1、機械工程概論課程小論文(2016)題目：從“循環腫瘤細胞自動化檢測設備” 細看機器視覺技術的妙用學院： 專業： 年級： 姓名：學號：題號：13機械工程概論課程設計任課教師評閱表題目姓名學號題號學院專業教師評語 年 月 日成績前言近些年來，隨著科學技術的迅速發展，人類所能認知到的領域越來越大，因此學科與學科之間的界限也越來越模糊，形如機電一體化、生物醫學的交叉學科也應運而生。本文所著重分析的機器視覺技術就是物理學中的光學、計算機科學、機械原理、電路原理等等學科知識的綜合應用。機器視覺，顧名思義，就是借助“機器”，來達到和人類用眼睛去觀察等同，甚至猶有過之的效果。這里所說的“機器”，指的是構成機器

2、視覺系統的所有硬件設備的總和，比如用于攝取目標的信息，并將其轉換成圖像信號的智能相機，以及用于分析和處理圖像信息的計算機設備等。相比于直接用肉眼觀察，機器視覺技術無疑能夠提高信息獲取的速度和精度，大大地提高了生產效率以及生產的自動化程度。除此之外，在一些不適合于人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，機器視覺無疑是一個更好的選擇。也正是因為機器視覺技術具有以上的種種優點，這項技術的應用領域十分廣泛。在工業生產的過程中，機器視覺技術常常被運用在產品質量檢測、電子元件的高精度定位和放置、汽車零部件的離線檢測以及表面檢測等方面；在農業生產的過程中，機器視覺技術則被應用到農產品的品質檢測和

3、分級、農田作業以及植物生長檢測等方面；在醫學領域中，機器視覺技術主要應用在醫學影像數據的統計和解析、細胞的自動分類和計數、染色體分析等方面。 圖(a) 電容器外殼視覺檢測設備圖 圖(b) 農田作業機器人設想圖 圖(c) 醫學數據實時監測圖本文擬通過分析機械視覺技術應用在醫學領域上的一個具體例子循環腫瘤細胞(Circulaitng Tumor Cell, 簡稱CTC)自動化檢測設備，來深入探討機器視覺檢測所帶來的優勢以及該技術的發展前景。1.循環腫瘤細胞自動化檢測設備的簡介 圖 1.1 設備整體效果圖這個循環腫瘤細胞自動化檢測設備主要由硬件、軟件兩個部分構成，具體為:(1)腫瘤細胞檢測系統的硬件

4、部分:此設備硬件系統以STM32神舟IV 號107 處理器為核心，采用 Cortex-M3 架構，主頻可以達到72MHz。其中包含了機械控制部分、供電電源電路、繼電器電路、電機驅動電路、系統通信電路和信號監測電路等組成部分。(2)腫瘤細胞檢測系統的軟件部分:(a) 腫瘤細胞檢測系統監測軟件：此軟件的功能主要有實現多路閥控制染色進程、CCD攝像頭采集圖像、數據的采集和數據的通信協議控制等。 (b)腫瘤細胞檢測系統圖像識別處理軟件（分析用）:借助LabView設計的一套用于腫瘤細胞計數和圖像分析等功能的軟件。2.循環腫瘤細胞自動化檢測設備工作原理2.1 硬件部分(1)機械結構模塊 (a)檢測設備底

5、座骨架圖 (b)檢測設備輪位轉盤圖 圖 2.1 循環腫瘤細胞檢測設備模型圖在圖2.1 (a)中，設備底座骨架4上安裝汽缸1和轉盤3，汽缸1上安裝軸承2，通過軸承2下壓轉盤3的工作斜面使轉盤3單向回轉運動，轉盤3和底座骨架4分別安裝磁極相對的磁鐵5在圖2.1 (b)中，汽缸1上安裝軸承2，通過軸承2下壓轉盤3的工作斜面使轉盤3單向回轉運動，通過磁鐵5同性相斥作用，使工作位6處于穩定設想位置。此模塊主要用于對細胞的自動化染色及檢測過程。(2)電路模塊該模塊主要有繼電器驅動、電機驅動控制、多路閥閥位控制模塊、信號檢測自調節模塊、自定義協議通信模塊以及系統供能模塊等幾個部分組成。(與文章的主題無太大關

