整机原理与工作时序

BS-200生化仪整机原理与工作时序生化研发部许智2005.10内容摘要生化分析仪是临床诊断常用的重要仪器之一。BS-200作为一款低端生化产品，其整机配置方法与时序控制方案都具有自身的亮点。本文介绍了BS-200生化分析仪的总体结构布局、整机工作原理以及组件详细工作时序，希望能够帮助大家更好地了解和认识公司生化产品线的新产品。一、生化分析仪概述生化分析仪是临床诊断常用的重要仪器之一，它是将生化分析中的取样、加试剂、混合、保温反应、检测、结果计算以及比色杯清洗等步骤全部由模仿手工操作的自动化仪器来完成，从而提高了分析效率和结果的准确性。生化分析仪的结构可分为分析部、操作部和结果输出部。分析部即生化主机，主要由光学检测系统、样本和试剂处理系统、反应系统以及反应杯清洗机构等成。操作部即计算机系统，其内部安装一套生化测试操作软件，负责生化分析仪与用户的操作接口以及进行必要的数据处理。输出部即打印机，负责打印生化项目的检测结果。全自动生化分析仪优点:提高工作效率，降低人力成本消耗，减少人为差错影响；提高临床测试的精密度与准确性，增加了结果的可比性与可信度；天成医疗网改进了分析方法，支持速率法和动力学法；自动化仪器具有监测、结果计算、数据存储等功能，在测试过程中如遇校准液、质控液测定结果不准，试剂量不足，或仪器故障等现象，能够及时报警并提供处理方法。降低试剂消耗，节约样本的检验费用。所以，医院的检验设备更新换代，逐步配备全自动生化分析仪是必然的发展趋势。全自动生化分析仪分类：连续流动式生化分析仪：基于“气泡隔离连续分析”原理，依靠比例泵将同一项目的样本与试剂吸到管道系统中，在管道系统内完成混合、反应、比色测定等操作。离心式生化分析仪：将样本和试剂放在特制的圆盘内，圆盘放在离心机上作为转头，在离心力作用下完成混合、反应和比色测定。分立式生化分析仪：采用加样探针将样本与试剂定量加入比色杯中，经搅拌器混匀后，在特定条件下完成反应与比色测试。分立式生化分析仪有单通道与多通道之分，又有的固定项目，有的随机任选式。二、BS-200结构与配置BS-200全自动生化分析仪是迈瑞公司将于2005年底推出的一款低端生化检验产品，其最大分析速度为200项测试/小时，最长反应时间可达12分钟，不含电解质模块。仪器将传统生化分析仪中的试剂盘和样本盘合二为一，试剂样本存储盘的内圈存放试剂，外圈存放样本。仪器采用单针结构，一根加样针即用于加注试剂又用于加注样本。反应盘中的反应杯为一次性设计，反应完成后由手工更换新反应杯。BS-200的构造与设计真正到达了经济、高效、稳定。主电源开关电源插口分析部电源开关分析部主机机柜顶盖注射器搅拌杆反应盘加样针样本试剂盘加样位（试剂、样本）清洗位吸样本位吸试剂位（R1、R2）搅拌位一针两用，既负责加注试剂又负责加注样本；液面自动检测；随量跟踪；防碰撞感应设计；试剂自动预热；涌泉式内外壁清洗；最小吸样量：3ul加样针：搅拌杆：独立搅拌机构，区别于其它低端生化产品；反应杯加入样本或第二试剂后立即执行搅拌，达到混合均匀；表面刨光，厚度减小。试剂样本盘：两盘合一，存储盘内圈存放试剂，外圈存放样本；外圈提供40个试剂位，内圈提供40个样本位；具备冷藏功能，减少试剂挥发。反应盘：提供80个反应杯位；空气浴恒温方式，带有电子恒温装置，时时检测反应温度，保持反应盘温度恒定；8个光学测量通道对应8个检测波长。规格参数:整机结构与布局:系统模块分解:机械系统:反应盘组件主要包括轴承座、温控锅、圆形转盘和旋转驱动机构等。轴承座由步进电机驱动，通过同步齿型带传动，驱动转盘实现旋转运动，同时对转盘起支撑作用。温控锅是为了保证临床项目的反应温度保持或接近人体温度而设计的密闭加热容器及其相应的控制系统，反应杯以及转盘皆置于密闭容器内部。沿转盘圆周排列了一圈共80个一次性反应杯，反应杯依靠自身的定位孔与反应盘上的定位销轴进行齿合从而实现圆周定位，并且方便反应杯的手工装卸。