全自动血液样本前处理系统的研制

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 733.03KB 66 页 15积分

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摘要

在医疗临床检验过程的时间分配中，分析前阶段大约占了65%，是一个十分

重要的环节，完成这一阶段的自动化处理可以大大缩短整个临床检验工作的时间。

目前我国的临床全自动样本前处理系统还处于起步阶段，依赖进口，价格昂贵，

灵活性差。因此，本课题旨在通过对前处理系统的功能及关键检测环节研究，研

制出自动化程度高，通用性、灵活性好，成本低廉，使用方便的全自动血液样本

前处理系统。

本文分析了目前全自动血液样本前处理系统的国内外发展现状，结合前处理

系统的功能要求和处理特点，提出了流水化、多模块并行的处理方案，在处理时

间最小化的原则下，根据设备整体空间要求，各模块的访问频率以及访问速度，

利用遗传算法完成了各模块在系统中的优化布局，并结合各模块的功能要求，设

计了关键结构，利用红外线对血清与血细胞透过率的差异，研究了基于光电传感

器的血清与血细胞分层面检测的方法，并通过实验进行了验证，解决了系统中这

一关键环节的检测难题。

根据前述分析的全自动系统中各模块的功能和整体布局，搭建了以可编程控

制器为主控制器，以及伺服系统、步进系统、气动系统以及触摸屏组成的控制系

统的软硬件平台。规划了以 RS-485 总线作为控制总线的控制方案，并为各模块

分配了输入输出点，完成了模块中多坐标重复定位及单坐标定位的方案，整体上

完成了软硬件的设计。

最后，论文客观的总结了课题中所取得的成果及存在的问题，提出了后续研

究的方向和内容。

关键词：前处理系统遗传算法布局光电传感器分层面检测

可编程控制器位置控制

Abstract

With the population increasing of big cities, the pressure of receiving patients of

hospitals is increasing now. That needs to improve various auxiliary links efficiency,

one of which is clinical inspection. In the process of clinical inspection, pretreatment

accounts for 65%, which need to be shortened so that can greatly improve the

clinical inspection efficiency. The most effective method is transferring manual

handling of this unit into automatic handling. At present, clinical automatic sample

pretreatment system is still in start level in our country, most of which depends on

importing. Therefore, there is an urgent need to develop a high degree of automatic

blood sample pretreatment system, which has good versatility, flexibility and low

cost.

The development situation in domestic and abroad market of automatic blood

sample pretreatment system is analyzed. Combined with the function and processing

characteristics of the system, running water and parallel processing module solution

are put forward. Optimizing the distribution of different modules is completed,

which takes advantage of genetic algorithm under the principle of time minimizing,

and the key structures are designed. Using the different penetrate rates between the

serum and blood cells, a detection method and equipment which based on the

optoelectronic senor are presented to detect the interface of the blood samples, which

resolved the important and difficult point in the development process.

Furthermore, the function and distribution of modules are investigated.

Controlling platform is set up by the PLC, servo system, stepping system, pneumatic

system and HMI. The plan that used RS-485 bus as the control bus was put forward,

and distributed the input and output points. Besides, the scheme of mul-coordinate

repositioning and single coordinate positioning of modules is planned. The hardware

and software are designed.

Finally, the thesis objectively summarizes the achieved results as well as the

presented problems, put forward follow-up research content and direction.

