輔助生殖中取卵裝置的設(shè)計

輔助生殖中取卵裝置的設(shè)計

0基于推進應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)的取卵系統(tǒng)根據(jù)2012年中國未懷孕和不育調(diào)查表明。針對現(xiàn)有產(chǎn)品的缺點,本文設(shè)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(shè)計和系統(tǒng)功能實現(xiàn),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取卵負壓控制試驗本系統(tǒng)控制器采用使用廣泛的ArduinoUno開發(fā)板恒溫閉環(huán)控制中,采用高精度PT100熱電偶采集試管架內(nèi)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0V~5V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(yīng)轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)設(shè)定的模糊PID算法計算得出對應(yīng)的控制量,控制數(shù)字端的PWM輸出。該信號通過場效應(yīng)管和整流二極管組成的驅(qū)動電路控制置于恒溫試管架內(nèi)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(shè)定期望氣壓值,當(dāng)Arduino控制器檢測到氣壓開關(guān)被按下時,產(chǎn)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(chǎn)生1V~5V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(zhuǎn)換為真實氣壓值,微控制器根據(jù)PID算法計算得出對應(yīng)的PWM控制輸出信號。該信號通過場效應(yīng)管和整流二極管組成的驅(qū)動電路驅(qū)動型號為VBH2005的微型氣泵工作產(chǎn)生負壓,最終達到氣壓的穩(wěn)定輸出。抽氣過程中,可根據(jù)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(qū)動氣泵產(chǎn)生最大抽力,從而避免氣管堵塞。當(dāng)抽取過程結(jié)束時,斷開氣壓開關(guān),控制器產(chǎn)生低電平觸發(fā)繼電器關(guān)閉電磁閥,從而使系統(tǒng)不會導(dǎo)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。2系統(tǒng)輸出量控制PID控制其中,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(shè)定值r(k)與被控對象實際測量值y(k)構(gòu)成的控制偏差信號,K當(dāng)對具有非線性、大滯后、時變的復(fù)雜系統(tǒng)進行控制時,常規(guī)PID控制器往往存在超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、參數(shù)固定等問題,由此本文采用自整定模糊PID3溫度控制模塊本控制系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)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(jié)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(shè)定值;氣壓控制模塊起始階段采用線性遞增方式達到設(shè)定值,可以減輕因突然高負壓對患者造成的疼痛感。4動態(tài)特性分析為驗證取卵裝置在實際應(yīng)用中的溫控效果,恒溫試管架的控制溫度設(shè)定為36.9℃,以保證抽取出卵母細胞的成活率,采樣頻率設(shè)為5s,同時在控制過程中間加入風(fēng)扇作用,用以模擬外界干擾因素。由ArduinoIDE調(diào)試軟件的串口監(jiān)視器從圖6中可以看出,試管架溫度平穩(wěn)上升且時間快,超調(diào)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(zhì)。從圖7中可以明顯看出在控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作后,以設(shè)定值36.9℃為標(biāo)準(zhǔn),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(dāng)外界存在干擾時,溫度先偏離設(shè)定溫度值,而后又逐漸向設(shè)定溫度值靠攏,最終達到原先的穩(wěn)定狀態(tài),體現(xiàn)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(dāng)設(shè)定氣壓值為25mmHg、采樣間隔為200ms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(shè)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(dāng)設(shè)定氣壓值為105mmHg時,動態(tài)負壓控制效果較好。經(jīng)實驗測試,當(dāng)系統(tǒng)以最大功率工作(即按下緊急開關(guān)時),測得最大負壓值可達580mmHg,基本達到了最初的設(shè)計目標(biāo)。5經(jīng)濟和環(huán)保的應(yīng)用優(yōu)勢本裝置系統(tǒng)在基于Arduino單片機和模糊PID算法的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了對恒溫試管架溫度的精確控制和裝置內(nèi)氣壓的阻尼控制,并實現(xiàn)了對氣壓的準(zhǔn)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