生化樣本前處理系統(tǒng)中樣本容器自動開蓋裝置設(shè)計*

白曉亮 崔 石 姜大偉

生化樣本前處理系統(tǒng)中樣本容器自動開蓋裝置設(shè)計*

白曉亮①崔 石②姜大偉③

目的：設(shè)計一款能夠去除橡膠蓋及螺旋蓋的生化樣本前處理系統(tǒng)自動開蓋裝置，可兼容不同規(guī)格的樣本容器與容器蓋，解決現(xiàn)有樣本容器開蓋設(shè)備適應(yīng)性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及可靠性低等問題。方法：由夾持機構(gòu)、開蓋機構(gòu)、提升機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和廢蓋回收機構(gòu)5部分構(gòu)成自動開蓋裝置，樣本容器蓋的加緊及旋轉(zhuǎn)采用同一個動力元件。結(jié)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(tǒng)的可靠性。結(jié)論：所設(shè)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(yīng)性差和可靠性低等技術(shù)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(xiàn)代醫(yī)療科技飛速發(fā)展，生化樣本高效檢測已成為臨床檢驗機構(gòu)追求的目標。據(jù)不完全統(tǒng)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(jīng)常會出現(xiàn)樣本條碼粘貼錯誤，醫(yī)囑申請重疊或操作人員與測試樣本發(fā)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(zhì)量不穩(wěn)定。因此，引進前處理系統(tǒng)，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(zhì)量和檢驗系統(tǒng)工作效率[4-7]。然而，由于傳統(tǒng)樣本容器除蓋的設(shè)備功能不完善，去除螺旋蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動力源較多，存在破壞樣本容器保持架夾持穩(wěn)定性的風險。鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本研究設(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜及可靠性差等技術(shù)問題。

1 生化樣本前處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)樣本容器開蓋裝置

1.1 生化樣本前處理系統(tǒng)

生化樣本前處理系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)的樣本容器蓋開蓋設(shè)備中，樣本容器的蓋在容器本體被夾持器夾持的狀態(tài)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(gòu)向上推動，從而自動開蓋[11-12]。

1.2 傳統(tǒng)樣本容器蓋開蓋裝置

由于傳統(tǒng)樣本容器蓋開蓋的設(shè)備功能不完善，導(dǎo)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(yīng)不同規(guī)格和尺寸的樣本容器；②采用旋轉(zhuǎn)樣本容器的方式打開螺旋蓋，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在破壞樣本容器保持架夾持穩(wěn)定性的風險；③樣本容器蓋開蓋設(shè)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(xiàn)有技術(shù)有待改進和發(fā)展[13]。

2 樣本容器自動開蓋裝置的設(shè)計

2.1 自動開蓋器主要結(jié)構(gòu)

設(shè)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(guī)格的樣本容器與容器蓋，且結(jié)構(gòu)原理簡單，成本低。設(shè)計的自動開蓋器基本結(jié)構(gòu)由夾持機構(gòu)、開蓋機構(gòu)、提升機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和廢蓋回收機構(gòu)5部分組成，且樣本容器蓋的加緊及旋轉(zhuǎn)采用一動力元件實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡單，能夠可靠去除螺旋蓋和樣本容器塞，可自動適應(yīng)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(tǒng)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(gòu)驅(qū)動開蓋機構(gòu)下降到開蓋位，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動開蓋機構(gòu)的芯軸旋轉(zhuǎn)，打開樣本容器蓋。同時，提升機構(gòu)驅(qū)動開蓋機構(gòu)提升到復(fù)位零點，并觸發(fā)復(fù)位傳感器。當復(fù)位傳感器被觸發(fā)，檢測系統(tǒng)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(fù)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(gòu)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(gòu)

夾持機構(gòu)設(shè)置于機架上，為便于控制夾持爪采用電磁形式實現(xiàn)樣本容器加緊固定，防止樣本容器旋轉(zhuǎn)。夾持機構(gòu)下方設(shè)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(shè)有位置傳感器檢測樣本容器的存在，由控制系統(tǒng)確定夾持機構(gòu)的夾緊工作狀態(tài)(如圖2所示)。

