基于IHC染色機系統原理

【摘要】 重點研究自動IHC染色機的工作原理、控制軟件及其實現方法，控制軟件包括IHC染色規程的制定、抗體與試劑的選擇、玻片與試劑的自動定位、染色規程的自動運行與實時監控等功能。實驗證明該染色效率有顯著提高。

【關鍵詞】 自動染色機;控制軟件;控制算法

計算機技術的廣泛應用，使現代醫療器械的自動化、智能化、數字化、微型化程度得到了極大的提高，更能受到市場的歡迎。全自動免疫組化染色儀具有標準化程度高、重復性好、自動化程度高、染色結果可靠、環保健康等優點，是病理工作者的好幫手。研究自動IHC染色機，就是把各種計算機技術運用于IHC(Immunohistochemistry)染色實驗的精密醫療實驗儀器。

一、自動IHC染色系統組成

一個完整的自動IHC染色系統由控制計算機、運動控制卡、染色主機及輔助設備組成(如圖1所示)。各組成部分在系統中的作用概括如下:

(1)計算機。實驗人員通過操作安裝于計算機中的控制軟件，編制染色規程，選擇抗體與試劑，識別玻片與試劑的位置，監控染色規程的運行;控制軟件通過驅動與編程接口，根據實驗人員輸入的染色信息生成控制指令通過PCI(Peripheral Component Interconnect)總線傳送給運動控制卡，根據運動控制卡返回的狀態信息進行監控。

(2)運動控制卡。系統的核心控制元件，一方面它從計算機接收控制指令，并譯碼成相應的控制脈沖，控制染色機的各種執行機構完成染色動作，另一方面檢測染色機某些功能元件的狀態，返回到計算機。

(3)染色機。自動染色的執行機構，具有自動染色所需的運動機構、控制機構、以及相關輔助機構。通過控制箱中和各種板卡接收運動控制卡的各上控制脈沖和信號，控制各機構和元件自動完成各種染色動作。

(4)輔助設備。主要包括二維條碼打印機以及普通打印機，二維條碼打印機通過串行接口連接到控制計算機，負責打印用于在染色過程中識別玻片和試劑的二維條碼標簽。普通打印機通過并口連接到控制計算機，方便實驗人員打印實驗結果。

二、染色動作軟件實現

整個染色過程被分解為一系列的基本染色動作，包括清洗探針、沖洗玻片、吹干玻片、試劑加樣等。在自動染色機的控制軟件中，通過對運動控制卡編程控制，實現這些染色動作的自動執行，主要有如下過程:

(1)染色規程運行開始必須對控制系統加電，運行結束時必須將系統斷電。系統加電功能的偽代碼如下:

SendString(OmsHandle，“BL7;WQ”);//通過設置控制板卡用戶I/O引腳7為低電平加電;OmsWait(13000);// 等待13秒;

SendAndGetString(OmsHandle，“BX;WQ”， response);//讀取控制板卡用戶I/O引腳狀態到字符數組response;v = _tcstoul(response，0，16);// 使用庫函數將response轉成16進制整數并傳給變量v;

if ((v 01000000) != 01000000){// 判斷v的第7位是否為1;// 第7位是0，加電不成功提示用戶出錯;}

系統斷電功能的偽代碼如下:

SendAndGetString(OmsHandle，“BX;WQ”，response);

v=_tcstoul(response，0，16);

if(v 01000000)== 01000000) {// 判斷v的第7位是否為1;

SendString(OmsHandle，“BH7;WT2000;WQ”);//當v第7位為1，通過設置控制板卡用戶I/O引腳7為高電平關電;}

(2)運動控制。在染色規程運行前，系統首先將各個軸移動到原點位置，回原點使用專用命令“HR”，該命令需要配合硬件的原點傳感器來使用，從而使驅動各個運動軸的步進電機的脈沖計數歸位到0。X軸的回原點的偽代碼如下:

command.Format(\"AX;AC%d;VL%d;VB%d;WQ\"，xACHome，xVLHome，xVLbase);//編輯X軸的加速度、勻速度、和起始速度設置命令字符串command;

SendString(OmsHandle， command.GetBuffer(255));// 將速度設置命令

SendString(OmsHandle，“AX;HR;ID;WQ”);//使用HR命令讓X軸回到原點，當X軸回到原點時設置完成標志;

CheckDoneFlags(OMS_X_AXIS);//通過檢驗X軸的完成標志等待X軸回到原點。

三、自動定位多線程實現

多線程是同一個進程中同時執行多個任務，方便進行多個任務的并發控制。線程有兩種:用戶界面線程和工作線程。用戶界面線程擁有自己的消息循環，工作線程則沒有?？紤]到玻片與試劑的自動定位功能需要花費一定的時間，為方便在出現意外情況下中斷自動定位的執行流程，另開啟一個工作線程來執行自動定位功能。當主線程開啟掃描線程之后，掃描線程進入自己的執行函數。在掃描線程執行期間，主線程主要負責完成兩個工作:(1)當掃描控件接收到DecodeDataAvailable事件，即條碼數據獲取事件，響應該事件，保存條碼信息之后將條碼標志置為真。條碼標志是主線程與掃描掃描線程的共享對象，用于主線程通知掃描線程掃描儀在當前試劑放置處獲得了條碼數據，表示用戶在該處放置了試劑瓶。(2)監控界面顯示，一旦發現染色主機在掃描過程中出現異常狀況，可立即中斷掃描線程的運行。

