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(dòng)開(kāi)蓋裝置設(shè)計(jì)*

白曉亮①崔 石②姜大偉③

目的：設(shè)計(jì)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(dòng)開(kāi)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(kāi)蓋設(shè)備適應(yīng)性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及可靠性低等問(wèn)題。方法：由夾持機(jī)構(gòu)、開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和廢蓋回收機(jī)構(gòu)5部分構(gòu)成自動(dòng)開(kāi)蓋裝置，樣本容器蓋的加緊及旋轉(zhuǎn)采用同一個(gè)動(dòng)力元件。結(jié)果：新型自動(dòng)開(kāi)蓋裝置適用于CS-6400等系列全自動(dòng)生化分析儀，可有效提高生化樣本的檢測(cè)效率，減少交叉污染，降低了樣本容器制造成本和維護(hù)費(fèi)用，增大了系統(tǒng)的可靠性。結(jié)論：所設(shè)計(jì)的自動(dòng)開(kāi)蓋裝置，可解決目前樣品容器開(kāi)蓋裝置存在適應(yīng)性差和可靠性低等技術(shù)問(wèn)題，滿(mǎn)足臨床檢驗(yàn)實(shí)用化的需要。

樣本容器；開(kāi)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(cè)已成為臨床檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)追求的目標(biāo)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在血液樣本臨床檢驗(yàn)過(guò)程中，前處理部分約占臨床檢驗(yàn)總時(shí)間的65%，樣本運(yùn)輸時(shí)間約占2%，樣本在線(xiàn)分析時(shí)間約占15%，分析后處理時(shí)間約占18%[1-3]。臨床中，在生化樣本采集和送檢過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)樣本條碼粘貼錯(cuò)誤，醫(yī)囑申請(qǐng)重疊或操作人員與測(cè)試樣本發(fā)生交叉污染等常見(jiàn)問(wèn)題。在不同操作者之間，由于操作手法不同會(huì)造成測(cè)試質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，引進(jìn)前處理系統(tǒng)，既可以減少操作時(shí)間的浪費(fèi)、降低人工成本，又可提高測(cè)試質(zhì)量和檢驗(yàn)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(dòng)力源較多，存在破壞樣本容器保持架夾持穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本研究設(shè)計(jì)一種用于樣本容器的自動(dòng)開(kāi)蓋裝置，可解決目前樣品容器開(kāi)蓋裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜及可靠性差等技術(shù)問(wèn)題。

1 生化樣本前處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)樣本容器開(kāi)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(kāi)蓋、分裝和離心5部分[8-10]。樣本容器自動(dòng)除蓋技術(shù)可提高樣本檢測(cè)過(guò)程的工作效率，減少檢測(cè)過(guò)程中人為因素對(duì)樣本的直接接觸和交叉污染。在傳統(tǒng)的樣本容器蓋開(kāi)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(kāi)蓋機(jī)械臂的遠(yuǎn)端部分將其夾緊并被開(kāi)蓋裝置的提升機(jī)構(gòu)向上推動(dòng)，從而自動(dòng)開(kāi)蓋[11-12]。

1.2 傳統(tǒng)樣本容器蓋開(kāi)蓋裝置

由于傳統(tǒng)樣本容器蓋開(kāi)蓋的設(shè)備功能不完善，導(dǎo)致存在使用和成本問(wèn)題：①不能打開(kāi)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(kāi)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(fēng)險(xiǎn)；③樣本容器蓋開(kāi)蓋設(shè)備動(dòng)力源較多，夾緊力不易控制，存在可靠性不高的風(fēng)險(xiǎn)，且成本較高。因此，現(xiàn)有技術(shù)有待改進(jìn)和發(fā)展[13]。

