医疗真空采血管分拣系统研究

王学东 董茂

(邢台职业技术学院教务处1,山东 邢台 054035;特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室(浙江工业大学)2,浙江 杭州 310014)

医疗真空采血管分拣系统研究

王学东1董茂2

(邢台职业技术学院教务处1,山东 邢台 054035;特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室(浙江工业大学)2,浙江 杭州 310014)

针对目前国内许多市级三甲医院存在每天门诊数量庞大,使用采血管化验项目众多,采用人工分拣劳动强度大、分拣效率低等问题,提出了一款面向医疗真空采血管自动分拣系统。介绍了医疗采血管自动分拣方法设计思路,系统采用DSPIC30f5013芯片作为主控制器,设计了基于2.4 GHz无线通信技术的控制系统硬件结构,通过自动条码扫描模块获取采血管化验项目等相关信息。系统软件设计采用分布式软件设计方法,包括下位机现场控制软件与上位机分拣监控软件。结果表明,该系统可大大提高分拣速率,降低人工分拣强度。

采血管 条形码扫描 无线通信技术 自动分拣

0 引言

据2010年某医学权威杂志不完全统计,2008年国内真空采血管的需求量为8亿支左右,到2013年将达到19亿支左右。国内在许多市级三甲医院中,每天门诊病人数量庞大,平均每1 000个患者中,可能需要使用800支采血管进行不同的化验项目[1]。然而,常见的医疗采血化验项目多达数十种,且每个患者也可能需要多支采血管。一般这些采血管需按批次、按化验项目进行分类后,才能送到不同的检验项目科室进行检测[2]。目前,国内如上海科华生物工程股份有限公司、广州阳普医疗、北京积水创格医疗等知名真空采血管企业的真空采血管质量检测与分拣也是采用人工灯检。这种检测方法的结果是主观性强、效率低、漏检率较高,检测工人劳动强度大,稳定性差[3]。仅有极少数的医院或医疗检测中心引进国外先进设备,采用机械化的分拣操作流程。在采血管分拣运输过程中,通常是利用试管架对试管标本进行运输,通过机械手夹持对试管标本进行条码扫描[4]。这种试管标本分拣方式虽然分拣效率高,但设备较昂贵,并不符合国内医疗市场的需求。为了解决目前的分拣仪器设备价格昂贵而人工分拣劳动强度高、分拣效率低的问题,本文提出了一种成本低廉、方便可靠的采血管标本分拣系统。

1 系统整体方案设计

根据采血管标本分拣的需要,建立的系统总体结构框图如图1所示。系统主要由信号采集、数据通信和执行机构3部分构成。

其中,分拣仪信号采集部分主要由微动开关、采血管条形码扫描引擎和光电开关等传感节点构成。数据通信部分由2.4 GHz无线通信模块、工控机和主控制器等通信节点组成。执行机构部分由步进电机和气缸构成。条形码扫描引擎负责扫描待检采血管项目等信息。微动开关置于采血管运输盒底部,用于确定采血管标本的位置信息,并通过2.4 GHz无线技术与下位机主控制器进行数据通信。射型光电开关主要完成步进电机的驱动控制信号,控制步进电机驱动分拣设备运转,配合气缸完成采血管的分拣动作。工控机上位机监控软件负责实时监测标本分拣项目的各项指标。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure of the system

2 系统运行原理简述

本采血管自动分拣系统采用循环式的间歇性运动。该循环分拣系统通过一个循环的链板线实现循环运动,两头转弯处各附有一个180°尼龙转弯导轨引导转弯。循环链板线通过步进电机驱动同步带带动传动轴转动,从而驱动链板线运转。采血管运输盒在循环链板线上等间距分布,循环链板线每次运行两个相邻运输盒之间的距离,即每过一个运输盒停一次,其周期约为2 s。条形码扫描引擎成功扫描的采血管标本置于采血管运输盒后,由微动开关感应标本位置信息。当对射光电开关感应到某个运输盒经过时,立即发出指令,控制步进电机启停一次,然后通过气缸推动相应运输盒翻转,从而实现分拣动作。同时通过上位机监控软件实时回馈给操作工人,样本分拣类型、数量、出口位置、误拣率等信息显示在工控机液晶显示屏上,实现人机交互功能。

