輔助生殖中取卵裝置的設計

0基于推進應當實現的取卵系統根據2012年中國未懷孕和不育調查表明。針對現有產品的缺點,本文設計開發出了一套基于Arduino的體外授精取卵裝置系統,介紹了取卵系統的總體設計和系統功能實現,給出了負壓泵和恒溫試管架的具體控制算法,系統具有體積小、運行穩定可靠等優點,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控制器采用使用廣泛的ArduinoUno開發板恒溫閉環控制中,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,控制單元通過相應轉換及系統設定的模糊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繼電器關閉電磁閥,從而使系統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。2系統輸出量控制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,K當對具有非線性、大滯后、時變的復雜系統進行控制時,常規PID控制器往往存在超調大、調節時間長、參數固定等問題,由此本文采用自整定模糊PID3溫度控制模塊本控制系統程序采用模塊化設計,主要包括系統的主程序、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。4動態特性分析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5s,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ArduinoIDE調試軟件的串口監視器從圖6中可以看出,試管架溫度平穩上升且時間快,超調量較小,溫度控制系統的控制效果明顯,具有良好的動態品質。從圖7中可以明顯看出在控制系統穩定工作后,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,最終達到原先的穩定狀態,體現了本控制系統的穩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200ms時的負壓動態曲線圖。從圖中可以看出,裝置負壓值從系統工作后緩慢增加到設定值,而后趨于動態平穩,其氣壓波動范圍為±5mmHg,有較強的穩定性,滿足負壓精度范圍。同樣,如圖9所示,當設定氣壓值為105mmHg時,動態負壓控制效果較好。經實驗測試,當系統以最大功率工作(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。5經濟和環保的應用優勢本裝置系統在基于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