2 樣本容器自動(dòng)開(kāi)蓋裝置的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)開(kāi)蓋器主要結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的樣本容器自動(dòng)開(kāi)蓋裝置需要去除各類(lèi)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(jiǎn)單，成本低。設(shè)計(jì)的自動(dòng)開(kāi)蓋器基本結(jié)構(gòu)由夾持機(jī)構(gòu)、開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和廢蓋回收機(jī)構(gòu)5部分組成，且樣本容器蓋的加緊及旋轉(zhuǎn)采用一動(dòng)力元件實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠可靠去除螺旋蓋和樣本容器塞，可自動(dòng)適應(yīng)不同尺寸的容器，無(wú)需從其載體中移走容器即能夠去除樣本容器蓋的開(kāi)蓋裝置(如圖1所示)。

圖1 樣本容器自動(dòng)開(kāi)蓋器示意圖

生化分析儀工作時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)容器載體中的樣本容器存在與否，并判定容器蓋的類(lèi)型，此時(shí)自動(dòng)開(kāi)蓋器的夾持機(jī)械手控制夾持爪閉合并將樣本容器固定，提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)下降到開(kāi)蓋位，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)的芯軸旋轉(zhuǎn)，打開(kāi)樣本容器蓋。同時(shí)，提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)提升到復(fù)位零點(diǎn)，并觸發(fā)復(fù)位傳感器。當(dāng)復(fù)位傳感器被觸發(fā)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)樣本容器蓋是否成功開(kāi)蓋，如果樣本容器蓋未能成功開(kāi)蓋，則重復(fù)開(kāi)蓋程序，直到開(kāi)蓋成功或操作超時(shí)。開(kāi)蓋成功后，廢蓋回收機(jī)構(gòu)將回收溜槽移動(dòng)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(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)設(shè)置于機(jī)架上，為便于控制夾持爪采用電磁形式實(shí)現(xiàn)樣本容器加緊固定，防止樣本容器旋轉(zhuǎn)。夾持機(jī)構(gòu)下方設(shè)計(jì)用于放置樣本容器的容器載體，防止樣本容器沿軸向移動(dòng)，同時(shí)設(shè)有位置傳感器檢測(cè)樣本容器的存在，由控制系統(tǒng)確定夾持機(jī)構(gòu)的夾緊工作狀態(tài)(如圖2所示)。

圖2 自動(dòng)開(kāi)蓋器夾持機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 提升機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

樣本容器開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)在帶動(dòng)樣本容器蓋脫離樣本容器的過(guò)程中，需要豎直方向升降運(yùn)動(dòng)以及水平方向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為保證傳動(dòng)精度，降低設(shè)備成本，設(shè)計(jì)的提升機(jī)構(gòu)由1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、1套齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和1套滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。同步齒形帶傳動(dòng)精度高，配合開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)后側(cè)滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)的豎向上下移動(dòng)。

設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由設(shè)置在機(jī)架頂部下方第二步進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、配合兩套水平布置同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。第二步進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過(guò)同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)與開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)連接的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上設(shè)有一光耦，用于檢測(cè)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)可使開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊或松開(kāi)樣本容器蓋(如圖3所示)。

2.4 開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)

開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)設(shè)置在夾持機(jī)構(gòu)上方，用于取下樣本容器蓋，需要在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本容器蓋的加緊，若單獨(dú)設(shè)置動(dòng)力源，電路布線(xiàn)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，因此采用單純機(jī)械滑動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)樣本容器蓋加緊(如圖4所示)。

圖3 自動(dòng)開(kāi)蓋器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 自動(dòng)開(kāi)蓋器開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于阻尼塊的阻尼力阻止從動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，使夾爪遠(yuǎn)端的軸承在從動(dòng)盤(pán)中的長(zhǎng)圓形滑槽中向外側(cè)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾爪向中心靠近并夾緊樣本容器蓋，開(kāi)蓋結(jié)構(gòu)能夠打開(kāi)樣本容器含有橡膠的容器蓋及螺旋蓋。

2.5 廢蓋回收機(jī)構(gòu)