3 控制器硬件电路设计

3.1 主控制板电路设计

3.1.1 步进电机驱动模块

系统的循环链板由步进电机通过同步带驱动链轮转动。步进电机采用北京和利时公司生产的110BYG系列三相混合式步进电机,配合SH-32206步进电机驱动器使用,具有可选十六细分运行模式,最高可达3 000步/转,可完全满足医疗分拣系统的运行精度要求。由于驱动器端口内置光耦,其驱动信号通过接收有效脉冲脉冲沿指令,为确保脉冲信号的可靠响应,有效信号占空比应小于50%,且脉冲有效电平的持续时间不应少于50 μs[5]。步进电机驱动器的接线图如图2所示。

图2 步进电机驱动器接线图Fig.2 The wirings of stepper motor driver

3.1.2 气缸驱动模块

根据采血管分拣系统运行原理需求,系统采血管的分拣动作主要通过控制气缸的伸缩完成,而气缸的伸缩动作由电磁阀控制实现。由于气缸只需要完成伸、缩两个动作,通过采用小型双作用气缸,配合二位五通电磁阀使用即可简单实现。系统采用标准工作电压为DC 24 V的电磁阀,其最高工作频率可达5次/s。由于24 V电磁阀的工作电流较大,为简化驱动电路,控制信号通过一个三级管放大功率,由一个SSR固态继电器进行控制。电磁阀的驱动电路如图3所示。

图3 电磁阀驱动电路Fig.3 Driving circuit of electromagnetic valve

3.1.3 条形码扫描模块

条形码扫描模块主要包括采血管条形码扫描和运输盒的条形码扫描两部分。其中,采血管条形码负责采集待拣样本的检测项目等信息;运输盒条形码扫描负责确定待拣样本在循环链板线上的位置信息。系统采用漫反射的光电开关与条码扫描引擎配合使用,当被扫描对象接近扫描引擎时,光电开关触发CPU发送扫描触发命令至扫码引擎,完成一次扫描,反之扫描引擎不工作[7]。另外,由于标准串口使用的是RS-232电平,而CPU主控单元使用的是TTL电平,两者之间需要进行电平转换,因此,扫描器工作电路需要增加MAX232芯片来实现,增加有效的通信距离。扫描引擎的具体工作情况示意图如图4所示。

图4 条形码扫描模块工作原理图Fig.4 Operating principle of the bar code scanning module

3.1.4 数据通信模块

控制器数据通信模块主要负责主控芯片与工控机之间的数据交互。通过数据通信模块,控制器可接收来自工控机的分拣控制等信号,同时工控机可对控制器发送的样本分拣项目与位置信息做相应的处理。控制器采用Microchip公司生产的DSPIC30f5013做为主控芯片。该芯片支持2个带FIFO缓冲区的可寻址UART模块,同时兼容2个CAN2.0B标准的CAN总线模块[8]。由于条形码扫描模块已占用两个标准串口与控制器相连,故数据通信模块选用CAN总线,通过MCP2551高速CAN收发器通信。CAN数据通信工作电路原理图如图5所示。

图5 CAN数据通信电路原理图Fig.5 Principle of CAN data communication circuit

3.2 小控制板电路设计

控制器小电路板安装于采血管运输盒内部。当成功扫描后的采血管样本置于运输盒中时,由微动开关采集感应信号,通过2.4 GHz无线通信模式将采血管位置信息发送至控制器主电路板。无线通信模式采用NRF24L01高速嵌入式无线数传模块,只需要单片机预留5个GPIO、1个中断输入引脚,就可以很容易实现无线通信功能,非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。

由于DSP主控芯片的I/O口输出电压为5 V,为防止输出电流过大烧毁模块,需要串联电阻分压[9]。 2.4 GHz无线通信模块的电路原理图如图6所示, NRF24L01的基本电气特性如表1所示。

图6 2.4 GHz无线通信模块的电路原理图Fig.6 Circuit principle of 2.4 GHz wireless communication module

