30 Мар

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ИСПОЛЕНЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В БЛОКЕ МОТОРИЗАЦИИ ПРЕДМЕТНОГО СТОЛИКА МИКРОСКОПА СОБСТВЕННОЙ РАЗРАБОТКИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Введение:

На сегодняшний день онкологические заболевания по данным ВОЗ входят в десятку ведущих причин смертности населения [1]. Для снижения этого показателя по данному типу болезней необходимо проводить профилактику, диагностику и эффективное лечение.

Необходимым этапом диагностики онкологических заболеваний являются микроскопические исследования. При этом часто необходимо экспертное мнение специалиста, находящегося в другом медицинском учреждении, городе и даже стране. В связи с этим становится очевидна необходимость разработки АПК автоматического сканирования биомедицинских, в частности цитологических, препаратов на базе оптического микроскопа с возможностью дистанционного ручного сканирования, создания цифрового слайда и выдачи заключения. Такой комплекс во много раз ускорил бы работу лабораторной службы, и, тем самым, повысил эффективность морфологического исследования при злокачественных новообразованиях.

Создание данного АПК заключается в объединении микроскопа с моторизованным столиком, контроллера для его управления, блока автофокусировки, камеры, компьютера и необходимого программного обеспечения (ПО). При первичном анализе аналогов было установлено, что цена за комплект, состоящий из моторизованного столика и контроллера к нему, может превышать десять тысяч евро, что зачастую превышает возможности большинства лечебно-профилактических учреждений. Стоит отметить, что при этом штатный столик снимается и далее не используется. Поэтому была поставлена задача разработать блок моторизации с использованием штатного столика. Такое устройство могло бы существенно удешевить стоимость конечной системы и, как следствие, увеличить ее доступность для медицинских учреждений.

Разработка блока моторизации сводится к трем последовательным этапам. На первом этапе необходимо спроектировать электромеханический привод (ЭМП), приводящий столик в движение. Далее необходимо разработать контроллер, совмещенный с драйвером, для управления движением столика. На последнем этапе необходимо написать программное обеспечение для контроллера и персонального компьютера (ПК).

Новизна работы:

Разработанный блок является прямым аналогом моторизованных столиков для микроскопов. Данная разработка позволит существенно снизить стоимость комплекта моторизации, что поспособствует ее широкому внедрению в клиническую практику. Приведенные результаты дают основание, что при небольшой модернизации существующей конструкции можно превзойти аналоги по всем техническим характеристикам.

Мировая статистика

На сегодняшний день онкологические заболевания по данным ВОЗ входят в десятку ведущих причин смертности населения [1]. Согласно определению Американского общества рака (American Cancer Society) рак – группа заболеваний, характеризующаяся неконтролируемым ростом и распространением клеток [2]. Рак может быть вызван как внешними факторами (табак, химикаты, радиация, инфекционные заболевания), так и внутренними (мутации, изменение гормонального фона, изменения в иммунной системе).

Заболеваемость – количество новых случаев, выявленных в определенном периоде у определенной части населения [3]. Обычно выражается в абсолютном числе случаев заболевания в год или отнесенном к 100000 населения.

Наиболее распространенным по заболеваемости среди мужчин является рак простаты, а среди женщин рак груди. Раковые заболевания наиболее распространены в США и Австралии [3].

Смертность – число людей, умерших от рака за данный промежуток времени в определенной части населения [3]. Обычно выражается в абсолютном числе случаев заболевания в год или отнесенном к 100000 населения.

Статистика смертности в зависимости от локализации опухоли аналогична статистике заболеваемости. Наибольшая смертность наблюдается в странах Ближнего Востока, Африки и Южной Америки.

Распространенность определенного вида рака – число людей в определенной части населения, у которых диагностировали рак определенного типа в прошлом и которые живы до конца заданного года [3]. Обычно выражается числом или пропорцией к 100000 населения.

Статистика распространенности рака в зависимости от локализации опухоли абсолютно аналогична предыдущим. Статистики распространенности в зависимости от страны в рассматриваемой литературе нет.

