幽門螺桿菌檢測儀自動進樣系統的設計與實現

李磊

深圳市中核海得威生物科技有限公司 （廣東深圳 518057）

幽門螺桿菌是消化道潰瘍、慢性胃炎及胃癌最常見的致病菌。14C 尿素呼氣試驗檢測系統主要通過非侵入方式診斷胃和十二指腸是否感染幽門螺桿菌。該系統包括幽門螺桿菌檢測儀和呼氣卡（用于收集受測者呼出的氣體）兩部分。檢測原理如下：受測者口服14C 標記的尿素膠囊后，存在其胃內的幽門螺桿菌產生的尿素酶將使尿素分解為14CO2和NH3，檢測儀中內置的兩個蓋革米勒計數管用于探測14C 釋放的低能β 射線，計數數值≤40表明受測者未感染幽門螺桿菌，計數數值＞40但＜50表明處于臨界值（不確定是否感染），計數數值≥50則可確定受測者感染幽門螺桿菌[1-2]。檢測原理見圖1。

圖1 幽門螺桿菌檢測原理

由于14C 尿素呼氣試驗具有準確性高、無創、無痛苦、重復性好、操作簡便的優點，其在臨床幽門螺桿菌檢測中得到了廣泛的應用[3-5]；但目前市場上使用的幽門螺桿菌檢測儀需要醫護人員手工放置呼氣卡至檢測室完成檢測，單次樣品測量時間為4分10秒，當樣品較多時，醫護人員每間隔4分10秒需手動更換1次樣品，既煩瑣，又低效。為滿足臨床大批量樣品檢測的需求，提高檢測效率和精度，本研究設計了幽門螺桿菌檢測儀的自動進樣系統。該系統可靈敏、準確、快速地連續檢測24張呼氣卡，并可通過觸摸液晶屏完成數據的可視化呈現；可單機工作，也可通過USB 連接上位機，對接醫院數據管理系統。

1 總體設計方案及原理

1.1 總體設計方案

幽門螺桿菌檢測儀自動進樣系統由自動進樣、樣品檢測、微控制器及其控制軟件組成。自動進樣部分包括可一次性放置24張呼氣卡的料盤、用于移動呼氣卡至檢測室的過渡裝置、條形碼掃描器及驅動過渡裝置在滾珠絲杠上往復運動的步進電機；樣品檢測部分主要由用于探測β 射線的蓋革米勒計數管、由合金材料制造的隔離外界干擾的檢測室組成；微控制器及其控制軟件由主控電路板及運行于微控制器內部Flash 的帶嵌入式實時操作系統的控制軟件組成。

1.2 工作原理

當光纖放大器檢測到料盤卡槽中有樣品卡時，電磁鐵動作拉出卡槽下面的限位銷，樣品卡自由落體落入正下方過渡裝置；當位于過渡裝置中的反射式傳感器檢測到有樣品卡時，步進電機帶動絲杠轉動，過渡裝置移動至檢測室上方[6-7]；此時，條形碼掃描器打開，完成條碼識讀后，過渡裝置中電磁鐵動作拉出限位銷，樣品卡落入檢測室，主控板信號采樣電路采集蓋革米勒計數管產生的負脈沖信號，并在液晶屏上實時顯示檢測進度；同時，過渡裝置運行獲取料盤中的下一張樣品卡；檢測完成后，樣品卡落入檢測室下方的廢料倉，過渡裝置中的下一張樣品卡落入檢測室開始檢測；如此循環，可完成24張樣品卡的連續自動檢測。

2 自動進樣結構

自動進樣結構整體可劃分為三層：第一層為料盤層，第二層為樣品運送層，第三層為檢測室。檢測室的入卡口向上，而檢測室底面通過電磁鐵控制限位銷實現打開和關閉（測量時關閉，出卡時打開，將卡漏出至廢卡倉）。結構設計見圖2。

圖2 自動進樣結構設計

2.1 料盤

料盤共24個卡槽位，可放置24張樣品卡。每個卡槽下面對應有限位銷，用來阻擋樣品卡。為避免強陽性樣品卡污染其他鄰近樣品卡，卡槽位之間保持一定厚度，以阻擋強陽性卡釋放的低能β 射線。

2.2 過渡裝置及運動機構

當步進電機控制絲杠轉動使過渡裝置在導軌上移動至某卡槽下方位置時，通過光纖傳感器判斷卡槽中是否有樣品卡；若有，則主芯片控制電磁鐵動作拉開限位銷，使樣品卡落入過渡裝置中。由于過渡裝置在步進電機的驅動下運行時與底板產生共振引起較大噪聲，故固定電機處加裝硬質橡膠作減振[7-9]。

2.3 條形碼識讀

選用LV1000R 嵌入式一維條碼識讀器，其識讀景深40～430 mm，符合儀器結構設計需要。識讀碼制支持Code128、Code39、Code93等醫院常用條碼制式。