1.反应盘组件2.样本试剂盘组件样本和试剂存储盘为内外圈结构，外圈用于排放样本试管，内圈用于排放试剂瓶。存储盘组件主要包括轴承座、制冷模块、样本和试剂承载架等。与反应盘相似，存储盘的轴承座也是依靠步进电机驱动，通过同步齿型带传动，驱动样本和试剂承载架实现旋转运动，同时对其起支撑作用。制冷模块主要包括制冷元件、散热通道、密闭隔热腔体及其相应的控制系统，其主要目的是保持存储盘的温度为4~15℃，从而延长试剂的使用使用寿命并减少挥发。3.加样针组件加样针组件包括探针、机械臂、驱动模块、注射器及其连接液路等，加样针组件配合特定的工作流程可以完成所有项目的加样操作。加样针的机械臂安装于滚珠花键轴的顶端，依靠驱动模块的两个步进电机对其上下运动和旋转运动进行精确控制。加样针的机械臂起固定探针的作用，其内部安装有一加热块负责对吸入探针的试剂进行预温，使其达到最佳反应温度。探针在吸样时采用电容式液面传感器可自动检测液面高度，在排样时采用随量跟踪功能，即根据排液量的多少自行调整针尖的高度，从而最大限度减少交叉污染。探针具有防碰撞功能，当其受到垂直方向的阻力或撞击会自动停止，并发出报警信号。搅拌杆组件包括搅拌电机、搅拌杆、机械臂和驱动模块。搅拌电机带动搅拌杆旋转完成反应液的混匀搅拌，搅拌杆的机械臂安装于滚轴花键轴的顶端，其驱动方式与加样针组件相同。4.搅拌杆组件光学系统:卤钨灯发出包含340nm～670nm波段的强光由聚光镜会聚到石英光纤的大端面；白光从光纤大端面入射，由10路小端出射，经由小透镜1准直，透射进入反应杯；小透镜1前用孔径光阑控制反应杯入射面与出射面上的光斑直径；采用窄带滤光片对出射光进行波长选择，设置9路光纤测量通道，分由8路滤光片滤光选择波长，一路光纤用作反馈参考光路，多余出来的一路光纤则闲置固定；经过滤光片出射的单色光由小透镜2会聚到光电二极管的靶面上，通过光电二极管检测光强。液路系统:清洗液桶内壁清洗泵废液捅电磁阀注射器采样针搅拌杆清洗池清洗池试剂样本盘四通三通2节流元件123456789101112快速接头13单向阀1外壁清洗泵单向阀21415初始化过程：加样系统由其他状态转入加样状态时，首先进行内外壁清洗，即电磁阀打开，泵打开，保持一段时间以后，泵关闭，并在一定的时延后关闭电磁阀。初始化过程的作用是使管路中充满清洗液，并检测液路状态。在连续的加样过程中，仅第一次加样前运行初始化过程。吸样过程：吸样时，电磁阀关闭，采样针接触液面之前吸入指定量的空气，以隔离清洗液和样本/试剂；然后在采样针检测到液面并插入一定深度后，加样注射器活塞下行，吸入指定量的样本/试剂＋附加量，延迟一段时间后，缓慢抬出液面。排样过程：采样针插入指定的反应杯中，注射器活塞上行，排出指定量样本/试剂，经过指定时延后采样针缓慢抬出液面，转向清洗池进行清洗过程。清洗过程：清洗时，电磁阀打开，然后开启清洗泵，进行内外壁清洗；在此过程中注射器活塞上推，排出多余样本并复位。清洗完成后，先关闭清洗泵，一定时延后关闭电磁阀。硬件系统:硬件系统主控模块驱动模块数据采集模块液面检测模块试剂制冷模块电源模块主控板功率驱动板PFC板24V板5v/12v板试剂制冷板液面检测板AD采集板10路光电转换板PC机主控板9路位置传感器液面检测电路10路光电检测电路AD采集板功率驱动板电源试剂制冷电源试剂制冷电路220/110VAC废液满、清洗液空传感器反应盘、试剂预加热温度传感器7路步进电机1路泵、1路阀搅拌直流电机反应盘加热器试剂预加热光源灯制冷器件、制冷温度传感器、制冷风机软件系统:反应盘协议温控协议搅拌协议样本协议试剂协议上位机中位机试剂协议样本协议搅拌协议温控协议反应盘协议试剂单元样本单元搅拌单元温控单元光电单元中位机协议三、BS-200工作流程与动作时序市面上采用单针单盘设计的低端生化分析仪屡见不鲜，由于结构上的限制，往往导致仪器在工作流程配置上产生致命缺陷，如魅力2000/1800，在加样时使用一根加样针先后吸取试剂与样本，然后同时排入反应杯，依靠正压喷射混合溶液。