离心判读仪的研制

何流，李臻，朱家诚，吴焱明，张艳，徐寅生，唐涛.合肥天一生物技术研究所，安徽 合肥3003；.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 30009

离心判读仪的研制

何流1，李臻2，朱家诚2，吴焱明2，张艳1，徐寅生1，唐涛1
1.合肥天一生物技术研究所，安徽 合肥230032；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009

微柱凝胶免疫检测技术目前已逐渐成为血液相容性检查的常规技术。当前微柱凝胶试验主要依靠单独的孵育器和离心机来进行，其试验结果多通过肉眼来判读，这不仅需要耗费大量人力，且检测标准化程度也较低。本文阐述了一种基于可编程逻辑控制器技术的离心判读仪的研制和应用过程。该判读仪主要由卡盒系统、抓取系统、照相系统和离心系统组成，集微柱凝胶卡孵育、装夹、离心和离心结果判读等功能于一体，可在减少人力资源浪费的同时大大提高判读准确性。

离心判读仪；免疫检测技术；微柱凝胶卡；可编程逻辑控制器

0 前言

1990年，Lapierre等[1]发表了微柱凝胶免疫技术，这是人类红细胞血型发展史上的里程碑。如今，微柱凝胶试验在临床输血检验中已经逐渐取代传统的血型血清检测方法[2]。

现阶段，国内微柱凝胶试验多由操作员手工完成，其结果也多由人工判读。该过程自动化程度极低，需耗费大量人力；且过分依赖操作员的判读经验，不利于结果的标准化[3]。

为改变以上不足，本研究研制了一种能够完成微柱凝胶卡孵育、有效性识别、装夹、离心和离心结果判读等一系列工作的全自动离心判读仪，既可以弥补人工判读标准化低的缺陷，还可以减少人力资源的浪费[4-5]。

1 设计原理

目前，微柱凝胶试验主要依靠单独的离心机和孵育器进行。操作员将加有标本的微柱凝胶卡手工放入孵育器，于37℃孵育15 min后再手工放入离心机进行离心，离心完毕后将卡片取出，通过肉眼观察、判读并记录结果。

针对如今微柱凝胶试验过分依靠人力的现状，现阶段急需一种能够集微柱凝胶卡孵育、有效性识别、装夹、离心和离心结果判读等功能于一体的仪器。

根据以上要求设计的全自动离心判读仪的工作流程图，见图1。为满足此工作流程，离心判读仪应包括卡盒系统、抓取系统、照相系统和离心系统，其整体结构设计框图，见图2。其中，卡盒系统负责将微柱凝胶卡运送到卡爪可抓取的位置；抓取系统负责将微柱凝胶卡抓取到离心盘中；离心系统负责按照要求对微柱凝胶卡进行定时定速离心；照相系统负责对微柱凝胶卡进行照相并将图像传送给相应计算机软件进行判读。

图1 离心判读仪工作流程图

图2 离心判读仪整体结构设计框图

2 结构设计

2.1 卡盒系统

卡盒系统的主要功能是在完成规定时间的孵育工作后将装有微柱凝胶卡的卡盒运送到适合抓手抓取的指定位置。为完成此功能，整个系统由一个透明的孵育罩罩住，底板下面有一个功率300 W的加热丝，由风扇将热风吹向卡盒系统，卡盒内有温度传感器，待温度达到规定范围后便停止加热，温度降低到一定程度后再重新加热。卡盒系统运动部分选取步进电机（42BYG250A）作为动力源，通过齿轮齿条机构与卡和底盘相连，使之沿直线导轨往复运动。通过控制步进电机的脉冲，便可使卡盒运动到指定位置，从而完成相应功能。

卡盒系统的设计精巧、简便，将对微柱凝胶卡的孵育和运送工作集于一体，大大减少了对整机空间的占用，能稳定可靠地完成微柱凝胶卡离心前的准备工作。

2.2 抓取系统

抓取系统的主要功能是抓取卡盒中的微柱凝胶卡，将其提升一定高度后横移到照相系统正前方的位置进行拍照；而后再将卡放入离心盘卡槽中，待离心工作完成后再将卡片取出，横移至之前位置进行照相并放回卡盒中。