表1 NRF24L01的基本电气特性Tab.1 The basic electrical characteristics of NRF24L01

4 控制器软件设计

控制器软件系统主要包括下位机软件和上位机监控软件2层,CAN总线通信作为上下2层软件通信的纽带。

4.1 下位机软件设计

4.1.1 下位机软件框架

下位机软件主程序设计流程图如图7所示。

图7 软件主程序设计流程图Fig.7 The flowchart of software main program design

医疗采血管分拣系统的下位机软件设计主要由主程序、中断服务程序和各子程序组成。软件全部采用程序模块化设计。各子程序主要包括:①初始化子程序——串口初始化、定时器初始化及各子程序初始化等;②中断子程序——定时器中断、串口中断子程序;③步进电机驱动、气缸控制、样本定位子程序等。

4.1.2 样本数据对接策略

要实现采血管的正确分拣,必须首先处理好待检样本的数据对接问题,准确判断样本的位置信息和项目。现将样本数据对接策略举例如下。

设有A、B、C三个不同项目类型采血管,假设分别对应①、②、③号样本收集盒。当A项采血管由人工扫描后置于某一运输盒上,则该运输盒上的微动开关将被触压一次,假设该运输盒的编号为1,即可确定A项采血管置于了该运输盒上。通过2.4 GHz无线通信模块发射信号,下位机软件即可将A项采血管与1号运输盒进行绑定。若事先定义的A项采血管样本需分类到②号样本收集盒上,当1号运输盒运转到②号样本收集盒位置时,控制器便驱动对应气缸推动1号运输盒翻转,实现样本分拣,同时解绑运输盒,等待进入下一次循环分拣。

4.2 上位机软件设计

上位机分拣控制软件不仅可以显示分拣信息,还可同时接收医院分拣中心发布的信息,提供实时信息服务,提升样本分拣工作的操作效率。上位机软件将一天内所采集的数据信息汇聚至监控中心的服务器,监控中心人员即可通过计算机实时监测与信息化系统软件平台,对相关参数进行统计、分析,并随时查询和调用[10]。

5 结束语

该医疗采血管分拣系统基于2.4 GHz无线网络,在控制系统引导下,驱动分拣机构实现样本分拣功能,特别是用于自动医疗真空采血管分拣流水线中,做为采血管正式检测化验环节前的半自动分拣工序,完成采血管不同化验项目的分拣与归类。试验结果表明,该医疗采血管分拣系统的实际分拣速度为1 500～2 500个/h,可大大提高分拣效率,降低检测工人的劳动强度,且可靠性更高。研究中发现,为进一步提高系统分拣速率,需在分拣环节前增加一个自动装载工序,对排序后的待检样本进行分拣,真正实现分拣过程的自动化。

[1] 蒋斌.真空采血管在临床上的应用及探讨[J].中国医药导报, 2010,7(28):148-149.

[2] 钟德优,黄丽芳,石作水.真空采血管标识及标签应用现状分析[J].国际检验医学杂志ISTIC,2012,33(19).

[3] 谭阳花.真空采血管在体检中应用及操作技术[J].医学信息:中旬刊,2010,5(10):3009-3010.

[4] 季广厚.一种试管标本分拣方法及分拣设备[P].中国专利: CN102151661A,2013-04-03.

[5] 森创.三相混合式步进电机驱动器[EB/OL].[2012-08-10] [2014-01-25].http://www.syn-tron.com.

[6] 郑萍,李广荣,郑云,等.一种新型高速电磁阀驱动电路[J].电子产品世界,2006(2):85-88.

[7] 王志恒,张艳杰,荀一,等.基于Wi-Fi无线通信技术的成套商用冰箱控制系统[J].轻工机械,2013,31(4):43-47.

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

[9] 刘志平,赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J].应用科技,2008,35(3):56-58.

[10] 陈超.远程医疗监控系统服务器平台的设计与实现[D].成都:电子科技大学,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。

王学东(1976-),男,2006年毕业于中国农业大学农业机械化工程专业,获硕士学位,副教授;主要从事数控技术的研究。