6、聯，故省略部分內容)此模塊主要用于指令和信息的傳輸，以及協調硬件和軟件的工作。2.2 軟件部分(1)循環腫瘤細胞檢測系統軟件該軟件是基于STM32F107 開發平臺設計的，主要功能有染色步驟控制、狀態信號監測等。 圖 2.2 染色步驟控制軟件邏輯圖 圖 2.3 狀態信號監測控制軟件邏輯圖(2)圖像識別系統 Labview 程序Labview,全名Laboratory Virtual Instrument Engineering，是由美國國家儀器公司開發的一款基于實驗室環境下的虛擬儀器集成軟件。使用此軟件可以實現將從CCD攝像頭收集而來的信息進行預處理，即從中識別出目標腫瘤細胞，把細胞的形狀、大

7、小、分布情況等等信息提取出來，并用最直觀的方式（圖片、表格等）來展現。3.循環腫瘤細胞自動化檢測設備工作流程循環腫瘤細胞檢測系統的工作過程，實際上就是計算機模仿人類的視覺自動化傳輸經過自動化三重免疫熒光染色的細胞圖像至腦部系統來認識和識別物體的過程。首先運用生物學的方法對循環腫瘤細胞，然后由系統來控制CCD 彩色攝像頭對經過三重免疫熒光染色的細胞進行圖像采集，最后傳輸至計算機上，利用 Labview 平臺獲取圖像中待識別細胞的特征信息，進行統計識別計數。 圖3.1 CTCs 自動化檢測設備的系統結構框圖4.應用機器視覺檢測循環腫瘤細胞所帶來的優勢事實上，在這個設備被設計出來之前，也有不少類似的

8、設備。比較著名的是美國一家名為Veridex 的公司生產的 CellSearch 循環腫瘤細胞檢測盒分析設備，是全球唯一經過 FDA 批準用于檢測血液中 CTCs 的商業化設備，如圖所示。 圖4.1 CellSearch 系統圖但是，這臺設備的缺點在于對CTC的捕獲率不夠理想，而且儀器造價和檢測維護費用異常昂貴，所以難以在基礎研究和臨床檢測領域獲得推廣普及。而文中所介紹的循環腫瘤細胞自動化檢測設備，除了造價相對來說比較低之外，該設備將多路閥、電機、計算機、視覺傳感器等等技術結合在一起，能夠很好地進行自動化精確操控以及相應檢測分析。其中，機器視覺技術的運用，使得許多的信息都能夠得到及時的、完整的

9、反饋，很大程度上保證了檢測數據的實時性和準確性。5.結論從上面的這個例子我們可以看出，機器視覺的使用，確實能夠大大提高工作和生產的效率。但是，機器視覺技術畢竟是近三十多年來才發展起來的新技術，在很多的地方還是不太成熟。比如說，與人類視覺相比，受設備等因素限制，機器視覺的適應性較差，在復雜或不斷變化的環境中，很難保證其工作的穩定性。并且，目前市面上的視覺傳感器在色彩分辨這一塊也有待加強。最重要的是，我們對人類自身的視覺機制還不是十分清楚，人可以用內省法描述對某一問題的解題過程，從而用計算機加以模擬。但盡管每一個正常人都是“視覺專家”，卻不可能用內省法來描述自己的視覺過程。所以，就目前而言，建立機

10、器視覺系統還是一項不太容易的任務。不過，相信在科學技術飛速發展的今天，這些問題也許將會在不久之后就會得到解決。3D機器視覺技術就是一個很好的例子。與傳統的機器視覺系統相比，在三維空間下，產品的許多信息都能夠較好地收集，從而達到更好的工作效果。作為一種潛力十足技術，我相信，隨著機器視覺自身的發展和成熟，它將在現代和未來的制造企業中得到越來越廣泛的應用。參考文獻 a.專著、論文集、學位論文、報告1 張憲民 陳忠. 機械工程概論M. 華中科大出版社, 2015.2 張俊哲. 循環腫瘤細胞自動化檢測設備的研制D. 武漢紡織大學, 2014.b.期刊文章3 劉金橋, 吳金強. 機器視覺系統發展及其應用J. 機械工程與自動化, 2010(1):215-216.4 顏發根, 劉建群, 陳新, 等. 機器視覺及其在制造業中的應用J. 機械制造,2004, 42(11):28-30.5 穆向陽, 張太鎰. 機器視覺系統的設計J. 西安石