流式細(xì)胞分析儀硬件設(shè)計(jì)方案
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細(xì)胞治療是未來醫(yī)學(xué)的三大支柱之一，全球流式細(xì)胞儀市場(chǎng)正以健康的速度增長(zhǎng)。根據(jù)市場(chǎng)研究報(bào)告，預(yù)計(jì)2022年全球流式細(xì)胞儀的市場(chǎng)將達(dá)到70億美元。本次我們通過技術(shù)型分銷商Excelpoint世健邀請(qǐng)到行業(yè)資深工程師錢工來分享他的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)——流式細(xì)胞分析儀硬件設(shè)計(jì)方案。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/202107/427175.htm1. 概述
流式細(xì)胞分析儀是利用流式細(xì)胞技術(shù)進(jìn)行單細(xì)胞定量分析和分選的醫(yī)用體外診斷設(shè)備。流式細(xì)胞技術(shù)是免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)、流體力學(xué)技術(shù)、激光光學(xué)、電子和計(jì)算科學(xué)等綜合的高技術(shù)產(chǎn)物。流式細(xì)胞分析儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、液路系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸分析系統(tǒng)等組成，具有高速、高精度、高準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代最先進(jìn)的細(xì)胞定量分析儀器。
2. 硬件層面的設(shè)計(jì)考慮及要點(diǎn)
流式細(xì)胞分析儀系統(tǒng)集成較復(fù)雜，包括流體控制系統(tǒng)（控制樣本移動(dòng)及廢液排放）、光學(xué)系統(tǒng)（光源及光信號(hào)接收檢測(cè)）、電信號(hào)處理系統(tǒng)（光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及電信號(hào)濾波放大）、環(huán)境監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)（監(jiān)測(cè)溫濕度、壓力等并進(jìn)行相應(yīng)控制）、電源管理系統(tǒng)（各電路子模塊供電）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（運(yùn)行算法分析數(shù)據(jù)）等。
2.1. 基于流式細(xì)胞分析儀系統(tǒng)特性，以下是必須考慮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
● 高速高精度模擬信號(hào)處理
● 溫度控制對(duì)于細(xì)胞和測(cè)量極為重要
● 高精度自動(dòng)控制（溫度、液位、機(jī)械動(dòng)作等）
2.2. 模擬電信號(hào)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)
● 流壓轉(zhuǎn)換的跨阻放大器需要低偏置電流、高輸入阻抗、低噪聲、低失調(diào)運(yùn)算放大器
● 高速、高精度、同步采樣ADC
● 低噪聲且穩(wěn)定的高PSRR電源
● 低噪聲且動(dòng)態(tài)可調(diào)的激光恒流源
2.3. 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)
● 高精度溫度采集器件
● 穩(wěn)定高效的加熱/制冷控制器
● 精確的液位測(cè)量器件
3. 硬件方案設(shè)計(jì)細(xì)化
3.1. 模擬電信號(hào)處理系統(tǒng)
3.1.1. 主信號(hào)鏈硬件方案
激光入射細(xì)胞鞘流通道，散射光分別由不同角度的3個(gè)PD接收。光電流經(jīng)過流壓轉(zhuǎn)換，程控放大，再由ADC采集。由于3路信號(hào)同步并且采樣速率高，因此需要選用高速并行ADC，并且由FPGA來控制，實(shí)現(xiàn)高速并行同步采集。
主要器件選型表
類型 | 型號(hào) | 主要參數(shù) | 制造商 |
TIA | ADA4896 | 低寬帶噪聲： 1 nV/√Hz， 2.8 pA/√Hz；低 1/f 噪聲： 2.4 nV/√Hz(10 Hz時(shí))； 高速：-3 dB帶寬：230 MHz(G = +1)，壓擺率：120 V/μs0.1%建立時(shí)間：45 ns； 80 mA 輸出電流，軌到軌輸出。 | ADI |
