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一种全自动化学发光免疫分析仪的研制

互联网 2012-09-19 07:11:03

[导读] 摘要:在成功研制出半自动化学发光免疫分析仪的基础之上,进行了全自动仪器的研制。提出了一种新的化学发光免疫分析仪全自动控制系统的设计,该设计基于固高公司开发的x86的6u运动控制卡,采用WlNCE5.O嵌入式操作系统,利用Pc机完成所有数据采集、控制,使用EVC4.0作为编程工具,实现了化学发光免疫分析仪的全自动运行。

      O 前言

  化学发光免疫分析仪[1]是通过检测患者血清从而对人体进行免疫分析的医学检验仪器,在临床诊断和化学检验中具有重要作用。全自动化学发光免疫分析仪作为一种自动化程度较高的分析仪器,它将化学发光免疫分析中的加样本、加试剂、加磁珠、温育、磁分离和清洗、加底物、测光、结果计算以及显示等步骤由仪器来完成,可以快速处理样品并大大地提高操作的准确性和可靠性,减少人工干预,具有手工操作所无法比拟的优点,是医院检验的常规设备。

  目前,化学发光免疫分析的全自动仪器[2]基本为国外公司垄断,这主要是因为它涉及光、机、电、软、液路、温控、化学发光免疫分析等多方面的综合技术,系统结构复杂、控制时序要求严格、运行可靠性和精度要求高等。国内只有相应的半自动仪器,为了打破国外对全自动化学发光免疫分析仪的垄断,近年来,国内众多科研院所已经开始全自动化学发光免疫分析仪的自主研发。

  本文设计正是基于目前国内医疗器械行业飞速发展,迫切需要全自动化学发光免疫分析仪而进行的自主研发。文中提出了一种全新化学发光免疫分析仪全自动控制系统,并且制作了一台样机,实现了预定的功能要求。

  1 研究背景

  样机采用固高公司开发的基于x86的6u运动控制卡。运动控制卡[3]是一种基于工业PC机,用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。它的出现主要是因为:(1)为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求;(2)在各种工业设备(如包装机械、印刷机械等)、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能医疗装置等设备的自动控制系统研制和改造中,急需一个运动控制模块的硬件平台;(3)PC机在各种工业现场的广泛应用,也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能.。

  运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心,大多用于控制步进电动机或伺服电动机。一般,运动控制卡与PC机构成主从式控制结构:PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作,例如,键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等;控制卡完成运动控制的所有细节,包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统,因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中机电一体化[1]的各个领域。

  正是由于运动控制卡具有以上特点,所以可以满足本机的功能需求。

  2 总体结构

  整台仪器的开发工作主要有:数据管理系统,流程控制系统,电路控制系统以及机械设计等四个部分。其中,流程控制系统的开发需要完成与数据管理系统的通信,接受其发送的指令,发送相应的反馈信息;向电路控制系统发送指令,收集各个部件的状态信息。图l给出了仪器的系统结构。

  

 

  其中,流程控制系统主要负责运作每个部件,并且在部件运作的基础上,独立完成有意义的项目检测工作。要实现两个主要方面的工作:即部件运作(由数据管理系统发送指令控制),项目检测运作(控制系统独立完成项目检测操作,管理系统只需发送少许指令)

该仪器的电气部分主要由十几个步进电机和电气开关组成。在仪器运转过程中,需要根据流程实时对这些部件以及一些功能性部件进行控制,完成相应一系列的操作。这些部件系统包括:

  (1)加样本系统(血清转盘,机械臂,注射器,电磁阀)。

  (2)加试剂系统(试剂转盘,机械臂,注射器,电磁阀)。

  (3)加底物系统(注射器,双向电磁阀)。

  (4)清洗系统(清洗云台,真空泵,蠕动泵,电磁阀)。

  (5)卡具移动系统(卡具进弃,卡具直移,卡具近端横移,卡具远端横移)。

  (6)光测系统。

  (7)温控系统。

  (8)功能性输入信号(液面探测,称重传感,位置检测等)。

  其中,温控系统的预期温度是预先设定的,其功能是维持仪器在运行期间内反应区中恒定的温度,无须控制系统的干预。此外,其他的子系统或功能性部件都参与了项目的检测过程。

  在仪器运行过程中,数据管理系统与流程控制系统的软件需互相通信,相互协作完成指定的项目检测任务或维护工作。这两个系统完成的工作是要根据下面几个条件来权衡分配的:每个系统的负载能力,项目检测实现的方便性,机械控制的实时性,下位机硬件环境变动和上位机软件功能增添的低耦合性等。

  3 控制系统设计

  流程控制系统可以不需要数据管理系统,执行一些简单预先设定的项目检测项目,它基本上是一个独立运行的系统。图2给出了流程控制系统的功能结构。

  

 

  软件是全自动化学发光免疫分析仪的灵魂。通过软件控制仪器的各个部件运转,保证仪器测量的工作状态,对各种数据进行计算、校准和分析,最后得出检验结果,打印出检验报告,作为诊断依据。

