摘 要：标本转运箱广泛应用于医疗机构间标本转运时的标本存储，其中的关键性技术就是温控系统，由于标本存储要求的严苛性，标本转运箱的温度控制范围及精度要求非常严格。目前国内并无低功耗便携式智能温控血液标本转运箱产品，也没有具备类似功能进口设备。为保证标本运输过程的安全性、减少分析前误差从而保证质量控制的可靠性，本文论述了一种低功耗便携式智能温控标本转运箱的设计方案，该产品的生产成本低，适用范围广，具有良好的市场前景。
关键词：标本转运箱；温控系统；低功耗；控制方法
中图分类号：TP391.8
标本转运箱已成为现代医学的重要设备，广泛应用于标本转运时对标本的储存。目前，血清标本递送采用将血清存放于普通的标本递送盒中并放上冰块。但是由于路途距离不同，且受到交通状况、各种人为因素的影响，递送过程中会造成标本温度不可知、不可控制。尤其是夏天，很多标本送到的时候，温度已经明显过高，自然会影响Free β-hCG、AFP、μE3的检测结果，造成DS假阳性率偏高，导致需要遗传咨询和后续干预的孕妇数量增加19.6%。
传统的医用标本转运箱大都采用模糊控制法，这种控制方式由于控制超调量大，控制速度较低且测量控制温度的过程具有大惯性、纯滞后、时变性非线性等特点，不能很好的达到控制品质要求，因而只能用在精度要求较低的场合。为了更好的进行高精度温度检测与控制，在综合消耗最低的情况下获得高精度控制的品质，对低功耗便携式智能温控标本转运箱的需求更加迫切。这种标本转运箱能够保证标本运输过程的安全性，为标本接收甄别提供了依据，有利于降低分析前误差，从而降低DS假阳性率，加强分析前质量控制；同时，产品的投入成本低，适用范围广，可用于试剂、血液标本等转运，市场前景看好。
1 医用标本转运箱在国内外的研究现状
目前国内外递送血清标本主要采用冷藏车及普通的标本递送盒两种方式。冷藏车是一种封闭化厢式运输车，车体装有制冷装置及隔热厢的专用运输车，经常用来输送疫苗药品（疫苗运输车）。为降低导热系数，减轻车体质量，新一代冷藏车大都采用全封闭式材料昂贵的聚氨酯板块粘结结构。冷藏车具备自主制冷的能力，不过投入成本相对较高，并不适合小批量的标本转运。此外，在上下车过程中是没有进行温度监控的，因而不能够保证良好的质量控制。普通的标本递送盒携带起来较为方便，比较适合小批量标本的转运，不过样本的运转过程同样是温度控制的盲点。通过查阅相关文献，国内尚且没有低功耗便携式智能温控血液标本转运箱产品，也没有具备类似功能的进口设备。随着社会资源的大量消耗，提倡环保节能，以便降低现有资源能源的消耗量，倡导节能环保型新产品的开发成为一股热潮。与此同时，由于现代信息技术、计算机网络技术、智能控制技术的飞速发展，智能化理念已经逐步渗透到各个行业以及人们的日常生活中，在很大程度上提高了社会的生活水平。因此，具有低功耗便携式的智能医用标本转运箱成为未来很长一段时间内医用标本转运必然的发展趋势。
2 标本转运箱设计的预期目标、条件及步骤
2.1 预期目标
预期设计目标是研发一种低功耗便携式的半导体制冷智能温控标本运转箱，属于创新型实用设计，在合作医院试用，并向医疗机构推广使用。在批量生产后能够在很大程度上降低生产成本，从而产生一定的经济效益。该产品不仅可以应用于标本运输，更可以扩大到试剂、药品的运输。预期该系统在投入使用以后，我市的唐氏综合征筛查的FPR至少可下降约1%。每年减少的羊水穿刺数量大约为500例，羊水穿刺进行核型分析收费每例约为600元，仅此一项每年就可减少医疗支出约为30万。每年有大约500例孕妇免受羊水穿刺带来的巨大的身体和心理方面的伤害。低功耗便携式的智能医用标本转运箱具有结构简单、操作人性化、便携性良好、可靠性高、性价比高、温度控制精度高、实用性强及能耗低等特点，然后将其应用到产前筛查血清递送过程中，实现标本运输过程中温度的全程监控，以减少分析前误差，降低DS假阳性率，并通过实验数据和普通数据进行比对，该研究具有实际的应用价值。
2.2 条件分析
项目负责人自长期以来一直致力于智能控制算法的研究。于近两年，参阅了大量关于半导体温控方面的国内外参考资料，对半导体智能温控的前沿技术和技术难点有足够的了解；和宁波市妇女儿童医院建立了初步的合作关系，该医院为课题研究提供了详实的产前筛查原始数据和良好的临床试验环境。非常适合开展将原有数据和实验数据的比对分析研究工作。此外，学校现有实训实验设备完善齐全，可进行该项目前期工作的实验与仿真，在项目进行阶段，能够实现项目相关内容的实验。本项目与医院合作开发，能够得到医院的大力支持，具有良好的研究条件。
