IVF实验室二氧化碳培养箱报警系统的设计与应用
李开良，刘坚
南京医科大学第一附属医院 临床医学工程处，江苏 南京 210029
[摘 要]本文介绍一种培养箱故障远程报警系统。该报警系统主要由培养箱报警输出模块、无线发射器、无线接收器、声音报警、显示模块、设置键、遥控器、拨号模块和控制器、外线电话等组成。该系统经过多次测试已在我院多个实验室使用，为实验室的安全提供了保障。
[关键词]二氧化碳培养箱；报警系统；试管婴儿
引言
试管婴儿，是指分别将卵子与精子取出后，置于试管内使其受精，再将胚胎前体—受精卵移植回母体子宫内发育成胎儿。在此过程中，重要的一个环节是胚胎移植前的培养，胚胎培养需要在二氧化碳培养箱内进行[1]。
二氧化碳培养箱是通过在培养箱箱体内模拟形成一个类似细胞/组织在生物体内的生长环境，如稳定的37℃、稳定的二氧化碳水平（5%）、恒定的酸碱度（pH值：7.2～7.4）、较高的相对饱和湿度（95%）。其广泛应用于细胞、组织培养和某些特殊微生物的培养，常用于细胞动力学研究、哺乳动物细胞分泌物的收集、各种物理、化学因素的致癌或毒理效应、抗原的研究和生产、培养杂交瘤细胞生产抗体、体外授精（IVF）、干细胞、组织工程、药物筛选等研究领域[2]。
二氧化碳培养箱系统配置允许用户设置变化的选件，包括存取代码、低温报警、高温报警、温度继电器、二氧化碳浓度过低报警、二氧化碳浓度过高报警、氧气浓度过低报警、氧气浓度过高报警、RH（相对湿度）过低报警等。当培养箱内环境参数与设定值有偏差时，控制系统会发出相应的报警信号[3]。在工作时间，培养箱的报警信息可以及时反馈到相关工作人员处，但当夜间或实验人员不在实验室时，报警就需要远程通知，以保证胚胎的正常培养。基于此，研究设计了一套完整的报警系统。
1 报警系统结构
该系统主要由培养箱报警输出接口、无线报警器模块（包括无线发射器、无线接收器、声音报警、显示模块、设置键、遥控器、拨号模块和控制器）、外线电话等组成（图1）。
图1 报警系统组成框图
无线发射器与培养箱的报警输出接口相连，当报警输出口有报警信号时，无线发射器被触发，发射无线报警信号；无线接收器接收报警信号后由该报警系统的控制器进行相应指令操作，如控制显示模块显示报警区域、控制声音报警、控制拨号模块进行拨号；设置键和遥控器用于对报警系统进行相应设置；外线电话用于给系统设置的相关人员拨号报警。
2 系统设计
2.1 培养箱报警接口设计
各厂家培养箱一般都预留远程报警接口。以我院生殖中心IVF实验室所用日本Astec品牌二氧化碳培养箱为例，培养箱留有报警接口，此接口输出量为开关信号。当培养箱无报警时此接口开路，当培养箱有报警时此接口闭合。将所有培养箱的报警接口并联起来连接一无线报警器，当有报警信号（任意一个箱体有报警）时，报警器就会通过电话依次拨打预存的实验室人员的手机号码，通知相关人员培养箱有报警。
但现有的无线报警器的接收器一般是无报警时呈闭合状态，有报警时呈开路状态，与Astec培养箱的报警信号正好相反，不能起到监控培养箱报警的效果。为了满足应用，我们改变培养箱内部报警电路。原有的报警信号输出是通过继电器的常开触点，当有报警信号时触点闭合，有报警输出。改进后的报警信号通过继电器的常闭触点，当有报警信号时触点断开，有报警输出。改进后的报警电路就可以和现有的无线报警器相连，进行有效的远程报警[4]。
改进前的培养箱由于是利用继电器的常开触点，当培养箱突然断电时没有报警信号输出，不能保证箱内胚胎的安全培养。改进后不仅可以进行常规报警，由于其利用继电器的常闭状态，所以可以在培养箱断电时进行报警，充分保证了培养箱的安全。
2.2 报警系统远程拨号设计
本系统远程报警是利用单位外线电话以拨号的方式通知实验室相关人员培养箱有报警。拨号系统设计预存9组需要拨打的手机号码，根据需要可以把实验室负责人、实验人员、维修工程师、安保人员的手机号码通过设置键预存到系统，当触发报警时，该系统会依次拨打预存号码，当有人应答时终止拨号。接通电话时，系统会以语音的形式告知相关人员相应的报警。接到电话后的相关人员可以通过手机进行报警复位等操作[5]。
2.3 附加功能设计
