模块化设计病理用切片机平台研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 3.09MB 62 页 15积分

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摘要

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对自身健康的关注度越来越高，因

此近几年来，跟医疗器械相关的产业的发展速度都非常迅猛。医疗器械产业的发

展和人们的生命健康息息相关，在医疗器械产品的应用中融入了许多最新的各个

学科的研究成果，许多最新的科技产物与医学的结合形成了现代化的医疗产品。

在我国经济飞速发展的今天，我国对医疗器械产业的投入也在不断的增加，再加

上政策的引导，这都将促进我国医疗器械产业的快速发展。而医疗诊断设备是整

个医疗器械产业中发展最快的一部分，近年来癌症等重大疾病的发病率很高，这

些疾病的确诊离不开医疗诊断设备。病理切片机是用于肿瘤诊断的重要设备，本

文就是基于市场上现有的病理用切片机，采用模块化设计的应用更加广泛的，功

能更多的三维切片机。

在医疗器械产品的研发过程，通常用到的三个重要设计策略：一是模块化设

计的应用，二是背板设计方法，三是倾向于便携式产品。模块化设计在医疗器械

产品的设计中应用非常广泛，有非常重要的作用。本文就是采用模块化设计病理

用三维切片机，在三个方向运动的驱动设计采用模块化设计，不同的模块进行组

合可以实现不同的功能。另外，医疗器械产品中嵌入式的应用也很广泛，本文主

控板设计应用嵌入式系统设计，采用 ARM7 的处理器作为主控板的 CPU。

本文的研究内容包括：

第一部分，介绍了医疗器械产业的现状以及应用前景，切片机作为一个比较

重要的诊断设备在医院及病理中心的应用现状及前景。然后介绍了几款目前应用

到的切片机型号，在这些切片机的基础上，对功能进行总结和创新，然后实现三

维的精确切片。

第二部分，分别从系统的整体设计和分模块详细设计实现三维切片机的功能。

在系统整体设计上给出了系统的整体需要的模块，以及软件设计的流程。在模块

详细设计中，主要包括步进电机驱动模块，直流电机驱动及反馈模块，振动驱动

及反馈模块以及控制板模块。在三维切片中，振动模块控制水平方向 X轴的运动，

步进电机模块控制的是样本头的是前后方向 Y轴的运动，直流电机模块控制刀架

的垂直方向 Z轴的运动，在这三个方向的控制上步进电机采用计脉冲数的方法，

直流电机和振动模块都采用反馈闭环控制方法，以此来精确控制切片的位置及切

片精度。

通过几个模块的单独设计，最终完成组合测试和系统测试，本文采用模块化

的设计方法，实现三维的切片，在整个设计上具有一定的创新性和实用性。

关键词：模块化切片机平台步进电机直流电机振动

ABSTRACT

With the improvement of people's living standards, people pay more and more

attention to their health. So in the last few years, the speed of development of medical

device products is very fast. Medical device industry is an emerging industry related to

the whole human life and health , and its application products gathered and integrated

into a large number of the latest achievements of modern science and technology, and

many modern products are high-tech products that combined medicine with a variety of

other disciplines. With the rapid development of economy in our country, the national

investment in the medical device industry is also growing, which will promote the rapid

development of China's medical device industry. The medical diagnostic equipment is

the fastest growing part of the whole medical device industry. In recent years the

incidence of cancer and other major diseases rate is very high, and the diagnosis of the

diseases is inseparable from the medical diagnostic equipment. The pathological

slice machine is an important device used for tumor diagnosis, and this article is based

on the existing pathology with slicing machine on the market, using modular to

design more extensive and more functional 3D slicer.

In terms of design of medical devices, there are three very important design

strategy: First, using a modular design approach. Second , back plane design method.

The third, the design of portable products. Modular design is one of the three most

important strategies of medical products design, which has an extremely important role.

This article is a modular design with a three-dimensional slicer pathology, adopting

modular design in three direction driven design, and combining of different modules

can realize different functions. In addition, the embedded application in the medical

devices products is very wide. the MCU design application embedded system design,

using ARM7 processor as the main control board CPU.

The important parts of this paper include:

The first part describes the present situation of the medical device industry and

prospects, and as an important diagnostic equipment , the slicing machine’s application

situation and prospects in hospitals and pathology center. Then introduce several current

slicer models of applied to, based on the slicer, to summarize and innovate the function

and then realize accurate three-dimensional slices.

