"Academic Paper" FPGA tabanlı immünokromatografik sinyal veri toplama sistemi
Özet:
FPGA kontrolüne dayalı bir immün kromatografi sinyal veri toplama sistemi önerilmiştir Sistem, immün kromatografi analog sinyal toplama modülü, FPGA dijital kontrol modülü ve ana bilgisayar işleme modülünden oluşur. FPGA dijital kontrol modülü, A / D sürücü, motor sürücüsü ve veri aktarım modülünden oluşur.Ana iş akışı, motor dönerken TM7705 senkronize örneklemeyi kontrol etmek ve örneklenen verileri RAM'de tamponlamaktır. Sistem test şeridi saptama kontrolünü gerçekleştirebilir.Saptama sonucu doğrusallığın R2 = 0.998, duyarlılığın 0.0277 mL / g, minimum saptama konsantrasyonunun 1.95 g / mL ve tekrarlanabilirliğin% 5'ten az olduğunu gösterir. Sistemin yüksek algılama hassasiyeti, kararlı tutarlılığı ve iyi uygulanabilirliği ve ölçeklenebilirliği vardır.
Çince alıntı biçimi: Li Guoqing, Wei Jianchong, Wang Zhijiong, vb. FPGA'ya dayalı immünokromatografik sinyal veri toplama sistemi. Application of Electronic Technology, 2017, 43 (7): 88-91, 95.
İngilizce alıntı biçimi: Li Guoqing, Wei Jianchong, Wang Zhijiong, ve diğerleri FPGA'ya dayalı immünokromatografik sinyal için veri toplama sistemi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (7): 88-91, 95.
0 Önsöz
İmmünokromatografik tespit teknolojisi, spesifik immün bağlanma, afinite kromatografi reaksiyonu ve diğer tespit yöntemlerini entegre eder.Yüksek hassasiyet, güçlü spesifiklik, hızlı ölçüm, basit çalıştırma ve yerinde tespit özelliklerine sahiptir, bu nedenle gıda güvenliği testlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. , Klinik testler ve diğer alanlar.
Şu anda, fotoelektrik immünokromatografik tespit sistemleri üzerine yurtiçi ve yurtdışında, algılama hassasiyeti ve tespit aralığında büyük avantajlara ve esnekliğe sahip birçok araştırma bulunmaktadır. Örneğin, literatürdeki floresan immünokromatografik kantitatif tespit sistemi, edinim devresi 12-bit A / D PIC tek çipli mikrobilgisayar kullanır ve ana kontrol devresi, step motor, A / D ve ekran fonksiyonlarını kontrol etmek için çekirdek olarak 8051F020 tek çipli mikro bilgisayarı kullanır. Literatür, çekirdek olarak MSP430F1611 mikroişlemciye sahip, dahili 12-bit A / D, esas olarak step motoru, RS232 seri port iletimini ve diğer sürücüleri kontrol eden, taşınabilir bir floresan immunoassay kantitatif analiz cihazı tasarladı. Ancak aşağıdaki sorunlar vardır: sistem yapısı karmaşıktır ve birden fazla işlemcinin birlikte çalışmasını gerektirir, bu da sistem tasarımı ve testinin zorluğunu artırır; mevcut immünokromatografik algılama sistemi, sistem kontrolünü sağlamak için mevcut işlemciyi kullanır ve işlevleri özelleştiremez ve donanım modüllerini kullanıcı ihtiyaçlarına göre yükseltemez. . Cihaz işlevlerinin sürekli iyileştirilmesiyle, sistem kablosuz iletim, QR kod tarama tabancası, örnek kontrol tabancası ve diğer işlevleri eklemeye ihtiyaç duyduğunda, pim işlevlerini yeniden yapılandırmak, çevresel devreleri tasarlamak ve hatta sistem yükseltmelerinin esnekliğini sınırlayan çipleri değiştirmek gerekir. Ve geliştirme döngüsünü uzatın, araştırma ve geliştirme maliyetini artırın. Bu sistem, immünokromatografik detektörün karmaşıklığını azaltabilen ve cihazın ölçeklenebilirliğini artırabilen yepyeni bir immünokromatografik sinyal toplama şemasıdır.
