《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 可編程邏輯 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于FPGA的免疫層析信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
基于FPGA的免疫層析信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
李國(guó)慶1，2，魏建崇1，2，王志炯3，高躍明1，2，韋孟宇2，3，杜 民1，2，潘少恒3
1．福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350116；2．福建省醫(yī)療器械與醫(yī)藥技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350116； 3．澳門大學(xué) 模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，澳門999078
摘要： 提出了一種基于FPGA控制的免疫層析信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由免疫層析模擬信號(hào)采集模塊、FPGA數(shù)字控制模塊和上位機(jī)處理模塊組成。FPGA數(shù)字控制模塊由A/D驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，其主要工作流程是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)控制TM7705同步采樣，并在RAM中緩存采樣數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)試條檢測(cè)的控制，檢測(cè)結(jié)果表示線性度為R2=0.998，靈敏度為0.027 7 mL/μg，最低檢測(cè)濃度為1.95 μg/mL，重復(fù)性小于5%。該系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度較高、一致性穩(wěn)定，具有較好的實(shí)用性和可擴(kuò)展性。
中圖分類號(hào)： TN98；TH776
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.023
中文引用格式： 李國(guó)慶，魏建崇，王志炯，等. 基于FPGA的免疫層析信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(7)：88-91，95.
英文引用格式： Li Guoqing，Wei Jianchong，Wang Zhijiong，et al. Data acquisition system for immunochromatographic singal based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：88-91，95.
Data acquisition system for immunochromatographic singal based on FPGA
Li Guoqing1，2，Wei Jianchong1，2，Wang Zhijiong3，Gao Yueming1，2，Wei Mengyu2，3，Du Min1，2，Pan Shaoheng3
1.College of Physics and Telecommunication Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China； 2.Key Laboratory of Medical Instrumentation and Pharmaceutical Technology of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350116，China； 3.Department of Electrical and Computer Engineering，F(xiàn)aculty of Science and Technology，University of Macau，Macao 999078，China
Abstract： This paper introduced a data acquisition system based on FPGA control for immunochromatographic assay. The system was composed of analog signal acquisition module, FPGA digital control module and PC. The FPGA digital control module consisted of A/D driver, motor driver and data transmission module. It controlled the stepper motor and the synchronized sampling of TM7705, then the sampled data was saved in RAM. The proposed system was suitable for LFIA test control, which showed good detection linearity(R2=0.998). The sensitivity of the system was 0.0277 mL/μg, the lowest detecting concentration was 1.95 μg/mL and the CV was lower than 5%. In conclusion, the system has high detection sensitivity, good stability practicability and extensibility.
Key words : immunochromatographic；data acquisition；FPGA control

0 引言

    免疫層析檢測(cè)技術(shù)綜合了特異性免疫結(jié)合、親和性層析反應(yīng)等檢測(cè)方法[1]，具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、測(cè)量快速、操作簡(jiǎn)單和可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等特點(diǎn)[2-4]，因此被廣泛運(yùn)用在食品安全檢測(cè)、臨床檢驗(yàn)等領(lǐng)域[5]。    

    目前國(guó)內(nèi)外有許多基于光電式的免疫層析檢測(cè)系統(tǒng)的研究[6-7]，在檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)范圍等方面具有很大優(yōu)勢(shì)和靈活性。例如，文獻(xiàn)[8]的熒光免疫層析定量檢測(cè)系統(tǒng)，采集電路采用12位A/D的PIC單片機(jī)，主控電路以8051F020單片機(jī)為核心，控制步進(jìn)電機(jī)、A/D和顯示等功能。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種便攜式熒光免疫定量分析儀，以MSP430F1611微處理器為核心，搭配內(nèi)部12位A/D，主要控制步進(jìn)電機(jī)、RS232串口傳輸?shù)闰?qū)動(dòng)。但存在以下問題：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多種處理器合作，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試的難度；目前免疫層析檢測(cè)系統(tǒng)利用現(xiàn)有處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，不能根據(jù)用戶需求定制功能和升級(jí)硬件模塊。隨著儀器功能不斷提高，當(dāng)系統(tǒng)需要增加無線傳輸、二維碼掃描槍、加樣控制槍等功能時(shí)，需要重新配置引腳功能、設(shè)計(jì)外圍電路，甚至更換芯片，系統(tǒng)升級(jí)的靈活度受限，且延長(zhǎng)開發(fā)周期，增加研發(fā)成本。本系統(tǒng)是一種全新的免疫層析信號(hào)采集方案，可降低免疫層析檢測(cè)儀的復(fù)雜度，增加儀器的可擴(kuò)展性。

