實驗室自動化系統(tǒng)及plc在其中運用

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著社會、經(jīng)濟不斷發(fā)展,我國的醫(yī)療體制發(fā)生了巨大的變化，臨床實驗室工作也面臨許多重大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在兩方面:一方面醫(yī)療支出不斷上升,要求臨床實驗室持續(xù)地降低成本；另一方面隨著生活水平的提高, 人民對自身醫(yī)療保健更加關(guān)注,對檢測準(zhǔn)確性的要求不斷增加。這就使實驗室工作負(fù)荷持續(xù)加大,臨床實驗室面臨更大的挑戰(zhàn)。實驗室自動化系統(tǒng)(la

2、boratory automation system,LAS)為化解臨床實驗室所面臨的問題提供了很好的契機。在實驗室自動化系統(tǒng)中，有著大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，例如電機的啟停，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的計數(shù)、溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，而PLC技術(shù)是解決上述問題的最有效、最便捷的工具，因此PLC在此領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：臨床實驗室； 自動化系統(tǒng)； 可編程控制器（PLC）

3、</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Along with the fast development of social and economic, great changes have taken place in our country's medical system, Clinical laboratory wor

4、k also faces huge challenges, On the one hand, health care costs rising require the clinical laboratory to reduce the cost continuously, On the other hand, with the improvement of people's living standards, more att

5、ention are paid to their health care and the requirement of accuracy are increasing, This makes laboratory workload continues to increase, cl</p><p>　　Key words: clinical laboratory; automation system; pro

6、grammable logic controller</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　隨著醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論與生物技術(shù)的發(fā)展，檢驗技術(shù)日新月異，臨床檢驗診斷已逐步向自動化、智能化、信息網(wǎng)絡(luò)化邁進，醫(yī)學(xué)檢驗方法的靈敏度越來越高、特異性越來越強，自動

7、化程度越來越高，檢測結(jié)果也越來越準(zhǔn)確、可靠［1］。評價一家醫(yī)院醫(yī)療水平的高低，其中一個重要方面就是看該醫(yī)院檢驗科儀器設(shè)備的現(xiàn)代化情況、所開展檢驗項目的多少及檢測水平如何。近年來，臨床實驗室全自動化檢驗流水線在我國一些大中型醫(yī)院開始逐漸普及，實現(xiàn)了臨床實驗室裝備現(xiàn)代化的新飛躍［2］。</p><p>　　實驗室自動化系統(tǒng)（Laboratory Automation Systems，LAS）又稱為全實驗室自動化（to

8、tal laboratory automation，TLA），20世紀(jì)80年代開始于日本，是為了實現(xiàn)臨床實驗室內(nèi)一個或幾個檢測子系統(tǒng)，如臨床生化,血液學(xué)和免疫學(xué)等的整合，將同一廠家或不同廠家相互關(guān)聯(lián)或不關(guān)聯(lián)的自動化分析儀器及分析前和分析后的實驗室裝置，通過自動化輸送軌道和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行連接，形成流水線作業(yè)，構(gòu)成全自動化流水線作業(yè)環(huán)境，覆蓋整個檢驗過程，形成大規(guī)模全檢驗過程的自動化［3］。LAS是將多個自動化分析儀、自動化機械傳輸系統(tǒng)

9、、標(biāo)本分析前后處理設(shè)備、進程控制軟件和數(shù)據(jù)管理軟件等有機的結(jié)合起來，構(gòu)成全自動化的流水線作業(yè)環(huán)境，覆蓋整個檢驗過程，是國際上臨床實驗室全程自動化發(fā)展的方向。模塊化實驗室自動化是TLA的發(fā)展雛形。</p><p>　　靈活的LAS包括：前處理工作站和各種標(biāo)本分析工作站。前處理工作站包括樣本歸類 /條形碼識別，離心，樣本質(zhì)地識別、提示，去蓋，血清管標(biāo)記、分樣，插入儀器的樣本架。樣本的運輸由手工完成。這種模式適合于小型

10、門診實驗室或遠(yuǎn)程遙控的自動化實驗室。優(yōu)點是：可用實驗室已有的設(shè)備，達(dá)到規(guī)范結(jié)果，節(jié)省大量的前處理時間；為開放式，可靈活配置其他設(shè)備；對于大型醫(yī)院，是即時可行的實驗室自動化方案，將來邁向TLA時，可配置其他設(shè)備，也可作后備只用。對于中型/小型醫(yī)院，使邁向?qū)嶒炇易詣踊Ч蔀榭赡?；在自動化方案上，靈活的實驗室自動化成本低，容易達(dá)成有效的投資回報。</p><p>　　實驗室自動化系統(tǒng)的應(yīng)用，對提升臨床實驗室水平，加強

