一種多通道可擴展式熒光免疫分析系統(tǒng)的設計

劉艷萍 黃麗英 王嘉豪

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院 廣東省廣州市 510510）

《健康中國行動（2019-2030）》提出，2030年實現(xiàn)全民健康素養(yǎng)水平大幅提升，健康生活方式基本普及，居民主要健康影響因素得到有效控制，因重大慢性病導致的過早死亡率明顯降低，人均健康預期壽命得到較大提高，居民主要健康指標水平進入高收入國家行列，健康公平基本實現(xiàn)。同時，提出分級診療，常見病多發(fā)病下沉基層醫(yī)院，縣域就診率提高到70%以上，全面提升縣級公立醫(yī)院綜合能力[1-4]。

防控重大疾病一般都涉及免疫檢測。免疫檢測有兩種檢測場景，一種是高度自動化、流水線檢測，檢測通量大，一般布局在二級、三級醫(yī)院的檢驗科或中心實驗室，檢測時間需要幾個小時或幾天時間；另一種是小型化、檢測快速、操作簡便的設備，一般應用在急診、臨床科室，還有基層醫(yī)院、社區(qū)醫(yī)院，可以幾分鐘或者十幾分鐘出結(jié)果[5-6]。

本文基于《健康中國行動（2019-2030）》提出的防控重大疾病和檢測下沉基層醫(yī)院的指導思想，設計一款多通道可擴展式熒光免疫分析系統(tǒng)，搭配層析試劑卡進行免疫檢測，可根據(jù)不同檢測機構(gòu)的樣本數(shù)量，進行檢測通道的靈活配置，操作簡單，檢測速度快，一般項目可以在15min內(nèi)出結(jié)果。

1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)包括一個主機和多個從機，主機和從機采用級聯(lián)的方式依次通訊連接，如圖 1所示。

圖1：系統(tǒng)連接圖

主機和從機均包括主控模塊、電源模塊、采集模塊以及傳動模塊。主控模塊分別與電源模塊、采集模塊和傳動模塊相連，如圖 2和圖 3所示。每臺機的前殼面板上并排地開設有6個用于放置試劑條的檢測通道，傳動模塊用于驅(qū)動采集模塊移動至各檢測通道的上方，然后使用采集模塊分別對各檢測通道內(nèi)的試劑條進行數(shù)據(jù)采集。

圖2：主機系統(tǒng)框圖

圖3：從機系統(tǒng)框圖

除了檢測功能，主機還負責人機交互，具有觸摸顯示屏、熱敏打印機、Wi-Fi模塊、Code卡接口等模塊。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

在本系統(tǒng)中，主機的主控模塊由核心板IMAX6和控制板STM32F103組成，核心板和控制板通過串口連接。

核心板IMAX6是NXP Cortex-A9四核IMAX6Q處理器，1GHz主頻，1G DDR內(nèi)存，8G EMMC存儲，運行Linux+Qt5.12系統(tǒng)。核心板主要負責界面顯示、測試流程、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果計算、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡傳輸和系統(tǒng)設置等功能。

主機的控制板STM32F103通過串口與核心板進行數(shù)據(jù)交互，完成傳動控制、采集數(shù)據(jù)等。

從機的控制板STM32F103與主機的控制板有相同的功能，不同的是通過CAN總線與核心板進行數(shù)據(jù)交互。

2.2 傳動模塊

傳動模塊負責驅(qū)動采集模塊在檢測通道間橫向移動和檢測通道內(nèi)縱向采集。傳動模塊的橫向和縱向移動均使用步進電機。

步進電機驅(qū)動芯片選用德國Trinamic公司的TMC5160驅(qū)動芯片。TMC5160 包含驅(qū)動電機所需的全部功能，可配置為位置模式或速度模式，支持 TRINAMICs 獨有的stallGuard2，coolStep，dcStep， spreadCycle 和 stealthChop 功能，優(yōu)化了驅(qū)動器性能，平衡了速度和電機扭矩，優(yōu)化能源效率、驅(qū)動平穩(wěn)且無噪音[7-8]。

