機(jī)械工程概論論文 從“循環(huán)腫瘤細(xì)胞自動化檢測設(shè)備” 細(xì)看機(jī)器視覺技術(shù)的妙用

1、機(jī)械工程概論課程小論文(2016)題目：從“循環(huán)腫瘤細(xì)胞自動化檢測設(shè)備” 細(xì)看機(jī)器視覺技術(shù)的妙用學(xué)院： 專業(yè)： 年級： 姓名：學(xué)號：題號：13機(jī)械工程概論課程設(shè)計任課教師評閱表題目姓名學(xué)號題號學(xué)院專業(yè)教師評語 年 月 日成績前言近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人類所能認(rèn)知到的領(lǐng)域越來越大，因此學(xué)科與學(xué)科之間的界限也越來越模糊，形如機(jī)電一體化、生物醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科也應(yīng)運(yùn)而生。本文所著重分析的機(jī)器視覺技術(shù)就是物理學(xué)中的光學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、機(jī)械原理、電路原理等等學(xué)科知識的綜合應(yīng)用。機(jī)器視覺，顧名思義，就是借助“機(jī)器”，來達(dá)到和人類用眼睛去觀察等同，甚至猶有過之的效果。這里所說的“機(jī)器”，指的是構(gòu)成機(jī)器

2、視覺系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備的總和，比如用于攝取目標(biāo)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成圖像信號的智能相機(jī)，以及用于分析和處理圖像信息的計算機(jī)設(shè)備等。相比于直接用肉眼觀察，機(jī)器視覺技術(shù)無疑能夠提高信息獲取的速度和精度，大大地提高了生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的自動化程度。除此之外，在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，機(jī)器視覺無疑是一個更好的選擇。也正是因為機(jī)器視覺技術(shù)具有以上的種種優(yōu)點(diǎn)，這項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，機(jī)器視覺技術(shù)常常被運(yùn)用在產(chǎn)品質(zhì)量檢測、電子元件的高精度定位和放置、汽車零部件的離線檢測以及表面檢測等方面；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，機(jī)器視覺技術(shù)則被應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)檢測和

3、分級、農(nóng)田作業(yè)以及植物生長檢測等方面；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，機(jī)器視覺技術(shù)主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和解析、細(xì)胞的自動分類和計數(shù)、染色體分析等方面。 圖(a) 電容器外殼視覺檢測設(shè)備圖 圖(b) 農(nóng)田作業(yè)機(jī)器人設(shè)想圖 圖(c) 醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測圖本文擬通過分析機(jī)械視覺技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的一個具體例子循環(huán)腫瘤細(xì)胞(Circulaitng Tumor Cell, 簡稱CTC)自動化檢測設(shè)備，來深入探討機(jī)器視覺檢測所帶來的優(yōu)勢以及該技術(shù)的發(fā)展前景。1.循環(huán)腫瘤細(xì)胞自動化檢測設(shè)備的簡介 圖 1.1 設(shè)備整體效果圖這個循環(huán)腫瘤細(xì)胞自動化檢測設(shè)備主要由硬件、軟件兩個部分構(gòu)成，具體為:(1)腫瘤細(xì)胞檢測系統(tǒng)的硬件

4、部分:此設(shè)備硬件系統(tǒng)以STM32神舟IV 號107 處理器為核心，采用 Cortex-M3 架構(gòu)，主頻可以達(dá)到72MHz。其中包含了機(jī)械控制部分、供電電源電路、繼電器電路、電機(jī)驅(qū)動電路、系統(tǒng)通信電路和信號監(jiān)測電路等組成部分。(2)腫瘤細(xì)胞檢測系統(tǒng)的軟件部分:(a) 腫瘤細(xì)胞檢測系統(tǒng)監(jiān)測軟件：此軟件的功能主要有實現(xiàn)多路閥控制染色進(jìn)程、CCD攝像頭采集圖像、數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的通信協(xié)議控制等。 (b)腫瘤細(xì)胞檢測系統(tǒng)圖像識別處理軟件（分析用）:借助LabView設(shè)計的一套用于腫瘤細(xì)胞計數(shù)和圖像分析等功能的軟件。2.循環(huán)腫瘤細(xì)胞自動化檢測設(shè)備工作原理2.1 硬件部分(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊 (a)檢測設(shè)備底

5、座骨架圖 (b)檢測設(shè)備輪位轉(zhuǎn)盤圖 圖 2.1 循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測設(shè)備模型圖在圖2.1 (a)中，設(shè)備底座骨架4上安裝汽缸1和轉(zhuǎn)盤3，汽缸1上安裝軸承2，通過軸承2下壓轉(zhuǎn)盤3的工作斜面使轉(zhuǎn)盤3單向回轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)盤3和底座骨架4分別安裝磁極相對的磁鐵5在圖2.1 (b)中，汽缸1上安裝軸承2，通過軸承2下壓轉(zhuǎn)盤3的工作斜面使轉(zhuǎn)盤3單向回轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過磁鐵5同性相斥作用，使工作位6處于穩(wěn)定設(shè)想位置。此模塊主要用于對細(xì)胞的自動化染色及檢測過程。(2)電路模塊該模塊主要有繼電器驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動控制、多路閥閥位控制模塊、信號檢測自調(diào)節(jié)模塊、自定義協(xié)議通信模塊以及系統(tǒng)供能模塊等幾個部分組成。(與文章的主題無太大關(guān)