Key Words：Pretreatment system, Genetic algorithm,

optoelectronic senor, interface detection, PLC,

position control

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................1

§1.1 课题背景与意义...........................................1

§1.2 样本前处理系统的国内外发展现状 ...........................3

§1.3 样本前处理系统的原理与动作流程...........................5

§1.4 课题主要研究内容 .........................................6

第二章前处理系统布局方案研究 ....................................8

§2.1 样本前处理系统的功能分析 ................................8

§2.1.1 功能需求及设备参数 ..................................8

§2.1.2 性能评价标准 ........................................9

§2.2 运动方案模型的研究 .....................................10

§2.3 布局方案模型的研究 .....................................12

§2.3.1 遗传算法简介 .......................................12

§2.3.2 设备布局建模 .......................................13

§2.3.3 单行模块布局建模 ...................................14

§2.3.4 多行模块布局建模 ...................................15

§2.4 机械手路径规划研究 .....................................21

§2.4.1 路径规划 ...........................................21

§2.4.2 定位优化............................................22

§2.5 本章小结 ...............................................24

第三章前处理系统结构设计 .......................................25

§3.1 总体结构设计 ...........................................25

§3.1.1 流水线结构方案 .....................................26

§3.1.2 机械手结构方案 .....................................27

§3.2 关键模块设计 ...........................................29

§3.2.1 去盖结构方案 .......................................29

§3.2.2 读条形码结构方案 ...................................30

§3.2.3 分层面检测与分样结构方案 ...........................31

§3.3 本章小结 ...............................................32

第四章分层面检测方法研究 .......................................33

§4.1 分样原理...............................................33

§4.2 传感器原理.............................................35

§4.2.1 光效应 .............................................35

§4.2.2 传感器研究 .........................................37

§4.3 实验原理和论证.........................................38

§4.3.1 透过率分析.........................................38

§4.3.2 检测原理...........................................40

§4.3.3 软件设计 ...........................................40

§4.3.4 实验...............................................41

§4.4 本章小结 ...............................................43

第五章控制系统设计 .............................................44

§5.1 控制系统总设计 .........................................44

§5.1.1 控制系统功能分析...................................44

§5.1.2 主控制器的方案论证.................................45

§5.1.3 控制系统硬件构成 ...................................46

§5.2 控制系统硬件设计 .......................................47

§5.2.1 控制要求及流程.....................................47

§5.2.2 控制系统硬件选型及方案设计 .........................49

§5.3 控制系统软件设计 .......................................52

§5.3.1 整体控制规划.......................................52

§5.3.2 单工位控制规划.....................................53

§5.4 本章小结 ...............................................57

第六章总结与展望...............................................58

§6.1 课题总结...............................................58

§4.2 研究展望...............................................59

参考文献........................................................60

第一章绪论

§1.1 课题背景及意义

§1.1.1 实验室自动化系统的概述