抓取系统结构设计框图，见图3。横移电机通过齿轮齿条结构与机架相连，通过电机可以使横移机构沿导轨做直线运动；待横移机构运动到指定位置时，升降电机启动，将与之相连的抓手送至相应位置以抓取微柱凝胶卡；抓手中有一个电磁铁，通过通电吸合与断电回落可完成抓手的开闭工作。根据实际要求，横移电机负载较高，因此选取了步进电机（42BYG250A）来实现；而升降电机只需提升抓手，故所需功率较小但对精度要求较高，因此选取直线步进电机（43L4Z-05-A01）来实现。

图3 抓取系统结构设计框图

抓取系统作为连接卡盒系统和离心系统的重要组成部件，起着承上启下的作用。其采用笛卡尔坐标式机械手相关原理进行设计，抓取可靠、便于控制，大大提高了工作效率，可以完全代替人工来完成对微柱凝胶卡的取放工作，极大地降低了人力资源浪费。

2.3 离心系统

离心系统的主要功能是使离心盘卡槽旋转至特定位置，方便装夹微柱凝胶卡并完成定时定速的离心工作[6]。为完成此功能，选取伺服电机为动力源，经连接轴与离心盘相连。通过控制伺服电机转动的角度和速度便可完成相应的离心工作。离心盘由12个可上下浮动的卡槽组成，可保证高速离心过程中微柱凝胶卡不被甩出。

根据测量，离心盘重量m=300 g，直径d=17 cm，那么所需的转动惯量为1.08×10-3kg·m2，因此选取伺服电机（MHMD022G1）驱动，并将其置于位置模式。通过伺服电机既能控制离心盘旋转的角度，又能控制其离心速度。

3 控制系统设计

离心判读仪控制系统硬件主要由工控机、欧姆龙可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及相关配套电器元件构成[7]。根据所需完成工作的要求，离心判读仪最终采用伺服电机、步进电机、直线电机及电磁铁等元件相互协调工作的方式来实现微柱凝胶卡孵育、有效性识别、装夹、离心、离心结果判读及放回等过程的自动化。

控制系统中的上位机主要负责人机交互界面、拍照的实现以及对图像进行判读处理；下位机则负责对整个离心判读仪的工作流程进行控制[8]。PLC的输入点包括：启动、停止、急停和各个位置的传感器信号输入等共计13个输入信号。输出点主要包括：电源开关、电机的脉冲和方向、电磁铁的吸合和断开等共计10个输出信号。从通道数、I/O点数、性能要求、可靠性和成本等角度综合考虑，选用欧姆龙CP1H系列PLC。

上位机程序是在Windows系统的.NET平台上，使用C#语言进行编写的，主要用于开发用户界面，实现与PLC的通讯以及图像识别等。上位机程序使用C#的ADO.NET技术对数据库中的数据进行存储、读取、修改、删除等操作。

PLC程序使用梯形图进行编写，用于对判读仪的步进电机、伺服电机、直线电机和电磁铁等进行控制，完成从微柱凝胶卡装夹、离心到离心结果判读等过程的逻辑控制。PLC程序通过调用相关系统功能模块与控制单元进行通讯的方式，向控制单元发送和接受信号，实现对电机的控制，同时可读取相关电机的状态。

控制系统逻辑严密，配合得当，可以稳定可靠地完成一系列工作。

4 结果判读过程

离心判读仪涉及的微柱凝胶试验主要通过调节试剂中葡萄糖凝胶的浓度来控制分子筛孔径大小，使分子筛只允许游离分子通过，从而达到分离凝集红细胞和游离红细胞的目的。根据红细胞在凝胶中的停留位置不同，判定血清实验的阴阳性及强弱[9]。

要完成结果判读，离心判读仪需用到图像识别技术，包括图像截取、灰度处理、纵向投影、滤波处理和图像曲线判读等[10]。

图像截取是在拍摄的原照片基础上将6个反应孔部分截取出来，将6个反应孔的照片分别送入判读程序进行判读[11]；灰度处理是将反应孔中试剂图像各像素的R、G、B 3个分量的亮度值按照加权平均的方法计算出其灰度值，将彩色图像转为灰度图像[12]；纵向投影是将反应孔图像按灰度值投影转换为相应的波形图；滤波处理则是将图像中的噪声去除[13-14]；图像曲线判读是将反应孔的图像曲线与大数据库中最接近的图像曲线进行对比，选出最接近的图片，从而得出判读结果。