2.3 实施步骤
由在电气控制、电子技术、生物医学工程、医学检验等专业有一定基础和工作经验的人员组成课题组。这些课题组成员不仅包括学校的专职教师，医院的医技人员，还有企业的技术骨干，合理的结构组成为项目的顺利实施提供了良好的条件和基础。首先将项目组的各成员按照自身特长进行明确分工以保证各项工作的落实。由长期致力于温度控制技术、智能控制方法的研究并参与多项科研课题的电气自动化专业人员进行项目的整体规划、设计、过程管理和温控算法的实现；将具有低功耗单片机系统开发及系统集成经验的生物医学工程专业人员负责温控系统的设计与实现；由医学检验专业人员负责实验数据检测及数据分析；由控制方面的专业人员负责信息系统设计与实现。项目研究的技术路线主要包括下述步骤：
（1）按照产品的功能要求进行需求分析及功能、流程分析并行元器件选型工作。
（2）完成试制数据采集实验板、无线功能模块集成工作。
（3）进行上位机软件的编制、调试过程，完成控制系统搭建与箱体集成。
（4）初步试运行并采集实验数据。
（5）详细合理的数据统计分析工作，针对不足之处拟定的产品修改计划。
（6）整理实验资料，总结实验成果。
3 系统设计方案分析
项目计划开发的温度监控转运箱的总体设计方案主要包括温度控制系统的整体设计及软件和硬件方面的分析。为提高智能化水平，保证与PC机通讯的可靠性，能够实现人机接口以及进行数据处理，温度控制的方式采用低功耗单片机。考虑到程序中会包含大量的数据处理，采用结构简单、运算符多样并面向用户的C语言实现系统所需的控制功能。
3.1 温控系统整体框图
转运箱的温度控制系统的硬件部分主要由低功耗单片机、液晶显示器、温度传感器、人机交互界面与外围电路等组成。其中低功耗设计，外围电路设计，人机界面，代码优化等内容是研究的主要内容。由于温度控制模块是设计中最关键的部分，对系统的精确度有决定性的作用。该温控系统的整体框图如图1所示。
3.2 无线传输模块
无线传输模块开发包括无线器件选型测试、单片机控制无线收发模块代码、仿真串口或USB驱动开发用于上位机连接；开发上位机软件，采用高级程序语言编写，运行于PC端，提供数据收集归档、质控干预等重要功能。在程序的编写与系统调试阶段PC机均要用到，因此在上位机校验程序完成以后，再利用单片机和上位机的连接实现数据信息的传送。温度传感器的灵敏度受到客观原因的影响会产生非线性化的误差，影响可靠性。为保证其精度，应利用温度补偿方法对其校正，将误差调整至允许的范围。系统中的复位电路也是非常关键的部分，对系统运行的可靠性、稳定性有直接的影响。如果复位电路设计不完善，容易产生死机现象。采集的温度信号在放大以后仍为模拟信号，单片机不能直接进行处理，需要经由AD转换以将模拟量转化成数字量传送至单片机，便于所测得温度的储存和显示。DA转换电路主要经差分放大电路的连接是把温度的设定值转化为模拟信号以便控制系统中的制冷片温度从而达到温度控制的目的。
按照上文所述步骤，完成温控系统的设计以后，将其与保温箱集成，可以手工打磨集成作试制，后期开模定制以进行商业化开发。
4 结束语
设计开发的低功耗便携式的智能化标本转运箱能够对温度进行实时的检测并利用液晶显示器显示出来，性能可以满足目前医院的需要。同时，该系统具有良好的控制性能，能够达到较为准确的控制精度。产品投入生产之前需要在标本转运过程中进行试用，以研究转运过程中温度监控对分析前质控的有效性、可靠性。通过试用，得到的阳性数据和假阳性数据与以往年份同期月份进行比较，研究其临床应用价值和意义。通过一系列的设计，该标本转运箱真正做到保障标本在转运过程中的安全性、准确性和时效性，有效提升了对标本转运质量的控制水平。
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作者简介：徐晶（1982-），女，浙江余姚人，硕士，研究方向：智能控制；王磊（1981-），男，浙江宁波人，副科长，硕士，研究方向：硬件集成。
作者单位：宁波职业技术学院，浙江宁波 315800
基金项目：宁波职业技术学院科研项目（教师专业发展专项）（项目编号：NZ13008ZF）。