VGA | AD8264 | 低噪聲 電壓噪聲 = 2.3 nV/√Hz 電流噪聲 = 2 pA/√Hz 寬帶寬 小信號(hào)：235 MHz(VGAx)；80 MHz(差分放大器輸出) 大信號(hào)：80 MHz(1Vp-p) 增益范圍： 0至24 dB（輸入至VGA輸出） 6至30 dB（輸入至差分輸出） 增益調(diào)整：20 dB/V； 直流耦合，單端輸入和差分輸出； 電源：±2.5V至±5V； 低功耗：每通道140 mW（±3.3V）。 | ADI |
ADC | AD9224 | 采用單電源供電（5V），內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)高性能采樣保持放大器和基準(zhǔn)電壓源。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯(cuò)邏輯，在40 MSPS數(shù)據(jù)速率時(shí)可提供12位精度，并保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)無失碼 | ADI |
FPGA | 5CEFA2F23C8N | 邏輯單元LE：25K； M10K存儲(chǔ)器：1760kb； 存儲(chǔ)器邏輯陣列模塊（MLAB）：196kb； 18*18位乘法器：50個(gè)； DSP模塊：25個(gè)； 分段式鎖相環(huán)（PLL）：4個(gè)； 用戶最大I/O數(shù)量：224個(gè)。 | INTEL(ALTERA) |
Analog Power | LT3090 | 集成可編程限流的-36 V、 600 mA負(fù)線性穩(wěn)壓器； 低壓差：300 mV，低輸出噪聲： 18 μV/rms (10 kHz至100 kHz)； 輸入電壓范圍：–1.5 V至–36 V，軌到軌輸出電壓范圍：0 V至–32V。 | ADI(LT) |
LT1963A | 1.5 A低噪聲快速瞬態(tài)響應(yīng)LDO穩(wěn)壓器； 電壓差： 340 mV； 低噪聲：40 μV/rms (10 kHz至100 kHz)，可調(diào)輸出范圍：1.21 V至20 V。 | ADI(LT) | |
FPGA Power | ADP5014 | 集成四通道低噪聲降壓調(diào)節(jié)器的電源解決方案； 輸入： 2.75 V至6.0 V； 輸出： 0.5 V至0.9 × PVINx，通道1和通道2：可編程2 A/4 A， 通道3和通道4： 1 A/2 A同步降壓調(diào)節(jié)器，或單通道4 A輸出(并聯(lián)使用)。 | ADI |
PD | S1223 | 光譜范圍：320~1100nm； 光感靈敏度：0.54A/W(@830nm)； 短路電流：6.3μA（Typ）； 暗電流：0.1nA（VR=20V），暗電流溫漂系數(shù)：1.15倍/℃； 響應(yīng)頻率：30MHz。 | HAMAMASTSU |
3.1.2. 低噪聲且動(dòng)態(tài)可調(diào)的激光恒流源硬件方案
通用運(yùn)放AD8542加N溝道MOS管構(gòu)成恒流源，驅(qū)動(dòng)激光管。利用激光器自帶的PD反饋，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)恒利源電流，使激光輸出穩(wěn)定。通過可調(diào)電阻RP1還可以手動(dòng)調(diào)節(jié)恒流源電流來控制激光功率。
3.2. 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
3.2.1. 溫控系統(tǒng)
溫控系統(tǒng)分為制冷及加熱兩部分，制冷部件用于存儲(chǔ)試劑，加熱部件用于檢測(cè)組件的保溫（恒溫37℃）。基于帕爾貼的特性，加熱制冷都可以應(yīng)用（只需交換電流方向）。本方案選用ADI公司單芯片方案（ADN8834）：
● 內(nèi)置低內(nèi)阻H橋
● 內(nèi)置TEC電壓電流檢測(cè)電路
● 可驅(qū)動(dòng)NTC和RTD溫度傳感器
● 內(nèi)置兩個(gè)高性能運(yùn)放可用于溫度設(shè)置
● 可獨(dú)立設(shè)置TEC制冷和加熱電流限值
● 內(nèi)置2.5V高精度參考源
恒溫制熱方案
數(shù)控溫度可調(diào)的制冷方案
內(nèi)置運(yùn)放2反向端與輸出端直連構(gòu)成跟隨器，同相端用DAC控制，用于溫度調(diào)節(jié)。內(nèi)置運(yùn)放1外接NTC用于測(cè)溫，運(yùn)放1輸出端信號(hào)給ADC，構(gòu)成溫度閉環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)制冷溫度。
3.2.2. 液位檢測(cè)方案
液位檢測(cè)方法較多，本方案選用業(yè)界較流行的電容傳感方式。選用ADI公司的電容傳感器AD7745：
● 內(nèi)置24位Σ-Δ型ADC
● 精度：4 fF
● 數(shù)據(jù)更新率：10 Hz to 90 Hz
● I2C數(shù)字接口
評(píng)論