基于機(jī)器視覺的葡萄糖藥液質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

　　隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)的提高，高速醫(yī)藥流水生產(chǎn)線上傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測方法速度慢、檢測質(zhì)量受人為因素和工作環(huán)境的影響衛(wèi)生條件難以保障，為滿足現(xiàn)代質(zhì)量控制和流程控制要求，需要研究更先進(jìn)的檢測技術(shù)來完成醫(yī)藥產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。

　　機(jī)器視覺技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)代很多高難度的手術(shù)都要在機(jī)器視覺的配合下完成，比如皮膚的檢測，腦部CT成像，視覺手術(shù)等。在醫(yī)學(xué)上機(jī)器視覺還被應(yīng)用在一些醫(yī)藥產(chǎn)品的檢測，醫(yī)學(xué)的一些科學(xué)研究中，比如葡萄糖藥液檢測，染色體檢測，紅細(xì)胞檢測等[1]。

　　為了有效解決現(xiàn)代醫(yī)藥生產(chǎn)線上的產(chǎn)品實(shí)時(shí)檢測問題，本文針對(duì)葡萄糖藥液的質(zhì)量檢測設(shè)計(jì)了一套檢測試驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)目標(biāo)就是：利用機(jī)器視覺技術(shù)，使用多臺(tái)CCD攝像機(jī)、專用光源、工性能的工業(yè)計(jì)算機(jī)來取代人工，實(shí)現(xiàn)葡萄糖質(zhì)量的自動(dòng)檢測。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為研制高精度、高速的智能葡萄糖自動(dòng)檢測裝置提供了有效的依據(jù)[2]。

　　2 葡萄糖檢測流程

　　藥用葡萄糖注射液的生產(chǎn)流程如圖1所示，首先通過高濃度的葡萄糖加適當(dāng)比例的蒸餾水得到葡萄糖溶液，然后葡萄糖溶液灌裝到經(jīng)過高溫和紫外線消毒的容器里面進(jìn)行封裝。封裝后的產(chǎn)品在進(jìn)行質(zhì)量檢測，檢測的對(duì)象主要是：

　?。?）藥液里面的懸浮物，如不容性雜質(zhì)，玻璃纖維等；

　　（2）瓶身的缺陷；

　　（3）瓶身有未清洗干凈的臟污；

                                  圖1 葡萄糖生產(chǎn)工藝流程

　　傳統(tǒng)的檢測方法是人工檢測，檢測車間設(shè)在一間獨(dú)立的暗房中，帶檢測的葡萄糖用人工的方式放在流水線上，流水線的速度由檢測工人控制，當(dāng)藥品傳送到檢測工人面前時(shí)，工人將其從流水線上拿出，在專用的燈箱下判斷產(chǎn)品質(zhì)量是否合格。

　　人工檢測存在著很大的弊端：

　　1)現(xiàn)代生產(chǎn)線的速度越來越高，人工檢測很難滿足流水線的檢測速度；

　　2)現(xiàn)代制造強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)、在線、非接觸檢測，確保對(duì)制造過程實(shí)現(xiàn)全面控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率，這是傳統(tǒng)檢測手段無法提供的；

　　3)現(xiàn)代產(chǎn)品的制造精度大大提高，要求相應(yīng)高精度的檢測方法。

　　4)傳統(tǒng)的人工無法持續(xù)保持一致的檢測效果；不同的檢測者之間存在差異；無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的流程控制；

　　5)傳統(tǒng)檢測無法適應(yīng)現(xiàn)代的質(zhì)量控制和統(tǒng)計(jì)流程控制(SPC)。

　　3 檢測試驗(yàn)系統(tǒng)搭建[!--empirenews.page--]

　　對(duì)于葡萄糖藥液里面的微小的玻璃屑、橡膠屑或其他的一些不溶性顆粒，在靜止的情況下一般都沉淀在瓶底或懸浮在藥瓶的上端，人工檢測需要葡萄糖液體倒置，使其液體發(fā)生運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也帶動(dòng)固體雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，雜質(zhì)隨著藥體運(yùn)動(dòng)到中心區(qū)域，此時(shí)再觸發(fā)攝像機(jī)采集圖像可以拍攝清晰的次品圖像，也可以通過判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方式來判斷是否存在雜質(zhì)。基于這樣的檢測原理，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)高速的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以帶動(dòng)藥瓶做高速的旋轉(zhuǎn)然后劇停，從而帶動(dòng)雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)到檢測區(qū)域。

　　3.1 平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)圖

　　如圖2所示，待檢測的葡萄糖藥瓶被卡在轉(zhuǎn)床上，轉(zhuǎn)床旋轉(zhuǎn)的時(shí)候帶動(dòng)藥瓶高速旋轉(zhuǎn)，用于機(jī)器視覺的專用LED光源安裝在如圖所示的光源盒內(nèi)，CCD攝像機(jī)將拍攝到的圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)。下面對(duì)硬件平臺(tái)作詳細(xì)的介紹。

                                         圖2 葡萄糖雜質(zhì)檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

　　(1)把手：按照上圖所示的方向轉(zhuǎn)動(dòng)把手可以帶動(dòng)瓶卡上下運(yùn)動(dòng)，以便放置藥瓶；

　　(2)電機(jī)：普通的交流電機(jī)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)床的主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)；

　　(3)上端瓶卡：將葡萄糖瓶卡在底座上，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)把手時(shí)瓶卡作上下運(yùn)動(dòng)方便放置藥瓶；