The second part, respectively, to achieve three-dimensional slicer function from the

overall design of the system and sub-module detailed design. In the overall system

design gives the overall needs of the module system, and the software design

process. In the detailed design of the module, including the stepper motor driver module,

DC motor drive and feedback module, vibration drive and feedback module and the

control panel module. In Three Dimensional moving, a shaking motion controls

horizontal X-axis moving, the stepper motor controls movement of the front and rear

direction of the Y-axis, and DC motor controls Z-axis movement in the

vertical direction.In the control of these three directions , stepping motor adopts the

method of pulse number, DC motors and vibration module uses feedback closed-loop

control method, in order to precisely control the location and precision of the slice.

Through a separate design of several modules , the ultimate combination test and

system test is completed. we use a modular design approach to achieve a

three-dimensional slices, which has certain innovative and practical in the design.

Key Words: Modular Slicer platform DC motor stepper

motor vibration

摘要

ABSTRACT

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

1.1 课题的研究背景 ............................................ 1

1.1.1 医疗器械的发展现状 ..................................... 1

1.1.2 我国医疗器械发展的现状 ................................. 1

1.2 医疗仪器设备的前景 ......................................... 3

1.2.1 医疗仪器设备的最新发展趋势 ..............................3

1.2.2 嵌入式系统在医疗仪器设备中的应用 ....................... 3

1.3 模块化设计的重要性 ......................................... 5

1.4 本文的写作目的 ............................................. 5

1.5 论文组织结构 .............................................. 6

第二章医疗用切片机介绍 .......................................... 7

2.1 平推式石蜡切片机 ........................................... 7

2.2 轮转式石蜡切片机 ........................................... 9

2.3 振动式石蜡切片机 .......................................... 10

2.4 冰冻切片机 ................................................ 12

2.5 本章小结 .................................................. 13

第三章三维切片机整体设计 ....................................... 14

3.1 总体设计框图 .............................................. 14

3.2 软件初始化结构图 .......................................... 16

3.3 本章小结 .................................................. 17

第四章分模块设计部分 ........................................... 18

4.1 CPU 板的设计 ...............................................18

4.1.1 CPU 功能总体介绍 .......................................18

4.1.2 CPU 时钟系统与存储系统 .................................20

4.2 步进电机驱动模块设计及反馈 ................................ 25

4.2.1 步进电机概述 ...........................................25

4.2.2 步进电机驱动系统设计 .................................. 26

4.3 直流电机驱动模块设计及反馈 ................................ 32

4.3.1 直流电机概述 ...........................................32

4.3.2 直流电机驱动系统设计 .................................. 34

4.4 振动模块设计及反馈系统 .................................... 39

4.4.1 振动驱动模块设计 ...................................... 39

4.4.2 振动反馈系统设计 ...................................... 43

