保證了加樣系統的穩定傳動和精確定位，有效增強了加樣針運動的準確性和樣本試劑量的正確性，以及對一次性加樣針的徹底清洗，極大地降低了交叉感染的概率.本文的工作致力于改善國產醫療器械的性能提升其在國際市場上的競爭力.

1 全自動生化分析儀加樣系統設計

1.1 全自動生化儀的工作原理

生化分析儀是將患者的末梢全血直接加在特定載體（生化試劑板）上，以標本中的水為溶劑，使血液中的預測成分與生化試劑板反應面上固化試劑進行化學反應，儀器再根據不同濃度的被測成分所產生有色產物的差異，通過反射光度法進行生化檢測與分析.生化分析儀通過模仿手工操作的儀器來完成生化分析中的取樣、加試劑、去干擾物、混合、保溫、比色、結果計算、書寫報告和清理等部分或全部步驟.它可進行定時法、連續監測法等各種反應類型的分析測定，具有快速、簡便、靈敏、準確、標準化、微量等特點[14].

1.2 全自動生化分析儀加樣系統設計分析

生化分析儀的加樣機構主要由加樣針、吸液臂、連接管路、負壓泵，去離子水循環泵，酸堿清洗池，清洗池，反應杯等裝配而成，其中加樣針安裝在吸液臂上.通過這一系列的器件組裝而成的加樣系統在控制系統的調節下完成吸液、注射及清洗操作的同時，還具有液面檢測和防撞警報作用[15-16]，其主要用途是從樣本盤和試劑盤中吸取樣本和試劑，輸送至反應杯使兩者進行生化反應，然后通過光電編碼盤對反應物進行光學比色，進而分析測試結果[16-17].

為了實現更快速、更精準的微量加樣控制，本文設計了一款主要由機械傳動模塊、光電編碼盤定位模塊、液面檢測與防撞警報模塊、微量加樣模塊以及加樣針清洗模塊五個部分組成的加樣系統，以保證全自動生化儀的生化檢測性能.各模塊功能如下：

（1）機械傳動模塊為整個加樣機械系統提供運動基礎和動力；

（2）光電編碼盤定位模塊對加樣針的水平運動進行定位，保證加樣針運動的準確性；

（3）液面檢測與防撞警報模塊精確控制加樣針插入試劑或樣本的深度，防止出現“空吸”和“撞針”等現象，并對意外撞針事故進行急停和警報處理；

（4）微量加樣模塊精密控制試劑與樣本的吸液和加液量，確保反應的試劑樣本量正確；

（5）加樣針清洗模塊為完成一次加液操作的加樣針進行徹底清洗，防止出現交叉感染，影響檢測精度.

2 加樣系統五大模塊設計

2.1 機械傳動模塊分析與設計

2.1.1 吸液臂結構的設計

在機械傳動模塊中，吸液臂作為主要傳動部件，需要吸取、轉移和注射樣品或試劑.其運動精度對加樣針的吸樣、加樣和清洗可造成直接的影響.為使吸液臂完美契合機械傳動模塊，吸液臂結構應滿足以下四個設計要求：首先，為了保證吸液臂能夠滿足于機械傳動模塊的設計分析，應在滿足設計要求、實現功能的基礎上，盡量減少機構的自由度數；其次，傳動的形式要合理，在滿足運動功能的基礎上，合理選擇運動副的類別、力矩傳遞方式和路徑，避免結構運動出現干涉、死點等問題[18-19]；再次，在確保零部件裝配合理的基礎上，需要簡化結構，有利于節約空間，提高利用率，同時也能進一步加強結構的穩定性；最后，要具備較高的穩定性和安全性.全自動生化分析儀是完全代替手工全自動工作的，必須嚴格確保系統具有較高的穩定性和安全性，避免出現撞針、運動干涉卡死等現象，另外還需要配備檢測液體液量的傳感器、報警裝置和急停裝置等，如發生上述情況應及時發出警報并停止工作.

基于吸液臂結構的設計要求，設計吸液臂空間機構運動方案如圖1所示.在該機構中，吸液臂主要實現兩個功能：一是在水平面上驅動加樣針運動到工作位置；二是驅動加樣針在豎直平面內，下降到液面以下位置進行吸液，然后上移，再進行下一步工作.

