机械工程概论论文 从“循环肿瘤细胞自动化检测设备” 细看机器视觉技术的妙用

1、机械工程概论课程小论文(2016)题目：从“循环肿瘤细胞自动化检测设备” 细看机器视觉技术的妙用学院： 专业： 年级： 姓名：学号：题号：13机械工程概论课程设计任课教师评阅表题目姓名学号题号学院专业教师评语 年 月 日成绩前言近些年来，随着科学技术的迅速发展，人类所能认知到的领域越来越大，因此学科与学科之间的界限也越来越模糊，形如机电一体化、生物医学的交叉学科也应运而生。本文所着重分析的机器视觉技术就是物理学中的光学、计算机科学、机械原理、电路原理等等学科知识的综合应用。机器视觉，顾名思义，就是借助“机器”，来达到和人类用眼睛去观察等同，甚至犹有过之的效果。这里所说的“机器”，指的是构成机器

2、视觉系统的所有硬件设备的总和，比如用于摄取目标的信息，并将其转换成图像信号的智能相机，以及用于分析和处理图像信息的计算机设备等。相比于直接用肉眼观察，机器视觉技术无疑能够提高信息获取的速度和精度，大大地提高了生产效率以及生产的自动化程度。除此之外，在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，机器视觉无疑是一个更好的选择。也正是因为机器视觉技术具有以上的种种优点，这项技术的应用领域十分广泛。在工业生产的过程中，机器视觉技术常常被运用在产品质量检测、电子元件的高精度定位和放置、汽车零部件的离线检测以及表面检测等方面；在农业生产的过程中，机器视觉技术则被应用到农产品的品质检测和

3、分级、农田作业以及植物生长检测等方面；在医学领域中，机器视觉技术主要应用在医学影像数据的统计和解析、细胞的自动分类和计数、染色体分析等方面。 图(a) 电容器外壳视觉检测设备图 图(b) 农田作业机器人设想图 图(c) 医学数据实时监测图本文拟通过分析机械视觉技术应用在医学领域上的一个具体例子循环肿瘤细胞(Circulaitng Tumor Cell, 简称CTC)自动化检测设备，来深入探讨机器视觉检测所带来的优势以及该技术的发展前景。1.循环肿瘤细胞自动化检测设备的简介 图 1.1 设备整体效果图这个循环肿瘤细胞自动化检测设备主要由硬件、软件两个部分构成，具体为:(1)肿瘤细胞检测系统的硬件

4、部分:此设备硬件系统以STM32神舟IV 号107 处理器为核心，采用 Cortex-M3 架构，主频可以达到72MHz。其中包含了机械控制部分、供电电源电路、继电器电路、电机驱动电路、系统通信电路和信号监测电路等组成部分。(2)肿瘤细胞检测系统的软件部分:(a) 肿瘤细胞检测系统监测软件：此软件的功能主要有实现多路阀控制染色进程、CCD摄像头采集图像、数据的采集和数据的通信协议控制等。 (b)肿瘤细胞检测系统图像识别处理软件（分析用）:借助LabView设计的一套用于肿瘤细胞计数和图像分析等功能的软件。2.循环肿瘤细胞自动化检测设备工作原理2.1 硬件部分(1)机械结构模块 (a)检测设备底

5、座骨架图 (b)检测设备轮位转盘图 图 2.1 循环肿瘤细胞检测设备模型图在图2.1 (a)中，设备底座骨架4上安装汽缸1和转盘3，汽缸1上安装轴承2，通过轴承2下压转盘3的工作斜面使转盘3单向回转运动，转盘3和底座骨架4分别安装磁极相对的磁铁5在图2.1 (b)中，汽缸1上安装轴承2，通过轴承2下压转盘3的工作斜面使转盘3单向回转运动，通过磁铁5同性相斥作用，使工作位6处于稳定设想位置。此模块主要用于对细胞的自动化染色及检测过程。(2)电路模块该模块主要有继电器驱动、电机驱动控制、多路阀阀位控制模块、信号检测自调节模块、自定义协议通信模块以及系统供能模块等几个部分组成。(与文章的主题无太大关