如果最后无法得到判读结果，系统便会弹出人工判读窗口，可通过判读员对结果进行人工判读，并将判读结果录入数据库，用于之后的判读。

实际结果表明，离心判读仪能够准确地对离心结果进行快速判读，达到了预期设计目的。

5 结论

离心判读仪利用PLC技术实现了对凝柱微胶卡孵育、有效性识别、装夹、离心和离心结果判读等一系列工作的自动化，降低了人力资源浪费，提高了判读的速度和准确性，使结果判读变得标准化。该仪器在一定程度上改变了微柱凝胶试验的过程，对其进行推广能够提高我国医疗机构的输血检测水平，进而促进我国临床输血的安全性和标准化，提高广大人民的健康水平。

[1] Lapierre Y,Rigal D,Adam J,et al．The gel test: A new way to detect red cell antigen antibody reaction[J]．Transfusion,1990,30:109-113．

[2] 董海伟．卡式微柱凝胶试验在临床输血检验中的应用[J]．中国实用医药,2013,8(7):145-146．

[3] 汤继瑜．一种凝集成像数字判读仪,中国：200820213082．8[P]．2008-10-31．

[4] 罗刚银,唐玉国,王弼陡．全自动配血系统用试剂卡离心机的设计[J]．医疗装备,2012,(1):1-3．

[5] 李臻,许林．全自动离心判读仪的研制[J]机械设计与制造,2014, (10):136-138．

[6] 赵毅峰,李维嘉,钱建国．离心机转速的计量检测[J]．中国医疗设备,2012,27(8): 67-69．

[7] 李宁,李富平,于远,等．软PLC虚拟机中元件库的研究与开发[J]．机床与液压,2007,(12):157-159．

[8] 廖强．面向血型分析仪的自动加样机械臂控制系统设计[J]．机械研究与应用,2013,26(2):114-120．

[9] 丁俊健,邱术芹．微柱凝胶卡血清实验图像识别的研究[J]．生物技术世界,2012,2(2):44-46．[10] 丁俊健,邱术芹．一种数字编码图像识别方法的研究与应用[J]．科技资讯,2011,10(29):38-41．

[11] 罗刚银．全自动血型分析系统关键技术的研究[D]．长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2012:1-2．

[12] 常明．计算机图形学[M]．3版．武汉:华中科技大学出版社,2009: 235-236．

[13] Hearn D,Baker MP．Computer graphics with open GL[M]．Third Edition．北京:电子工业出版社,2010:255-256．

[14] 张衡．血型分析系统自动加样关键技术研究[D]．重庆:重庆大学, 2012:4-5．

期刊文章摘要

为便于读者迅速获取信息，期刊可以编排论文摘要。对外发行的期刊可以编排外文（一般用英文）摘要。需要提供摘要的论文类型及摘要撰写格式应在期刊的稿约中写明。

摘要的撰写格式可依栏目而异。同一栏，其摘要的撰写格式应尽量保持一致。

摘要应着重反映研究中的创新内容和作者的独到观点；不要简单地重复题名中已有的信息。

论著类文章摘要的内容应包括研究目的、研究方法、主要发现（包括关键性或主要的数据）和主要结论，一般应写成冠以“目的（Objective）”、“方法（Methods)”、“结果（Results）”和“结论（Conclusion）”小标题的结构式摘要。临床试验研究论著结构式摘要的小标题也可以扩展，例如“方法”可以细分为“设计（Design）”、“环境（Setting）”、“患者或研究对象（Patients or participants）”、“干预措施（Interventions）”、“主要终点测量指标（Main outcome measures）”等，可以根据需要选用。

综述类文章摘要的内容应包括综述的主要目的、资料来源、综述时所选择的研究数目及这些研究是如何选择的、提炼数据的规则及这些规则是如何应用的、数据综合的最重要的结果和结论。可以写成结构式摘要，也可写成指示性或报道-指示性摘要。

中文摘要一般使用第三人称撰写，不列图、表，不引用文献，不加评论和解释。

摘要中首次出现的缩略语、代号等，除了公知公认者外，首次出现时须注明全称或加以说明。新术语或尚无合适汉语译名的术语，可使用原文或在译名后括号中注明原文。

英文摘要一般与中文摘要内容相对应，但为了对外交流的需要，可以略详。

中文摘要一般置于题名和作者姓名下方，英文摘要（含英文题名、汉语拼音作者姓名及工作单位）可置于中文摘要的下方，也可置于参考文献之后。摘要前应冠以“摘要（Abstract）”字样，并采用与正文不同的字体字号排印，以示区别。

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

作者邮箱：stoney23@foxmail．com