宫颈癌正面临严峻的防治形势,对其进行早期筛查和诊断是目前最重要的防治手段。在中国,使用液基细胞学技术联合细胞DNA定量分析技术是筛查宫颈癌行之有效的方案,但目前这两种分析方法需在不同的涂片上进行,存在资源浪费、效率低下及失误率高等缺陷,因此急需研究一种能完美融合两种技术的方法,实现高效精准地筛查。本课题研究立足于现有产品,结合市场需求,对细胞学筛查方法中标本制片、标本染色和标本诊断这三个既独立又连贯的关键技术进行了研究,取得以下成果:(1)提出了一种基于复合染色和显微光谱成像分析的细胞学筛查方法。该方法仅需一次取材制备一张涂片,将两种染色方法作用于同一细胞,既可进行DNA定量分析诊断,也可进行细胞形态分析做TBS分类诊断,且两种诊断方法对同一细胞具有一一对应的关系,方便医生做出准确判断,具有高效、准确快速的特点。(2)针对制片要求及市场需求分别研制了两种基于不同原理的制片机。对于膜式液基细胞制片机,为解决市场现有产品结构复杂,机械臂利用率低,细胞采集效率低等缺点,设计了极坐标机械臂及新的工作方案,提高了自动化程度,同时设计新型动密封操作头和压力控制系统,改善了细胞采集效果,实验结果表明该制片机结构紧凑,性能稳定,制片满意率高;对于沉降式液基细胞制片机,将市面上普遍采用的标本转移机功能合并到制片机中,实现了移液和制片的一体化和自动化,并将成本较高且浪费较严重的一次性注射器改为成本低廉的移液管,降低了耗材使用成本,针对转移标本效率低下和易混乱等问题,设计了一个龙门桁架式三维机械臂和可折叠离心管转移架,并在单片机基础上探索出了一套优化的运动控制算法,实现了机械臂高效的直线插补和加减速运动,提高了工作效率,圆弧插补同时也改善了吸头堵塞的情况。实际测试机械臂定位精度和加减速曲线拟合方面都具有很高精度。(3)针对复合染色需求,开发研制了自动染色机。为克服现有染色机价格高、体积大、抗腐蚀性能差等缺点,选择轮转式结构方案作为基础,开发了复用式染缸盖及主从机械臂协作方案,空间利用率大幅提高;从材料和结构设计上对高挥发性和渗透性的强酸进行有效防护,杜绝了腐蚀现象;设计了染色规程分割运行算法,实现了多任务多种染色同时进行,工作效率提升。测试结果表明,染色的定位精度、重复精度、控温效果及实际染色效果等均可满足医院实际使用需求和课题需求,设计的染色机具有效率高、结构紧凑、抗腐蚀性能优良等优势。(4)建立了一套多波段光源的显微光谱成像系统,采用多元线性回归方法实现了对混叠多光谱图像的剥离,完成了对DNA的定量和细胞形态同步分析。设计了几组能发出离散单色光的LED组合光源,降低了成本,提高仪器的稳定性;使用了分辨率和帧采集速度更高的CMOS图像传感器来获取光谱图像,提高了图像精度和信噪比;图像传输和处理方式上,用DDR缓存图像并采用标准PCIe总线接口传输数据,提升了图像传输速度,满足了实时性要求;最后用多元线性回归方法从混叠的多光谱图像中剥离出福尔根染料的真实吸光度用于DNA定量分析,同时合成符合医生诊断习惯和要求的彩色图像。测试结果表明,选用多波段光源组成多光谱显微成像系统是可行的,只要选择合适波段的LED,无论在光学结构还是成像方法上都可以轻松实现,具有成本低、实现简单、可扩展性好的特点。最后将整个流程连贯运行,用本文研制的制片机、染色机和显微光谱成像细胞DNA定量分析系统处理和分析小鼠肝脏和宫颈阳性标本,以校准过的光密度测试设备测量数据作为对比,测试结果表明:本文设计的标本制备装置能制出满意的细胞涂片并能成功进行复合染色,采用显微光谱成像分析系统计算的DNA准确度高,本方法在筛选癌细胞方面有很高的准确性和可靠性,具有巨大的市场应用潜力。