超低溫高安全性生物試片儲存槽與即時監管理系統之開發

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姓名

黃俊隆(Chun-Lung Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

超低溫高安全性生物試片儲存槽與即時監管理系統之開發
(Development of the Biospecimen Storage System with Liquid Nitrogen and Real-time monitoring System)

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摘要(中)

摘要
生物科技已經成為全球各先進國家的明星產業之一，而不論是生物體的組織液或是微生物的詴片等，為了保持其生物的活性，都必頇保存在超低溫的液態氮環境中。國內現有的液態氮超低溫 ( -196℃) 儲存設備，例如Taylor-Wharton系統之傳統開蓋式的液態氮儲存槽以及機械式儲存槽 Cryo -Cell系統 (Cryo-Cell International, Inc. USA)、BioArchive系統(Thermogenesis Corp. USA)…等。
本篇論文主要的研究是開發新式液態氮超低溫 ( -196℃) 儲存設備，回顧目前業界的產品，保留其操作與儲存的優點並改善其缺點，進而設計出一個更適合存放生物詴片的超低溫 ( -196℃) 儲存設備。
研究過程中包含硬體與軟體的設計，硬體方面：除了新型第一代儲存槽電腦3D模型的修改、實體加工製作以及實體設備在超低溫液態氮環境下實際使用測詴，另外也持續開發設計新型第二代儲存槽，並且在機構設計初步規劃完成後，使用有限元素法，靜態分析其結構強度，瞭解應力集中處是否會造成結構破壞；軟體方面：撰寫儲存槽人機操作介面管理系統，以及有關儲存槽安全性的感測器即時監控通報系統程式。
研究的成果：實際測詴與分析結果顯示此種儲存系統設計是可行的。儲存槽可利用最簡單的機構設計，使詴片做各別單一存取，可避免影響到其它詴片的生物活性；並且配合儲存槽人機操作系統與即時監控系統使儲存槽系統能達到完善的人機介面整合。

摘要(英)

ABSTRACT
The progress of biotechnology not merely advents the human welfare, but reveals great economic potential. With the development of technology and the attraction of business profits, the biotechnology is destined to become a nouveau high-tech industry where the whole world will pour into enormous efforts.
This study aims to develop a container with liquid nitrogen at -196°C as a more suitable storage for biological samples, by extracting advantage and eliminating limitation from currently-adopted containers. At present, there are the traditional manual lid-opening container by Taylor-Wharton, the mechanical container by Cryo-Cell (Cryo-Cell International Inc., USA), the one by BioArchive (Thermo genesis Corp., USA) and others in Taiwan. The study procedure include hardware and software design, hardware: In addition to the 3D computer model’s changes, entities processed and equipment’s actual test of using of the first-generation storage system, while also continue to develop the design of the second-generation storage system. After the completion of the mechanical structure design, we calculate the structural strength with the finite-element analysis in order to understand whether the stress concentration exceeds the material strength and cause fracture of structure. Software: TO develop an operation and control system with human-machine interface and a sensor’s real-time surveillance system for storage’s security. Research results: the actual test of using and analysis results show that the design of such storage system is viable. With the simplest design, the storage system can just access one single biospecimen for each time and avoid to effect the biological activities of other samples. Finally, to cooperate the operation and control with human-machine interface system and real-time surveillance system.

關鍵字(中)

★ 即時監控
★ 人機介面
★ 低溫脆化
★ 幹細胞
★ 溫度效應
★ 臍帶血

關鍵字(英)

★ brittle fracture at low-temperature
★ temperature effect
★ umbilical cord blood
★ stem cells
★ real-time surveillance
★ human-machine interface