省去了试剂温升时间和孵育时间，必然影响反应效果与测试结果的准确性。BS-200依靠工作流程上的优化设计，彻底解决了低端生化分析仪中的类似问题。典型测试流程：BS-200全自动生化分析仪支持单试剂项目与双试剂项目。项目的加样顺序为先加第一试剂，经过5.5个周期后（即试剂温升时间）加入样本，双试剂项目在加入样本后经过一定的孵育时间再加入第二试剂，其中孵育时间可由用户自由设定。用户设定孵育时间双试剂项目开始开机初始化流程加第一试剂加样本搅拌完成吸光度测量更换反应杯输出结果单试剂项目加第二试剂搅拌放置新反应杯测量杯空白大约15分钟最长可达12分钟1分39秒3秒3秒①生化分析仪上电，执行开机初始化流程，包括：各针盘组件机械复位、光源灯上电、温控模块执行温度孵育等。待光源灯稳定、反应盘达到恒温37℃后系统允许测试，中间耗时约15～20分钟。②测试开始后，加样针首先执行强酸或强碱清洗3次，然后与搅拌杆一起在清洗位用去离子水进行内外壁清洗3次。③第1~5＃周期，加样针分别向第1~5号反应杯（如果从第N号杯开始，则为第N~N+5号反应杯）加入第一试剂，如遇脏杯则直接跳过。④第6＃周期以后，加样针依次向第6号以后反应杯加入第一试剂，并向第1号以后反应杯加入样本。⑤到达双试剂项目设定的孵育时间后，停止第一试剂和样本的加样操作，执行相应测试的第二试剂加样操作，待第二试剂加样完毕后恢复第一试剂和样本的加样操作。⑥与步骤③相对应，一批测试（指当前所有已编译的测试）最后5个项目的加样本操作单独占用一个周期，在此周期内，加样针依次向最后5个项目所在反应杯加入样本。⑦一批测试的加样操作（包括试剂和样本）完毕后，加样针执行强酸或强碱清洗3次，然后与搅拌杆一起在清洗位用去离子水进行内外壁清洗各3次。⑧80个反应杯用完，系统提示用户手动更换反应杯。⑨全部测试完成后，执行关机流程：加样执行强酸或强碱清洗，针盘组件机械复位。在连续测试流程的加第一试剂周期内，仪器的加样针、与搅拌杆分别执行一次加试剂、加样本与搅拌操作，从而完成单试剂项目与双试剂项目中第一试剂R1与样本的加样与搅拌操作。而在加第二试剂周期中，仪器的加样针与搅拌杆分别执行一次加试剂与搅拌操作，从而完成双试剂项目中第二试剂R2的加样与搅拌操作。依据工作周期内针、盘组件动作时序的不同分为加第一试剂周期（R1）与加第二试剂周期（R2）。工作周期分类：反应盘布置方案：BS-200全自动生化分析仪反应盘内排列了一圈共80个反应杯，分8联分布，反应盘始终沿逆时针方向旋转。沿反应盘圆周布置的机械组件包括：一根加样针、一根搅拌杆、和光学测量机构（共8路检测波长）。以反应盘上试剂/样本注入位作为起始位1#杯位，沿逆时针方向杯位序号依次加1，从而构成“反应杯位置坐标系”。各组件的位置坐标如下图所示。搅拌位（11#）试剂/样本注入位（1#）9路光学测量通道（39-55#）反应盘沿逆时针方向旋转手动更换反应杯（22-31#）反应盘动作时序：BS-200生化分析仪的理论测试速度为200tests/hr，可以逆推其工作周期为3600/200＝18sec。反应盘组件在工作周期（R1与R2）内的动作时序和动作说明如下所示。132465798101211131514161817加第一试剂周期停止8.110.415.816.304.10.8停止停止旋转转旋转加第二试剂周期8.18.64.10.8停止旋转停止转132465798101211131514161817反应盘试剂/样本针5.47.3下降到反应杯停止8.1上升到反应盘上方8.38.6下降到清洗池9.9旋转到清洗池上方停止上升到清洗池上方10.55旋转到样本盘上方10.75下降到样本盘11.512.4上升到样本盘上方13.5旋转到反应盘上方13.8下降到反应杯停止停止上升到反应盘上方0.651