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[摘要]目的针对目前人工制作血涂片存在效率低、质量稳定性差和成功率低的问题，研制了一种集推片和染片功能于一体的新型血涂片制备机。方法参考人工制片方法，设计了血涂片制备机的机械系统，基于STM32处理器的硬件系统和基于实时操作系统uC/OS-III的软件系统，开发了基于VC++的上位机操作界面，进行了相关的推片和染片实验。结果血涂片制备机能够制作出合格的血涂片，相比于人工制片方式，效率高、成功率高，提高了血涂片的质量稳定性。实验表明推片速度、推片角度和染色时间参数对血涂片质量有重要影响。结论提出了一种新的自动血涂片制备机设计方案。研制的自动血涂片制备机能够实现自动推片和染片功能，对推动国产全自动推染片机的研制具有积极作用。

[关键词]血涂片制备机；血涂片显微镜检查；血细胞形态学检查；自动推片；染片

引言

血涂片的显微镜检查是血细胞形态学检查的基本方法，在临床检验中占有重要的地位[1]。制作良好的血涂片是血细胞形态学检查的前提，传统的人工制作血涂片受操作人员的水平高低以及环境的影响，会出现细胞分布不均匀，细胞重叠，细胞破裂，染色不均匀，深浅不一等现象而且难以标准化[2-3]。自动化血涂片制备机可以代替人工方式，不仅可以大大提高血涂片的制作效率，而且可以消除人为因素和环境因素的干扰[4]，提高血涂片的质量稳定性，保证了血涂片质量，更重要的是促进血涂片镜检的标准化[5]。国内临床检验大多使用进口的推染片机，如贝克曼库尔特、西森美康、西门子和ABX等公司开发出多种全自动推染片系统[6]，这些设备往往价格昂贵，结构复杂，维修成本高，不适合在制片量少的临床检验机构推广使用。

针对上述现状，本文设计了结构简单、成本低和使用便利的自动化血涂片制备机，包括机械系统和控制系统，基于实验样机进行了推片和染片实验。实验结果表明所设计的血涂片制备机能够完成自动推片和染片功能，相比于人工制片方式优势明显，通过实验研究了制片参数对制片质量的影响关系。

1 血涂片制备机工作原理

1.1 自动推片工作原理

模拟人工制作血涂片的方法，设计了推片机构，其三维图，见图1。推片机工作原理：通过步进电机和绝对值编码器构成的位置闭环，控制玻片载台处于与水平位置，手动用毛细吸管取一滴血（大约6 μL）滴在设计的滴血标志处，启动推片后，载台向下倾斜，接着直流电机带动推片运动到血液前方,调整载台水平使玻片接触推片，推片向后运动接触血液，保持接触一定时间，使血液沿推片边沿展开，然后向前运动到指定位置，从而制作标准血涂片，载台下倾接受风机对其进行风干，推片返回初始位置，最后载台向上旋转竖直位置，取出血涂片。影响推片质量的因素主要有推片速度、推片角度和血液的理化参数[7-9]。本推片机通过手动调节推片夹板来调节推片角度，通过控制直流电机来控制推片运动的速度以及长度。

图1 推片机设计三维图

注：1. 推片夹板；2. 推片滑台；3. 导轨；4. 同步带；5. 直流电机；6. 推片；7. 玻片载台；8. 玻片；9.机架；10. 编码器；11.步进电机。

1.2 自动染片工作原理

基于对人工血涂片染色流程的分析设计了自动染片机，其三维图，见图2。染片机的工作原理：将推片机推好的血涂片插入玻片插槽中，启动染液流程，染液槽中被注入染液，步进电机通过丝杠带动玻片插槽在染缸中上下往复运动，通过对抽液泵的程序控制实现染液、缓冲液和清洗液按工艺流程设计进出染液槽，利用风干机对染色后的血涂片进行风干。影响染色效果的因素主要有：血涂片在染槽中上下运动的速度，染色时间，染液温度等[10-11]。本染片机通过步进电机的转速控制实现血涂片上下运动速度调节，通过对抽液泵的时间控制来实现染色时间的调整。

图2 染片机设计三维图

注：1. 导轨；2. 染液槽；3. 液位检测；4. 液体进出口；5. 玻片；6. 玻片插槽；7. 丝杠；8. 步进电机；9. 机架。

2 系统设计

2.1 控制系统总体设计

根据血涂片制备机的控制功能需求，设计了其控制系统，主要包括基于PC端的上位机设计和下位机设计，控制系统整体框图，见图3。上位机采用微软的MFC设计监控界面，下位机采用基于STM32处理器的控制驱动一体硬件设计和基于实时操作系统uC/OS-III的软件设计，完成对制备机电机的控制以及传感器信号采集处理，上位机与下位机之间采用基于Modbus通讯协议的串口通讯。

