《電子技術應用》
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基于Arduino的體外授精取卵裝置系統(tǒng)的研發(fā)
2015年電子技術應用第5期
陳向君1，黃蘇南2，肖明波1
1.杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州310018； 2.杭州電子科技大學 生命信息與儀器工程學院，浙江 杭州310018
摘要： 在整個輔助生殖過程中，取卵裝置是一個關鍵設備。針對我國取卵裝置主要依賴價格較昂貴、體積較大的進口裝置這一現狀，研究開發(fā)了一套基于Arduino的體外授精取卵裝置系統(tǒng)，介紹了裝置的主控制系統(tǒng)及取卵負壓裝置、恒溫試管架等模塊的系統(tǒng)設計，給出了基于PID控制算法的系統(tǒng)控制策略及系統(tǒng)的性能測試。
中圖分類號： R318
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)05-0070-03
Research of IVF oocyte retrieval device system based on Arduino
Chen Xiangjun1，Huang Sunan2，Xiao Mingbo1
1.School of Communication Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China； 2.College of Life Information Science & Instrument Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China
Abstract： In the assisted reproduction system, oocyte retrieval device is a key equipment. Considering current oocyte retrieval device mainly depends on imports, which is expensive and prone to failure, the research develops an oocyte retrieval device system based on Arduino for IVF. The design of the main control system, oocyte retrieval vacuum control system and thermostatic test tube rack are described, and the system control strategy based on PID algorithm and the performance of the test system are presented. The experimental results show that the device is highly reliable, convenient to control and cheap to produce, demonstrating further development space and market prospects.
Key words : Arduino；oocyte retrieval vacuum device；thermostatic test tube rack；PID control algorithm

   

0 引言

    據2012年我國不孕不育調查顯示[1]，國內不孕癥者占已婚夫婦人數的12.5%，發(fā)病率呈上升趨勢。目前，國內已有100余家醫(yī)療機構開展了人類輔助生殖技術的應用與研究工作。在整個輔助生殖過程中，取卵負壓裝置和試管架是關鍵設備，國內大多數醫(yī)院采用澳大利亞COOK公司生產的IVF取卵針、負壓泵和恒溫試管架等組成的設備系統(tǒng)。這套COOK設備系統(tǒng)由于開發(fā)早并且相對成熟已長期占據國際和國內市場，但其采用機械裝置實現負壓控制，使得成本較高、價格昂貴、體積大，也容易出故障。近年來，國內多個機構也對取卵設備進行了相關研究，如畢宜法發(fā)明設計的一種取卵器[2]，可利用負壓吸引器產生負壓直接將泡液吸入試管中，但設備采用的是單腔取卵針，其針管直徑較粗，對卵巢創(chuàng)傷大，且卵母細胞收集率較低；樓偉匡等人研究了一種無菌取卵專用穿刺針及無菌取卵針裝置[3]，該裝置采用了雙腔取卵針，提高了卵母細胞的收集率，而其負壓吸引器采用的還是傳統(tǒng)的機械控制方法，成本較高且可靠性低。同時，國內還有諸多相關專利[4-5]，但都側重于對取卵針的研究，采用的也都是機械負壓泵，對整套取卵裝置并沒有進行系統(tǒng)的研究與設計，尤其是對負壓泵和恒溫試管架這兩個關鍵單元的控制沒有具體涉及。

    針對現有產品的缺點，本文設計開發(fā)出了一套基于Arduino的體外授精取卵裝置系統(tǒng)，介紹了取卵系統(tǒng)的總體設計和系統(tǒng)功能實現，給出了負壓泵和恒溫試管架的具體控制算法，系統(tǒng)具有體積小、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，且其成本低、操作簡單，擁有較大的市場空間。

1 取卵控制系統(tǒng)設計及操作

    本系統(tǒng)控制器采用使用廣泛的Arduino Uno開發(fā)板[6]。該控制板功耗低、功能強大，其主控制芯片為ATmega328，可提供14路數字I/O接口(其中6路作為PWM輸出)和6路模擬輸入接口，完全滿足系統(tǒng)設計需求。圖1所示為取卵裝置控制系統(tǒng)的示意框圖，系統(tǒng)主要由恒溫控制和負壓控制兩大部分組成。