Современные комплексы для автоматизированной микроскопии

Современные системы автоматизированной микроскопии можно разделить на два больших класса: сканеры и моторизованные микроскопы. Первые являются крайне дорогостоящими и в данной статье не нашли своего рассмотрения. А второй класс является наиболее популярным в связи со своей большей универсальностью и относительно низкой стоимостью. Основой моторизованных микроскопов является моторизованный столик, именно он и является прямым аналогом нашей разработки. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика моторизованных предметных столиков известных фирм производителей [4-7].

Таблица 1

Сравнение характеристик современных моторизованных столиков

Наименование столика

Характеристика

Thorlabs MLS203 Stage Zaber ASR series Marhauser Scan series Marhauser Scan IM series

Prior HLD117NN

1 2 3 4 5 6
Диапазон перемещения, мм×мм 110×75 120×100 от 75×30 до 300×300 от 50×50 до 130×100 120×80
Величина шага при стандартном разрешении, мкм НД 0,15625 0,01 0,01 0,05
Максимальная скорость, мм/с 250 85 60, 120, 240 60, 120 300
Минимальная скорость, мм/с НД 0.000095 НД НД 0.000001
Двунаправленная повторяемость, мкм 0,25 менее 2 менее 1 менее 1 0,15
Однонаправленная повторяемость, мкм 0,25 НД НД НД НД
Ортогональность, арк/сек НД НД менее 10 менее 10 20
Мертвый ход, мкм НД менее 4 НД НД НД
Максимальная грузоподъемность, кг 1,0 НД НД НД 6,0
Дополнительное движение (минимум), мкм 0,1 НД НД НД НД
Абсолютная точность по оси, мкм менее 3 12 3 3 НД
Относительная погрешность (максимальная), % Х: 0,0027

Y:0,004

НД НД НД НД
Отклонение от плоскости по оси Х ±3 мкм на всем протяжении ±1 мкм на 10 мм НД НД НД 0,045 мкм на 1 мм
Отклонение от плоскости по оси Y ±2 мкм на всем протяжении ±1 мкм на 10 мм НД НД НД 0,045 мкм на 1 мм
Точность в центре сканирования, мкм 0,25 НД НД НД НД
Время установки на 1 мкм, с 0,1 НД НД НД НД
Время установки на 0.1 мкм, с 0,6 НД НД НД НД
Вес (включая кабели), кг 3,2 3 4,4 для столика 100×100 4,4 для столика 100×100 7
Концевые выключатели Стандартно X и Y НД НД НД Стандартно X и Y
Тип опоры Точные линейные подшипники Скрещенный шариковый подшипник НД НД НД
Тип мотора Бесщеточный линейный двигатель постоянного тока Шаговый двухфазный Шаговый двухфазный Шаговый двухфазный Высокоточный линейный сервопривод постоянного тока
Размеры

Х, мм

Y, мм

Z, мм

Х=280,5

Y=230,0

Z=31,0

НД Х=274

Y=238

для столика 100×100

Х=274

Y=238

для столика 100×100

Х=366

Y=297

Z=49

Цена предметного столика 6799 $ 4856 $ 9486 € (для столика75×30) НД НД
Цена контроллера 2959,28 $ 920 $ 6915,60 € НД НД

В результате сравнения характеристик представленных на рынке моторизованных предметных столиков можно сделать обобщение:

-величина шага от 0,05 до 0,15625 мкм;

-максимальная скорость от 60 до 300 мм/с;

-двунаправленная повторяемость от 0,15 до 2 мкм;

-мертвый ход не более 4 мкм;

-наличие концевых выключателей;

-тип мотора – шаговый двигатель;

-цена за комплект моторизации (блок моторизации и контроллер) не более 5000$.

На основании рассмотренного выше обзора были сформулированы технические требования к блоку моторизации. После чего был произведен расчет и разработка конструкции блока в среде SolidWorks. Блок был создан с помощью FDM технологии на 3D принтере. На сегодняшний лень конструкция реализована на прямозубых цилиндрических колесах (рис. 1) и без использования энкодеров ввиду экономической нецелесообразности их применения. В дальнейшем планируется создать аналогичную конструкцию с использованием червячной передачи.