11、檢驗質(zhì)量管理，減少操作環(huán)節(jié)，降低差錯率等都有很大的益處。臨床實驗室全自動化檢驗系統(tǒng)是21世紀(jì)國際臨床實驗室檢測自動化發(fā)展的趨勢與發(fā)展［4］。近期的實驗室自動化系統(tǒng)的發(fā)展將會沿著嶄新的道路發(fā)展，創(chuàng)造出更加簡便，智能的系統(tǒng)。并且隨著人工智能的高速發(fā)展，將其運用于醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域指日可待，相信未來的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也會有著日新月異的變化。</p><h2>　　1 實驗室自動化系統(tǒng)（Laboratory Automation S

12、ystems，LAS）</h2><h3>　　1.1 實驗室自動化系統(tǒng)的定義</h2><p>　　狹義的實驗室自動化指通過實驗獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和獲得實驗結(jié)果這一過程的自動化；廣義的理解包括科學(xué)實驗、仿真、圖像處理、計算機輔助設(shè)計、自動測量、自動檢查、實驗設(shè)備的控制、文獻專利情報的管理、各種數(shù)據(jù)庫、自動翻譯、專家系統(tǒng)等。實驗室自動化系統(tǒng)是充分運用實驗室技術(shù)資源、信息資源和人的智力資源的

13、科學(xué)研究支持系統(tǒng)［5］。</p><h3>　　1.2 實驗室自動化系統(tǒng)的意義與作用</h2><p>　　實驗室自動化系統(tǒng)(laboratory automation system,LAS)為化解臨床實驗室所面臨的問題提供了很好的契機.實驗室自動化流水線：為了實現(xiàn)臨床實驗室內(nèi)某一個或幾個檢測系統(tǒng)如臨床化學(xué)、免疫學(xué)、血液學(xué)等檢驗的檢測系統(tǒng)系統(tǒng)化整合，而將相同或不相同的分析儀器與實驗室分析前

14、和分析后的分析系統(tǒng)［6］，通過自動化流水線和信息網(wǎng)絡(luò)進行連接的過程，構(gòu)成全自動化的流水線作業(yè)環(huán)境，覆蓋整個檢驗過程，形成大規(guī)模的全檢驗過程的自動化。</p><p>　　實驗室自動化的實施可以給我們的工作帶來質(zhì)的飛躍。</p><p>　?。?）提高臨床實驗室管理水平：充分發(fā)揮條形碼技術(shù)及實驗室信息系統(tǒng)的優(yōu)勢；減少人工操作環(huán)節(jié)，降低差錯率，提高檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性；極大地減輕了勞動強度，提高工

15、作效率，降低人力成本；調(diào)整工作流程及檢驗工作的管理模式，提高管理水平；優(yōu)化數(shù)據(jù)管理；利于標(biāo)準(zhǔn)化。</p><p>　?。?）提高實驗室的生物安全性：減少了檢驗技術(shù)人員與標(biāo)本的直接接觸的頻率，有效避免了標(biāo)本對操作者污染的機會。</p><p>　?。?）給患者帶來的好處：可實施分杯來減少患者的抽血管數(shù)及用血量，同時也降低了傳統(tǒng)多管檢測的醫(yī)療成本；檢驗結(jié)果報告速度加快，縮短了患者候診時間；患者

16、同等檢驗費用得到高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)。</p><h3>　　1.3 實驗室自動化的基本組成</h2><p>　　臨床實驗室全自動化系統(tǒng)檢驗流水線，也稱全實驗室自動化（TLA）或?qū)嶒炇易詣踊到y(tǒng)（LAS），是指臨床實驗室內(nèi)幾個檢測系統(tǒng)如臨床化學(xué)、免疫學(xué)、血液學(xué)等檢驗的系統(tǒng)化整合，而將相同或不同的分析儀器與實驗室分析前和分析后系統(tǒng)，通過自動化檢驗儀器和信息網(wǎng)絡(luò)連接形成檢驗及信息處理系統(tǒng)的過程［

17、7］。</p><p><b>　　它的基本組成包括：</b></p><p>　?。?）標(biāo)本傳送系統(tǒng)或傳送帶；負(fù)責(zé)將樣本從一個模塊傳送到另一個模塊。樣本自動傳送裝置可以將各類樣本傳送到自動化流水線上的相應(yīng)工作站，自動完成各種檢測分析。目前傳輸系統(tǒng)傳送樣本的主要方式有智能化傳輸帶和智能機械臂，他們的區(qū)別在于對試管架設(shè)計不同以及運送試管的方式不同。智能化傳輸帶依靠智能化