TMC5130提供三種工作模式：全功能運動控制和驅(qū)動器、脈沖和方向驅(qū)動器、簡單的步進和方向驅(qū)動器。本系統(tǒng)使用全功能運動控制和驅(qū)動器模式，所有步進電機邏輯完全在 TMC5160 內(nèi)實現(xiàn)，不需要軟件算法來控制電機，只需提供目標速度和目標位置。

2.3 采集模塊

采集模塊由激發(fā)模塊和發(fā)射模塊組成。激發(fā)模塊的激發(fā)光中心波長為365nm，采用韓國首爾半導體公司的單色LED，恒定電流驅(qū)動，發(fā)光角度為55°。

圖4：電機驅(qū)動電路圖

發(fā)射光中心波長為610nm，光電探測器為日本濱松公司的光電二極管S1337，感光面積10×10mm，靈敏度0.62A/W，暗電流最大值200pA，光譜響應曲線如圖5所示。

圖5：光電二極管光譜響應曲線

3 軟件設計

3.1 聯(lián)機流程

根據(jù)檢測樣本數(shù)量的多少，本系統(tǒng)可配置為單主機、主機+1從機、主機+2從機和主機+3從機等四種模式。因此，在使用本系統(tǒng)之前需要進行聯(lián)機處理，檢測參與聯(lián)機的從機數(shù)量，聯(lián)機流程如圖 6所示。聯(lián)機只需要執(zhí)行一次，如果從機數(shù)量發(fā)生改變，則需要再次執(zhí)行聯(lián)機處理。

圖6：聯(lián)機流程

在從機主面板上有一個LED數(shù)碼管顯示從機編號，從機編號范圍為#1～#3。從機編號可通過前面板上的按鍵進行選擇，如果從機編號有重復，會導致聯(lián)機不成功。

3.2 測試流程

在進行樣本檢測前，需要按照測試項目的要求處理樣本，并把處理好后的樣本添加到試劑卡上。然后，將試劑卡插入檢測通道，儀器自動檢測試劑卡插入、啟動孵育，孵育完成后，采集熒光信號、計算被測物濃度，圖 7為主機測試流程。

圖7：主機測試流程

只有主機有顯示屏和核心板，從機的檢測流程、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示和存儲，均由主機來完成。圖 8為從機測試流程。

圖8：從機測試流程

3.3 數(shù)據(jù)處理

在進行樣本檢測時，采樣模塊發(fā)射出激發(fā)光，激發(fā)光照射在試劑卡上，試劑卡發(fā)射出的熒光被采樣模塊收集。每張試劑卡采集800個數(shù)據(jù)點，繪制成波形如圖 9所示，縱坐標為AD采樣值，橫坐標為采樣點序號。

圖9：試劑卡采樣波形

在試劑卡的T線（檢測線）和C線（對照線）形成兩個波峰，將兩個波峰分別記為T和C，二者的比值T/C與被測項目的濃度具有相關性。

根據(jù)T/C計算被測項目的濃度，需要使用擬合算法。在試劑生產(chǎn)階段，將一組已知濃度的標準品添加到試劑卡上，充分反應后，使用儀器測得濃度和T/C值的對應關系，然后建立函數(shù)關系，即擬合方程。將擬合方程寫入Code卡中，隨試劑一起銷售，每批試劑的Code卡內(nèi)容一致。

在客戶端進行樣本檢測時，儀器需要從Code卡中讀取擬合方程，然后將實測的T/C值代入擬合方程，求得被測項目的濃度。

4 結(jié)束語

本項目所設計的免疫分析儀基于熒光免疫層析方法學，具有檢測原理的通用性，可擴展應用于食品安全檢測、農(nóng)藥殘留檢測、寵物檢測等領域，市場前景廣闊。