4.5 控制面板设计 .............................................. 44

4.6 其他外围模块设计 .......................................... 48

4.7 本章小结 .................................................. 52

第五章总结与展望 ............................................... 53

5.1 论文工作总结 .............................................. 53

5.2 展望 ...................................................... 53

参考文献 ........................................................ 54

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 58

致谢 ........................................................... 59

第一章绪论

1.1 课题的研究背景

1.1.1 医疗器械产业的发展现状

医疗器械产业是关乎到整个人类的生命健康的新兴的产业，在医疗器械产品

中应用到很多最新的科技成果，医疗器械产业也是一个跨学科的领域，能够将很

多其他学科的研究成果与医学结合起来，从而研发出新的现代化医疗产品。发达

国家在最近的二十年来，医疗器械产业的增长一直保持着快速的增长，能够成为

经济增长因素中一个新的增长点，是一个国家综合经济技术实力和水平的象征，

经过近几年的发展欧美发达国家的人均医药消费与医疗器械费的比例已达到

1:1[1]。在过去的几年中，虽然全球经济不太景气，但医疗器械产品的发展前景仍

然被人们所看好。近几年虽然整个欧洲经济的增长非常缓慢，但是医疗器械产业

在整个欧洲的增加率却仍在 3%以上。在同一时期的美国医疗器械产业仍能增长 7%

以上，医疗器械的增长更是超过了同期的经济增长。同期的日本经济增长率仅有

3%左右，但是医疗器械产业的增长却达到惊人的 9%以上。

无论是质量还是数量，从整体上把我国的医疗产品与发达国家的做比较，不

难发现我们与发达国家的差距还是非产大的[2]！从近几年的统计上看，我国总的医

疗器械产业销售仅占到全球的不到 2%，这与我国经济总量极不相称。我国的经济

总量占世界经济总量的 7%，这样来计算，我国的医疗器械远不能满足我国人民卫

生健康的需求，更与我国快速发展的经济状况不相称。在国内医疗产品的市场占

有率还不到市场需求的一半，这样造成药械人均消费比例严重失衡。

此外，在我国的医疗产品市场上几乎所有的高端医疗设备，尤其是高端的数

字化的精密仪器都是有外国或者跨国公司的产品占领。

1.1.2 我国医疗器械发展的现状

随着在全球范围内医疗器械产业的快速发展，医疗器械已经成为所有高新技

术中发展速度最迅速的产业，这也必将带动我国的该产业的飞速发展[3]！但是由于

我国的基本国情这个基本因素的影响，在医疗器械产业的发展上过分注重量的发

展，出现的市场管理不规范等一系列问题，造成了我国的医疗器械发展还处于比

较低下的水平。主要的问题体现在以下几个方面：

第一、我国医疗器械产业规模还不够大，集中度偏低[4]。在我国从事医疗器械

产品的企业相对还比较少，有很多还是处于刚起步阶段，因此整个产业的组织结

构相当不集中，这样造成整个产业的竞争力低下。在近几年有一些大型公司通过

收购或兼并的手段，在一定程度上改善了一点集中度低的问题，但是这个并不能

上海理工大学硕士学位论文

改变整个产业的问题，跟国际水平更不能对比。在我国这些医疗器械企业中，小

型的公司占到将近百分之八十以上，而大型企业只有不足百分之五。这种产业集

中度不高的问题得不到根本的解决，我国医疗器械产业的潜在生产力就发挥不出

来，生产出的产品得不到国际的认可，就很难参与到国际竞争中去。

第二、医疗器械产业技术落后而且结构重复[3]。与欧美一些发达国家相比，我

国的科技水平还比较落后，这势必会造成我国的医疗器械技术落后于这些发达国

家，再加上这个产业的结构重复性也比较高，综合这些技术上的因素严重制约了

我国医疗器械产业的发展。我国有大部分的企业都是在生产相同的产品，造成结

构重复，资源严重浪费，生产出来的产品没有技术上的突破，很大程度上还处于

模仿阶段，所以很难在国际竞争中取得胜利。

第三、医疗器械产业生产结构失衡，创新力不足[3]。创新是科技进步的第一生

产力，创新能力对医疗器械产业的影响也是至关重要的，在技术方面的创新体现

的更为重要。国际上的做医疗器械的著名企业无不是通过技术的创新来占领市场

的，但是我国的整体创新能力不足，这对我国从事这方面的企造成了很大的障碍，

很多企业依靠简单的仿制想占据市场，这样是不可能永久占领市场的，很快会被

淘汰。同时国家政策对企业的创新激励也不足，所以，一些企业不愿投入巨大的

资金用于技术创新和研发新产品，这样就造成了我国在医疗器械的研发水平上一

直不能跟国际接轨。

经过总结，阻碍我国医疗器械产业发展的主要因素有以下几个方面：

1、经济因素。经济因素是阻碍我国医疗器械产业快速发展的根本原因，一个

国家对社会医疗卫生的财政投入与国家的经济发展状态息息相关[5]。在过去的几年

间，国家对整个社会的医疗卫生费用的投入仅占国民生产总值的 5%左右，这远远

低于发达国家的水平。财政的投入偏少就严重限制了有关企业对新产品的研发的

投入，一连串的反应就直接影响到我国医疗器械产业的发展速度。再加上我国的

人均收入并不高，使得一大部分人还是消费不起这昂贵的医疗设备及服务，综合

起来，经济的因素占着主导的地位。

2、技术因素。与一些发达国家相比，从总体上我国很多方面的技术都要落后

于一些发达国家，技术的落后致使高新科技在医疗器械产业的应用就落后于发达

国家，技术是一个决定性的因素。从过去几年的统计数据看，我国的医疗器械的

技术水平相对于发达国家至少要落后十年到二十年，以这样的落后技术生产的产

品，在国际上无法与其他国家竞争，要想达到世界的先进水平就必须在技术方面

增加竞争力。再加上国家对专利等知识产权的保护不足，对个人及企业的创新激

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摘要：

摘要随着经济的发展和生活水平的提高，人们对自身健康的关注度越来越高，因此近几年来，跟医疗器械相关的产业的发展速度都非常迅猛。医疗器械产业的发展和人们的生命健康息息相关，在医疗器械产品的应用中融入了许多最新的各个学科的研究成果，许多最新的科技产物与医学的结合形成了现代化的医疗产品。在我国经济飞速发展的今天，我国对医疗器械产业的投入也在不断的增加，再加上政策的引导，这都将促进我国医疗器械产业的快速发展。而医疗诊断设备是整个医疗器械产业中发展最快的一部分，近年来癌症等重大疾病的发病率很高，这些疾病的确诊离不开医疗诊断设备。病理切片机是用于肿瘤诊断的重要设备，本文就是基于市场上现有的病理用切片机，采用...

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