圖1 吸液臂空間機構運動方案簡圖

水平面上采用同步帶傳動驅動加樣針進行旋轉運動，由步進電機驅動主動輪，通過同步帶帶動固定在豎直軸的從動輪，從而可帶動擺桿和加樣針轉動，實現電機軸的旋轉運動轉化為加樣針的圓周運動.

而豎直面選擇電機—同步帶輪—同步帶—皮帶輪傳動方式為設計方案，其升降往復運動由電機的旋轉運動，經由導軌進行導向后，轉變為直線運動來實現，以滿足經濟性、平穩性、效率及精度等方面的要求.本設計采用花鍵軸作為吸液臂豎直面的傳動導向機構，相較直線導軌，花鍵軸具有高度的靈敏性，能大幅度提升負載能力，適用于振動沖擊負荷作用過大、定位精度要求高、以及需要高速運動性能的環境[20].花鍵軸的外形如圖2.

圖2 花鍵軸

在吸液臂組件中，機架為其他元件（如步進電機、光電開關等）提供安裝結構基礎，并且保護內部運動組件.為了確保其精密的尺寸精度要求和穩定的結構特性，對其進行三維設計建模如圖3（a），并加工實物如圖3（b）所示.

機架采用鋅合金壓鑄件，一體成型，具有高強度、高剛度特性.其主要平面的拔模斜度為0.5°，便于脫模[21].特別地，將電機安裝孔設計成可調橢圓孔，如圖4所示，可以調整裝配間隙，調節帶輪的圓心距以減小裝配誤差.可調整的水平同步帶輪之間的中心距范圍為61.5～65.5 mm，豎直同步帶輪之間的中心距范圍為157～166 mm.

2.1.2 步進電機選擇與帶輪設計

為了滿足高精度檢測需求與良好穩定的分析性能，選擇通過輸入脈沖信號實現精確定位運行的步進電動機作為驅動電機[22].對水平轉動的同步電機，選用步進電機型號為：FL42STH47-1684A，其特點是：1.8°步距角，運行頻率很高，價格較低.對豎直驅動的同步電機，選用步進電機型號為：FL57STH56-2004A，特點為1.8°步距角，質量穩定，噪音小.

圖3 吸液臂機架三維建模和實物對照圖

圖4 機架橢圓孔特征

已知水平傳動機構的主動輪ATP16MXL025-K-P3的齒數z1＝16，初設機構的傳動比為i＝6，則從動大齒輪的齒數：

節徑：

豎直運動的從動輪選用皮帶輪，直徑與ATP16MXL025-K-P3的外圓直徑（OD）9.84 mm相等，因此傳動比為1∶1.

根據水平、垂直傳動機構的主從動輪中心距范圍，擬定水平和垂直同步帶輪機構的中心距為63.5 mm和161.5 mm，主動輪節徑與從動帶輪直徑是10.35 mm，從動大齒輪節徑61.59 mm，根據帶輪周長公式：

式（3）中a為中心距，d1、d2是節徑，解得水平同步帶機構的同步帶周長L1≈250.34 mm，L2≈355.52 mm.

查表知ATP16MXL025-K-P3的公稱寬度A為7.5 mm，選擇同步帶的公稱寬度為6.4 mm.

根據以上分析，選擇TBN123MXL025型號的同步帶用于水平同步帶機構，選擇TBN175MXL025型號的同步帶用于豎直同步帶機構.

2.2 光電編碼盤定位模塊設計及計算

光電編碼器是目前應用最多的測轉角、轉速的傳感器，是一種通過光電轉換將其轉軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器.光電編碼器由圓形碼盤（即光柵）和光電檢測裝置組成.通過在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔[23]形成光柵盤，即碼盤，碼盤盤上刻有環形透光和不透光的等間距狹縫，叫作碼道.檢測裝置由發光二極管等電子元件組成，旋轉軸與碼盤同軸同速旋轉，透過狹縫的脈沖信號經檢測裝置進行輸出，當前旋轉軸的角度信息可以通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數來反映[24].

2.2.1 光電編碼盤定位模塊設計

為實現加樣過程中對運動的精準定位，以及水平運動定位的精確性[25-26]，以保證光電編碼盤定位模塊需要有基本的定位方式和誤差校準作用，本文選用如圖5所示的槽型光電傳感器，型號為OPB890T11Z[9-10].

