生化樣本前處理系統中樣本容器自動開蓋裝置設計*

白曉亮 崔 石 姜大偉

生化樣本前處理系統中樣本容器自動開蓋裝置設計*

白曉亮①崔 石②姜大偉③

目的：設計一款能夠去除橡膠蓋及螺旋蓋的生化樣本前處理系統自動開蓋裝置，可兼容不同規格的樣本容器與容器蓋，解決現有樣本容器開蓋設備適應性差、結構復雜及可靠性低等問題。方法：由夾持機構、開蓋機構、提升機構、旋轉機構和廢蓋回收機構5部分構成自動開蓋裝置，樣本容器蓋的加緊及旋轉采用同一個動力元件。結果：新型自動開蓋裝置適用于CS-6400等系列全自動生化分析儀，可有效提高生化樣本的檢測效率，減少交叉污染，降低了樣本容器制造成本和維護費用，增大了系統的可靠性。結論：所設計的自動開蓋裝置，可解決目前樣品容器開蓋裝置存在適應性差和可靠性低等技術問題，滿足臨床檢驗實用化的需要。

樣本容器；開蓋裝置；生化分析儀

[First-author’s address]Changchun Dirui Medical Science and Technology Limited Liability Companied, Changchun 130000, China.

隨著現代醫療科技飛速發展，生化樣本高效檢測已成為臨床檢驗機構追求的目標。據不完全統計，在血液樣本臨床檢驗過程中，前處理部分約占臨床檢驗總時間的65%，樣本運輸時間約占2%，樣本在線分析時間約占15%，分析后處理時間約占18%[1-3]。臨床中，在生化樣本采集和送檢過程中經常會出現樣本條碼粘貼錯誤，醫囑申請重疊或操作人員與測試樣本發生交叉污染等常見問題。在不同操作者之間，由于操作手法不同會造成測試質量不穩定。因此，引進前處理系統，既可以減少操作時間的浪費、降低人工成本，又可提高測試質量和檢驗系統工作效率[4-7]。然而，由于傳統樣本容器除蓋的設備功能不完善，去除螺旋蓋的結構復雜，動力源較多，存在破壞樣本容器保持架夾持穩定性的風險。鑒于現有技術的不足，本研究設計一種用于樣本容器的自動開蓋裝置，可解決目前樣品容器開蓋裝置結構復雜及可靠性差等技術問題。

1 生化樣本前處理系統與傳統樣本容器開蓋裝置

1.1 生化樣本前處理系統

生化樣本前處理系統按各組功能的不同分為篩選、貼簽、開蓋、分裝和離心5部分[8-10]。樣本容器自動除蓋技術可提高樣本檢測過程的工作效率，減少檢測過程中人為因素對樣本的直接接觸和交叉污染。在傳統的樣本容器蓋開蓋設備中，樣本容器的蓋在容器本體被夾持器夾持的狀態下，開蓋機械臂的遠端部分將其夾緊并被開蓋裝置的提升機構向上推動，從而自動開蓋[11-12]。

1.2 傳統樣本容器蓋開蓋裝置

由于傳統樣本容器蓋開蓋的設備功能不完善，導致存在使用和成本問題：①不能打開不同螺距的螺旋蓋，且不適應不同規格和尺寸的樣本容器；②采用旋轉樣本容器的方式打開螺旋蓋，其結構復雜，存在破壞樣本容器保持架夾持穩定性的風險；③樣本容器蓋開蓋設備動力源較多，夾緊力不易控制，存在可靠性不高的風險，且成本較高。因此，現有技術有待改進和發展[13]。

2 樣本容器自動開蓋裝置的設計

2.1 自動開蓋器主要結構

設計的樣本容器自動開蓋裝置需要去除各類生化樣本容器橡膠蓋及螺旋蓋，可兼容不同規格的樣本容器與容器蓋，且結構原理簡單，成本低。設計的自動開蓋器基本結構由夾持機構、開蓋機構、提升機構、旋轉機構和廢蓋回收機構5部分組成，且樣本容器蓋的加緊及旋轉采用一動力元件實現，其結構簡單，能夠可靠去除螺旋蓋和樣本容器塞，可自動適應不同尺寸的容器，無需從其載體中移走容器即能夠去除樣本容器蓋的開蓋裝置(如圖1所示)。

圖1 樣本容器自動開蓋器示意圖

生化分析儀工作時，檢測系統檢測容器載體中的樣本容器存在與否，并判定容器蓋的類型，此時自動開蓋器的夾持機械手控制夾持爪閉合并將樣本容器固定，提升機構驅動開蓋機構下降到開蓋位，旋轉機構驅動開蓋機構的芯軸旋轉，打開樣本容器蓋。同時，提升機構驅動開蓋機構提升到復位零點，并觸發復位傳感器。當復位傳感器被觸發，檢測系統檢測樣本容器蓋是否成功開蓋，如果樣本容器蓋未能成功開蓋，則重復開蓋程序，直到開蓋成功或操作超時。開蓋成功后，廢蓋回收機構將回收溜槽移動至廢蓋接收位，樣本容器蓋落入回收溜槽后，從回收溜槽及空心軸滑入廢蓋箱。