3 硬件設計

3.1 總體硬件框架

網測交流220 V 電源經過EMI 濾波器接入開關電源，開關電源輸出的多組直流電輸入至主控板。主控板外接有USB 板、傳感器和光電開關、電磁鐵和步進電機、蓋革米勒計數管、觸摸液晶顯示屏、熱敏打印機[10-11]，見圖3。

圖3 總體硬件框架

3.2 主控板硬件

本研究將電路設計到一塊單板上，采用ARM Cortex-M3架構的STM32F407作為主控制器[12]。開關電源輸出有3路，分別為24、12、5 V。24 V 主要為步進電機和電磁鐵及高壓模塊供電；12 V 主要為觸摸屏的背光、光電開關及光纖放大器供電；5 V 主要為芯片供電，并轉換3.3 V 供主控制器使用。整個系統電路主要分為五部分，分別是主控制器及其外圍電路、觸摸液晶屏及其接口電路、光纖放大器與光電開關電路、步進電機驅動與電磁鐵控制電路、系統電源及其他接口電路。主控板硬件組成見圖4。

圖4 主控板硬件組成

3.3 步進電機驅動電路

根據系統的負荷慣量、負荷轉矩，以及要求的定位精度、最高速度，本研究選用兩相六線制39步進電機39HS3404A6，步距角為1.8°，電流0.4 A，驅動芯片采用THB6128。STM32F407發出控制命令經過光耦傳輸至THB6128，再通過THB6128驅動步進電機。

4 軟件設計

4.1 軟件系統架構

系統軟件共分為驅動層、嵌入式操作系統層和功能應用層三部分。驅動層主要是BSP（板級支持包），嵌入式操作系統移植μC/OS-Ⅱ（通過條件編譯實現操作系統的裁剪，減少了μC/OS-Ⅱ占用的存儲空間），功能應用層主要完成自動化控制流程及與上位機數據的通信。軟件系統架構見圖5。

圖5 軟件系統架構

4.2 嵌入式實時操作系統

本系統中涉及液晶屏顯示和步進電機運動控制多任務并發執行，故選擇移植嵌入式實時多任務操作系統μC/OS-Ⅱ至基于ARM Cortex-M3架構的STM32F407微處理器。它的源代碼是公開的，絕大部分源代碼使用移植性很強的C 語言編寫。μC/OS-Ⅱ具有可裁剪性，可以通過開關條件編譯選項，定義哪些功能模塊用于用戶程序，方便控制代碼運行所占用的空間及內存。μC/OS-Ⅱ可以管理64個任務，每個任務均有自己單獨的棧，并提供很多系統服務，如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內存的申請與釋放、時間相關函數等[13-14]。

μC/OS-Ⅱ內核基本可以分為任務調度、任務同步和內存管理三部分。為保證實時性，系統為每個任務分配一個不同的優先級。當切換任務時，總是切換至就緒的最高優先級任務。系統在SysTick 中斷中通過調用OSTimeTick()來保證CPU 會發生周期性的任務切換[15-17]。

4.3 程序流程

啟動初始化，首先在C 代碼中運行主函數main()，執行系統初始化函數Bsp_Init()，這個函數完成系統中斷優先級、定時器、串口、步進電機、輸入輸出接口、液晶屏等初始化；然后對μC/OS-Ⅱ內核進行初始化OSInit()，接著調用函數OSTaskCreate(start_task,(void*)0，(OS_STK*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1]，START_TASK_PRIO )創建起始任務，該任務是為了在內核啟動后，建立另外5個用戶任務；然后調用內部函數OSStart()，啟動μC/OS-Ⅱ內核，此時μC/OS-Ⅱ內核開始運行，對任務進行監視，主任務應已經處于就緒狀態，于是開始執行主任務start_task()，μC/OS-Ⅱ的任務結構規定必須為無返回的結構，也就是無限循環模式[18]；5個用戶任務各自有各自的堆?？臻g，為了接受串口的信息事件，建立了一個消息郵箱，來傳遞串口進來的信息；液晶顯示任務主要完成液晶屏的顯示，測量任務主要完成運動機構動作及樣品卡檢測，本底標定任務完成儀器空閑狀態時自動標定本底。程序流程見圖6。

5 臨床使用效果及結論

該儀器已順利通過注冊變更審查，并獲得廣東省食品藥品監督管理局頒發的二類醫療器械注冊變更文件，注冊證編號為粵食藥監械（準）字2014第2400234號。經過反復測試驗證，基于新型自動進樣系統的幽門螺桿菌檢測儀整機性能穩定、可靠，可滿足臨床使用要求；步進電機運行時整體噪聲很小，自動進樣系統運行順暢，獲取料盤中的呼氣卡并落入檢測室的過程可靠性高，無樣品卡阻塞情況；整機系統自動化程度高、用戶操作簡單，可減少醫護人員重復勞動時間，極大地提升了工作效率，而且減少了主觀誤差，提高了檢驗質量，符合產品設計預期；但當放置樣品數量較多時，直線式樣品盤長度過長，影響儀器外觀，后續可考慮圓盤式存放樣品及多檢測室同步檢測，以提高檢測效率。

圖6 程序流程