細胞治療是未來醫(yī)學的三大支柱之一，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計方案。

1.概述

流式細胞分析儀是利用流式細胞技術進行單細胞定量分析和分選的醫(yī)用體外診斷設備。流式細胞技術是免疫細胞化學技術、流體力學技術、激光光學、電子和計算科學等綜合的高技術產(chǎn)物。流式細胞分析儀主要由光學系統(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、高準確性等優(yōu)點，是當代最先進的細胞定量分析儀器。

2.硬件層面的設計考慮及要點

流式細胞分析儀系統(tǒng)集成較復雜，包括流體控制系統(tǒng)（控制樣本移動及廢液排放）、光學系統(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計要點：

高速高精度模擬信號處理

溫度控制對于細胞和測量極為重要

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)硬件設計要點

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

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)硬件設計要點

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)置兩個高性能運放可用于溫度設置

可獨立設置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：

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