　　(4)光源盒：光源盒里放置一環(huán)形紫外光源，透過瓶底向上照射藥體；

　　(5)CCD攝像機(jī)：負(fù)責(zé)拍攝運(yùn)動(dòng)的藥體；

　　(6)工控機(jī)：負(fù)責(zé)處理CCD攝像機(jī)拍攝到的圖像序列；

　　3.2工作過程

　　(1) 轉(zhuǎn)動(dòng)把手將上端瓶卡向上提起，放置待檢測的葡萄糖藥瓶于底座上；

　　(2) 放下把手，將其卡緊，開啟轉(zhuǎn)床，轉(zhuǎn)床的主軸帶動(dòng)瓶卡高速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于摩擦力的作用瓶卡帶動(dòng)藥瓶也做高速的轉(zhuǎn)動(dòng)；

　　(3) 停止轉(zhuǎn)床，瓶卡停止轉(zhuǎn)動(dòng)，葡萄糖藥瓶停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但藥液在慣性的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)之后緩慢停止；

　　(4) 在此過程中連續(xù)拍攝7幅圖像，在這一序列的運(yùn)動(dòng)圖像中，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；

　　(5) 當(dāng)識(shí)別到的目標(biāo)超過規(guī)定的容許指標(biāo)時(shí)，判斷此瓶藥液為不合格

　　3.3 視覺成像系統(tǒng)配置

　　圖像采集部分將完成流水線上的運(yùn)動(dòng)圖像獲取，圖像采集部分采集圖像質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)檢測效率[3]。圖像采集部分主要由CCD攝像機(jī)完成。CCD攝像機(jī)攝取圖像信號(hào)，由圖像采集卡將圖像信號(hào)采集進(jìn)來。本套實(shí)驗(yàn)裝置選用兩個(gè)方位的攝像機(jī)對(duì)待檢測物體進(jìn)行檢測，一個(gè)俯拍位一個(gè)側(cè)拍位，對(duì)有些待檢測物體可以進(jìn)行多方位的檢測。攝像機(jī)采用的是Pulnix公司的TM6703[4]，采集卡選用的是Matrox公司的Cornora2[5]。

　Matrox Corona Ⅱ 是Matrox Graphics Inc., 生產(chǎn)的圖像控制器，可采集隔掃描/逐行掃描的分量RGB信號(hào)和單/雙路黑白模擬視頻信號(hào)； 3路10bit A/D轉(zhuǎn)換器；24-bit RS-422/LVDS 數(shù)字接口；模擬情況下采集率達(dá)到30MHz，RS-422數(shù)字模式下達(dá)到25 MHz，LVDS數(shù)字模式下達(dá)到40 MHz ；連接2個(gè)RGB或6個(gè)模擬黑白視頻信號(hào)； 32-bit/33MHz PCI總線主模式 ；擴(kuò)展板上實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ) ；可同時(shí)支持模擬VGA和獨(dú)立的數(shù)字VGA或TV輸出[4]。

　　Pulnix公司的TM6703是1/2寸，648*484，快門速度為1/60~1/32000 秒，同時(shí)帶有異步重置功能。當(dāng)VINIT脈沖發(fā)生作用時(shí)，重置攝像機(jī)的掃描清除CCD。當(dāng)在異步模式下和外部VINIT高電平信號(hào)的作用下，異步功能將自動(dòng)被選擇，信號(hào)讀出會(huì)被禁止直到有觸發(fā)。下面是攝像機(jī)異步重置的三種模式：

　　1）控制脈沖寬度的外部VINIT：快門速度有脈沖寬度來控制；

　　2）快速內(nèi)部觸發(fā)模式：當(dāng)VINIT的下降沿和外部HD是一樣的時(shí)候，信號(hào)抓取沒有延時(shí)，否則，會(huì)有0-1HD的延時(shí)；[!--empirenews.page--]

　　3）慢速內(nèi)部觸發(fā)模式：快門速度可以選擇在1/250-1/2000秒，如果VINIT和外部HD的下降沿相同，并且啟動(dòng)了積分充電，在VINIT下降沿?cái)z像機(jī)放電。輸出延時(shí)取決于選擇的快門速度。

　　4 檢測試驗(yàn)流程

　　通過前面的分析可知，在葡萄糖懸浮物檢測的試驗(yàn)中需要一個(gè)高速的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)配合使用。整套試驗(yàn)系統(tǒng)的操作流程如圖3所示：

　　首先系統(tǒng)開機(jī)，所有設(shè)備初始化，根據(jù)葡萄糖懸浮物檢測的要求配置攝像機(jī)和采集卡的參數(shù)。然后，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)30秒帶動(dòng)葡萄糖液體作高速的旋轉(zhuǎn)，停止旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，延時(shí)10秒后液體緩慢停止，此時(shí)相機(jī)拍攝序列圖像。

                                           圖3 葡萄糖雜質(zhì)檢測流程

　　5 本文創(chuàng)新點(diǎn)

　?。?）本文將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在了葡萄糖藥液質(zhì)量檢測上，實(shí)現(xiàn)了無接觸式的檢測，在藥品安全上和檢測精度上都對(duì)傳統(tǒng)人工檢測有著重大的改進(jìn)。

　?。?）本文根據(jù)葡萄糖藥液雜質(zhì)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)式檢測裝置。

　?。?）根據(jù)葡萄糖藥液雜質(zhì)檢測的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專用的視覺成像方案。