醫(yī)用標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱溫控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱廣泛應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)間標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)時的標(biāo)本存儲，其中的關(guān)鍵性技術(shù)就是溫控系統(tǒng)，由于標(biāo)本存儲要求的嚴(yán)苛性，標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱的溫度控制范圍及精度要求非常嚴(yán)格。目前國內(nèi)并無低功耗便攜式智能溫控血液標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱產(chǎn)品，也沒有具備類似功能進(jìn)口設(shè)備。為保證標(biāo)本運(yùn)輸過程的安全性、減少分析前誤差從而保證質(zhì)量控制的可靠性，本文論述了一種低功耗便攜式智能溫控標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱的設(shè)計方案，該產(chǎn)品的生產(chǎn)成本低，適用范圍廣，具有良好的市場前景。

關(guān)鍵詞：標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱；溫控系統(tǒng)；低功耗；控制方法

中圖分類號：TP391.8

標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)時對標(biāo)本的儲存。目前，血清標(biāo)本遞送采用將血清存放于普通的標(biāo)本遞送盒中并放上冰塊。但是由于路途距離不同，且受到交通狀況、各種人為因素的影響，遞送過程中會造成標(biāo)本溫度不可知、不可控制。尤其是夏天，很多標(biāo)本送到的時候，溫度已經(jīng)明顯過高，自然會影響Free β-hCG、AFP、μE3的檢測結(jié)果，造成DS假陽性率偏高，導(dǎo)致需要遺傳咨詢和后續(xù)干預(yù)的孕婦數(shù)量增加19.6%。

傳統(tǒng)的醫(yī)用標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱大都采用模糊控制法，這種控制方式由于控制超調(diào)量大，控制速度較低且測量控制溫度的過程具有大慣性、純滯后、時變性非線性等特點(diǎn)，不能很好的達(dá)到控制品質(zhì)要求，因而只能用在精度要求較低的場合。為了更好的進(jìn)行高精度溫度檢測與控制，在綜合消耗最低的情況下獲得高精度控制的品質(zhì)，對低功耗便攜式智能溫控標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱的需求更加迫切。這種標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱能夠保證標(biāo)本運(yùn)輸過程的安全性，為標(biāo)本接收甄別提供了依據(jù)，有利于降低分析前誤差，從而降低DS假陽性率，加強(qiáng)分析前質(zhì)量控制；同時，產(chǎn)品的投入成本低，適用范圍廣，可用于試劑、血液標(biāo)本等轉(zhuǎn)運(yùn)，市場前景看好。

1 醫(yī)用標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外遞送血清標(biāo)本主要采用冷藏車及普通的標(biāo)本遞送盒兩種方式。冷藏車是一種封閉化廂式運(yùn)輸車，車體裝有制冷裝置及隔熱廂的專用運(yùn)輸車，經(jīng)常用來輸送疫苗藥品（疫苗運(yùn)輸車）。為降低導(dǎo)熱系數(shù)，減輕車體質(zhì)量，新一代冷藏車大都采用全封閉式材料昂貴的聚氨酯板塊粘結(jié)結(jié)構(gòu)。冷藏車具備自主制冷的能力，不過投入成本相對較高，并不適合小批量的標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，在上下車過程中是沒有進(jìn)行溫度監(jiān)控的，因而不能夠保證良好的質(zhì)量控制。普通的標(biāo)本遞送盒攜帶起來較為方便，比較適合小批量標(biāo)本的轉(zhuǎn)運(yùn)，不過樣本的運(yùn)轉(zhuǎn)過程同樣是溫度控制的盲點(diǎn)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，國內(nèi)尚且沒有低功耗便攜式智能溫控血液標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱產(chǎn)品，也沒有具備類似功能的進(jìn)口設(shè)備。隨著社會資源的大量消耗，提倡環(huán)保節(jié)能，以便降低現(xiàn)有資源能源的消耗量，倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保型新產(chǎn)品的開發(fā)成為一股熱潮。與此同時，由于現(xiàn)代信息技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化理念已經(jīng)逐步滲透到各個行業(yè)以及人們的日常生活中，在很大程度上提高了社會的生活水平。因此，具有低功耗便攜式的智能醫(yī)用標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱成為未來很長一段時間內(nèi)醫(yī)用標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)必然的發(fā)展趨勢。