6、联，故省略部分内容)此模块主要用于指令和信息的传输，以及协调硬件和软件的工作。2.2 软件部分(1)循环肿瘤细胞检测系统软件该软件是基于STM32F107 开发平台设计的，主要功能有染色步骤控制、状态信号监测等。 图 2.2 染色步骤控制软件逻辑图 图 2.3 状态信号监测控制软件逻辑图(2)图像识别系统 Labview 程序Labview,全名Laboratory Virtual Instrument Engineering，是由美国国家仪器公司开发的一款基于实验室环境下的虚拟仪器集成软件。使用此软件可以实现将从CCD摄像头收集而来的信息进行预处理，即从中识别出目标肿瘤细胞，把细胞的形状、大

7、小、分布情况等等信息提取出来，并用最直观的方式（图片、表格等）来展现。3.循环肿瘤细胞自动化检测设备工作流程循环肿瘤细胞检测系统的工作过程，实际上就是计算机模仿人类的视觉自动化传输经过自动化三重免疫荧光染色的细胞图像至脑部系统来认识和识别物体的过程。首先运用生物学的方法对循环肿瘤细胞，然后由系统来控制CCD 彩色摄像头对经过三重免疫荧光染色的细胞进行图像采集，最后传输至计算机上，利用 Labview 平台获取图像中待识别细胞的特征信息，进行统计识别计数。 图3.1 CTCs 自动化检测设备的系统结构框图4.应用机器视觉检测循环肿瘤细胞所带来的优势事实上，在这个设备被设计出来之前，也有不少类似的

8、设备。比较著名的是美国一家名为Veridex 的公司生产的 CellSearch 循环肿瘤细胞检测盒分析设备，是全球唯一经过 FDA 批准用于检测血液中 CTCs 的商业化设备，如图所示。 图4.1 CellSearch 系统图但是，这台设备的缺点在于对CTC的捕获率不够理想，而且仪器造价和检测维护费用异常昂贵，所以难以在基础研究和临床检测领域获得推广普及。而文中所介绍的循环肿瘤细胞自动化检测设备，除了造价相对来说比较低之外，该设备将多路阀、电机、计算机、视觉传感器等等技术结合在一起，能够很好地进行自动化精确操控以及相应检测分析。其中，机器视觉技术的运用，使得许多的信息都能够得到及时的、完整的

9、反馈，很大程度上保证了检测数据的实时性和准确性。5.结论从上面的这个例子我们可以看出，机器视觉的使用，确实能够大大提高工作和生产的效率。但是，机器视觉技术毕竟是近三十多年来才发展起来的新技术，在很多的地方还是不太成熟。比如说，与人类视觉相比，受设备等因素限制，机器视觉的适应性较差，在复杂或不断变化的环境中，很难保证其工作的稳定性。并且，目前市面上的视觉传感器在色彩分辨这一块也有待加强。最重要的是，我们对人类自身的视觉机制还不是十分清楚，人可以用内省法描述对某一问题的解题过程，从而用计算机加以模拟。但尽管每一个正常人都是“视觉专家”，却不可能用内省法来描述自己的视觉过程。所以，就目前而言，建立机

10、器视觉系统还是一项不太容易的任务。不过，相信在科学技术飞速发展的今天，这些问题也许将会在不久之后就会得到解决。3D机器视觉技术就是一个很好的例子。与传统的机器视觉系统相比，在三维空间下，产品的许多信息都能够较好地收集，从而达到更好的工作效果。作为一种潜力十足技术，我相信，随着机器视觉自身的发展和成熟，它将在现代和未来的制造企业中得到越来越广泛的应用。参考文献 a.专著、论文集、学位论文、报告1 张宪民 陈忠. 机械工程概论M. 华中科大出版社, 2015.2 张俊哲. 循环肿瘤细胞自动化检测设备的研制D. 武汉纺织大学, 2014.b.期刊文章3 刘金桥, 吴金强. 机器视觉系统发展及其应用J. 机械工程与自动化, 2010(1):215-216.4 颜发根, 刘建群, 陈新, 等. 机器视觉及其在制造业中的应用J. 机械制造,2004, 42(11):28-30.5 穆向阳, 张太镒. 机器视觉系统的设计J. 西安石