圖5 槽型光電傳感器OPB890T11Z

在全自動生化分析儀整機結構中，設定加樣針中心到豎直軸中心距離為155 mm.從圖6中可以看出機器整體布局中加樣針的幾個工作位置之間沒有位置規律，因此不能直接使用擁有等間距光柵形狀的光電編碼盤，反而應設計出擁有固定角度缺口的編碼盤，如圖7（a）所示，從而呈現出對應的縫隙，使得脈沖信號可以透過縫隙進行輸出.因此，本文通過設計分析，進行了擁有固定角度缺口的光電編碼盤實體建模，如圖 7（b）所示.

圖6 加樣針的幾個工作位置

2.2.2 誤差分析

水平傳動機構中，大小齒輪齒數比為96∶16，傳動比z＝6∶1，為減速傳動.步進電機每完成一步轉軸轉動角度θ0＝1.8°，則大齒輪、花鍵軸及其上擺頭與加樣針繞中心軸轉動的角度θ[8]為：

圖7 光電編碼盤

以下計算每個定位過程的誤差.

（1）起始位到達加樣位，也就是比色杯待加樣的位置[7].

驅動電機需要完成的理論步數

相對誤差

式（6）中n1為理論所需步數，n’1為實際選取步數.

偏移角度

偏移弧長

式中α為加樣針運動軌跡的半徑，同理可得以下位置計算結果.

（2）起始位到達堿洗位.

n2＝169.47 步，δ2＝0.28%，θ2＝0.141°，?2≈0.381mm

（3）起始位到達水洗位.

n3＝264.47 步，δ3＝0.18%，θ3＝0.141°，?3≈0.381mm

（4）起始位到達采樣位.

n4＝336.07 步，δ4＝0.02%，θ4＝0.021°，?4≈0.057mm

（5）起始位到達試劑位1.

n5＝375.7 步，δ5＝0.08%， θ5＝0.09°， ?5≈0.243mm

（6）起始位到達試劑位2.

n6＝422.07 步，δ6＝0.02%，θ6＝0.021°，?6≈0.057mm

（7）起始位到達電解質位.

n7＝688.73 步，δ7＝0.04%，θ7＝0.081°，?7≈0.219mm

由以上分析得知，加樣針的每個工作位置的基本定位誤差中，偏移弧長最大為0.381 mm＜1 mm（吸液臂的垂直運動最大誤差[27-28）]，能達到較精準的定位.

2.3 加樣針液面檢測與防撞警報模塊設計

如圖8所示，該檢測裝置通過震蕩與分頻電路傳遞信號至鎖相環電路，從而一方面控制加樣針內外針管探入待轉移液體，另一方面及時傳遞信號給濾波與放大電路，與比較電路進行電壓比較，進而向主控板傳遞反饋信號，使蜂鳴器發出警報.

圖8 液面檢測裝置信號傳遞流程圖

而液面檢測（LLD）系統是通過精確控制加樣針探入待轉移液體的深度，有效地防止了因加樣針插入液面過深導致的針外表面液體附著量過多的現象，從而降低儀器的污染攜帶率.液面檢測系統傳感方式選用市場上絕大多數都采用的電容式液面傳感集成電路板，其外形如圖9.

圖9 液面檢測系統電路板

設計選用的加樣針利用電容式傳感原理，加樣針的結構簡圖如圖10（a）所示，加樣針的針管部分是一個電容結構，電容的兩極分別是內外嵌套的兩個直徑不同的針管，兩個針管之間用絕緣材料隔開.當加樣針針管剛剛接觸到液面時，內針管的橫截面積突然變大，加樣針電容的電容值改變.根據測定加樣針電容的電容值確定加樣針插入液體的深度[21，29].另外在電容值出現突變的地方，就是加樣針剛好到達液面的時候，則可以通過計算得出此時的液面高度（液量），當液量過低時，軟件界面則會顯示報警信息，提醒添加試劑或樣本.

圖10 加樣針針管

如圖11所示，防撞警報模塊由機械及電路兩部分組成.機械部分包括加樣針、擋片和彈簧.電路部分包括光電傳感器及分析模塊，其中電路部分被附帶在液面傳感集成電路上.當加樣針針尖在垂直方向運動發生碰撞時，加樣針和擋片在彈簧的作用下向上提起，此時擋片從光電傳感器中間撤開，光電傳感器即可把檢測到的碰撞信號發送到主控板，再由主控板進行適當的調度，停止操作同時控制板上的蜂鳴器發出聲音報警，以提醒處于現場的操作人員.碰撞急停經過復位操作之后，可重新恢復工作.