2.2 夾持機構

夾持機構設置于機架上，為便于控制夾持爪采用電磁形式實現樣本容器加緊固定，防止樣本容器旋轉。夾持機構下方設計用于放置樣本容器的容器載體，防止樣本容器沿軸向移動，同時設有位置傳感器檢測樣本容器的存在，由控制系統確定夾持機構的夾緊工作狀態(如圖2所示)。

圖2 自動開蓋器夾持機構示意圖

2.3 提升機構與旋轉機構

樣本容器開蓋機構在帶動樣本容器蓋脫離樣本容器的過程中，需要豎直方向升降運動以及水平方向回轉運動，為保證傳動精度，降低設備成本，設計的提升機構由1臺步進電機、1套齒形帶傳動機構和1套滑動導向機構組成。同步齒形帶傳動精度高，配合開蓋機構后側滑動導向機構，可實現開蓋機構的豎向上下移動。

設計的旋轉機構由設置在機架頂部下方第二步進驅動馬達、配合兩套水平布置同步齒形帶傳動機構組成。第二步進驅動馬達通過同步齒形帶傳動機構，帶動與開蓋機構連接的傳動軸轉動，實現帶動開蓋機構運轉。旋轉機構上設有一光耦，用于檢測所述旋轉機構的正轉和反轉，旋轉機構的正轉和反轉可使開蓋機構實現夾緊或松開樣本容器蓋(如圖3所示)。

2.4 開蓋機構

開蓋機構設置在夾持機構上方，用于取下樣本容器蓋，需要在轉動的同時實現對樣本容器蓋的加緊，若單獨設置動力源，電路布線將導致結構變復雜，因此采用單純機械滑動機構實現樣本容器蓋加緊(如圖4所示)。

圖3 自動開蓋器旋轉機構示意圖

圖4 自動開蓋器開蓋機構示意圖

旋轉機構帶動開蓋機構轉動時，由于阻尼塊的阻尼力阻止從動盤旋轉，使夾爪遠端的軸承在從動盤中的長圓形滑槽中向外側滑動，實現夾爪向中心靠近并夾緊樣本容器蓋，開蓋結構能夠打開樣本容器含有橡膠的容器蓋及螺旋蓋。

2.5 廢蓋回收機構

樣本容器蓋的廢蓋回收機構設置在機架右側，由第三驅動馬達、第三傳動輪和第三位置傳感器裝置組成。當開蓋機構取下樣本容器蓋后，廢蓋回收機構的第三驅動馬達通過第九驅動輪、傳動帶從動盤驅動回收溜槽繞空心軸移動，用于回收廢蓋(如圖5所示)。

圖5 自動開蓋器廢蓋回收機構示圖

3 自動開蓋裝置控制系統

3.1 控制系統功能

開蓋機控制功能主要包括以下內容：①位置控制，可使試管架以穩定的速度運行到每個位置并精確定位；②保護功能，能夠提供各種電氣過流及機械限位保護；③人機界面功能，為了方便使用者，以單片機為核心的控制系統通過數據線連接觸摸屏，可修改運行參數，根據不同廠商專用試管架選擇不同的程序組運行，并實時顯示本機運行狀態。

3.2 控制系統流程

開蓋單元控制系統采用CS-6400等生物樣本前處理系統控制界面，開蓋單元是重要的樣本容器前處理單元，當點擊觸摸屏上開蓋單元執行按鈕時，樣本前處理系統的傳動裝置將離心后未開蓋的生物樣本容器傳送至自動開蓋器夾持機構下端的容器載體中，通過開蓋單元完成生物樣本容器開蓋全過程(如圖6所示)。

圖6 開蓋單元控制系統結構框圖

開蓋單元控制流程為：系統接收到開蓋指令后→開蓋的單片機自動發出復位命令及檢測各部件工作狀態→復位成功后單片機控制各元器件執行開蓋動作→完成開蓋過程(如圖7所示)。

圖7 開蓋單元控制流程圖

4 樣本容器自動開蓋裝置的性能指標

(1)自動開蓋器主要應用于醫院檢驗科、實驗室，用于將各類試管上的膠蓋取下并收集起來，是自動生化檢測儀配套的一種自動化設備[14-15]。本研究設計的開蓋裝置主要用于CS-6400等系列全自動生化分析儀中。

(2)自動開蓋器取代了現有的手工作業，提高了工作效率、降低操作人員的勞動強度和避免操作人員感染的可能性，開蓋速度為每只樣本試管僅用1.5～2 s。

(3)該裝置設計合理、定位精度高，能夠用于多種規格試管的自動開蓋，且適用于塑料和玻璃兩種材質的樣本試管及相應規格的塑料蓋和橡膠蓋。

5 結論

本研究設計的用于生物樣本前處理系統中的自動開蓋裝置，可解決目前樣品容器開蓋裝置結構復雜、價格高及可靠性差等技術問題，并能夠降低制造成本、儀器的復雜程度和故障隱患，增強系統的可靠性。自動開蓋裝置具備可兼容不同規格的樣本容器與容器蓋、可智能判別是否具備開蓋條件以及樣本容器蓋的加緊及旋轉僅采用一個動力元件從而節省成本和維護費用等優點。本研究順應醫療器械自動化的發展趨勢，隨著系統的研制完成與推廣，必將產生良好的社會效益。

[1]郝曉柯.國內實驗室自動化的現狀與思考[J].中華檢驗醫學雜志，2013，36(1)：25-28.

