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)療機構開展了人類輔助生殖技術的應用與研究工作,。在整個輔助生殖過程中,，取卵負壓裝置和試管架是關鍵設備，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,、負壓泵和恒溫試管架等組成的設備系統(tǒng),。這套COOK設備系統(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，但其采用機械裝置實現(xiàn)負壓控制,，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)多個機構也對取卵設備進行了相關研究,，如畢宜法發(fā)明設計的一種取卵器^[2],，可利用負壓吸引器產(chǎn)生負壓直接將泡液吸入試管中，但設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,，提高了卵母細胞的收集率，而其負壓吸引器采用的還是傳統(tǒng)的機械控制方法,，成本較高且可靠性低,。同時，國內(nèi)還有諸多相關專利^[4-5],，但都側(cè)重于對取卵針的研究,，采用的也都是機械負壓泵，對整套取卵裝置并沒有進行系統(tǒng)的研究與設計,，尤其是對負壓泵和恒溫試管架這兩個關鍵單元的控制沒有具體涉及,。

    針對現(xiàn)有產(chǎn)品的缺點，本文設計開發(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)的總體設計和系統(tǒng)功能實現(xiàn),，給出了負壓泵和恒溫試管架的具體控制算法，系統(tǒng)具有體積小,、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,，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)設計及操作

    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)設計需求,。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，控制單元通過相應轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)設定的模糊PID算法計算得出對應的控制量,，控制數(shù)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(qū)動電路控制置于恒溫試管架內(nèi)的硅膠加熱片,，使其達到恒溫控制效果。

    負壓閉環(huán)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(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)換為真實氣壓值,，微控制器根據(jù)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(qū)動電路驅(qū)動型號為VBH2005的微型氣泵工作產(chǎn)生負壓,，最終達到氣壓的穩(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,。當抽取過程結束時，斷開氣壓開關,，控制器產(chǎn)生低電平觸發(fā)繼電器關閉電磁閥,，從而使系統(tǒng)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(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_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，所以實際應用中多采用PID的增量形式,。

    當對具有非線性,、大滯后、時變的復雜系統(tǒng)進行控制時,，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)則表進行模糊化和模糊推理，然后用加權平均法進行去模糊化,，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)程序采用模塊化設計,，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 系統(tǒng)性能測試

    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5 s，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)從起始到結束的溫度控制曲線圖,，圖7為系統(tǒng)在設定值處的溫度穩(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(wěn)定狀態(tài),，體現(xiàn)了本控制系統(tǒng)的穩(wěn)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200 ms時的負壓動態(tài)曲線圖。從圖中可以看出,，裝置負壓值從系統(tǒng)工作后緩慢增加到設定值,，而后趨于動態(tài)平穩(wěn)，其氣壓波動范圍為±5mmHg,，有較強的穩(wěn)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(tài)負壓控制效果較好,。經(jīng)實驗測試,，當系統(tǒng)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 總結

    本裝置系統(tǒng)在基于Arduino單片機和模糊PID算法的基礎上，實現(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,，并實現(xiàn)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,，在輔助生殖醫(yī)療方面具有較好的經(jīng)濟效益和較大的市場空間,。在以后的工作中，該系統(tǒng)還有待進一步完善,，即對系統(tǒng)控制算法進行智能優(yōu)化,、擴展設備功能等，以便提高本裝置的自適應性和實用性,。

參考文獻

[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.快速抽取卵母細胞裝置[P].中國專利,，201120314165.8.2012-07-11.

[6] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程,，2012，16：155-157.

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

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

[9] 程晨.Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社,，2012.