多吊篮染色机的设计开发

戈国锦

（常州市中威电子仪器有限公司，江苏 常州 213000）

1 引言

我们国家在病理切片的处理设备上起步较晚，尤其是病理切片染色，很多医院都是手工操作，操作者的工作强度大，人为因素极易影响切片染色质量，而且国产的自动控制设备容量小、可靠性差、染色效果不尽人意。目前大的（三甲）医院主要是靠购买进口设备，国外“莱卡”、“珊顿”、“樱花”等品牌，可以说是全球病理设备的三巨头，基本垄断了国内大中型医院的市场。为了振兴民族工业，在病理切片的自动控制设备上有自己的一席之地，必须开发具有自己品牌的多吊蓝染色机。

2 染色机的设计要求

为了与国外的染色机品牌抗衡，首先必须了解国外染色机的特点，尤其在使用过程中有什么好的功能必须保留，有什么不足的地方需要改进，做到扬长避短；根据染色机市场调研分析，我们新开发的染色机主要须解决以下几个问题：

（1）串液问题。目前HE染色是以浸染为主，就是把不同的试剂存放不同的缸里，按一定的顺序排列，装有切片的吊篮就放在试剂缸里，由浸泡的时间长短来控制，当吊篮在试剂缸里处理的时间到了，自动控制装置将装有切片的吊篮从缸里提起，放到另一缸里去处理。当切片从试剂缸提起时，切片上有残留的试剂，这个残留的试剂带到下一缸就对下一缸试剂造成污染，形成串液。由于串液，使得试剂的利用率大大降低，试剂的使用寿命大大缩短。为了提高试剂的重复利用率，提高试剂的使用寿命，要尽可能减少切片上的残留液，也就是减少串液。

（2）随时加载。对多吊蓝染色机来说，随时加载尤为重要。因为多吊蓝染色机处理量大，可以满足较大医院的切片量。有5吊蓝同时在设备中运行的多吊篮染色机，医院比较欢迎：一个篮的切片做好了就加载到设备系统里去处理，下一个篮做好了马上加载到系统里去，而不需要等到5个篮的切片都做好了同时放到系统中去处理；有可能第5个篮做好了加载到系统中去的时候，第一篮的切片可能已处理完了，后面还可以加载新的切片到系统里去，周而复始，处理更多的切片。这样灵活多变，最大限度地提高了设备的利用率和工作效率，尽可能地缩短被诊断病人的等待时间。

（3）提高设备的运动精度。设备在工作过程中，吊篮从一试剂缸到另一试剂缸，机械臂的位置精度要高，能保证每一点的精确定位。设备的故障往往是由于定位精度误差而引起，理论上步进电机精度能满足多吊篮染色机的定位精度的要求，但是实际上由于某些原因，会导致步进电机失步而引起误差，而且误差的累积最终导致设备故障。

（4）环保问题。染色用试剂有二甲苯、梯度酒精、稀盐酸等有害易挥发性气体，对操作人员及操作环境有较大的影响。

3 开发设计

3.1 总体设计

图1

HE染色，针对切片来源不同，染色所用试剂、步骤也不同，对于包埋切片有18种试剂。要满足5个蓝同时在系统里运行，考虑到有缓冲余地，必须至少有4～5个等待缸，由于流水清洗在染色过程中反复多次使用，至少要有3个清洗缸，还有一个是加热烘缸，至少要有26只缸，如果26缸的布局呈现一字排开，设备的结构显然不合理，采用双排形式布局结构比较紧凑。在结构上采用透明有机玻璃罩，使整个染色过程在密闭的环境中运行，为了满足随时加载、卸载切片的要求，设置两个抽屉，一个抽屉专门加载，另一抽屉专门卸载，需要染色随时可以加载，或者染色完成后随时可以卸载，就不需要打开有机玻璃罩来取放切片架，加载抽屉可以代替一个等待缸，这样就只需要3个等待缸了。

3.2 串液问题的解决

串液对于染色来讲是最头疼、也比较难以解决的问题，国外三巨头的自动染色机对此也没有好的办法。手工染色是靠人拿着染色架筛的，我们做了很多试验，开始考虑用风吹，但是切片有一定的宽度，装在染色架上切片紧挨着，没有多少间隙，风吹要顺着切片缝隙吹，而且每个切片都要能吹到。风吹要有风源，大量的试验效果尚可，但稳定性差，实现起来有一定的难度。后来考虑用振动的办法来解决，初选功率2W、转速3000r/min、振幅5mm的振动电机，直接在设备上试验，首先考虑安装的位置，然后试振动效果，改变振幅以及电机的寿命试验。最终确定振动电机安装在提篮的吊钩上、增幅3mm的效果比较好。在提篮的同时，打开振动电机，切片上的液体通过振动滚落到试剂缸里，而切片上基本无残液，基本解决了串液难题。进口设备一般约20天更换一次试剂，而我们的设备增加了振动排残液功能，一般约30天更换一次，试剂的试验寿命延长了1/3。更换一次试剂约2000元，仅试剂费每年可节约近万元，具有良好的经济效益和社会效益。

图2

3.3 自动控制设备

尽管步进电机有较高的定位精度，但是易由于某些原因导致失步而引起误差，所以，为了保证系统的运行精度，一般采用步进电机闭环控制；闭环控制方法有多种，如可以在从动轮上考虑安装编码器等。我们根据设备的结构，采用的是光电传感器的方式。试剂缸的背后有一条定位条，在每个试剂缸的对应位置上，定位条上有10mm的透光槽，实际上光电传感器的透光槽0.26mm就能动作，但考虑到：（1）槽过窄容易堵，设备在使用过程中由于环境的影响，垃圾易把槽堵住，影响透光性；（2）槽过宽会影响定位精度，尤其是正、反向是否能停在同一位置，所以我们开10mm的槽，是考虑到无论是正向还是反向接近槽时，不管运行速度快慢，系统都能接收到停止信号，然后步进电机作指数减速运动，并记录脉冲数，当走过520个脉冲电机停止（通过计算，左右传动部件移动5mm步进电机需要520个脉冲），也就是到槽的中间位置停下，保证了正向、反向接近槽时都能停在槽的中间位置，也就保证了定位精度，并因为有减速运行，减少了对设备的冲击。步进电机的启动和停止采用指数加、减速控制方式：

加速过程：V（t）=Vi（1-e-t/T），T为时间常数。

匀速过程：V（t）=Vi

减速过程：V（t）=Vie-t/T

3.4 环保设计

随着人们环保意识的提高，设备对运行环境的影响指标也越来越苛刻。自动染色机所用试剂，大多是有毒、易挥发性的，尽管我们可以把染色机放进有机玻璃罩形成的密闭空间，但是染色完毕对设备进行清洗保养需打开有机玻璃罩，还易受到试剂的危害。目前市场上用得比较多的方法是采用活性炭吸附方式，我们在设备里安放了活性炭过滤器，可吸附有毒气体，以尽量减轻对操作人员的伤害。

4 结语

我们的多吊蓝染色机进入市场至今，功能完善、表现稳定，受到病理系统各界的肯定，有些原准备购买进口设备的医院也准备购买我公司的设备。仅一年时间，我们已经完成了46套的销售业绩，其中有3套销往巴西、意大利等西欧国家，成功打入国际市场，取得了良好的经济效益和社会效益。该设备还获得了振动、排残液等三项实用新型专利。

图3 指数加、减速的速度轨迹曲线