Рисунок 1 – Общий вид конструкции блока моторизации

 

Исследования вероятностных характеристик исполнения шага в различных микрошаговых режимах

Для данного исследования проводились следующие действия:

  • На столик микроскопа устанавливалось стекло, имеющее шкалу с делением 10 мкм.
  • Проводилась последовательная регистрация полей зрения после очередного шага для различных микрошаговых режимов и драйверов.
  • Для определения показателей двухсторонней повторяемости выполнялся цикл, в ходе которого происходило движение на полоборота рукоятки микроскопа и обратно с последующей регистрацией поля зрения.
  • Далее все изображения проходили обработку с целью получения статистических характеристик разброса следующих величин:
  • Перемещение вдоль оси х;
  • Перемещение вдоль оси у;
  • Повторяемость по х
  • Повторяемость по у

Полученные результаты по перемещениям были сведены в таблицу 2, а по повторяемости в таблицу 3. Изначально данные были получены в пикселах, потом были переведены в мкм с учетом усредненного расстояния между делениями шкалы в пикселах. Среднее расстояние между делениями составило 58,2 пиксела.

Таблица 2.

Статистические показатели при перемещении столика в различных микрошаговых режимах и с использованием различных драйверов

Название драйвера

Микрошаговый режим Выборочное среднее m, мкм СКО S, мкм m/S, ед.

Среднее m/S, ед.

Pololu A4988 Целый шаг, вправо 8,52 1,68 5,08 5,16
Целый шаг, влево 8,66 1,65 5,23
1/2 шага, вправо 4,39 0.93 4,71 4,07
1/2 шага,

влево

4,50 1,32 3,42
1/4 шага, вправо 2,07 1,15 1,80 1,62
1/4 шага,

влево

0,84 0,58 1,44
1/8 шага, вправо 0,93 0,66 1,41 1,54
1/8 шага,

влево

0,52 0,32 1,66
1/16 шага, вправо 0,44 0,34 1,33 1,41
1/16 шага, влево 0,26 0,17 1,49
Texas Instruments DRV8825 Целый шаг, вправо 8,80 1,35 6,51 6,95
Целый шаг, влево 8,94 1,21 7,39
1/2 шага, вправо 4,11 1,80 2,81 2,65
1/2 шага,

влево

4,29 1,73 2,49
1/4 шага, вправо 1,95 1,84 1,06 1,01
1/4 шага,

влево

2,45 2,59 0,95
1/8 шага, вправо 0,92 1,49 0,62 0,59
1/8 шага,

влево

0,90 1,59 0,56
1/16 шага, вправо 0,41 1,13 0,36 0,37
1/16 шага, влево 0,48 1,26 0,38
1/32 шага, вправо 0,20 0,78 0,26 0,24
1/32 шага, влево 0,22 1,00 0,22
Trinamic TMC2100 1/16 шага, вправо 0,26 0,09 2,91 2,79
1/16 шага, влево 0,23 0,09 2,67

Таблица 3.

Статистические показатели для односторонней повторяемости перемещения столика в различных микрошаговых режимах и с использованием различных драйверов

Название драйвера Микрошаговый режим Ось Выборочное среднее m, мкм СКО S, мкм m/S, ед.

Суммарное |m/S|, ед.

Pololu A4988 Целый шаг* x
y
1/2 шага x 0,027 0,027 0,99
y
1/4 шага x 0,172 0,691 0,249
y
1/8 шага x 0,008 0,040 0,194
y
1/16 шага x 0,007 0,104 0,066
y
Texas Instruments DRV8825 Целый шаг x 0,007 0,028 0,263 1,756
y 0,143 0,096 1,493
1/2 шага x 0,017 0,042 0,406 1,584
y -2,216 1,883 -1,177
1/4 шага x 0,027 0,121 0,225 1,063
y 0,113 0,135 0,838
1/8 шага x 0,220 0,890 0,247 0,371
y 0,079 0,636 0,124
1/16 шага x -0,072 0,208 -0,348 0,428
y -0,017 0,216 -0,080
1/32 шага x -0,007 0,050 -0,146 0,233
y 0,007 0,197 0,087
Trinamic TMC2100 1/16 шага x -0,013 0,143 -0,089 0,907
y -0,062 0,076 -0,818

Примечание:

Для драйвера A4988 не удалось получить данные для повторяемости при целошаговом режиме в связи с тем, что частота тактирования от микроконтроллера была слишком высокой, а для ее управления в текущей версии программы нет возможности. В остальных же режимах снять повторяемость по оси у для этого драйвера также не удалось, так как шкала не наблюдалась в поле зрения после выполнения цикла. Это говорит о пропуске большого числа шагов драйвером.

