生化样本前处理系统中样本容器自动开盖装置设计*

白晓亮 崔 石 姜大伟

生化样本前处理系统中样本容器自动开盖装置设计*

白晓亮①崔 石②姜大伟③

目的：设计一款能够去除橡胶盖及螺旋盖的生化样本前处理系统自动开盖装置，可兼容不同规格的样本容器与容器盖，解决现有样本容器开盖设备适应性差、结构复杂及可靠性低等问题。方法：由夹持机构、开盖机构、提升机构、旋转机构和废盖回收机构5部分构成自动开盖装置，样本容器盖的加紧及旋转采用同一个动力元件。结果：新型自动开盖装置适用于CS-6400等系列全自动生化分析仪，可有效提高生化样本的检测效率，减少交叉污染，降低了样本容器制造成本和维护费用，增大了系统的可靠性。结论：所设计的自动开盖装置，可解决目前样品容器开盖装置存在适应性差和可靠性低等技术问题，满足临床检验实用化的需要。

样本容器；开盖装置；生化分析仪

[First-author’s address]Changchun Dirui Medical Science and Technology Limited Liability Companied, Changchun 130000, China.

随着现代医疗科技飞速发展，生化样本高效检测已成为临床检验机构追求的目标。据不完全统计，在血液样本临床检验过程中，前处理部分约占临床检验总时间的65%，样本运输时间约占2%，样本在线分析时间约占15%，分析后处理时间约占18%[1-3]。临床中，在生化样本采集和送检过程中经常会出现样本条码粘贴错误，医嘱申请重叠或操作人员与测试样本发生交叉污染等常见问题。在不同操作者之间，由于操作手法不同会造成测试质量不稳定。因此，引进前处理系统，既可以减少操作时间的浪费、降低人工成本，又可提高测试质量和检验系统工作效率[4-7]。然而，由于传统样本容器除盖的设备功能不完善，去除螺旋盖的结构复杂，动力源较多，存在破坏样本容器保持架夹持稳定性的风险。鉴于现有技术的不足，本研究设计一种用于样本容器的自动开盖装置，可解决目前样品容器开盖装置结构复杂及可靠性差等技术问题。

1 生化样本前处理系统与传统样本容器开盖装置

1.1 生化样本前处理系统

生化样本前处理系统按各组功能的不同分为筛选、贴签、开盖、分装和离心5部分[8-10]。样本容器自动除盖技术可提高样本检测过程的工作效率，减少检测过程中人为因素对样本的直接接触和交叉污染。在传统的样本容器盖开盖设备中，样本容器的盖在容器本体被夹持器夹持的状态下，开盖机械臂的远端部分将其夹紧并被开盖装置的提升机构向上推动，从而自动开盖[11-12]。

1.2 传统样本容器盖开盖装置

由于传统样本容器盖开盖的设备功能不完善，导致存在使用和成本问题：①不能打开不同螺距的螺旋盖，且不适应不同规格和尺寸的样本容器；②采用旋转样本容器的方式打开螺旋盖，其结构复杂，存在破坏样本容器保持架夹持稳定性的风险；③样本容器盖开盖设备动力源较多，夹紧力不易控制，存在可靠性不高的风险，且成本较高。因此，现有技术有待改进和发展[13]。

2 样本容器自动开盖装置的设计

2.1 自动开盖器主要结构

设计的样本容器自动开盖装置需要去除各类生化样本容器橡胶盖及螺旋盖，可兼容不同规格的样本容器与容器盖，且结构原理简单，成本低。设计的自动开盖器基本结构由夹持机构、开盖机构、提升机构、旋转机构和废盖回收机构5部分组成，且样本容器盖的加紧及旋转采用一动力元件实现，其结构简单，能够可靠去除螺旋盖和样本容器塞，可自动适应不同尺寸的容器，无需从其载体中移走容器即能够去除样本容器盖的开盖装置(如图1所示)。

图1 样本容器自动开盖器示意图

生化分析仪工作时，检测系统检测容器载体中的样本容器存在与否，并判定容器盖的类型，此时自动开盖器的夹持机械手控制夹持爪闭合并将样本容器固定，提升机构驱动开盖机构下降到开盖位，旋转机构驱动开盖机构的芯轴旋转，打开样本容器盖。同时，提升机构驱动开盖机构提升到复位零点，并触发复位传感器。当复位传感器被触发，检测系统检测样本容器盖是否成功开盖，如果样本容器盖未能成功开盖，则重复开盖程序，直到开盖成功或操作超时。开盖成功后，废盖回收机构将回收溜槽移动至废盖接收位，样本容器盖落入回收溜槽后，从回收溜槽及空心轴滑入废盖箱。

2.2 夹持机构

夹持机构设置于机架上，为便于控制夹持爪采用电磁形式实现样本容器加紧固定，防止样本容器旋转。夹持机构下方设计用于放置样本容器的容器载体，防止样本容器沿轴向移动，同时设有位置传感器检测样本容器的存在，由控制系统确定夹持机构的夹紧工作状态(如图2所示)。

