循環(huán)腫瘤細(xì)胞分離液路控制系統(tǒng)分析優(yōu)化*

閆 寧， 趙言正， 閆維新

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移已經(jīng)成為癌癥病人死亡的重要原因，研究表明，這一過程可能在腫瘤的早期過程就已出現(xiàn)[1]。惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的過程是循環(huán)腫瘤細(xì)胞從原發(fā)病灶分離進(jìn)入血管中，在外周血中通過循環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)端組織，并形成新的腫瘤，最終導(dǎo)致大多癌癥病人的死亡[2]。大多數(shù)循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumor cell,CTC)細(xì)胞的大小在14～26 μm之間，而血細(xì)胞直徑在2～20 μm之間[3，4]，故可以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臑V膜，濾膜開有一定直徑的微孔，利用適當(dāng)?shù)姆蛛x液路，當(dāng)含有CTC的血液經(jīng)過濾膜時(shí)，CTC由于具有較大的體積被卡在微孔上，而血液中的其他成分則隨著緩沖液流出到廢液槽，達(dá)到循環(huán)腫瘤細(xì)胞分離的目的，這種技術(shù)被稱為膜分離技術(shù)。

微孔濾膜對(duì)壓力較為敏感，因此，本文在Fluent軟件中對(duì)循環(huán)腫瘤細(xì)胞分離富集液路系統(tǒng)進(jìn)行分析，并對(duì)微孔濾膜的受力情況進(jìn)行了分析，并針對(duì)在流體流動(dòng)過程中，微孔濾膜的孔隙率變化導(dǎo)致的微孔濾膜受力變化的情況，提出一種模糊控制方法，利用STM32芯片控制蠕動(dòng)泵，進(jìn)而控制流速，使微孔濾膜受力穩(wěn)定在一個(gè)合理區(qū)段內(nèi)。

1 循環(huán)腫瘤細(xì)胞分離與富集系統(tǒng)液路

如圖1(a)所示，將血樣加入試劑柱，試劑柱與下方管路通過魯爾接頭實(shí)現(xiàn)無滲連接，利用蠕動(dòng)泵產(chǎn)生的抽吸力，在濾膜下方產(chǎn)生負(fù)壓，血樣經(jīng)過放置于如圖1(b)中試劑柱中的微孔濾膜，利用微孔完成循環(huán)腫瘤細(xì)胞的分離和富集，之后廢液通過蠕動(dòng)泵進(jìn)入廢液槽。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在流道中，由于微孔濾膜處的壓力難以檢測(cè)，故在圖1(a)中三通位置連接一個(gè)壓力傳感器(型號(hào)為MPX5100AP)，在供電電壓在5 V情況下，該壓力傳感器可將0～101 kPa線性轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為Vout=VS(P×0.009-0.095)，其中，Vs為供電電壓，P為絕對(duì)壓力，kPa，供電要求Vs=5 V±5 % 。通過測(cè)量三通位置壓力，從而檢測(cè)微孔濾膜處的壓強(qiáng)。蠕動(dòng)泵采用保定蘭格的T100—S17型蠕動(dòng)泵，采用0～5 V外控，線性對(duì)應(yīng)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為0～100 r/min，從而線性對(duì)應(yīng)0～380 mL/min流量。根據(jù)伯努利方程1/2ρv2+ρgh+p=const,其中，1/2ρv2為流體的動(dòng)力勢(shì)能，ρgh為流體的重力勢(shì)能(靜壓)，p為流體的壓差勢(shì)能(動(dòng)壓)。

在理想流體的情況下，任一截面上流體的動(dòng)壓，靜壓與動(dòng)力勢(shì)能的和保持不變[5]。在液路實(shí)際情況中，由于液路的高度變化較小(60 mm)，流體的重力勢(shì)能可以忽略不計(jì)。

由于微孔濾膜的存在，多孔介質(zhì)對(duì)流體有了阻力粘滯作用，從而使微孔濾膜上下表面呈現(xiàn)不同的壓差，當(dāng)壓差過大時(shí)，可能導(dǎo)致特異細(xì)胞變形過大從而通過微孔濾膜；當(dāng)壓差過小時(shí)，白細(xì)胞變形較小，容易造成細(xì)胞在微孔濾膜上重疊，不利于后期的染色及辨認(rèn)。