Заключение

В данной статье представлены результаты исследования качества выполнения перемещения в блоке моторизации ручного столика микроскопа собственной разработки. По полученным данным (таблица 1, таблица 2) можно сделать следующие выводы:

  • Для перемещения столика наилучшим (максимальное среднее m/S) является целошаговый режим. Наибольшим значением обладает драйвер DRV8825.
  • Так как из-за особенностей драйвера TMC2100 был исследован только режим 1/16, то однозначно судить о том, какой драйвер обеспечивает наибольшую стабильность при исполнении шага, нельзя. Требуется доработка платы драйвера TMC2100 для возможности управлением шаговым режимом для того чтобы окончательно можно было бы сделать вывод о том, какой драйвер лучше. Однако стоит отметить, что при сравнении режима 1/16 шага драйвер TMC2100 оказывается лучшим среди остальных.
  • Повторяемость также оказывается лучшей у DRV8825 и TMC При сравнении режима 1/16 TMC2100 показывает наилучшие результаты в сравнении с остальными драйверами. В сравнении с существующими на рынке аналогами однонаправленные повторяемости как минимум на порядок меньше.

Список литературы

  1. ВОЗ. 10 ведущих причин смертности в мире [Электронный ресурс]. (http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs310/ru/). Проверено 30.03.2017.
  2. American Cancer Society. Global cancer Facts & Figures [Электронный ресурс]. (http://www.cancer.org/acs/groups/content/@epidemiologysurveilance/documents/document/acspc-027766.pdf). Проверено 30.03.2017.
  3. Cancer Research UK. World cancer factsheet [Электронный ресурс]. (http://publications.cancerresearchuk.org/downloads/Product/CS_REPORT_WORLD.pdf). Проверено 30.03.2017.
  4. Märzhäuser Wetzlar. Motorized microscope stages by Märzhäuser Wetzlar with the series BASIC, ECO and SCAN [Электронный ресурс]. (http://www.marzhauser.com/en/products/microscope-stages/motorized-microscope-stages.html). Проверено 30.03.2017.
  5. Prior Scientific. Prior Scientific [Электронный ресурс]. (http://www.prior-us.com/Products/Motorized-Stages/). Проверено 30.03.2017.
  6. Motorized Stages – Thorlabs [Электронный ресурс]. (http://www.thorlabs.de/navigation.cfm?guide_id=2060). Проверено 30.03.2017.
  7. Linear Slides , Stages and Actuators – Zaber Technologies [Электронный ресурс].(http://www.zaber.com/). Проверено 30.03.2017.
    ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ИСПОЛЕНЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В БЛОКЕ МОТОРИЗАЦИИ ПРЕДМЕТНОГО СТОЛИКА МИКРОСКОПА СОБСТВЕННОЙ РАЗРАБОТКИ
    На сегодняшний день диагностика множества заболеваний включает в себя микроскопические ис-следования. Существующие на автоматизированные микроскопические системы на базе оптических микроскопов являются крайне дорогостоящими и не используют штатный столик. Отсюда становится очевидна необходимость разработки аппаратно-программного комплекса автоматизированной микро-скопии на основе ручного оптического микроскопа с использованием штатного столика. Это позволит максимально снизить цену на систему в целом, что поспособствует ее широкому внедрению в клиниче-скую практику. В данной статье рассмотрены результаты экспериментального исследования качества исполнения перемещения в блоке моторизации собственной разработки для ручного столика микроскопа фирмы Meiji. На сегодняшний день в комплексе реализована вся аппаратная часть и программная часть, позволяющая в ручном или автоматическом режиме проводить регистрацию полей зрения.
    Written by: Махов Денис Сергеевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 04/12/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.03.2017_03(36)_часть 1
    Available in: Ebook