    本文設(shè)計(jì)的光電式免疫層析定量檢測(cè)系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊構(gòu)成，包括機(jī)械傳動(dòng)、光學(xué)、數(shù)據(jù)處理和控制單元，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和邏輯全部集成在一塊FPGA芯片中，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。其中，機(jī)械傳動(dòng)模塊利用步進(jìn)電機(jī)對(duì)試條進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)光學(xué)模塊對(duì)試條的完整掃描。同時(shí)，光學(xué)模塊將試條上分布的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到檢測(cè)結(jié)果?？刂颇K主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)、A/D采樣和數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)任務(wù)之間的協(xié)同工作。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    本研究設(shè)計(jì)的熒光免疫層析定量檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)可分為三大功能模塊：免疫層析信號(hào)采集模塊、FPGA數(shù)字控制模塊和上位機(jī)處理模塊。

ck6-t1.gif

    （1）免疫層析信號(hào)采集模塊：采用TM7705為核心的模擬前端電路和信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)免疫層析信號(hào)的采集、放大、預(yù)處理的操作。

    （2）FPGA數(shù)字控制模塊：利用FPGA的快速和可自定義設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方案控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作。只需修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)就能快速升級(jí)系統(tǒng)功能，滿足用戶需求。

    （3）上位機(jī)模塊：免疫層析信號(hào)處理并與下位機(jī)通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和峰值檢測(cè)功能。按鍵控制系統(tǒng)復(fù)位和啟動(dòng)等操作。

2 信號(hào)采集模塊

2.1 光電檢測(cè)模塊

    熒光免疫層析檢測(cè)系統(tǒng)光路如圖2所示，365 nm的激發(fā)光通過透鏡聚焦后被二向色鏡全反射，再經(jīng)柱面鏡整形為矩形光斑，隨后電機(jī)線性掃描檢測(cè)窗口，使試條激發(fā)的熒光信號(hào)通過二向色鏡和濾光片聚焦到光電傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[10]。

ck6-t2.gif

2.2 模擬信號(hào)處理模塊

    模擬信號(hào)處理模塊主要由模擬放大電路、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和減法電路組成。光信號(hào)經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其幅值約為nA級(jí)電流信號(hào)，因此，在模擬放大電路中，采用OPA657設(shè)計(jì)的跨阻放大器對(duì)微弱的電流信號(hào)進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)OP07運(yùn)算放大器二級(jí)放大為伏級(jí)電壓。同時(shí)，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路根據(jù)試條的背景熒光信號(hào)大小產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，通過減法電路將模擬放大的電壓信號(hào)中的背景基值電壓減掉，最終得到的電壓信號(hào)被送至A/D轉(zhuǎn)換電路。

2.3 ADC采樣電路

    ADC采樣電路由TM7705及其外圍電路構(gòu)成。TM7705的精度為16 bit，最高采樣速率達(dá)到500 Hz。數(shù)字控制模塊通過SPI總線與AD芯片通信，實(shí)現(xiàn)芯片復(fù)位、初始化、寄存器配置和AD數(shù)據(jù)讀取等操作。

2.4 傳動(dòng)掃描平臺(tái)

    傳動(dòng)掃描平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)試條槽線性運(yùn)動(dòng)，主要包括試條槽、步進(jìn)電機(jī)(28BYJ-48)、驅(qū)動(dòng)電路板及傳動(dòng)平臺(tái)等。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，以四相八拍方式運(yùn)轉(zhuǎn)，并采用ULN2003功率放大器實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3 FPGA數(shù)字控制模塊設(shè)計(jì)