論文目次

目錄
摘要 ....................................................................................................................... i
ABSTRACT.............................................................................................................. ii
致謝 ..................................................................................................................... iv
目錄 ...................................................................................................................... v
圖目錄 ................................................................................................................... viii
表目錄 ................................................................................................................... xiii
第一章、緒論 .......................................................................................................... 1
1-1 研究背景 .................................................................................................. 1
1-2 研究的動機與目的 .................................................................................. 3
1-3 文獻回顧 .................................................................................................. 4
1-3-1 液態氮超低溫生物詴片儲存槽介紹 ............................................ 5
1-3-2 溫度傷害效應 .............................................................................. 15
1-3-3 超低溫環境下不鏽鋼材料之機械行為 ...................................... 17
1-3-4 安全警示系統 .............................................................................. 20
1-3-5 人機介面 ...................................................................................... 21
1-4 本文架構 ................................................................................................ 25
第二章、材料與方法 ............................................................................................ 26
2-1 新型超低溫生物詴片儲存槽設計理念與開發流程 ............................ 26
2-1-1 系統化儲存管理 .......................................................................... 27
2-1-2 單一詴片存取系統 ...................................................................... 28
2-1-3 傳動機構設計原理 ...................................................................... 29
2-2 新型第一代超低溫生物詴片儲存槽之改良與測詴 ............................ 30
2-2-1 新型第一代儲存槽零件之電腦模型建立 .................................. 30
2-2-2 新型第一代儲存槽系統之電腦模型組合 .................................. 44
2-2-3 新型第一代儲存槽零件之打樣加工製作 .................................. 47
2-2-4 新型第一代儲存槽之液態氮下使用測詴 .................................. 52
2-3 新型第二代超低溫生物詴片儲存槽之設計開發 ................................ 53
2-3-1 儲存槽容量重新規劃 .................................................................. 53
2-3-2 規格品零件規劃使用 .................................................................. 54
2-3-3 系統結構模組化設計 .................................................................. 55
2-4 新型第二代超低溫生物詴片儲存槽有限元素分析 ............................ 57
2-4-1 新型第二代儲存槽之靜態分析規劃 .......................................... 58
2-4-2 有限元素靜態模擬分析之參數設定 .......................................... 61
第三章、結果 ........................................................................................................ 71
3-1 新型第一代超低溫生物詴片儲存槽零件加工製作結果 .................... 71
3-1-1 新型第一代儲存槽之零件製作結果 .......................................... 72
3-1-2 新型第一代儲存槽加工零件表總覽 .......................................... 76
3-2 新型第一代超低溫生物詴片儲存槽液態氮下測詴結果 .................... 77
3-3 新型第二代超低溫生物詴片儲存槽有限元素分析結果 .................... 79
3-3-1 新型第一代儲存槽_轉動模組分析結果 .................................... 79
3-3-2 新型第一代儲存槽_第二圈上蓋分析結果 ................................ 84
第四章、儲存槽人機介面管理及即時監控系統開發 ........................................ 86
4-1 儲存槽人機介面管理系統開發說明 .................................................... 88
4-1-1 系統人機操作介面說明 .............................................................. 88
4-1-2 操作者帳號及權限管理 .............................................................. 91
4-1-3 儲存空間結構陣列管理 .............................................................. 93
4-1-4 系統資料綜合查詢視窗 .............................................................. 95
4-1-5 系統紀錄資料備份管理 .............................................................. 97
vii
4-2 儲存槽即時監控通報系統開發說明 .................................................... 98
4-2-1 現有儲存槽監控系統之缺點 ...................................................... 98
4-2-2 即時監控系統的設計原理與開發流程 .................................... 100
第五章、討論 ...................................................................................................... 109
5-1 新型第一代超低溫生物詴片儲存槽零件加工製作結果討論 .......... 109
5-2 新型第一代超低溫生物詴片儲存槽液態氮下測詴結果討論 .......... 112
5-3 新型第二代超低溫生物詴片儲存槽有限元素分析結果討論 .......... 113
5-3-1 新型第一代儲存槽_轉動模組分析結果討論 .......................... 113
5-3-2 新型第一代儲存槽_第二圈上蓋分析結果討論...................... 115
5-4 新型第一代儲存槽與新型第二代儲存槽之設計優缺點比較 .......... 116
5-5 超低溫生物詴片儲存槽人機介面管理及監控系統問題討論 .......... 118
5-5-1 條碼掃描器使用 ........................................................................ 118
5-5-2 與設備進行交訊 ........................................................................ 119
5-5-3 Skype帄台使用 ......................................................................... 120
第六章、結論與未來展望 .................................................................................. 121
6-1 結論 ...................................................................................................... 121
6-2 未來展望 .............................................................................................. 122
參考文獻 .............................................................................................................. 124
附錄 ...................................................................................................................... 130
附錄1：RS232基本原理 ............................................................................ 130
附錄2：MSComm元件屬性說明 ............................................................... 133

參考文獻

參考文獻
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指導教授

林上智(Shang-Chih Lin)

審核日期

2009-7-15

推文