图2 自动开盖器夹持机构示意图

2.3 提升机构与旋转机构

样本容器开盖机构在带动样本容器盖脱离样本容器的过程中，需要竖直方向升降运动以及水平方向回转运动，为保证传动精度，降低设备成本，设计的提升机构由1台步进电机、1套齿形带传动机构和1套滑动导向机构组成。同步齿形带传动精度高，配合开盖机构后侧滑动导向机构，可实现开盖机构的竖向上下移动。

设计的旋转机构由设置在机架顶部下方第二步进驱动马达、配合两套水平布置同步齿形带传动机构组成。第二步进驱动马达通过同步齿形带传动机构，带动与开盖机构连接的传动轴转动，实现带动开盖机构运转。旋转机构上设有一光耦，用于检测所述旋转机构的正转和反转，旋转机构的正转和反转可使开盖机构实现夹紧或松开样本容器盖(如图3所示)。

2.4 开盖机构

开盖机构设置在夹持机构上方，用于取下样本容器盖，需要在转动的同时实现对样本容器盖的加紧，若单独设置动力源，电路布线将导致结构变复杂，因此采用单纯机械滑动机构实现样本容器盖加紧(如图4所示)。

图3 自动开盖器旋转机构示意图

图4 自动开盖器开盖机构示意图

旋转机构带动开盖机构转动时，由于阻尼块的阻尼力阻止从动盘旋转，使夹爪远端的轴承在从动盘中的长圆形滑槽中向外侧滑动，实现夹爪向中心靠近并夹紧样本容器盖，开盖结构能够打开样本容器含有橡胶的容器盖及螺旋盖。

2.5 废盖回收机构

样本容器盖的废盖回收机构设置在机架右侧，由第三驱动马达、第三传动轮和第三位置传感器装置组成。当开盖机构取下样本容器盖后，废盖回收机构的第三驱动马达通过第九驱动轮、传动带从动盘驱动回收溜槽绕空心轴移动，用于回收废盖(如图5所示)。

图5 自动开盖器废盖回收机构示图

3 自动开盖装置控制系统

3.1 控制系统功能

开盖机控制功能主要包括以下内容：①位置控制，可使试管架以稳定的速度运行到每个位置并精确定位；②保护功能，能够提供各种电气过流及机械限位保护；③人机界面功能，为了方便使用者，以单片机为核心的控制系统通过数据线连接触摸屏，可修改运行参数，根据不同厂商专用试管架选择不同的程序组运行，并实时显示本机运行状态。

3.2 控制系统流程

开盖单元控制系统采用CS-6400等生物样本前处理系统控制界面，开盖单元是重要的样本容器前处理单元，当点击触摸屏上开盖单元执行按钮时，样本前处理系统的传动装置将离心后未开盖的生物样本容器传送至自动开盖器夹持机构下端的容器载体中，通过开盖单元完成生物样本容器开盖全过程(如图6所示)。

图6 开盖单元控制系统结构框图

开盖单元控制流程为：系统接收到开盖指令后→开盖的单片机自动发出复位命令及检测各部件工作状态→复位成功后单片机控制各元器件执行开盖动作→完成开盖过程(如图7所示)。

图7 开盖单元控制流程图

4 样本容器自动开盖装置的性能指标

(1)自动开盖器主要应用于医院检验科、实验室，用于将各类试管上的胶盖取下并收集起来，是自动生化检测仪配套的一种自动化设备[14-15]。本研究设计的开盖装置主要用于CS-6400等系列全自动生化分析仪中。

(2)自动开盖器取代了现有的手工作业，提高了工作效率、降低操作人员的劳动强度和避免操作人员感染的可能性，开盖速度为每只样本试管仅用1.5～2 s。

(3)该装置设计合理、定位精度高，能够用于多种规格试管的自动开盖，且适用于塑料和玻璃两种材质的样本试管及相应规格的塑料盖和橡胶盖。

5 结论

本研究设计的用于生物样本前处理系统中的自动开盖装置，可解决目前样品容器开盖装置结构复杂、价格高及可靠性差等技术问题，并能够降低制造成本、仪器的复杂程度和故障隐患，增强系统的可靠性。自动开盖装置具备可兼容不同规格的样本容器与容器盖、可智能判别是否具备开盖条件以及样本容器盖的加紧及旋转仅采用一个动力元件从而节省成本和维护费用等优点。本研究顺应医疗器械自动化的发展趋势，随着系统的研制完成与推广，必将产生良好的社会效益。

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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

国家国际科技合作专项(2013DFA30670)“样本前处理系统”

①长春迪瑞医疗科技股份有限公司 吉林 长春 130000

②长春迪瑞医疗科技股份有限公司 吉林 长春 130000

③长春工业大学 吉林 长春 130000

白晓亮,男,(1981- ),硕士，高级工程师。长春迪瑞医疗科技股份有限公司，从事全自动生化分析仪研发工作。