圖2 自動開蓋器夾持機構(gòu)示意圖

2.3 提升機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

樣本容器開蓋機構(gòu)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(zhuǎn)運動，為保證傳動精度，降低設(shè)備成本，設(shè)計的提升機構(gòu)由1臺步進電機、1套齒形帶傳動機構(gòu)和1套滑動導(dǎo)向機構(gòu)組成。同步齒形帶傳動精度高，配合開蓋機構(gòu)后側(cè)滑動導(dǎo)向機構(gòu)，可實現(xiàn)開蓋機構(gòu)的豎向上下移動。

設(shè)計的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由設(shè)置在機架頂部下方第二步進驅(qū)動馬達、配合兩套水平布置同步齒形帶傳動機構(gòu)組成。第二步進驅(qū)動馬達通過同步齒形帶傳動機構(gòu)，帶動與開蓋機構(gòu)連接的傳動軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)帶動開蓋機構(gòu)運轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上設(shè)有一光耦，用于檢測所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)可使開蓋機構(gòu)實現(xiàn)夾緊或松開樣本容器蓋(如圖3所示)。

2.4 開蓋機構(gòu)

開蓋機構(gòu)設(shè)置在夾持機構(gòu)上方，用于取下樣本容器蓋，需要在轉(zhuǎn)動的同時實現(xiàn)對樣本容器蓋的加緊，若單獨設(shè)置動力源，電路布線將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，因此采用單純機械滑動機構(gòu)實現(xiàn)樣本容器蓋加緊(如圖4所示)。

圖3 自動開蓋器旋轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖

圖4 自動開蓋器開蓋機構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動開蓋機構(gòu)轉(zhuǎn)動時，由于阻尼塊的阻尼力阻止從動盤旋轉(zhuǎn)，使夾爪遠端的軸承在從動盤中的長圓形滑槽中向外側(cè)滑動，實現(xiàn)夾爪向中心靠近并夾緊樣本容器蓋，開蓋結(jié)構(gòu)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(gòu)

樣本容器蓋的廢蓋回收機構(gòu)設(shè)置在機架右側(cè)，由第三驅(qū)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(gòu)取下樣本容器蓋后，廢蓋回收機構(gòu)的第三驅(qū)動馬達通過第九驅(qū)動輪、傳動帶從動盤驅(qū)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(gòu)示圖

3 自動開蓋裝置控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)功能

開蓋機控制功能主要包括以下內(nèi)容：①位置控制，可使試管架以穩(wěn)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(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連接觸摸屏，可修改運行參數(shù)，根據(jù)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(tài)。

3.2 控制系統(tǒng)流程

開蓋單元控制系統(tǒng)采用CS-6400等生物樣本前處理系統(tǒng)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(zhí)行按鈕時，樣本前處理系統(tǒng)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(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

開蓋單元控制流程為：系統(tǒng)接收到開蓋指令后→開蓋的單片機自動發(fā)出復(fù)位命令及檢測各部件工作狀態(tài)→復(fù)位成功后單片機控制各元器件執(zhí)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(yīng)用于醫(yī)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(shè)備[14-15]。本研究設(shè)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(xiàn)有的手工作業(yè)，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(shè)計合理、定位精度高，能夠用于多種規(guī)格試管的自動開蓋，且適用于塑料和玻璃兩種材質(zhì)的樣本試管及相應(yīng)規(guī)格的塑料蓋和橡膠蓋。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計的用于生物樣本前處理系統(tǒng)中的自動開蓋裝置，可解決目前樣品容器開蓋裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高及可靠性差等技術(shù)問題，并能夠降低制造成本、儀器的復(fù)雜程度和故障隱患，增強系統(tǒng)的可靠性。自動開蓋裝置具備可兼容不同規(guī)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(zhuǎn)僅采用一個動力元件從而節(jié)省成本和維護費用等優(yōu)點。本研究順應(yīng)醫(yī)療器械自動化的發(fā)展趨勢，隨著系統(tǒng)的研制完成與推廣，必將產(chǎn)生良好的社會效益。

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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(tǒng)”

①長春迪瑞醫(yī)療科技股份有限公司 吉林 長春 130000

②長春迪瑞醫(yī)療科技股份有限公司 吉林 長春 130000

③長春工業(yè)大學 吉林 長春 130000

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