图3 血涂片制备机控制系统总体框图

2.2 控制系统硬件设计

主控部分采用意法半导体的基于Cortex-M3系列32位增强型ARM 芯片STM32F103作为控制芯片，根据硬件控制功能需求设计外围电路，包括电源电路、时钟电路、复位电路、通讯接口电路、传感器接口电路以及信号隔离电路等，驱动部分采用步进电机驱动芯片TMC260和直流电机驱动芯片L298N，完成芯片外围电路搭建，整体硬件系统功能框图，见图4。主控部分主要完成以下功能：① 采用Modbus通讯协议与上位机通过RS232接口实现串口通讯，接受上位机的控制指令以及反馈下位机采集的传感器及其它数据信息；② 与专用步进电机驱动芯片TMC260采用SPI通讯，配置驱动参数，通过DIR/STEP方式实现对制备机步进电机的控制；③ 通过直流电机驱动芯片L298N完成对推片直流电机、抽液泵以及风干机的控制；④ 采集处理接近开关、绝对值编码器、液位传感器、温度传感器的信息。

图4 硬件系统功能框图

2.3 控制系统软件设计

血涂片制备机的染片部分和玻片载台水平调节部分采用步进电机驱动，推片部分采用直流电机控制。

（1）玻片载台的水平是制作高质量血涂片的前提，调整载台的步进电机需要精确位置控制。步进电机的控制采用细分技术，本系统采用的TMC260可以最多实现256细分，通过内部的映射表，控制输出电流，细分后的步距精度为1.8°/256=0.00703°，采用绝对值编码器R25作为检测元件，通过SPI通讯，每次读出10个bit位的角度值，其测量精度为360°/1024=0.3516°，满足系统水平误差在±1°的要求，步进电机采用位置闭环控制，其控制系统结构，见图5。

图5 步进电机闭环系统结构图

（2）血涂片上血膜在染缸中上下运动时与染液经历分离和接触的过程，在血膜进入染液和离开染液，需要速度缓慢变化，在运动换向时要避免玻片抖动，需要设计好染片机步进电机的速度曲线。S形曲线是目前比较好的运动控制算法，它是由被控对象运动速度曲线呈S形而来的，包含七段三次样条函数[12]，具有良好的加减速性能，加速度不产生突变，速度快速而平稳，本染片机步进电机的控制采用七段对称S曲线设计，见图6。根据设定最大速度v1，最大加速度a1，加速时间t1以及运动距离s，确定速度曲线，然后离散生成步进电机控制数据实现染片速度控制。

图6 七段对称S型曲线

（3）推片功能是通过直流电机的控制来实现，电机的速度和位置控制性能直接影响推片机推片效果。为避免积分饱和，直流电机的控制采用积分分离的增量式数字PID控制策略，实现位置环，速度环和电流环的控制，其闭环控制系统结构，见图7。

图7 直流电机控制系统框图

推片完成后，载台向下倾斜10°，推片与玻片分离，接着推片在电机作用下，返回到初始位置，返回过程只要求精准快速。

uC/OS-III是一个可裁剪、可固化、可剥夺型的多任务内核，内核最小可以裁剪到4 KB，消耗程序存储器资源很少，具有高效的执行效率，任务的切换达到实时性[13]。根据下位机功能需求，完成基于uC/OS-III实时操作系统的多任系统设计，任务设计，见表1。使用的系统资源有任务信号量，信号量，任务消息，事件标志组，消息队列，延时。

表1 下位机任务设计表

图8 下位机任务流程图

Visual C++是现今最复杂，但也是功能最为强大的一种Windows 应用程序开发工具[14]，采用微软的MFC基础类库设计了血涂片制备机的人机交互界面系统，见图9，实现以下功能：① 通过串口实现与下位机的通讯，发送控制命令；② 接收下位机发送过的状态信息并显示出来。

图9 上位机操作界面

（1）串口通讯设计：上位机与下位机采用基于Modbus通讯协议的RS232接口通讯，上位机串口采用Windows API编写多线程程序。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信[15]。它已经成为一种通用工业标准，有ASCII和RTU两种通讯模式，RTU模式要求数据连续传输，且字节传输效率高，更适用于测控系统中数据的实时传输，而且RTU模式在单片机上易实现，本系统通讯采用RTU模式。

（2）界面操作与显示：操作界面主要包括串口参数设置，玻片载台调平控制，推片控制，染片控制，推片速度位移曲线显示以及状态显示。

3 实验结果展示

推染片实验平台采用最终设计制造的样机（图10），血液样本来自于医院临床检验的剩余血液，染色方法采用瑞氏姬姆萨染液+PBS缓冲液，采图设备使用血细胞形态分析仪。

图10 试验样机

注：样机尺寸长宽高为400 mm×300 mm×150 mm。

（1）推片机推片与手工推片对比实验：采用同一样本，取等量的血液，进行推片机和手工推片，推片效果，见图11。实验表明，推片机制作的血涂片相比人工制作的血涂片，血膜厚薄适宜，细胞分布均匀，两侧保留0.3 cm空隙，尾部呈羽状，质量稳定，而且推片机推片消除了人工推片过程中推片速度和推片角度的不稳定性，提高了推片效率，从滴血到推片10 s以内。