  本软件系统设计的关键在于要控制的执行机构和众多动作,工作时序复杂且要求严格。在一个动作周期内要完成的动作包括反应盘转动、样品盘转动、样品针清洗、样品取样、样品放样、试剂针清洗、试剂盘转动、取试剂、放试剂、温育、加磁珠、磁分离、加底物、测光、读测量数据等,并且各动作机构要相互协调、相互配合来完成测试分析任务,其中一个环节出问题,仪器就不能正常运行。

  3.1 软件主要流程设计

  (1)初始化检测项目设置

  在每次开始检测项目时,数据管理系统要获得控制系统的状态信息,在线卡具信息,发送已经进行资源分配的项目信息。控制管理系统在得到待检测的项目信息后,按照规则统计所有的项目信息,为每个项目的反应分配卡具槽,对所需的资源要求进行量化判断,并给出相应的提示。在合理分配资源以后,就为项目检测做好了准备。

  (2)控制系统初始化流程

  读取参数配置文件,为每个运行部件设置运行参数。系统进行回零操作;打开串口,初始化其配置;建立网络监听端口,等待连接;读取原先卡具配置信息。完成初始化操作。

  (3)项目检测流程

  需要检测的项目设置好以后,开始项目检测操作。卡具推进系统根据所需的卡具,根据一定的规则和条件把需要的卡具推入反应空间;在反应空间内,随着卡具位置的推移,不断地判断项目所对应的卡具位置以及时间是否运行项目下一步要进行的操作,如果允许项目进行操作,那么就根据项目的配置信息进行相应的操作;在整个操作过程中,要不断地判断卡具的状态,以便进行相应的处理。

  3.2 部件驱动与子功能的设计

  (1)系统的维护功能作用有二个:一是满足项目检测需要,如开机维护,关机维护;另外是子部件的维护需要,即为数据管理系统提供接口,满足其进行维护功能需求。

  (2)部件回零,即运动部件,按照一定的方向找到部件所处的零位,而后按照指定的偏移量进行偏移:

  (3)加样本与加试剂,这两个加液的流程步骤基本一致。

  (4)测光与清洗。这两个动作在机械动作上存在相似之处,两个部件机构都固定在清洗云台上,主要是控制云台到达指定的位置,完成相应的动作要求。

  (5)卡具进弃。该功能由卡具进弃电机和几个门限开关组成。其进弃过程有多个阶段组成,即推进阶段,把卡具推到人口横移位置;判断阶段,判断是否有卡具进入,如果没有,则停止运动,做出错处理,如果有则进入下一个阶段;后退阶段,推移装置后退到初始的卡具位置;重装卡具阶段:推移装置做后向移动,直至零位,再前进到初始位置。

  (6)卡具移位。一旦一个卡具推入到反应空间内,它就要随着流程的进度,不断地在反应空间内移位,直至被另外进入的卡具推出。卡具移位是一次一个小齿,每个小齿的距离正好对应是一个反应槽的距离。每1O s,卡具直移一次或横移一次。

  3.3 软件的实现

  在实现的时候,分为三个主要的步骤予以实现。

  (1)部件调试系统的实现,该调试子系统主要的功能是:

  1)用于调试软件各个部件参数,如减速比,限位有效性,回零方向等参数。

  2)子功能的实现与单独调试。

  3)为流程调试做准备,比如直移卡具的定位等调整,都是可以通过部件调试系统予以完成。

  (2)控制系统单独运行的实现,即控制系统没有和数据管理系统接口,而是单独由本系统提供的界面予以控制,实现一个完整的流程。所检测的项目由控制系统指定有限的项目。

  (3)与数据管理系统集成,流程的运转全部由数据管理系统予以管理和维护。控制系统的状态由数据管理系统予以维护和诊断。

4 总结和展望

  该仪器采用基于固高的6U控制系统,可以使系统小型化,便于提高性能以及与各种外设连接扩展,同时降低了成本。同时该仪器具有精度高、运行稳定、实时性好、抗干扰能力强、性价比高的特点,通过实验证明,这种设计方案可行,并且已经申报了国家发明专利[5]。

  化学发光免疫分析仪全自动控制系统提高了整个化学发光免疫分析仪的可靠性和检测的正确性,促进了国内化学发光免疫分析仪整体水平的发展,可以改变国外大公司在我国实验室、医院等医疗机构化学发光免疫分析上的垄断,对分析方法发展、仪器制造水平提高具有重大现实意义。在国外全自动化学发光免疫分析仪技术趋于成熟条件下,国内已经开展自主研发,并且取得一定成果,同时需要有更多科研院所加入进来,共同促进我国全自动化学发光免疫分析仪技术的发展。

  参考文献:

  [1]冯国伟,管梁.MAGIA 120L化学发光酶免疫仪及其临床应用[J].现代医学仪器与应用,2000(4):8-10

  [2]陈东,彭楚武,胡辉红.基于ARM7与UCLINUX的嵌入式全自动生化分析仪控制系统模型[J].电脑知识与技术,2005(11):50-5 2.

  [3]舒志兵.运动控制新技术[J].电气时代,2004(10):58.60.

  [4]杨明,路琴.机电一体化的研究现状与发展趋势[J].农机化研究,2006(8):38-40.

  [5]石志学,李海燕,赵方戟,等.一种用于化学发光免疫分析的全自动控制系统[P].中国:200710303897.5。2007.12-26.

[整理编辑:CK365测控网]
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