辅助生殖中取卵装置的设计

辅助生殖中取卵装置的设计

0基于推进应当实现的取卵系统根据2012年中国未怀孕和不育调查表明。针对现有产品的缺点,本文设计开发出了一套基于Arduino的体外授精取卵装置系统,介绍了取卵系统的总体设计和系统功能实现,给出了负压泵和恒温试管架的具体控制算法,系统具有体积小、运行稳定可靠等优点,且其成本低、操作简单,拥有较大的市场空间。1取卵负压控制试验本系统控制器采用使用广泛的ArduinoUno开发板恒温闭环控制中,采用高精度PT100热电偶采集试管架内的实时温度,通过SBWZ热电偶温度变送器将信号变换成与被测温度成线性的0V~5V的电压信号,接入到Arduino控制板的模拟输入端,控制单元通过相应转换及系统设定的模糊PID算法计算得出对应的控制量,控制数字端的PWM输出。该信号通过场效应管和整流二极管组成的驱动电路控制置于恒温试管架内的硅胶加热片,使其达到恒温控制效果。负压闭环控制中,先设定期望气压值,当Arduino控制器检测到气压开关被按下时,产生一个高电平触发继电器使其打开电磁阀,让气管接通。同时,连接在气路中型号为KP42V-02-F1的气压传感器产生1V~5V的模拟电压信号送到控制板的模拟输入端,通过传感器输出特性将电压信号转换为真实气压值,微控制器根据PID算法计算得出对应的PWM控制输出信号。该信号通过场效应管和整流二极管组成的驱动电路驱动型号为VBH2005的微型气泵工作产生负压,最终达到气压的稳定输出。抽气过程中,可根据患者需要随时改变抽取气压大小,若遇软组织堵塞等紧急情况,控制器可输出最大的PWM控制信号,驱动气泵产生最大抽力,从而避免气管堵塞。当抽取过程结束时,断开气压开关,控制器产生低电平触发继电器关闭电磁阀,从而使系统不会导致卵子和子宫血倒流,进而避免了感染病毒的可能性。取卵负压装置的连接如图2所示。装置主要包括:1双腔取卵针、2软管连接器、3抽取连接管、4注射管线、5注射针、6细真空管线、7负压连接头、9粗真空管线、10气泵连接装置、11试管收集器。其中10口连接到微型气泵的抽气口,8口、9口分别连接到直动式电磁阀的进气口和出气口,试管收集器放置在恒温试管架中以保证细胞的成活率。2系统输出量控制PID控制其中,式(1)、式(2)分别为PID控制的位置式和增量式,u(k)为控制器输出量,e(k)=r(k)-y(k)为设定值r(k)与被控对象实际测量值y(k)构成的控制偏差信号,K当对具有非线性、大滞后、时变的复杂系统进行控制时,常规PID控制器往往存在超调大、调节时间长、参数固定等问题,由此本文采用自整定模糊PID3温度控制模块本控制系统程序采用模块化设计,主要包括系统的主程序、初始化模块、采样模块、温度控制模块、气压控制模块、液晶显示模块、模糊PID控制算法模块等。图4、图5分别为温度和气压控制模块的程序流程图。其中温度控制模块采用模糊PID与常规PID相结合的算法,且在误差较大时采用全功率加热或零输出以便快速达到设定值;气压控制模块起始阶段采用线性递增方式达到设定值,可以减轻因突然高负压对患者造成的疼痛感。4动态特性分析为验证取卵装置在实际应用中的温控效果,恒温试管架的控制温度设定为36.9℃,以保证抽取出卵母细胞的成活率,采样频率设为5s,同时在控制过程中间加入风扇作用,用以模拟外界干扰因素。由ArduinoIDE调试软件的串口监视器从图6中可以看出,试管架温度平稳上升且时间快,超调量较小,温度控制系统的控制效果明显,具有良好的动态品质。从图7中可以明显看出在控制系统稳定工作后,以设定值36.9℃为标准,温度的浮动范围为±0.1℃,具有较高的控制精度,为增加细胞的存活率提供了保障。如图7曲线中后段所示,当外界存在干扰时,温度先偏离设定温度值,而后又逐渐向设定温度值靠拢,最终达到原先的稳定状态,体现了本控制系统的稳定性及较强的抗干扰能力,满足了项目的控制需求。鉴于装置还处在试验阶段,气压控制实验以水为抽取对象。图8给出了当设定气压值为25mmHg、采样间隔为200ms时的负压动态曲线图。从图中可以看出,装置负压值从系统工作后缓慢增加到设定值,而后趋于动态平稳,其气压波动范围为±5mmHg,有较强的稳定性,满足负压精度范围。同样,如图9所示,当设定气压值为105mmHg时,动态负压控制效果较好。经实验测试,当系统以最大功率工作(即按下紧急开关时),测得最大负压值可达580mmHg,基本达到了最初的设计目标。5经济和环保的应用优势本装置系统在基于Arduino单片机和模糊PID算法的基础上,实现了对恒温试管架温度的精确控制和装置内气压的阻尼控制,并实现了对气压的准确切换,避免了抽取出的卵子和子宫血的倒流问题,同时采用了双腔取卵针,提高了卵母细