18、傳輸帶和機械軌道實現(xiàn)全實驗室各部分的連接，真正實現(xiàn)“無人化檢驗智能操作”。樣品轉(zhuǎn)運有成架轉(zhuǎn)運和單管轉(zhuǎn)運兩種模式。智能自動機械臂 即編程控制的可移動機械手，是對智能化傳輸帶的技術(shù)補充［8］。安裝在固定底座上的機械手，其活動范圍僅限于一個往返區(qū)域間以機座為圓心的半圓區(qū)域內(nèi)，以安裝在移動機座上機械手為中心，可為多臺分析儀器提供標(biāo)本，大大擴展其活動范圍。</p><p>　?。?）標(biāo)本處理系統(tǒng)；包括：樣本分類，樣本離心

19、，樣本識別，樣本去蓋，樣本再分注及標(biāo)記等。</p><p>　　（3）自動化分析系統(tǒng)；自動化分析系統(tǒng)由各種分析儀器和連接軌道組成。通過不同型號的儀器和軌道組合，完成各種不同的檢驗項目，包括生化，免疫，出凝血以及血球檢驗等。</p><p>　　（4）分析后輸出系統(tǒng)：分析后輸出系統(tǒng)（輸出緩沖模塊）包括出口模塊和標(biāo)本儲存接收緩沖區(qū)，出口模塊用于接收需人工復(fù)檢標(biāo)本及離心完畢的非在線檢測標(biāo)本，以上

20、標(biāo)本自動投入出口模塊中預(yù)先設(shè)定的各自區(qū)域等待人工處理。</p><p>　?。?）分析測試過程控制系統(tǒng)。分析測試過程控制系統(tǒng)依靠LIS，實時完成從HIS下載患者資料，檢驗請求信息，上傳標(biāo)本在各模塊的狀態(tài)，標(biāo)本架好位置，分析結(jié)果，數(shù)據(jù)通訊情況等任務(wù)。</p><h3>　　1.4 實驗室自動化流水線的結(jié)構(gòu)及功能</h2><p>　　LAS包括硬件和軟件兩部分，硬件為

21、標(biāo)本處理和檢測所需的全部設(shè)備，軟件則主要是進行控制［9］。根據(jù)標(biāo)本處理流程，硬件可以分為標(biāo)本處理模塊，標(biāo)本運輸系統(tǒng)和獨立檢測單元三部分，進程控制軟件與各部分的控制和協(xié)調(diào)。各品牌的實驗室自動化系統(tǒng)組成及排列順序有一些不同，但基本包括以下組成部分：進樣模塊，自動離心模塊，自動去蓋模塊，樣本分注模塊，分析儀連接模塊，主軌道，樣本存儲和復(fù)現(xiàn)模塊。</p><p>　?。?）進樣模塊：是流水線的開端，在這里完成對上線標(biāo)本的

22、篩選，排除并用機械手抓出不合格標(biāo)本，集中存放在相應(yīng)的試管架上。其他合格的樣本則順利進入流水線進行處理。</p><p>　　（2）自動離心模塊：是流水線實現(xiàn)樣本離心的模塊。樣本從進樣模塊進行至離心模塊后，離心機傳送臂上的抓手自動將樣本抓取，放入離心機進行處理，離心完成后，抓手再將樣本抓出，放入輸送裝置內(nèi)。</p><p>　?。?）去蓋模塊：主要功能是去除離心后的樣本試管的蓋子，以便樣本進

23、入分析儀器完成測試。此模塊主要是由電動或氣動抓手等裝置完成自動化操作。</p><p>　　（4）分析儀器連接模塊：用于連接主軌道和分析儀器，是樣本進入儀器完成分析試驗的通道。例如：樣本到達(dá)此模塊，通過條形碼閱讀器的掃描，根據(jù)測試項目，編程信息，儀器和試劑狀態(tài)，及裝載暫停狀態(tài)，確定發(fā)送至哪一臺儀器檢測。連接模塊具有智能平衡功能，能最大程度的提高樣本的處理速度。它調(diào)節(jié)樣本在各個儀器上的分配，其依據(jù)是樣本的分析項目和

24、線上各儀器的狀態(tài)。</p><p>　?。?）主軌道模塊：為連接流水線各個部分的通道，依靠電機驅(qū)動，帶動傳送皮帶完成樣本運送器的運動。進樣模塊，離心模塊等等都是以主干道為主分布的。</p><p>　　（6）樣本分注模塊：功能是將原始標(biāo)本吸入特定容器內(nèi)，便于儀器檢測和運輸。這一模塊屬于可選擇配件，直接采用原始樣本檢測的儀器則不需要這一模塊。包括血清分離效果檢測模塊，標(biāo)本分裝和次級計算機條形