樣本容器蓋的廢蓋回收機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架右側(cè)，由第三驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、第三傳動(dòng)輪和第三位置傳感器裝置組成。當(dāng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)取下樣本容器蓋后，廢蓋回收機(jī)構(gòu)的第三驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過(guò)第九驅(qū)動(dòng)輪、傳動(dòng)帶從動(dòng)盤(pán)驅(qū)動(dòng)回收溜槽繞空心軸移動(dòng)，用于回收廢蓋(如圖5所示)。

圖5 自動(dòng)開(kāi)蓋器廢蓋回收機(jī)構(gòu)示圖

3 自動(dòng)開(kāi)蓋裝置控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)功能

開(kāi)蓋機(jī)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(yùn)行到每個(gè)位置并精確定位；②保護(hù)功能，能夠提供各種電氣過(guò)流及機(jī)械限位保護(hù)；③人機(jī)界面功能，為了方便使用者，以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接觸摸屏，可修改運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)不同廠商專(zhuān)用試管架選擇不同的程序組運(yùn)行，并實(shí)時(shí)顯示本機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 控制系統(tǒng)流程

開(kāi)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(kāi)蓋單元是重要的樣本容器前處理單元，當(dāng)點(diǎn)擊觸摸屏上開(kāi)蓋單元執(zhí)行按鈕時(shí)，樣本前處理系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置將離心后未開(kāi)蓋的生物樣本容器傳送至自動(dòng)開(kāi)蓋器夾持機(jī)構(gòu)下端的容器載體中，通過(guò)開(kāi)蓋單元完成生物樣本容器開(kāi)蓋全過(guò)程(如圖6所示)。

圖6 開(kāi)蓋單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

開(kāi)蓋單元控制流程為：系統(tǒng)接收到開(kāi)蓋指令后→開(kāi)蓋的單片機(jī)自動(dòng)發(fā)出復(fù)位命令及檢測(cè)各部件工作狀態(tài)→復(fù)位成功后單片機(jī)控制各元器件執(zhí)行開(kāi)蓋動(dòng)作→完成開(kāi)蓋過(guò)程(如圖7所示)。

圖7 開(kāi)蓋單元控制流程圖

4 樣本容器自動(dòng)開(kāi)蓋裝置的性能指標(biāo)

(1)自動(dòng)開(kāi)蓋器主要應(yīng)用于醫(yī)院檢驗(yàn)科、實(shí)驗(yàn)室，用于將各類(lèi)試管上的膠蓋取下并收集起來(lái)，是自動(dòng)生化檢測(cè)儀配套的一種自動(dòng)化設(shè)備[14-15]。本研究設(shè)計(jì)的開(kāi)蓋裝置主要用于CS-6400等系列全自動(dòng)生化分析儀中。

(2)自動(dòng)開(kāi)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(dòng)強(qiáng)度和避免操作人員感染的可能性，開(kāi)蓋速度為每只樣本試管僅用1.5～2 s。

(3)該裝置設(shè)計(jì)合理、定位精度高，能夠用于多種規(guī)格試管的自動(dòng)開(kāi)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(jì)的用于生物樣本前處理系統(tǒng)中的自動(dòng)開(kāi)蓋裝置，可解決目前樣品容器開(kāi)蓋裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高及可靠性差等技術(shù)問(wèn)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(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。自動(dòng)開(kāi)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(kāi)蓋條件以及樣本容器蓋的加緊及旋轉(zhuǎn)僅采用一個(gè)動(dòng)力元件從而節(jié)省成本和維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。本研究順應(yīng)醫(yī)療器械自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，隨著系統(tǒng)的研制完成與推廣，必將產(chǎn)生良好的社會(huì)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(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)(2013DFA30670)“樣本前處理系統(tǒng)”

①長(zhǎng)春迪瑞醫(yī)療科技股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130000

②長(zhǎng)春迪瑞醫(yī)療科技股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130000

③長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130000

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