2 標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)、條件及步驟

2.1 預(yù)期目標(biāo)

預(yù)期設(shè)計目標(biāo)是研發(fā)一種低功耗便攜式的半導(dǎo)體制冷智能溫控標(biāo)本運(yùn)轉(zhuǎn)箱，屬于創(chuàng)新型實(shí)用設(shè)計，在合作醫(yī)院試用，并向醫(yī)療機(jī)構(gòu)推廣使用。在批量生產(chǎn)后能夠在很大程度上降低生產(chǎn)成本，從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。該產(chǎn)品不僅可以應(yīng)用于標(biāo)本運(yùn)輸，更可以擴(kuò)大到試劑、藥品的運(yùn)輸。預(yù)期該系統(tǒng)在投入使用以后，我市的唐氏綜合征篩查的FPR至少可下降約1%。每年減少的羊水穿刺數(shù)量大約為500例，羊水穿刺進(jìn)行核型分析收費(fèi)每例約為600元，僅此一項每年就可減少醫(yī)療支出約為30萬。每年有大約500例孕婦免受羊水穿刺帶來的巨大的身體和心理方面的傷害。低功耗便攜式的智能醫(yī)用標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱具有結(jié)構(gòu)簡單、操作人性化、便攜性良好、可靠性高、性價比高、溫度控制精度高、實(shí)用性強(qiáng)及能耗低等特點(diǎn)，然后將其應(yīng)用到產(chǎn)前篩查血清遞送過程中，實(shí)現(xiàn)標(biāo)本運(yùn)輸過程中溫度的全程監(jiān)控，以減少分析前誤差，降低DS假陽性率，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，該研究具有實(shí)際的應(yīng)用價值。

2.2 條件分析

項目負(fù)責(zé)人自長期以來一直致力于智能控制算法的研究。于近兩年，參閱了大量關(guān)于半導(dǎo)體溫控方面的國內(nèi)外參考資料，對半導(dǎo)體智能溫控的前沿技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)有足夠的了解；和寧波市婦女兒童醫(yī)院建立了初步的合作關(guān)系，該醫(yī)院為課題研究提供了詳實(shí)的產(chǎn)前篩查原始數(shù)據(jù)和良好的臨床試驗(yàn)環(huán)境。非常適合開展將原有數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對分析研究工作。此外，學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備完善齊全，可進(jìn)行該項目前期工作的實(shí)驗(yàn)與仿真，在項目進(jìn)行階段，能夠?qū)崿F(xiàn)項目相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。本項目與醫(yī)院合作開發(fā)，能夠得到醫(yī)院的大力支持，具有良好的研究條件。

2.3 實(shí)施步驟

由在電氣控制、電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等專業(yè)有一定基礎(chǔ)和工作經(jīng)驗(yàn)的人員組成課題組。這些課題組成員不僅包括學(xué)校的專職教師，醫(yī)院的醫(yī)技人員，還有企業(yè)的技術(shù)骨干，合理的結(jié)構(gòu)組成為項目的順利實(shí)施提供了良好的條件和基礎(chǔ)。首先將項目組的各成員按照自身特長進(jìn)行明確分工以保證各項工作的落實(shí)。由長期致力于溫度控制技術(shù)、智能控制方法的研究并參與多項科研課題的電氣自動化專業(yè)人員進(jìn)行項目的整體規(guī)劃、設(shè)計、過程管理和溫控算法的實(shí)現(xiàn)；將具有低功耗單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)及系統(tǒng)集成經(jīng)驗(yàn)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人員負(fù)責(zé)溫控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)；由醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)專業(yè)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測及數(shù)據(jù)分析；由控制方面的專業(yè)人員負(fù)責(zé)信息系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。項目研究的技術(shù)路線主要包括下述步驟：

（1）按照產(chǎn)品的功能要求進(jìn)行需求分析及功能、流程分析并行元器件選型工作。

（2）完成試制數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)板、無線功能模塊集成工作。

（3）進(jìn)行上位機(jī)軟件的編制、調(diào)試過程，完成控制系統(tǒng)搭建與箱體集成。

（4）初步試運(yùn)行并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（5）詳細(xì)合理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工作，針對不足之處擬定的產(chǎn)品修改計劃。