圖11 碰撞警報觸發裝置

2.4 微量加樣控制模塊

微量加樣控制模塊的組成較簡單，包含加樣針、柱塞泵、電磁閥和液路管道等[12]，其連接圖如圖12所示.當加樣針要吸取試劑時，控制系統控制電磁閥關緊形成閉路，同時負壓泵不通電，控制柱塞泵通電正向運行，活塞桿下移，泵內氣壓變小，從而加樣針吸液.控制柱塞泵步進電機的運行步數即可控制活塞缸的行程.

圖12 微量加樣控制模塊連接圖

2.5 清洗模塊設計

如圖13所示，加樣針清洗模塊的主要部件包括：負壓泵、電磁閥和清洗池等，通過管接線路相連形成清洗池主體的結構.

圖13 清洗模塊管路路線圖

從圖13（a）中可以得到清洗過程為：加樣針由傳動機構驅動，到達酸堿清洗池，吸取酸堿清洗液，之后加樣針移動到清洗池，側面開口接去離子水源，在負壓泵與柱塞泵共同作用下，清洗加樣針內外壁.

3 實驗仿真與設備調試

3.1 實驗結果仿真

為了驗證該加樣系統的準確性與穩定性，在完成了加樣系統的機械傳動機構、光電編碼盤定位模塊、加樣針液面檢測與防撞警報模塊、微量加樣控制模塊以及加樣針清洗模塊之后，本文對加樣系統進行仿真測試.如圖14所示，將設計的模塊進行配合仿真，從而驗證加樣系統性能.

圖14 加樣系統實驗仿真設計

在驗證了加樣系統的使用性能后，對加樣系統進行吸液、注射和清洗的仿真操作.該機械傳動配合完善，且能保障加樣針的豎直運動完成吸液以及水平運動進行注射的準確操作.如圖15（a）所示為加樣針的吸液操作，如圖15（b）所示為加樣針的水平旋轉運動.

圖15 加樣系統仿真實驗

3.2 實驗設備調試

將設計的加樣系統加工出實物之后，將其應用于全自動生化分析儀中，并進行實驗設備調試.如圖16（a）所示為加樣系統吸液與注射實驗測試，圖16（b）為酸堿洗和水洗實驗測試.經過完整地試驗調試之后，該加樣系統在滿足樣品吸液量范圍為1～30 μL、0.1 μL步進，試劑吸液量范圍為20～300 μL、1 μL 步進條件下，能夠實現自動完成定量吸取和釋放樣本和試劑、清洗等操作.

圖16 加樣系統實驗測試

4 結論

本文根據生化儀所面臨的缺陷與阻礙，針對高速、高精且性能穩定的全自動生化分析儀的需求，設計了一個包含機械傳動機構模塊、光電編碼盤定位模塊、加樣針液面檢測與防撞警報模塊、微量加樣控制模塊以及加樣針清洗模塊五個主要部分的加樣系統.通過獨特的光電編碼盤設計使得該加樣系統不僅能夠進行誤差校準，從而使定位更加精準，保證了加樣針運動的準確性；而且使光電編碼盤測量更加靈活，大幅度降低了光電編碼模塊產生的誤差.同時對加樣針采用電容式傳感原理與液面檢測系統相結合，使加樣針液面檢測與防撞警報設計模塊可以精確控制加樣針探入待轉移液體的深度，防止了加樣針外表面液體附著量過多的現象，降低了儀器的污染攜帶率.此外，通過電容突變來控制液面高度，從而實現精確的液面檢測與防撞警報設計.在對該加樣系統的模塊設計使用Pro/E5.0進行建模仿真及調試之后，將其應用于全自動生化分析儀中進行測試、驗證，該加樣系統能夠自動完成定量吸取、釋放樣本和試劑、清洗等操作.且滿足樣品吸液量范圍為1～30 μL、0.1 μL步進，試劑吸液量范圍為20～300 μL、1 μL步進的條件.初步的測試結果表明本文的加樣系統的樣品吸液量精度不僅能滿足國際最小加樣量條件（1 μL），而且高于國內最小加樣量水平（5 μL），具有較大的實用價值.在下一階段的研究中，將對加樣系統更多的檢測模塊進行完整地測試分析.