將液路導(dǎo)入Fluent軟件中，以孔隙率為7 %作為條件，流速120～300 mL/min之間以20 mL/min作為梯度的流速作為邊界條件，以成年男子血液為流體，其中，密度ρ=1.05×103 kg/m3，粘度η=3.0×10}Pa·s。對(duì)微孔濾膜處的壓力情況以及壓力傳感器處的壓力做仿真，結(jié)果如圖2(部分仿真圖)、圖3所示。

圖2 不同流速下微孔濾膜處仿真分析(部分仿真圖)

圖3 不同流量對(duì)微孔濾膜壓力的影響(穿孔率7%)

如圖3所示，流量增大，微孔濾膜上下兩面的壓差不斷增大，在3 00mL/min時(shí)，上下表面的壓差達(dá)到最大值6 462 kPa，然而由于組成微孔濾膜的材質(zhì)C型Parylene的楊氏模量較大[6](可達(dá)3.2 GPa)，該壓差不會(huì)引起微孔濾膜較大的形變。當(dāng)微孔濾膜上下表面壓差增大時(shí)，正常血細(xì)胞受力更大，變形更大，更容易通過微孔濾膜，而特異細(xì)胞由于其彈性模量較大，在大流量、大壓差條件下依舊難以通過微孔濾膜。按照仿真結(jié)果，應(yīng)當(dāng)盡量采用大流量，考慮安全系數(shù)，三通處?kù)o壓應(yīng)在93 kPa左右合適，對(duì)應(yīng)的流量應(yīng)在270 mL/min左右合適。

然而，300 mL/min以上的流速并不會(huì)使微孔濾膜上下表面壓差增大過多，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室條件下，微孔濾膜多破裂，且在120～300 mL/min之間的流量，也會(huì)出現(xiàn)濾膜破裂的情況。分析其原因，在仿真過程中，孔隙率值一定，但在實(shí)際過程中隨著過濾過程的進(jìn)行，不斷地有濾孔被血液中成分堵塞，甚至出現(xiàn)濾孔被全部堵死的情況。因此，孔隙率并不是一個(gè)定值，而是一個(gè)不斷降低的變量。在300 mL/min流速條件下，通過Fluent仿真，孔隙率對(duì)微孔濾膜的影響如圖4、圖5所示。

圖4 不同孔隙率對(duì)微孔濾膜壓力的影響

從圖5中可以看出，隨著孔隙率的降低，濾膜壓差快速增大，考慮濾膜堵死的情況，所以更加需要依據(jù)壓力傳感器處的值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流速，從而使三通靜壓穩(wěn)定在93 kPa附近。

圖5 不同孔隙率對(duì)微孔濾膜壓力的影響(流量300mL/min)

2 控制方案

在流體流動(dòng)過程中，其孔隙率完全不可測(cè)，是一個(gè)“黑箱”系統(tǒng)，整個(gè)流道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以搭建。模糊控制器的設(shè)計(jì)依賴于設(shè)計(jì)者的操作經(jīng)驗(yàn)以及模糊規(guī)則[7,8]，不需要傳統(tǒng)的控制方法需要系統(tǒng)的特征參數(shù)。模糊控制沒有像比例—積分—微分(proportion integration differentiation,PID)控制的那種積分環(huán)節(jié)，所以,純模糊控制經(jīng)常伴有穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)于本系統(tǒng)，目標(biāo)壓力值可以有較大的浮動(dòng)空間(±2.5 kPa)，可以容忍較大的穩(wěn)態(tài)誤差，且單片機(jī)不適合做大量的微分運(yùn)算，因此一維模糊控制適合本系統(tǒng)。利用模糊控制思想，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵速度，使壓力傳感器壓力穩(wěn)定在93 kPa附近的目的。

蠕動(dòng)泵速度驅(qū)動(dòng)由STM32F103芯片的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter,DAC)通道輸出，壓力傳感器的讀取由STM32F103的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)通道讀取，由于STM32F103的ADC與DAC允許范圍為0～3.3 V，而壓力傳感器返回的信號(hào)范圍為0～5 V(5 V代表101 kPa),蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)壓力范圍為0～5 V。故需要利用相應(yīng)的運(yùn)算放大電路完成電平的轉(zhuǎn)換[9]，如圖6。