    FPGA數(shù)字控制模塊是定量檢測(cè)系統(tǒng)的核心，主要由ADC驅(qū)動(dòng)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、串口發(fā)送單元和控制單元組成。數(shù)字控制單元作為系統(tǒng)核心單元，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)一拍；ADC驅(qū)動(dòng)單元通過SPI總線控制AD芯片對(duì)免疫層析試條采樣，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，直至試紙條檢測(cè)窗口全部掃描完，電機(jī)反轉(zhuǎn)到初始位置，再將RAM中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)?？刂茊卧ぷ髁鞒倘鐖D3所示。

ck6-t3.gif

3.1 ADC驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

    ADC驅(qū)動(dòng)單元作為主設(shè)備通過SPI接口data_in、sclk_in、Dout與從設(shè)備ADC芯片TM7705通信，sclk_in 為讀寫的同步時(shí)鐘信號(hào)，data_in和Dout分別為數(shù)據(jù)輸入和輸出信號(hào)。ADC驅(qū)動(dòng)單元通過start控制TM7705的讀與寫，當(dāng)start高位為1時(shí)，向TM7705寫入配置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)芯片初始化，DRDY為ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位，DRDY為0表示TM7705采樣完成，設(shè)計(jì)中將DRDY轉(zhuǎn)換頻率設(shè)置為250 Hz（DRDY每4 ms置為0）。當(dāng)start低位為1、且DRDY為0時(shí)，通過Dout串行口讀取采樣數(shù)據(jù)輸出至雙口RAM中。圖4為TM7705驅(qū)動(dòng)示意圖。

ck6-t4.gif

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

    如圖5所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元通過direction、motor_driver信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。direction為正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，高位置1正轉(zhuǎn)，低位置1反轉(zhuǎn)。其中adc_start為TM7705轉(zhuǎn)換開始信號(hào)，addr_num提供雙口RAM的寫地址。步進(jìn)電機(jī)每運(yùn)行一拍啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并將寫地址值addr_num更新。

ck6-t5.gif

3.3 控制單元

    控制單元主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，圖6為控制單元框圖?？刂茊卧a(chǎn)生RAM的讀使能信號(hào)和地址值，將RAM中采集數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去。該單元控制系統(tǒng)開始與結(jié)束狀態(tài)，保證系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性；在采樣時(shí)間內(nèi)，該單元控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一次的同時(shí)完成對(duì)試條的采樣和存儲(chǔ)。其中fid_start是系統(tǒng)工作使能信號(hào)，fid_done表示結(jié)束信號(hào)。

ck6-t6.gif

4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

4.1 系統(tǒng)仿真

    利用Altera-Modelsim軟件進(jìn)行時(shí)序仿真，為了讓仿真圖直觀可見，系統(tǒng)采樣完成后直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖7為采樣結(jié)束與信號(hào)傳輸開始的時(shí)序仿真圖，并在測(cè)試時(shí)模擬TM7705的Dout采樣值全部為0xAAF0。該圖體現(xiàn)了系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、A/D采樣和串口傳輸3個(gè)任務(wù)協(xié)調(diào)工作的方式，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)光頭走過檢測(cè)窗口后，將RAM中保存的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)。其中對(duì)Dout放大可見，Dout在32個(gè)SCLK時(shí)鐘周期內(nèi)的模擬輸入值為0xAAF0，讀寫數(shù)據(jù)在SCLK上升沿，并延遲了1/4個(gè)時(shí)鐘周期保證數(shù)據(jù)正確讀取。最后TXD接收的數(shù)據(jù)為0fAAF0,與本文模擬的Dout值相同，證明系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和可行性。

ck6-t7.gif

4.2 上位機(jī)測(cè)試軟件

    采集系統(tǒng)將檢測(cè)結(jié)果傳送至上位機(jī)，上位機(jī)采用MFC（Microsoft Foundation Classes）設(shè)計(jì)，包括峰值檢測(cè)、中值平滑濾波和Vt/Vc計(jì)算等算法處理，并顯示相應(yīng)的檢測(cè)波形。其中中值濾波能有效克服基線漂移，平滑濾波能較好地抑制周期信號(hào)的干擾，濾除工頻干擾及高頻噪聲。圖8表示CRP（C-reactionprotein）試條濃度為250 μg/mL的檢測(cè)波形，兩個(gè)波峰分別為測(cè)試線峰值和檢測(cè)線峰值。

ck6-t8.gif

4.3 線性度和靈敏度測(cè)試

    本文選擇CRP試條作為測(cè)試對(duì)象，配置250 μg/mL、125 μg/mL、62.5 μg/mL、31.25 μg/mL、15.6 μg/mL、7.81 μg/mL、3.91 μg/mL、1.95 μg/mL的8種不同濃度試條，采集裝置測(cè)量5次取平均值作為檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行線性方程擬合，擬合曲線如圖9所示。

ck6-t9.gif

    線性回歸方程為：

    ck6-gs1.gif

其中y為測(cè)試線與質(zhì)控線比值(Vt/Vc)，x為待測(cè)液濃度。線性相關(guān)系數(shù)R2=0.998，靈敏度為0.027 11 mL/μg。以上結(jié)果表明在1.95～250 μg/mL濃度范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有很好的線性響應(yīng)特性和精確的靈敏度。

