0 引言

    據(jù)2012年我國不孕不育調(diào)查顯示^[1]，國內(nèi)不孕癥者占已婚夫婦人數(shù)的12.5%，發(fā)病率呈上升趨勢。目前，國內(nèi)已有100余家醫(yī)療機(jī)構(gòu)開展了人類輔助生殖技術(shù)的應(yīng)用與研究工作。在整個輔助生殖過程中，取卵負(fù)壓裝置和試管架是關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)院采用澳大利亞COOK公司生產(chǎn)的IVF取卵針、負(fù)壓泵和恒溫試管架等組成的設(shè)備系統(tǒng)。這套COOK設(shè)備系統(tǒng)由于開發(fā)早并且相對成熟已長期占據(jù)國際和國內(nèi)市場，但其采用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)負(fù)壓控制，使得成本較高、價格昂貴、體積大，也容易出故障。近年來，國內(nèi)多個機(jī)構(gòu)也對取卵設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)研究，如畢宜法發(fā)明設(shè)計(jì)的一種取卵器^[2]，可利用負(fù)壓吸引器產(chǎn)生負(fù)壓直接將泡液吸入試管中，但設(shè)備采用的是單腔取卵針，其針管直徑較粗，對卵巢創(chuàng)傷大，且卵母細(xì)胞收集率較低；樓偉匡等人研究了一種無菌取卵專用穿刺針及無菌取卵針裝置^[3]，該裝置采用了雙腔取卵針，提高了卵母細(xì)胞的收集率，而其負(fù)壓吸引器采用的還是傳統(tǒng)的機(jī)械控制方法，成本較高且可靠性低。同時，國內(nèi)還有諸多相關(guān)專利^[4-5]，但都側(cè)重于對取卵針的研究，采用的也都是機(jī)械負(fù)壓泵，對整套取卵裝置并沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，尤其是對負(fù)壓泵和恒溫試管架這兩個關(guān)鍵單元的控制沒有具體涉及。

    針對現(xiàn)有產(chǎn)品的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)開發(fā)出了一套基于Arduino的體外授精取卵裝置系統(tǒng)，介紹了取卵系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，給出了負(fù)壓泵和恒溫試管架的具體控制算法，系統(tǒng)具有體積小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，且其成本低、操作簡單，擁有較大的市場空間。

1 取卵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及操作

    本系統(tǒng)控制器采用使用廣泛的Arduino Uno開發(fā)板[6]。該控制板功耗低、功能強(qiáng)大，其主控制芯片為ATmega328，可提供14路數(shù)字I/O接口(其中6路作為PWM輸出)和6路模擬輸入接口，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。圖1所示為取卵裝置控制系統(tǒng)的示意框圖，系統(tǒng)主要由恒溫控制和負(fù)壓控制兩大部分組成。

    恒溫閉環(huán)控制中，采用高精度PT100熱電偶采集試管架內(nèi)的實(shí)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0 V~5 V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(yīng)轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)設(shè)定的模糊PID算法計(jì)算得出對應(yīng)的控制量，控制數(shù)字端的PWM輸出。該信號通過場效應(yīng)管和整流二極管組成的驅(qū)動電路控制置于恒溫試管架內(nèi)的硅膠加熱片，使其達(dá)到恒溫控制效果。

    負(fù)壓閉環(huán)控制中，先設(shè)定期望氣壓值，當(dāng)Arduino控制器檢測到氣壓開關(guān)被按下時，產(chǎn)生一個高電平觸發(fā)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(chǎn)生1 V~5 V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(zhuǎn)換為真實(shí)氣壓值，微控制器根據(jù)PID算法計(jì)算得出對應(yīng)的PWM控制輸出信號。該信號通過場效應(yīng)管和整流二極管組成的驅(qū)動電路驅(qū)動型號為VBH2005的微型氣泵工作產(chǎn)生負(fù)壓，最終達(dá)到氣壓的穩(wěn)定輸出。抽氣過程中，可根據(jù)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(qū)動氣泵產(chǎn)生最大抽力，從而避免氣管堵塞。當(dāng)抽取過程結(jié)束時，斷開氣壓開關(guān)，控制器產(chǎn)生低電平觸發(fā)繼電器關(guān)閉電磁閥，從而使系統(tǒng)不會導(dǎo)致卵子和子宮血倒流，進(jìn)而避免了感染病毒的可能性。

    取卵負(fù)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(xì)真空管線、7負(fù)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(jìn)氣口和出氣口，試管收集器放置在恒溫試管架中以保證細(xì)胞的成活率。

2 系統(tǒng)PID控制原理

    PID控制^[7]是自動控制發(fā)展歷程中生命力最強(qiáng)的基本控制方式，其根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用誤差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出控制量，在數(shù)字系統(tǒng)中，主要有如下兩種PID控制器的數(shù)字形式：

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(shè)定值r(k)與被控對象實(shí)際測量值y(k)構(gòu)成的控制偏差信號，K_P、K_I和K_D分別為比例、積分和微分系數(shù)。由于增量式具有抗積分飽和功能，且輸出表示為Δu(k)形式，可以直接被某些控制單元使用，所以實(shí)際應(yīng)用中多采用PID的增量形式。