[2]Luis Orozco.Programmable-Gain Transimpedance Amplifiers Maximize Dynamic Range in Spectroscopy Systems[J].Analog Dialogue，2013，47(5)：1-5.

[3]Gu WJ，Wei J，Chen YF，et al.Comparison of Outcome Biases Eegardlng the Two Modes of Sample Aspiration Offered by the Olympus AU2700 Automatic Biochemical Analyzer[J]. Laboratory Medicine，2012，43(3)：96-99.

[4]周衛斌，吳勇，倪慧珍，等.醫院自動血液樣本前處理系統的設計[J].醫療衛生裝備，2012，33(9)：33-34.

[5]楊東，劉妙芳，黃平堅，等.臨床檢驗自動化流水線的發展現狀及展望[J].中國醫學裝備，2005，2(1)：14-18.

[6]張超.實驗室樣本前處理系統的應用研究與實踐[J].醫療衛生裝備，2013，34(12)：51-53.

[7]Johnston MS，Rosenthal KL，Shofer FS.Assessment of a point-of-care biochemical analyzer and comparisonwith a commercial laboratory for the measurement of total protein and albumin concentrations in psittacines[J].Am J Vet Res，2007，68(12)：1348-1353.

[8]Hany M，Hasanien.FPGA implementation of adaptive and controller for speed regulation of permanent magnet stepper motor drives[J]. Energy conversion and management，2011，52(2)：1252-1257.

[9]解傳芬，陳躍平，王志紅.基于漸進式、開放式架構的實驗室自動化系統設計[J].中國醫療器械雜志，2015，9(4)：268-271.

[10]逯文晶，孫佳姝，蔣興宇，等.基于移液器槍頭的集樣品預處理擴增于一體的核酸分析系統[C].貴陽：中國醫學裝備協會第二十五屆學術年會論文匯編，2016：5-10.

[11]李新，楊勇.生化分析儀數據采集系統的設計[J].電子設計工程，2016，24(20)：113-117.

[12]韓冬.基于嵌入式Linux與QT的微型生化分析儀界面軟件設計[J].自動化技術與應用，2016，35(8)：63-66.

[13]岑旭東，宋成橋，朱蘊璞.多功能分析儀溫度控制系統設計[J].國外電子測量技術，2016，35(7)：80-84.

[14]方在華，黎海文，郝鵬，等.基于離心式微流控芯片的生化分析儀控制系統[J].測控技術，2014，33(5)：57-60.

[15]Khiat A，Spronck JW，Schieveen JV，et al.Linear and rotational thermal micro-stepper motors[J]. Microelectronic engineering，2012，98(10)：497-501.

Design of automatic cap opening device for specimen container in the specimen pretreatment system of biochemistry analyzer/

BAI Xiao-liang, CUI Shi, JIANG Dawei//China Medical Equipment,2017,14(2):1-4.

Objective:To design a new automatic cap opening device consists of holding mechanism, open mechanism, improve mechanism, rotating mechanism and recycling mechanism in order to resolve the poor adaptability, complex structure and lower liability problem for specimen container in the biological specimen pretreatment system.Methods:This paper designed a automatic equipment to remove the rubber cap and screw cap. This equipment is compatible with the different specification specimen containers and the container cap, and the specimen container cap was stepped up and rotated with same power component.Results:The application of equipment has reduced the manufacturing cost and maintenance cost for specimen container, improved the system reliability, solved the current technical problems of the equipment, such as poor adaptability and lower liability.Conclusion:The design of equipment mainly adapts to CS-6400 series of automatic biochemical analyzer, and it can improve the detection efficiency of biological specimen, reduce the cross contamination and satisfy the practice necessity for clinical detection.

Specimen container; Cap opening device; Biochemical analyzer

1672-8270(2017)02-0001-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.02.001

2016-09-25

國家國際科技合作專項(2013DFA30670)“樣本前處理系統”

①長春迪瑞醫療科技股份有限公司 吉林 長春 130000

②長春迪瑞醫療科技股份有限公司 吉林 長春 130000

③長春工業大學 吉林 長春 130000

白曉亮,男,(1981- ),碩士，高級工程師。長春迪瑞醫療科技股份有限公司，從事全自動生化分析儀研發工作。