6、聯(lián)，故省略部分內(nèi)容)此模塊主要用于指令和信息的傳輸，以及協(xié)調(diào)硬件和軟件的工作。2.2 軟件部分(1)循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測系統(tǒng)軟件該軟件是基于STM32F107 開發(fā)平臺設(shè)計的，主要功能有染色步驟控制、狀態(tài)信號監(jiān)測等。 圖 2.2 染色步驟控制軟件邏輯圖 圖 2.3 狀態(tài)信號監(jiān)測控制軟件邏輯圖(2)圖像識別系統(tǒng) Labview 程序Labview,全名Laboratory Virtual Instrument Engineering，是由美國國家儀器公司開發(fā)的一款基于實驗室環(huán)境下的虛擬儀器集成軟件。使用此軟件可以實現(xiàn)將從CCD攝像頭收集而來的信息進(jìn)行預(yù)處理，即從中識別出目標(biāo)腫瘤細(xì)胞，把細(xì)胞的形狀、大

7、小、分布情況等等信息提取出來，并用最直觀的方式（圖片、表格等）來展現(xiàn)。3.循環(huán)腫瘤細(xì)胞自動化檢測設(shè)備工作流程循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測系統(tǒng)的工作過程，實際上就是計算機(jī)模仿人類的視覺自動化傳輸經(jīng)過自動化三重免疫熒光染色的細(xì)胞圖像至腦部系統(tǒng)來認(rèn)識和識別物體的過程。首先運(yùn)用生物學(xué)的方法對循環(huán)腫瘤細(xì)胞，然后由系統(tǒng)來控制CCD 彩色攝像頭對經(jīng)過三重免疫熒光染色的細(xì)胞進(jìn)行圖像采集，最后傳輸至計算機(jī)上，利用 Labview 平臺獲取圖像中待識別細(xì)胞的特征信息，進(jìn)行統(tǒng)計識別計數(shù)。 圖3.1 CTCs 自動化檢測設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.應(yīng)用機(jī)器視覺檢測循環(huán)腫瘤細(xì)胞所帶來的優(yōu)勢事實上，在這個設(shè)備被設(shè)計出來之前，也有不少類似的

8、設(shè)備。比較著名的是美國一家名為Veridex 的公司生產(chǎn)的 CellSearch 循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測盒分析設(shè)備，是全球唯一經(jīng)過 FDA 批準(zhǔn)用于檢測血液中 CTCs 的商業(yè)化設(shè)備，如圖所示。 圖4.1 CellSearch 系統(tǒng)圖但是，這臺設(shè)備的缺點(diǎn)在于對CTC的捕獲率不夠理想，而且儀器造價和檢測維護(hù)費(fèi)用異常昂貴，所以難以在基礎(chǔ)研究和臨床檢測領(lǐng)域獲得推廣普及。而文中所介紹的循環(huán)腫瘤細(xì)胞自動化檢測設(shè)備，除了造價相對來說比較低之外，該設(shè)備將多路閥、電機(jī)、計算機(jī)、視覺傳感器等等技術(shù)結(jié)合在一起，能夠很好地進(jìn)行自動化精確操控以及相應(yīng)檢測分析。其中，機(jī)器視覺技術(shù)的運(yùn)用，使得許多的信息都能夠得到及時的、完整的

9、反饋，很大程度上保證了檢測數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。5.結(jié)論從上面的這個例子我們可以看出，機(jī)器視覺的使用，確實能夠大大提高工作和生產(chǎn)的效率。但是，機(jī)器視覺技術(shù)畢竟是近三十多年來才發(fā)展起來的新技術(shù)，在很多的地方還是不太成熟。比如說，與人類視覺相比，受設(shè)備等因素限制，機(jī)器視覺的適應(yīng)性較差，在復(fù)雜或不斷變化的環(huán)境中，很難保證其工作的穩(wěn)定性。并且，目前市面上的視覺傳感器在色彩分辨這一塊也有待加強(qiáng)。最重要的是，我們對人類自身的視覺機(jī)制還不是十分清楚，人可以用內(nèi)省法描述對某一問題的解題過程，從而用計算機(jī)加以模擬。但盡管每一個正常人都是“視覺專家”，卻不可能用內(nèi)省法來描述自己的視覺過程。所以，就目前而言，建立機(jī)

10、器視覺系統(tǒng)還是一項不太容易的任務(wù)。不過，相信在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這些問題也許將會在不久之后就會得到解決。3D機(jī)器視覺技術(shù)就是一個很好的例子。與傳統(tǒng)的機(jī)器視覺系統(tǒng)相比，在三維空間下，產(chǎn)品的許多信息都能夠較好地收集，從而達(dá)到更好的工作效果。作為一種潛力十足技術(shù)，我相信，隨著機(jī)器視覺自身的發(fā)展和成熟，它將在現(xiàn)代和未來的制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn) a.專著、論文集、學(xué)位論文、報告1 張憲民 陳忠. 機(jī)械工程概論M. 華中科大出版社, 2015.2 張俊哲. 循環(huán)腫瘤細(xì)胞自動化檢測設(shè)備的研制D. 武漢紡織大學(xué), 2014.b.期刊文章3 劉金橋, 吳金強(qiáng). 機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展及其應(yīng)用J. 機(jī)械工程與自動化, 2010(1):215-216.4 顏發(fā)根, 劉建群, 陳新, 等. 機(jī)器視覺及其在制造業(yè)中的應(yīng)用J. 機(jī)械制造,2004, 42(11):28-30.5 穆向陽, 張?zhí)? 機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計J. 西安石