随着各大城市人口密集程度的增加，医院接诊的压力也日趋增大，这就需要

提高各个辅助环节的效率，其中临床检验是极其重要的一环。所谓临床检验，是

将病人的血液、体液、分泌物、排泄物和脱落物等标本，通过目视观察、物理、

化学、仪器或分子生物学方法检测，并强调对检验全过程(分析前、分析中、分析

后)采取严密质量管理措施的行为，从而为临床、为病人提供有价值的实验资料[1]。

提高临床检验效率对于患者就诊效率的提高以及现代医院的运作模式的改善

都有非常积极的意义。近年来，自动化检验分析设备已广泛应用于各大检测领域，

大大提高了检测效率和水平，但是准备、衔接及后处理工作仍需要人工完成，已

不能满足高效准确的检测市场的需要，因此，实验室自动化系统(LAS)在全世界

范围内得到了相应的重视和发展。

实验室自动化系统(laboratory automation system, LAS)是指为了实现临床实验

室内某一个或几个检测系统如临床化学、血液学、免疫学等的系统化整合，而将

不同分析仪器与分析前、后的实验室分析系统通过自动化和信息网络进行连接的

过程。此项技术始于上个世纪 80 年代的日本，它的出现不仅弥补了人力的不足，

而且改变了实验室结构和工作流程，减少了差错，提高了工作质量，减少了实验

室污染，缩短了标本的检测周期，成为现代医学和科学技术发展的必然趋势[2]。

实验室自动化系统是从单个模块系统自动化发展而来的，单个模块主要有原样本

分选装置，样品前/后处理，生化免疫分析单元和血液分析等系统。各系统的主要

功能如下：

u 原样本分选装置：进行全血，血清、尿液等样品的分类，负责输送到不同

的轨道；

u 样品前/后处理系统：进行血清样品的进样，离心，开栓(去盖)，分注，条

码识别，储存等；

u 血液细胞分析系统：全血样品的血细胞分析，推片和染色，全血标本的处

理，凝血分析等；

u 其他分析单元和检测装置：尿常规，尿沉渣分析，血清量检测，溶血、黄

疸和脂血等检测[3,4]。

实验室自动化系统是通过硬件接口将以上的个体自动化系统有选择的连接，

全自动血液样本前处理系统的研制

通过RS232 或TCP/IP 与医院的计算机网络连接起来，以此利用实验室信息系统

(LIS)获取LAS 中的信息，或根据LIS 信息进行分析检验操作，并且对实验室信

息系统进行反馈，即整个检验系统实现了全自动化的过程，包括信息的读入和写

出，机械分类，生物化学分析等等，整个过程无需检验人员的介入，大大提升了

医学人员的检验效率，降低了错误率，减轻了检验人员的劳动强度，为临床医务

人员提供了坚实的诊断保证。

§1.1.2 样本前处理系统的概述

全自动化实验室系统无疑是国内医疗检测设备发展的目标，但是单个自动化

模块的研究是整个系统的基础，所以首先成熟发展单个模块成为了当前的一个重

要环节。研究表明，在全部检验过程的时间分配中，分析前阶段约占 65%，样本

运输占2%，分析中占 15%，分析后占18%[5]，由此可见，分析前阶段在临床检

验工作中占了非常重要的比重，提高这一阶段的效率可以大大缩短整个临床检验

工作的时间。

现阶段，国内大部分医院的分析前阶段的工作都是人工来做，如贴标、上试

管架、样本信息识别、分样等等。全自动样本前处理系统则包括了一定数量样本

的读码、离心、分样、打码贴标、送入目标区域等工作，各个环节不中断，即流

水线作业，只需将待分样的各个样本送入系统入口，在系统出口待取已经处理好

的样本即可，这就大大缩减了检测时间，减小了劳动强度，降低了错误率。随着

科学技术的日新月异，机电一体化的成熟应用为分析前处理自动化的实现奠定了

坚实的技术基础，因此本文规划了如图1-1 所示的前处理系统的模块关系。

图1-1 前处理系统的模块关系图

在前处理系统中，离心作为一个可选环节，可以放入系统中也可以由人工执

行，因为离心环节在系统中会占用较大空间，同时耗时较长，改变了系统结构，

因此本课题研究中把离心环节安排在了系统之外，由人工处理，减小了系统处理

时间，提高了效率，前处理系统的各个环节功能说明如下：

第一章绪论

(1) 样本信息识别：在进入前处理系统之前，不同病人的信息都由医生通过

实验室信息系统(LIS)录入条形码中，以区别不同病人的信息，在进入前处理系统，

需要将条形码中的信息读出，以确定检测信息，为随后的分样做准备；

(2) 检测分层面高度：离心后血液样本分为上层的血清和下层的血细胞，不

同的样本所提取的样本量不一样，且分离出来的血清量也不同，所以在分样头进

入血清时，必须检测出血清与血细胞分层面的位置所在，否则会造成提取血清不

充分或提取到血细胞，而导致检测失败。

(3) 去盖：为了防止血液样本被污染，在样本进入试管后，即使用密封性较

好的橡皮塞盖。进入前处理系统后，需要抽取样本中的血清进行分样，故必须进

行开盖环节；

(4) 按条形码信息贴标：在读完既有条形码信息后，即可知道病人信息，即

需要将样本分成几个样品，供几个科室(免疫，生化，PCR 等)化验分析，同时在

线贴标机，根据读取到的信息进行贴标；

(5) 按条形码信息分样：不同的病人的信息不同，有些只需要一种分析，有

些则需要两种或两种以上，这些都在条形码中体现，因此，需要分成几个样本就

需要根据条形码来确定。

以上阐述了全自动前处理系统中各个关键环节的存在原因和意义，从根本上

解决了人工操作的弊端，可以解决临床实验室在分析前阶段耗时多的问题，使样

本前处理过程适应高速自动化分析的需要，从而提高检验全过程的效率。建设全

实验室自动化没有完全固定的模式，每个临床实验室可以以根据自己的工作特点，

选择适宜的模式，以提高检验工作效率，同时样本前处理系统的应用，为实验室

建设 LAS 奠定了基础。

§1.2 样本前处理系统的国内外发展现状[5~9]

随着计算机软件技术、工控技术、传感器技术、应用生物化学的飞速发展，

自动化分析仪器已经得到了普遍的运用，为分析环节节省了大量的时间，当前在

整个临床检测中，前处理阶段占了较大的时间比重，因此提高前处理的效率成为

了各国临床检验的目标之一。国外对样本前处理系统的研究与开发正在迅速发展，

如OLUMPUS 公司的OLA 系统、Beckman coulter 的Biomek 系列、TECAN 公司

的GENESIS 以及罗氏的COBAS Ampliprep System 系列产品等，性能可以满足不

同类型实验室的需求。实验室自动化自 80 年代初出现以来，发展非常迅速。目前

约有220 多个全实验室自动化系统安装在世界各主要经济、科技发达地区医院。

TECAN 公司的GENESIS FE500 可以使样本前处理所有核心步骤实现自动

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摘要：

摘要在医疗临床检验过程的时间分配中，分析前阶段大约占了65%，是一个十分重要的环节，完成这一阶段的自动化处理可以大大缩短整个临床检验工作的时间。目前我国的临床全自动样本前处理系统还处于起步阶段，依赖进口，价格昂贵，灵活性差。因此，本课题旨在通过对前处理系统的功能及关键检测环节研究，研制出自动化程度高，通用性、灵活性好，成本低廉，使用方便的全自动血液样本前处理系统。本文分析了目前全自动血液样本前处理系统的国内外发展现状，结合前处理系统的功能要求和处理特点，提出了流水化、多模块并行的处理方案，在处理时间最小化的原则下，根据设备整体空间要求，各模块的访问频率以及访问速度，利用遗传算法完成了各模块在系...

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