圖6 電平轉(zhuǎn)換電路

如圖6(a)的轉(zhuǎn)換電路，DAC通道輸出電壓經(jīng)過運(yùn)放電路輸出到蠕動(dòng)泵端。利用運(yùn)算放大器“虛短”原理，3號(hào)管腳電壓等于2號(hào)管腳電壓，也等于A點(diǎn)電壓，而1號(hào)管腳(A點(diǎn))電源地形成一個(gè)串聯(lián)電路，R84=R82，故1號(hào)管腳電壓等于2倍A點(diǎn)電壓，即V1=2V3=2VDAC,因此，可將DAC輸出的0～2.5 V轉(zhuǎn)換為0～5 V，DAC輸出2.5 V電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出為(2.5/3.3)×4 096≈3 103。

如圖6(b)的電平轉(zhuǎn)換電路，傳感器輸出的電壓先通過R92，R150組成的分壓電路，故5號(hào)管腳的電壓為

(1)

式中Vin為壓力傳感器輸出電壓，6號(hào)管腳電壓等于5號(hào)管腳電壓，也等于圖中B點(diǎn)電壓，而管腳7(B點(diǎn))電源地形成一個(gè)串聯(lián)分壓電路，7號(hào)管腳，即ADC端電壓為

(2)

根據(jù)壓力傳感器輸出電壓與絕對(duì)壓強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Vin=VS(P×0.009-0.095)

(3)

式中Vs為標(biāo)準(zhǔn)供電電壓5 V，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路，在圖6(b)中ADC端的電壓與絕對(duì)壓強(qiáng)的關(guān)系式為

=3.3×(P×0.009-0.095)

(4)

對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為

ADC=VADC×4 096/3.3=4 096×(P×0.009-0.095)

(5)

以ADC值3 039(對(duì)應(yīng)傳感器輸入電壓為3.71 V，實(shí)際壓強(qiáng)為93 kPa)為基準(zhǔn)，以ADC值相對(duì)于基準(zhǔn)的偏差e為輸入。以DAC值2110(對(duì)應(yīng)經(jīng)過2倍電壓放大電路之后的控制電壓3.4 V)為初始值，以DAC的矯正值作為輸出，模糊控制規(guī)則如表1。

表1 模糊控制規(guī)則

在STM32F103芯片中將ADC采樣值通過串口以5 Hz頻率打印，并將ADC采樣值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)壓力值，得到圖7曲線。

圖7 壓強(qiáng)變化曲線

壓力初始狀態(tài)為大氣壓，蠕動(dòng)泵開始工作后，壓力傳感器值迅速降低，進(jìn)入模糊控制邏輯區(qū)后，通過模糊控制規(guī)則，可以使壓力值穩(wěn)定在93±2.5 kPa范圍內(nèi)，當(dāng)試劑柱中的液體已經(jīng)抽空后，壓力傳感器測(cè)到的是大氣壓力，并保持不變，按照控制規(guī)則，壓差一直處于PB邏輯區(qū)內(nèi)，因此，電機(jī)的控制電壓會(huì)不斷增大，可通過檢測(cè)DAC輸出電壓，當(dāng)超過2.5 V時(shí)自動(dòng)關(guān)閉蠕動(dòng)泵，從而達(dá)到液體抽取完畢自動(dòng)停止的功能。

在微孔濾膜完全堵死的情況下，只要蠕動(dòng)泵速度大于零，壓力傳感器測(cè)到的壓力就會(huì)下降，根據(jù)模糊控制規(guī)則，DAC控制電壓會(huì)迅速降低，直到DAC輸出數(shù)字量為0，此時(shí)可通過檢測(cè)DAC輸出值，設(shè)定當(dāng)?shù)陀?00時(shí)，即可認(rèn)為微孔濾膜發(fā)生了堵塞，此時(shí)利用STM32芯片控制蠕動(dòng)泵停轉(zhuǎn)并通過上位機(jī)向操作者發(fā)出堵塞警告。

將模糊控制規(guī)則以查表的方式嵌入到STM32F103微控制器中，總的控制流程如圖8。

圖8 控制流程框圖

3 結(jié) 論

利用STM32F103微控制器以及相配套的電平轉(zhuǎn)換電路做測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：控制策略可以使微孔濾膜受力穩(wěn)定在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)，并且利用模糊規(guī)則可以在蠕動(dòng)泵抽取過程中得知膜堵死的情況以方便后續(xù)處理。