25、碼粘貼單元等，每個不同的品牌都有不同的設(shè)計。</p><p>　?。?）樣本儲存和復(fù)現(xiàn)模塊：用來儲存已完成的樣本，主要分為低溫儲存和常溫儲存兩種，低溫儲存是指儲存系統(tǒng)中運用了制冷裝置，有利于標(biāo)本長期儲存，而常溫儲存系統(tǒng)則沒有制冷裝置，只用于標(biāo)本臨時放置。在儲存系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)通過條碼或芯片等識別裝置，區(qū)分和記憶每個標(biāo)本的位置，當(dāng)標(biāo)本需要重做時，通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令由機械裝置完成標(biāo)本的復(fù)現(xiàn)。</p>

26、<h2>　　2 可編程序控制器（PLC）在實驗室自動化系統(tǒng)中的運用</h2><h3>　　2.1 實驗室自動化的實現(xiàn) </h2><p>　　綜上描述實驗室實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵因素就是“軟件系統(tǒng)或信息管理系統(tǒng)”與“樣本處理系統(tǒng)”及樣本分析系統(tǒng)的良好匹配。其中“樣本處理系統(tǒng)”是關(guān)鍵因素中的重要環(huán)節(jié)，分析樣本處理流程，例如樣本輸送帶的按需運轉(zhuǎn)，機械臂對樣本的抓取等，在此過程中

27、有著大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，電機的啟停，電磁閥的開閉，機械臂的運行，產(chǎn)品的計數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，在這些裝置中都存在著PLC身影［10］。</p><h3>　　2.2 PLC 的定義</h2><p>　　PLC(Programmable Logic Controller)又稱可編程序控制器，國際電工委員會（IEC）于1987年頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿。在草

28、案中對可編程控制器定義如下：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計”。</p><h3>　　2.3 PLC的發(fā)展 <

29、/h2><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國通用汽車公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Contro

30、ller(PC)。個人計算機(簡稱PC)發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller(PLC)。上世紀(jì)80年代至90年代中期是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)

31、［11］。</p><h3>　　2.4 PLC的工作原理</h2><p>　　最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的：(1)繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(包括其常開或常閉觸點)在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。 (2)PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶

32、程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式掃描技術(shù)。這樣在對于I/O響應(yīng)要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)

33、別了。當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。</p><h3>　　2.5 PLC在實驗室自動化中的運用</h2><p>　　正是由于實驗室自動化中“樣本處理系統(tǒng)” 存在大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系

34、進行連鎖保護動作的控制及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。PLC利用其能夠為自動化控制應(yīng)用提供安個可靠和比較完善的解決方案，具有可靠性高、抗干擾能力強、組合靈活、編程簡單、維修方便等諸多優(yōu)點，在樣本處理裝置中得到了大量運用，并且隨著技術(shù)的進步，其控制功能由簡單的邏輯控制、順序控制發(fā)展為復(fù)雜的連續(xù)控制和過程控制在自動化裝置中擁有了不可替代的作用。</p><p>　　以貝克曼庫爾特自動化流水線系統(tǒng)中的去蓋器模塊為例，在去蓋過程

35、中樣本進入去蓋模塊后，到達(dá)去蓋位置時會被氣動抓手從兩側(cè)固定住，去蓋器有滑軌和氣動裝置控制運動到試管蓋上方，從頂部刺入將蓋子拔出，且將蓋子運送到指定位置丟棄至生物危害容器內(nèi)。而沒有蓋子的標(biāo)本則直接通過此模塊不會觸發(fā)去蓋裝置的工作。在此過程中，裝置的運動主要靠電機傳動和滑軌裝置到達(dá)指定位置，氣動裝置主要依靠氣閥的開閉和氣缸活塞的運動完成工作，那么在這個工作流程中氣閥的開閉，電機的運轉(zhuǎn)，時序的控制，邏輯的運算都是由可編程控制器（PLC）來完成

36、的。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　隨著醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論與生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，臨床檢驗診斷已逐步向著自動化，智能化，信息化，網(wǎng)絡(luò)化邁進。更加智能化的設(shè)備將會逐漸運用到臨床醫(yī)學(xué)檢驗中去。由于現(xiàn)有的自動化流水線系統(tǒng)存在著體積大，兼容的儀器少，操作復(fù)雜等缺點，近期的發(fā)展將會沿著完善這些缺點的道路發(fā)展，創(chuàng)造出更加簡便，智能的系統(tǒng)。并且隨著人工智能的