細胞治療是未來醫(yī)學(xué)的三大支柱之一，全球流式細胞儀市場正以健康的速度增長。根據(jù)市場研究報告，預(yù)計2022年全球流式細胞儀的市場將達到70億美元。本次我們通過技術(shù)型分銷商Excelpoint世健邀請到行業(yè)資深工程師錢工來分享他的實戰(zhàn)經(jīng)驗——流式細胞分析儀硬件設(shè)計方案。

1. 概述

流式細胞分析儀是利用流式細胞技術(shù)進行單細胞定量分析和分選的醫(yī)用體外診斷設(shè)備。流式細胞技術(shù)是免疫細胞化學(xué)技術(shù)、流體力學(xué)技術(shù)、激光光學(xué)、電子和計算科學(xué)等綜合的高技術(shù)產(chǎn)物。流式細胞分析儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、液路系統(tǒng)、信號檢測系統(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，是當(dāng)代最先進的細胞定量分析儀器。

2. 硬件層面的設(shè)計考慮及要點

流式細胞分析儀系統(tǒng)集成較復(fù)雜，包括流體控制系統(tǒng)(控制樣本移動及廢液排放)、光學(xué)系統(tǒng)(光源及光信號接收檢測)、電信號處理系統(tǒng)(光電信號轉(zhuǎn)換及電信號濾波放大)、環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)(監(jiān)測溫濕度、壓力等并進行相應(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)(運行算法分析數(shù)據(jù))等。

2.1. 基于流式細胞分析儀系統(tǒng)特性，以下是必須考慮的設(shè)計要點：

（1）高速高精度模擬信號處理

（2）溫度控制對于細胞和測量極為重要

（3）高精度自動控制(溫度、液位、機械動作等)

2.2. 模擬電信號處理系統(tǒng)硬件設(shè)計要點

（1）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)運算放大器

（2）高速、高精度、同步采樣ADC

（3）低噪聲且穩(wěn)定的高PSRR電源

（4）低噪聲且動態(tài)可調(diào)的激光恒流源

2.3. 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計要點

（1）高精度溫度采集器件

（2）穩(wěn)定高效的加熱/制冷控制器

（5）精確的液位測量器件

3. 硬件方案設(shè)計細化

3.1. 模擬電信號處理系統(tǒng)

3.1.1. 主信號鏈硬件方案

激光入射細胞鞘流通道，散射光分別由不同角度的3個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，實現(xiàn)高速并行同步采集。

主要器件選型表

3.1.2. 低噪聲且動態(tài)可調(diào)的激光恒流源硬件方案

通用運放AD8542加N溝道MOS管構(gòu)成恒流源，驅(qū)動激光管。利用激光器自帶的PD反饋，實時調(diào)節(jié)恒利源電流，使激光輸出穩(wěn)定。通過可調(diào)電阻RP1還可以手動調(diào)節(jié)恒流源電流來控制激光功率。

3.2. 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

3.2.1. 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)分為制冷及加熱兩部分，制冷部件用于存儲試劑，加熱部件用于檢測組件的保溫(恒溫37℃)?；谂翣栙N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)：

（1）內(nèi)置低內(nèi)阻H橋

（2）內(nèi)置TEC電壓電流檢測電路

（3）可驅(qū)動NTC和RTD溫度傳感器

（4）內(nèi)置兩個高性能運放可用于溫度設(shè)置

（5）可獨立設(shè)置TEC制冷和加熱電流限值

（6）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)置運放1外接NTC用于測溫，運放1輸出端信號給ADC，構(gòu)成溫度閉環(huán)，可以實現(xiàn)數(shù)字PID來實時調(diào)節(jié)制冷溫度。

3.2.2. 液位檢測方案    

液位檢測方法較多，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：

（1）內(nèi)置24位Σ-Δ型ADC

（2）精度：4 fF

（3）數(shù)據(jù)更新率：10 Hz to 90 Hz

（4）I2C數(shù)字接口