4.4 重復(fù)性和最低檢測(cè)濃度測(cè)試

    系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)量是指在所有外部環(huán)境不變的條件下，短時(shí)間內(nèi)反復(fù)測(cè)量同一根試條10次，求10次檢測(cè)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)CV(Coefficient of Variance)表示檢測(cè)結(jié)果。選擇250 μg/mL、31.25 μg/mL、1.95 μg/mL和0.95 μg/mL的4種代表性試紙條作為測(cè)試樣本，分別測(cè)量10次并計(jì)算CV值，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

ck6-b1.gif

    因?yàn)榈蜐舛葴y(cè)量峰值時(shí)，T線的峰值可能小于噪聲，濃度為0.95 μg/mL的試條Vt/Vc變異系數(shù)較大，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)判定為無效。本文選取CV值<10%測(cè)量值作為檢測(cè)的最低濃度，可見本系統(tǒng)的最低檢測(cè)濃度1.95 μg/mL。在1.95～250 μg/mL的線性檢測(cè)范圍時(shí)，該系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的CV值小于5%，具有較好的重復(fù)性。

5 結(jié)論

    本研究中采用FPGA作為主控單元，利用 FPGA可配置和現(xiàn)場(chǎng)可編程的優(yōu)點(diǎn)，使電機(jī)定位精準(zhǔn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)可以改進(jìn)現(xiàn)有處理器引腳固定的缺點(diǎn)，使增加功能更加方便。本設(shè)計(jì)的FPGA控制單元部分采用Verilog HDL語言實(shí)現(xiàn)，為研發(fā)免疫層析檢測(cè)定制芯片提供設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)控制單元全部采用Verilog HDL硬件語言實(shí)現(xiàn)，可以靈活設(shè)計(jì)I/O接口和系統(tǒng)功能模塊，只需通過修改FPGA代碼便可實(shí)現(xiàn)所需功能，滿足特殊化定制需求；系統(tǒng)所有邏輯由一塊FPGA實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，在1.95～250 μg/mL的檢測(cè)范圍內(nèi)線性度R2=0.998，CV值小于5%，符合儀器設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] SU J，ZHOU Z，LI H，et al.Quantitative detection of human chorionic gonadotropin antigen via immunogold chromatographic test strips[J].Analytical Methods，2014，6(2)：450-455.

[2] 任冰強(qiáng)，黃立華，黃惠杰.基于免疫層析技術(shù)的時(shí)間分辨熒光免疫分析儀研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009(6)：1330-1335.

[3] 高躍明，李天麒，林傳陽，等.熒光免疫層析試條光電信號(hào)處理及特征量選取[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015，29(5)：662-668.

[4] PYO D，YOO J.New trends in fluorescence immunochro-matography[J].Journal of Immunoassay and Immunochemistry，2012，33(2)：203-222.

[5] REDDY J R，KWANG J，LECHTENBERG K F，et al.An immunochromatographic serological assay for the diagnosis of mycobacterium tuberculosis[J].Comparative Immunology，Microbiology and Infectious Diseases，2002，25(1)：21-27.

[6] LEE L G，NORDMAN E S，JOHNSON M D，et al.A low-cost, high-performance system for fluorescence lateral flow assays[J].Biosensors，2013，3(4)：360-373.

[7] LI J J，OUELLETTE A L，GIOVANGRANDI L，et al.Optical scanner for immunoassays with up-converting phosphorescent labels[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2008，55(5)：1560-1571.

[8] 謝夢(mèng)圓，張軍，谷穩(wěn)，等.便攜式定量熒光免疫分析儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(12)：25-28.

[9] 劉翔，杜民，李玉榕，等.熒光免疫層析定量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27(9)：859-866.

[10] 李曉婷.熒光免疫試條定量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2014. 



作者信息：

李國(guó)慶1，2，魏建崇1，2，王志炯3，高躍明1，2，韋孟宇2，3，杜  民1，2，潘少恒3

（1．福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350116；2．福建省醫(yī)療器械與醫(yī)藥技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350116；

3．澳門大學(xué) 模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，澳門999078）

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。