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    恒溫閉環(huán)控制中，采用高精度PT100熱電偶采集試管架內的實時溫度，通過SBWZ熱電偶溫度變送器將信號變換成與被測溫度成線性的0 V~5 V的電壓信號，接入到Arduino控制板的模擬輸入端，控制單元通過相應轉換及系統(tǒng)設定的模糊PID算法計算得出對應的控制量，控制數字端的PWM輸出。該信號通過場效應管和整流二極管組成的驅動電路控制置于恒溫試管架內的硅膠加熱片，使其達到恒溫控制效果。

    負壓閉環(huán)控制中，先設定期望氣壓值，當Arduino控制器檢測到氣壓開關被按下時，產生一個高電平觸發(fā)繼電器使其打開電磁閥，讓氣管接通。同時，連接在氣路中型號為KP42V-02-F1的氣壓傳感器產生1 V~5 V的模擬電壓信號送到控制板的模擬輸入端，通過傳感器輸出特性將電壓信號轉換為真實氣壓值，微控制器根據PID算法計算得出對應的PWM控制輸出信號。該信號通過場效應管和整流二極管組成的驅動電路驅動型號為VBH2005的微型氣泵工作產生負壓，最終達到氣壓的穩(wěn)定輸出。抽氣過程中，可根據患者需要隨時改變抽取氣壓大小，若遇軟組織堵塞等緊急情況，控制器可輸出最大的PWM控制信號，驅動氣泵產生最大抽力，從而避免氣管堵塞。當抽取過程結束時，斷開氣壓開關，控制器產生低電平觸發(fā)繼電器關閉電磁閥，從而使系統(tǒng)不會導致卵子和子宮血倒流，進而避免了感染病毒的可能性。

    取卵負壓裝置的連接如圖2所示。裝置主要包括：1雙腔取卵針、2軟管連接器、3抽取連接管、4注射管線、5注射針、6細真空管線、7負壓連接頭、9粗真空管線、10氣泵連接裝置、11試管收集器。其中10口連接到微型氣泵的抽氣口，8口、9口分別連接到直動式電磁閥的進氣口和出氣口，試管收集器放置在恒溫試管架中以保證細胞的成活率。

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2 系統(tǒng)PID控制原理

    PID控制[7]是自動控制發(fā)展歷程中生命力最強的基本控制方式，其根據系統(tǒng)的誤差，利用誤差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出控制量，在數字系統(tǒng)中，主要有如下兩種PID控制器的數字形式：

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其中，式(1)、式(2)分別為PID控制的位置式和增量式，u(k)為控制器輸出量，e(k)=r(k)-y(k)為設定值r(k)與被控對象實際測量值y(k)構成的控制偏差信號，KP、KI和KD分別為比例、積分和微分系數。由于增量式具有抗積分飽和功能，且輸出表示為Δu(k)形式，可以直接被某些控制單元使用，所以實際應用中多采用PID的增量形式。

    當對具有非線性、大滯后、時變的復雜系統(tǒng)進行控制時，常規(guī)PID控制器往往存在超調大、調節(jié)時間長、參數固定等問題，由此本文采用自整定模糊PID[8]實現在線整定參數功能，從而保證控制效果。圖3所示為自整定模糊PID控制的一種實現方法。先將誤差e和誤差變化率ec變化范圍及PID參數的自調整量ΔKP、ΔKI和ΔKD均模糊化到模糊子集，得到控制規(guī)則表，在系統(tǒng)運行中控制器以誤差和誤差變化率作為輸入，通過控制規(guī)則表進行模糊化和模糊推理，然后用加權平均法進行去模糊化，得出PID參數的自調整量，加上各參數的初始值獲得最終三個控制系數，最后采用增量式對被控對象進行控制。

