多吊籃染色機的設計開發

戈國錦

（常州市中威電子儀器有限公司，江蘇 常州 213000）

1 引言

我們國家在病理切片的處理設備上起步較晚，尤其是病理切片染色，很多醫院都是手工操作，操作者的工作強度大，人為因素極易影響切片染色質量，而且國產的自動控制設備容量小、可靠性差、染色效果不盡人意。目前大的（三甲）醫院主要是靠購買進口設備，國外“萊卡”、“珊頓”、“櫻花”等品牌，可以說是全球病理設備的三巨頭，基本壟斷了國內大中型醫院的市場。為了振興民族工業，在病理切片的自動控制設備上有自己的一席之地，必須開發具有自己品牌的多吊藍染色機。

2 染色機的設計要求

為了與國外的染色機品牌抗衡，首先必須了解國外染色機的特點，尤其在使用過程中有什么好的功能必須保留，有什么不足的地方需要改進，做到揚長避短；根據染色機市場調研分析，我們新開發的染色機主要須解決以下幾個問題：

（1）串液問題。目前HE染色是以浸染為主，就是把不同的試劑存放不同的缸里，按一定的順序排列，裝有切片的吊籃就放在試劑缸里，由浸泡的時間長短來控制，當吊籃在試劑缸里處理的時間到了，自動控制裝置將裝有切片的吊籃從缸里提起，放到另一缸里去處理。當切片從試劑缸提起時，切片上有殘留的試劑，這個殘留的試劑帶到下一缸就對下一缸試劑造成污染，形成串液。由于串液，使得試劑的利用率大大降低，試劑的使用壽命大大縮短。為了提高試劑的重復利用率，提高試劑的使用壽命，要盡可能減少切片上的殘留液，也就是減少串液。

（2）隨時加載。對多吊藍染色機來說，隨時加載尤為重要。因為多吊藍染色機處理量大，可以滿足較大醫院的切片量。有5吊藍同時在設備中運行的多吊籃染色機，醫院比較歡迎：一個籃的切片做好了就加載到設備系統里去處理，下一個籃做好了馬上加載到系統里去，而不需要等到5個籃的切片都做好了同時放到系統中去處理；有可能第5個籃做好了加載到系統中去的時候，第一籃的切片可能已處理完了，后面還可以加載新的切片到系統里去，周而復始，處理更多的切片。這樣靈活多變，最大限度地提高了設備的利用率和工作效率，盡可能地縮短被診斷病人的等待時間。

（3）提高設備的運動精度。設備在工作過程中，吊籃從一試劑缸到另一試劑缸，機械臂的位置精度要高，能保證每一點的精確定位。設備的故障往往是由于定位精度誤差而引起，理論上步進電機精度能滿足多吊籃染色機的定位精度的要求，但是實際上由于某些原因，會導致步進電機失步而引起誤差，而且誤差的累積最終導致設備故障。

（4）環保問題。染色用試劑有二甲苯、梯度酒精、稀鹽酸等有害易揮發性氣體，對操作人員及操作環境有較大的影響。

3 開發設計

3.1 總體設計

圖1

HE染色，針對切片來源不同，染色所用試劑、步驟也不同，對于包埋切片有18種試劑。要滿足5個藍同時在系統里運行，考慮到有緩沖余地，必須至少有4～5個等待缸，由于流水清洗在染色過程中反復多次使用，至少要有3個清洗缸，還有一個是加熱烘缸，至少要有26只缸，如果26缸的布局呈現一字排開，設備的結構顯然不合理，采用雙排形式布局結構比較緊湊。在結構上采用透明有機玻璃罩，使整個染色過程在密閉的環境中運行，為了滿足隨時加載、卸載切片的要求，設置兩個抽屜，一個抽屜專門加載，另一抽屜專門卸載，需要染色隨時可以加載，或者染色完成后隨時可以卸載，就不需要打開有機玻璃罩來取放切片架，加載抽屜可以代替一個等待缸，這樣就只需要3個等待缸了。

3.2 串液問題的解決

串液對于染色來講是最頭疼、也比較難以解決的問題，國外三巨頭的自動染色機對此也沒有好的辦法。手工染色是靠人拿著染色架篩的，我們做了很多試驗，開始考慮用風吹，但是切片有一定的寬度，裝在染色架上切片緊挨著，沒有多少間隙，風吹要順著切片縫隙吹，而且每個切片都要能吹到。風吹要有風源，大量的試驗效果尚可，但穩定性差，實現起來有一定的難度。后來考慮用振動的辦法來解決，初選功率2W、轉速3000r/min、振幅5mm的振動電機，直接在設備上試驗，首先考慮安裝的位置，然后試振動效果，改變振幅以及電機的壽命試驗。最終確定振動電機安裝在提籃的吊鉤上、增幅3mm的效果比較好。在提籃的同時，打開振動電機，切片上的液體通過振動滾落到試劑缸里，而切片上基本無殘液，基本解決了串液難題。進口設備一般約20天更換一次試劑，而我們的設備增加了振動排殘液功能，一般約30天更換一次，試劑的試驗壽命延長了1/3。更換一次試劑約2000元，僅試劑費每年可節約近萬元，具有良好的經濟效益和社會效益。

圖2

3.3 自動控制設備

盡管步進電機有較高的定位精度，但是易由于某些原因導致失步而引起誤差，所以，為了保證系統的運行精度，一般采用步進電機閉環控制；閉環控制方法有多種，如可以在從動輪上考慮安裝編碼器等。我們根據設備的結構，采用的是光電傳感器的方式。試劑缸的背后有一條定位條，在每個試劑缸的對應位置上，定位條上有10mm的透光槽，實際上光電傳感器的透光槽0.26mm就能動作，但考慮到：（1）槽過窄容易堵，設備在使用過程中由于環境的影響，垃圾易把槽堵住，影響透光性；（2）槽過寬會影響定位精度，尤其是正、反向是否能停在同一位置，所以我們開10mm的槽，是考慮到無論是正向還是反向接近槽時，不管運行速度快慢，系統都能接收到停止信號，然后步進電機作指數減速運動，并記錄脈沖數，當走過520個脈沖電機停止（通過計算，左右傳動部件移動5mm步進電機需要520個脈沖），也就是到槽的中間位置停下，保證了正向、反向接近槽時都能停在槽的中間位置，也就保證了定位精度，并因為有減速運行，減少了對設備的沖擊。步進電機的啟動和停止采用指數加、減速控制方式：

加速過程：V（t）=Vi（1-e-t/T），T為時間常數。

勻速過程：V（t）=Vi

減速過程：V（t）=Vie-t/T

3.4 環保設計

隨著人們環保意識的提高，設備對運行環境的影響指標也越來越苛刻。自動染色機所用試劑，大多是有毒、易揮發性的，盡管我們可以把染色機放進有機玻璃罩形成的密閉空間，但是染色完畢對設備進行清洗保養需打開有機玻璃罩，還易受到試劑的危害。目前市場上用得比較多的方法是采用活性炭吸附方式，我們在設備里安放了活性炭過濾器，可吸附有毒氣體，以盡量減輕對操作人員的傷害。

4 結語

我們的多吊藍染色機進入市場至今，功能完善、表現穩定，受到病理系統各界的肯定，有些原準備購買進口設備的醫院也準備購買我公司的設備。僅一年時間，我們已經完成了46套的銷售業績，其中有3套銷往巴西、意大利等西歐國家，成功打入國際市場，取得了良好的經濟效益和社會效益。該設備還獲得了振動、排殘液等三項實用新型專利。

圖3 指數加、減速的速度軌跡曲線