    當(dāng)對具有非線性、大滯后、時變的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制時，常規(guī)PID控制器往往存在超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、參數(shù)固定等問題，由此本文采用自整定模糊PID^[8]實(shí)現(xiàn)在線整定參數(shù)功能，從而保證控制效果。圖3所示為自整定模糊PID控制的一種實(shí)現(xiàn)方法。先將誤差e和誤差變化率e_c變化范圍及PID參數(shù)的自調(diào)整量ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D均模糊化到模糊子集，得到控制規(guī)則表，在系統(tǒng)運(yùn)行中控制器以誤差和誤差變化率作為輸入，通過控制規(guī)則表進(jìn)行模糊化和模糊推理，然后用加權(quán)平均法進(jìn)行去模糊化，得出PID參數(shù)的自調(diào)整量，加上各參數(shù)的初始值獲得最終三個控制系數(shù)，最后采用增量式對被控對象進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)軟件控制流程

    本控制系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)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(guī)PID相結(jié)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(dá)到設(shè)定值；氣壓控制模塊起始階段采用線性遞增方式達(dá)到設(shè)定值，可以減輕因突然高負(fù)壓對患者造成的疼痛感。

4 系統(tǒng)性能測試

    為驗(yàn)證取卵裝置在實(shí)際應(yīng)用中的溫控效果，恒溫試管架的控制溫度設(shè)定為36.9 ℃，以保證抽取出卵母細(xì)胞的成活率，采樣頻率設(shè)為5 s，同時在控制過程中間加入風(fēng)扇作用，用以模擬外界干擾因素。由Arduino IDE調(diào)試軟件的串口監(jiān)視器[9]獲得的溫度變化曲線如圖6、圖7所示。圖6為系統(tǒng)從起始到結(jié)束的溫度控制曲線圖，圖7為系統(tǒng)在設(shè)定值處的溫度穩(wěn)定波動圖。

    從圖6中可以看出，試管架溫度平穩(wěn)上升且時間快，超調(diào)量較小，溫度控制系統(tǒng)的控制效果明顯，具有良好的動態(tài)品質(zhì)。從圖7中可以明顯看出在控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，以設(shè)定值36.9 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，溫度的浮動范圍為±0.1 ℃，具有較高的控制精度，為增加細(xì)胞的存活率提供了保障。如圖7曲線中后段所示，當(dāng)外界存在干擾時，溫度先偏離設(shè)定溫度值，而后又逐漸向設(shè)定溫度值靠攏，最終達(dá)到原先的穩(wěn)定狀態(tài)，體現(xiàn)了本控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及較強(qiáng)的抗干擾能力，滿足了項(xiàng)目的控制需求。

    鑒于裝置還處在試驗(yàn)階段，氣壓控制實(shí)驗(yàn)以水為抽取對象。圖8給出了當(dāng)設(shè)定氣壓值為25mmHg、采樣間隔為200 ms時的負(fù)壓動態(tài)曲線圖。從圖中可以看出，裝置負(fù)壓值從系統(tǒng)工作后緩慢增加到設(shè)定值，而后趨于動態(tài)平穩(wěn)，其氣壓波動范圍為±5mmHg，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，滿足負(fù)壓精度范圍。同樣，如圖9所示，當(dāng)設(shè)定氣壓值為105mmHg時，動態(tài)負(fù)壓控制效果較好。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，當(dāng)系統(tǒng)以最大功率工作（即按下緊急開關(guān)時），測得最大負(fù)壓值可達(dá)580mmHg，基本達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 總結(jié)

    本裝置系統(tǒng)在基于Arduino單片機(jī)和模糊PID算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對恒溫試管架溫度的精確控制和裝置內(nèi)氣壓的阻尼控制，并實(shí)現(xiàn)了對氣壓的準(zhǔn)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(xì)胞的收集率。系統(tǒng)具有低功耗、操作簡單、成本低、精度較高、故障發(fā)生率低等優(yōu)點(diǎn)，在輔助生殖醫(yī)療方面具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和較大的市場空間。在以后的工作中，該系統(tǒng)還有待進(jìn)一步完善，即對系統(tǒng)控制算法進(jìn)行智能優(yōu)化、擴(kuò)展設(shè)備功能等，以便提高本裝置的自適應(yīng)性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 新華網(wǎng).中國人口協(xié)會調(diào)查顯示:不孕不育患者已超過4000萬[EB/OL].http：//finance.chinanews.com/jk/2012/12-02/4375106.shtml，2012-12-02.

[2] 畢宜法.一種取卵裝置[P].中國專利，200820026603.9.2009-04-22.

[3] 樓偉，匡延平.一種無菌取卵專用穿刺針及無菌取卵針裝置[P].中國專利，201020570629.7.2011-04-27.

[4] 魏毓君.簡易型單腔取卵器[P].中國專利，201120085875.8.2011-11-02.

[5] 肖紅衛(wèi)，喬憲鳳.快速抽取卵母細(xì)胞裝置[P].中國專利，201120314165.8.2012-07-11.

[6] 蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，16：155-157.

[7] 金奇，鄧志杰.PID控制原理及參數(shù)整定方法[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(5)：91-94.

[8] 黃衛(wèi)華，方康玲.模糊控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] 程晨.Arduino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.