掃描線程進入執行函數首先對染色主機進行加電，并讓各個運動軸回到原點位置。這一點非常重要，如果掃描線程之前被主線程中斷，各個軸需要通過回原點位置來恢復運動控制卡的寄存器狀態，否則會引起運動超程等錯誤。在各運動軸回到原點之后，掃描線程嘗試通過串行接口連接操作頭部件中的條碼掃描儀，如果連接失敗，則提示用戶檢查錯誤，并將染色主機斷電后從掃描線程返回。掃描儀連接成功后，對于試劑定位，在測定試劑容量時探針需要接觸試劑，為防止不同試劑互相混合，每測定一個試劑瓶前都必須先針探針進行清洗。在玻片定位過程中，只需在整個掃描之前清洗一次探針防止探針中殘留試劑滴落在玻片上。

由前文可知，每個試劑架有40個試劑放置位置(4行，10列)，事先通過校準軟件測得試劑架第一個放置位置的坐標(X0，Y0)以及各個放置位置之間的橫向間距(SX)和縱向間距(SY)，通過這些參數可計算出每個試劑放置位置的坐標(Xi，Yj)，其計算公式為:Xi =X0+i*SX，Yj =Y0+j*SY。當操作頭移動到該坐標處，掃描儀執行一次掃描動作后，如果用戶在該位置放置了貼有識別標簽的試劑瓶，掃描儀的掃描系統獲取標簽上的二維條碼圖像，經過信號整形和譯碼后將數據傳送給主機，觸發掃描控件產生DecodeDataAvailable事件。主線程捕獲該事件將數據保存在條碼信息變量中，將條碼標志置為真。從掃描儀執行掃描動作到主線程獲得條碼信息，這一過程的執行時間很短，在這段時間內可將掃描線程掛起1秒以等待該過程結束，掃描結束等待結束后，判斷條碼標志是否被置為真，如果非真，掃描下一個位置，如果為真，則認定該坐標處存在試劑瓶，根據獲取的條碼信息在本次IHC實驗所需試劑中查找。

如果查找成功，則使用操作頭中的探針頭上的液面傳感器，測定液面位置ZT，根據試劑瓶的瓶底位置ZB，及試劑瓶截面積S，可計算得到試劑容量V，其計算公式為V=(ZB-ZT)*S。至此完成一個試劑位置的掃描，最后將獲得的試劑的名稱和容量實時顯示在控制軟件的監控界面上。在掃描完所有的試劑位置后，控制軟件將各個運動軸移回原點位，染色主機斷電，線程返回。主線程可根據掃描定位結果，計算出當前各種試劑的容量，判斷是否足夠實驗使用，如果不足，提示用戶添加。

四、染色規程自動運行技術

染色規程的自動運行是其核心，在此提出分割運行算法和迭代運行算法，經實驗比較起算法效率，提出確定使用迭代運行算法的控制軟件進行自動IHC染色實驗能夠充分提高染色的效率。分割運行算法是基于化繁為簡的思想，將一個的父染色規程的分割成多個順序連接的子染色規程。除去染色規程開始的預沖洗操作，其余的沖洗操作都是與它之前的滴加試劑操作相匹配的，根據這一特點可知，只包含一個滴加試劑操作步驟和一個沖洗操作步驟的染色規程是染色規程可分割的最小單元。

在分割運行算法中，染色規程是分割成子染色規程逐個運行的，這個先運行結束的玻片仍然處于一個未完全運行結束的子染色規程中，雖然此時染色機處于空閑等待狀態，具備繼續運行的條件，由于算法自身的缺陷該玻片將不會得到運行。針對這一缺陷，對分割運行算法進行改進，設計出迭代運行算法。由分割運行算法的實現可知，通過一次循環將所有的子染色規程運行結束。而迭代運行算法在允許各個子染色規程交叉運行的前提下一次循環中盡可能多地運行子染色規程，整個過程由多次循環檢查運行子染色規程完成。

五、算法分析與比較

以一個包含n個玻片、m步染色規程的染色規程為例，令第i個玻片執行第j步染色操作的時間為Tij，在分割運行算法中，染色規程的運行時間為所有子染色規程的運行時間之和，每一子染色規程的運行時間取決該子染色規程中試劑反應時間最長的那個玻片。

六、結論

通過比較可以發現，在染色規程的其它設置相同的情況下，隨著玻片數目與染色規程數的增加，試劑種類相應增加，各種試劑與切片的反應時間之間的差異相應增大，按迭代運行算法運行染色程序比按分割運行算法運行所節省的運行時間也越多。與分割運行算法相比，迭代運行算法在運行復雜的染色規程時充分體現出了其優越性，使用采用了迭代運行算法的控制軟件進行自動IHC染色實驗能夠充分提高染色的工作效率。

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