（6）整理實(shí)驗(yàn)資料，總結(jié)實(shí)驗(yàn)成果。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案分析

項目計劃開發(fā)的溫度監(jiān)控轉(zhuǎn)運(yùn)箱的總體設(shè)計方案主要包括溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計及軟件和硬件方面的分析。為提高智能化水平，保證與PC機(jī)通訊的可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)接口以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，溫度控制的方式采用低功耗單片機(jī)?？紤]到程序中會包含大量的數(shù)據(jù)處理，采用結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算符多樣并面向用戶的C語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的控制功能。

3.1 溫控系統(tǒng)整體框圖

轉(zhuǎn)運(yùn)箱的溫度控制系統(tǒng)的硬件部分主要由低功耗單片機(jī)、液晶顯示器、溫度傳感器、人機(jī)交互界面與外圍電路等組成。其中低功耗設(shè)計，外圍電路設(shè)計，人機(jī)界面，代碼優(yōu)化等內(nèi)容是研究的主要內(nèi)容。由于溫度控制模塊是設(shè)計中最關(guān)鍵的部分，對系統(tǒng)的精確度有決定性的作用。該溫控系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

3.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊開發(fā)包括無線器件選型測試、單片機(jī)控制無線收發(fā)模塊代碼、仿真串口或USB驅(qū)動開發(fā)用于上位機(jī)連接；開發(fā)上位機(jī)軟件，采用高級程序語言編寫，運(yùn)行于PC端，提供數(shù)據(jù)收集歸檔、質(zhì)控干預(yù)等重要功能。在程序的編寫與系統(tǒng)調(diào)試階段PC機(jī)均要用到，因此在上位機(jī)校驗(yàn)程序完成以后，再利用單片機(jī)和上位機(jī)的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳送。溫度傳感器的靈敏度受到客觀原因的影響會產(chǎn)生非線性化的誤差，影響可靠性。為保證其精度，應(yīng)利用溫度補(bǔ)償方法對其校正，將誤差調(diào)整至允許的范圍。系統(tǒng)中的復(fù)位電路也是非常關(guān)鍵的部分，對系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性有直接的影響。如果復(fù)位電路設(shè)計不完善，容易產(chǎn)生死機(jī)現(xiàn)象。采集的溫度信號在放大以后仍為模擬信號，單片機(jī)不能直接進(jìn)行處理，需要經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換以將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量傳送至單片機(jī)，便于所測得溫度的儲存和顯示。DA轉(zhuǎn)換電路主要經(jīng)差分放大電路的連接是把溫度的設(shè)定值轉(zhuǎn)化為模擬信號以便控制系統(tǒng)中的制冷片溫度從而達(dá)到溫度控制的目的。

按照上文所述步驟，完成溫控系統(tǒng)的設(shè)計以后，將其與保溫箱集成，可以手工打磨集成作試制，后期開模定制以進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)。

4 結(jié)束語

設(shè)計開發(fā)的低功耗便攜式的智能化標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱能夠?qū)囟冗M(jìn)行實(shí)時的檢測并利用液晶顯示器顯示出來，性能可以滿足目前醫(yī)院的需要。同時，該系統(tǒng)具有良好的控制性能，能夠達(dá)到較為準(zhǔn)確的控制精度。產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前需要在標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)過程中進(jìn)行試用，以研究轉(zhuǎn)運(yùn)過程中溫度監(jiān)控對分析前質(zhì)控的有效性、可靠性。通過試用，得到的陽性數(shù)據(jù)和假陽性數(shù)據(jù)與以往年份同期月份進(jìn)行比較，研究其臨床應(yīng)用價值和意義。通過一系列的設(shè)計，該標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)箱真正做到保障標(biāo)本在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的安全性、準(zhǔn)確性和時效性，有效提升了對標(biāo)本轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)量的控制水平。

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作者簡介：徐晶（1982-），女，浙江余姚人，碩士，研究方向：智能控制；王磊（1981-），男，浙江寧波人，副科長，碩士，研究方向：硬件集成。

作者單位：寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315800

基金項目：寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目（教師專業(yè)發(fā)展專項）（項目編號：NZ13008ZF）。