图11 推片机推片与人工推片效果图

注：a. 手工制作的血涂片，b. 推片机制作的血涂片，推片机的推片角度30°，推片速度设置固定值，人工推片的角度约30°，速度由操作者决定。

（2）染片机染片与手工染片对比实验：采用相同染液，染片机和手工各染5片，分别取染色效果最好一片做对比，染片效果，见图12。从图中可以看出，染片机染色相对于人工染色，染色更均匀，色泽更鲜明，细胞颗粒和染色质结构更清楚，无染料沉渣，而且染片机染色消除了人工染色质量的不稳定性，也提高了染片的效率。

（3）推片速度对推片效果的影响实验：采用同一样本、等量血液和相同的推片角度，设置不同推片速度进行推片，推片结果，见图13。实验表明，血膜长度随着推片速度的增加减小，血膜厚度随速度增加而增加。

图12 染片机染色与人工染色效果图

注：左侧是手工染色，右侧染片机染色。a和b为10倍显微镜图；c、d、e和f为100倍显微镜图。

图13 不同推片速度下推出的血涂片

注：血液用量6 μL，推片角度36°，推片停留时间3 s，从1～6推片电机转速依次为30、35、40、45、50、55 r/min。

（4）推片角度对推片效果的影响实验：采用同一样本、等量血液和相同的推片速度，设置不同推片角度进行推片，实验结果，见图14。实验表明，随着推片角度的增大血膜的长度减小，血膜随速度的增加而逐渐变厚。

图14 不同推片角度下推出的血涂片

注：血液用量6 μL，电机速度30 r/min，推片停留时间3 s。从1～5推片角度依次为33°、36°、39°、42°、45°。

（5）染色时间对血涂片的染色效果的影响实验：控制A液（瑞氏姬姆萨染液）染色时间从60～210 s，B液（PBS缓冲液）染色时间2 min，清水冲洗60 s，染色效果，见图15。实验表明A染液对染色有显著影响，随着染色时间的减小染色变浅，染色过程的残留染液导致染色进一步加深。

图15 A染液不同染色时间的效果图

注：从1～6控制A液染色时间依次为210、180、150、120、90、60 s。

4 结论

本文针对传统人工制作血涂片存在着效率低、质量稳定性差和成功率低等问题，提出了一种集推片和染片功能于一体的自动化血涂片制备机方案，设计并制作了结构简单、成本为进口设备的60%～80%和操作便利的血涂片制备机样机。通过实验验证了所设计的血涂片制备机能够实现推染片功能，与人工制片相比，血涂片制备机制作血涂片的效率高，质量高，稳定性好，便于统一标准化，可以与目前使用较多的自动血细胞图像分析系统CellavisionDM96[16]配合使用，通过实验初步探讨了制片参数对制片质量的影响。本套血涂片制备机并未实现从滴血到最终出标准血涂片过程的完全自动化，需要后续改进，制片质量有待进一步提高，建议下一步研究方向：① 采用血液分配器实现控制滴血的自动化；② 在样机基础上添加移动机械手，实现推染流程全自动化；③ 优化控制系统，提高制片参数的控制精度；④ 通过大量实验，深入研究制片参数与制片质量之间更精确的影响关系，需要研究血液的理化参数对制片质量的影响。

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CEN Qifeng, SUN Minglei, BI Shusheng
School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100083, China

Abstract:Objective Aiming at the problems of the low efficiency, poor stability and low success rate in making blood smear by manual mode, a new type automatic blood smear maker integrating functions of pushing and staining was developed. Methods First of all, mechanical system of the blood smear maker was designed refering to methods of preparing manual blood smear. Then,hardware system based on the STM32 processor and software system based on real time operating system uC/OS-III were designed.In addition, a PC operation interface based on VC++ was developed. Finally, experiments related to pushing and staining of blood smear were carried out. Results Blood smear maker could produce quali fi ed blood smear, which was more efficient and successful in making blood smear compared to manual mode, and the quality stability of blood smear was improved. The experiment results showed pushing velocity, pushing angle and staining times had an important in fl uence on quality of blood smear. Conclusion A new design scheme of automatic blood smear maker is put forward. The designed blood smear maker can realize functions of automatic pushing and staining of blood smear and has a positive effect on promoting the development of China-made full-automatic blood smear maker.

Keywords:blood smear preparation machine; blood smear microscopy; blood cell morphological examination; automatic pushing;staining of blood smear

自动血涂片制备机的研制与实验

引言