为了进一步保证胚胎培养的安全，培养箱均接有不间断电源（UPS），当供电出现故障时，UPS电源会持续给培养箱供电一段时间。但在这段时间内培养箱不会出现断电报警，只有UPS电池耗尽时才发出报警信号通知相关人员，这样会带来严重问题。工作人员到达现场如果无法及时处理供电故障，箱内胚胎就会出现死亡，造成无法挽回的损失。为此我们试着在UPS电源供电电路加设断电报警功能，即在供电电路中加一断电检测电路，该电路由一个低压变压器，一个交流继电器简单组成。利用继电器的常闭触点，当供电正常时触点闭合，当断电时触点断开触发无线报警器报警，通知相关人员处理。
此系统还加装了红外感应模块，红外感应模块的工作原理是当有物体在其感应区域内移动时会产生相应信号，该信号可以与无线发射器相连构成无线红外报警发射装置。把该装置安装在实验室入口上方，工作人员下班后将其开启，当夜间有人非法进入实验室时，该装置可以感应出有人移动，并发出无线信号到报警系统，系统会及时通知安保等相关人员及时处理，进一步确保了实验室以及培养箱的安全[6-7]。
3 系统应用及总结
该系统经过多次测试已在我院多个实验室使用，特别是生殖中心胚胎实验室。通过该系统的使用，大大提高了实验室二氧化碳培养箱胚胎培养的成功率，减少了因培养箱故障等实验室相关硬件故障所造成的培养失败率。实验室的安全问题越来越严峻，有一套合理的安全报警系统，可以减少实验室因设备故障、环境因素等造成的实验失败次数，可以为病人和医院提供良好的保障。此系统由于是多路报警系统，后期可以加装多种参数报警。
[参考文献]
[1] 李媛.人类辅助生殖实验技术[M].北京:科学出版社,2008.
[2] 全松.体外受精与辅助生殖[M].北京:人民卫生出版社,2009.
[3] 曾照芳,洪秀华.临床检验仪器[M].北京:人民卫生出版社,2008.
[4] 徐冬冬,郭薇,葛晓宇.无线输液报警系统设计[J].南京信息工程大学学报,2013,5(6):548-552.
[5] 肖薇,李奇,冯南.基于DSR系统的嵌入式语音拨号系统设计[J].科学技术与工程,2004,6(12):116-119.
[6] 王华杰,苏娟.基于STM32的红外感应监测系统的设计和研究[J].计算机科学,2012,39(12):305-307.
[7] 廖湘庆,杨雪梅,张进.基于物联网技术的医疗设备管理[J].中国医院管理,2014,34(9):55-56.
Design and Application of an Alarming System for CO2Incubator in IVF Laboratory
LI Kai-liang, LIU Jian
Department of Clinical Engineering, the First Affiliated Hospital with Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China
Abstract：This paper introduced a kind of remote alarming system for incubator, which consisted of the incubator alarming output module, wireless transmitter, wireless receiver, audible alarming, display module, setting button, remote controller, dialing module and controller, outside phone. The system had been tried out for many times and put into use in multiple laboratories of the hospital, which provided guarantee for the laboratory.
Key words：CO2incubator; alarming system; tube baby
[中图分类号]TP277
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.11.026
[文章编号]1674-1633(2016)11-0098-02
收稿日期：2016-03-09
修回日期：2016-08-02