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3 系統(tǒng)軟件控制流程

    本控制系統(tǒng)程序采用模塊化設計，主要包括系統(tǒng)的主程序、初始化模塊、采樣模塊、溫度控制模塊、氣壓控制模塊、液晶顯示模塊、模糊PID控制算法模塊等。圖4、圖5分別為溫度和氣壓控制模塊的程序流程圖。其中溫度控制模塊采用模糊PID與常規(guī)PID相結合的算法，且在誤差較大時采用全功率加熱或零輸出以便快速達到設定值；氣壓控制模塊起始階段采用線性遞增方式達到設定值，可以減輕因突然高負壓對患者造成的疼痛感。

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4 系統(tǒng)性能測試

    為驗證取卵裝置在實際應用中的溫控效果，恒溫試管架的控制溫度設定為36.9 ℃，以保證抽取出卵母細胞的成活率，采樣頻率設為5 s，同時在控制過程中間加入風扇作用，用以模擬外界干擾因素。由Arduino IDE調試軟件的串口監(jiān)視器[9]獲得的溫度變化曲線如圖6、圖7所示。圖6為系統(tǒng)從起始到結束的溫度控制曲線圖，圖7為系統(tǒng)在設定值處的溫度穩(wěn)定波動圖。

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    從圖6中可以看出，試管架溫度平穩(wěn)上升且時間快，超調量較小，溫度控制系統(tǒng)的控制效果明顯，具有良好的動態(tài)品質。從圖7中可以明顯看出在控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，以設定值36.9 ℃為標準，溫度的浮動范圍為±0.1 ℃，具有較高的控制精度，為增加細胞的存活率提供了保障。如圖7曲線中后段所示，當外界存在干擾時，溫度先偏離設定溫度值，而后又逐漸向設定溫度值靠攏，最終達到原先的穩(wěn)定狀態(tài)，體現了本控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及較強的抗干擾能力，滿足了項目的控制需求。

    鑒于裝置還處在試驗階段，氣壓控制實驗以水為抽取對象。圖8給出了當設定氣壓值為25mmHg、采樣間隔為200 ms時的負壓動態(tài)曲線圖。從圖中可以看出，裝置負壓值從系統(tǒng)工作后緩慢增加到設定值，而后趨于動態(tài)平穩(wěn)，其氣壓波動范圍為±5mmHg，有較強的穩(wěn)定性，滿足負壓精度范圍。同樣，如圖9所示，當設定氣壓值為105mmHg時，動態(tài)負壓控制效果較好。經實驗測試，當系統(tǒng)以最大功率工作（即按下緊急開關時），測得最大負壓值可達580mmHg，基本達到了最初的設計目標。

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5 總結

    本裝置系統(tǒng)在基于Arduino單片機和模糊PID算法的基礎上，實現了對恒溫試管架溫度的精確控制和裝置內氣壓的阻尼控制，并實現了對氣壓的準確切換，避免了抽取出的卵子和子宮血的倒流問題，同時采用了雙腔取卵針，提高了卵母細胞的收集率。系統(tǒng)具有低功耗、操作簡單、成本低、精度較高、故障發(fā)生率低等優(yōu)點，在輔助生殖醫(yī)療方面具有較好的經濟效益和較大的市場空間。在以后的工作中，該系統(tǒng)還有待進一步完善，即對系統(tǒng)控制算法進行智能優(yōu)化、擴展設備功能等，以便提高本裝置的自適應性和實用性。

參考文獻

[1] 新華網.中國人口協(xié)會調查顯示:不孕不育患者已超過4000萬[EB/OL].http：//finance.chinanews.com/jk/2012/12-02/4375106.shtml，2012-12-02.

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[3] 樓偉，匡延平.一種無菌取卵專用穿刺針及無菌取卵針裝置[P].中國專利，201020570629.7.2011-04-27.

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[7] 金奇，鄧志杰.PID控制原理及參數整定方法[J].重慶工學院學報(自然科學版)，2008(5)：91-94.

[8] 黃衛(wèi)華，方康玲.模糊控制系統(tǒng)及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] 程晨.Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

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