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)胞儀市場正以健康的速度增長。根據(jù)市場研究報告，預(yù)計(jì)2022年全球流式細(xì)胞儀的市場將達(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。
1. 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(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(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處理
? 溫度控制對于細(xì)胞和測量極為重要
? 高精度自動控制（溫度、液位、機(jī)械動作等）
2.2. 模擬電信號處理系統(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(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
? 精確的液位測量器件
3. 硬件方案設(shè)計(jì)細(xì)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(xì)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(shí)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(yùn)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(shí)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℃）。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電壓電流檢測電路
? 可驅(qū)動NTC和RTD溫度傳感器
? 內(nèi)置兩個高性能運(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用于測溫，運(yùn)放1輸出端信號給ADC，構(gòu)成溫度閉環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID來實(shí)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：
? 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
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健是新加坡的主板上市公司，總部設(shè)于新加坡，擁有約650名員工，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團(tuán)在2020年的年?duì)I業(yè)額超過11億美元。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗(yàn)，世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。