Bu yazıda tasarlanan fotoelektrik immünokromatografik kantitatif algılama sistemi, mekanik transmisyon, optik, veri işleme ve kontrol birimleri dahil olmak üzere temel olarak 4 modülden oluşur.Sistem sürücüsü ve mantığı, sistemin karmaşıklığını azaltan bir FPGA yongasına entegre edilmiştir. Bunların arasında, mekanik transmisyon modülü, optik modül tarafından test şeridinin tam olarak taranmasını gerçekleştirmek için test şeridini doğru bir şekilde konumlandırmak için bir kademeli motor kullanır. Aynı zamanda optik modül, test şeridi üzerinde dağıtılan optik sinyali bir elektrik sinyaline dönüştürür ve bunu veri işleme için veri işleme modülüne gönderir, böylece algılama sonucunu elde eder. Kontrol modülü temel olarak mekanik aktarım, A / D örnekleme ve veri aktarımının üç görevi arasındaki ortak çalışmayı gerçekleştirir.
1 Genel sistem tasarımı
Bu çalışmada tasarlanan floresan immünokromatografik kantitatif tespit sisteminin genel yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Sistem üç fonksiyonel modüle ayrılabilir: immünokromatografik sinyal toplama modülü, FPGA dijital kontrol modülü ve ana bilgisayar işleme modülü.
(1) İmmünokromatografik sinyal toplama modülü: Analog ön uç devresi ve çekirdek olarak TM7705 ile sinyal amplifikasyon devresi, immünokromatografik sinyallerin edinilmesi, amplifikasyonu ve ön işlemesinin gerçekleştirilmesi için kullanılır.
(2) FPGA dijital kontrol modülü: FPGA'nın hızlı ve özelleştirilebilir tasarım özelliklerini kullanarak, sistemdeki her modülün koordineli çalışmasını kontrol etmek için durum makinesi tasarım şeması benimsenmiştir. Yalnızca ilgili tasarımın değiştirilmesi gerekir, kullanıcı ihtiyaçlarını karşılamak için sistem işlevlerini hızla yükseltebilir.
(3) Üst bilgisayar modülü: dijital filtreleme ve tepe algılama işlevlerini gerçekleştirmek için bağışıklık tomografik sinyal işleme ve alt bilgisayarla iletişim mekanizması. Düğmeler sistem sıfırlama ve çalıştırma işlemlerini kontrol eder.
2 Sinyal toplama modülü
2.1 Fotoelektrik algılama modülü
Floresan immünokromatografik tespit sisteminin optik yolu Şekil 2'de gösterilmektedir. 365 nm uyarma ışığı mercek tarafından odaklanır ve ardından tamamen dikroik ayna tarafından yansıtılır ve ardından silindirik ayna tarafından dikdörtgen bir noktaya şekillendirilir. Ardından motor, test şeridini yapmak için algılama penceresini doğrusal olarak tarar. Uyarılmış floresan sinyali, bir dikroik ayna ve onu bir elektrik sinyaline dönüştürmek için bir filtre aracılığıyla fotoelektrik sensöre odaklanır.
2.2 Analog sinyal işleme modülü
Analog sinyal işleme modülü temel olarak bir analog amplifikatör devresi, bir referans voltaj üreten devre ve bir çıkarma devresinden oluşur. Optik sinyal, fotoelektrik sensör tarafından elektrik sinyaline dönüştürülür ve genliği yaklaşık nA akım sinyalidir.Bu nedenle, analog amplifikatör devresinde, zayıf akım sinyalini akıma / gerilime dönüştürmek için OPA657 tarafından tasarlanan transimpedans amplifikatörü kullanılır ve ardından OP07 işlemi Amplifikatörün ikinci aşaması, volt düzeyinde bir voltaja yükseltilir. Aynı zamanda, referans voltaj üreten devre, test şeridinin arka plan floresan sinyalinin boyutuna göre bir referans voltajı üretir ve analog yükseltilmiş voltaj sinyalindeki arka plan temel değer voltajı, çıkarma devresi tarafından çıkarılır ve son olarak elde edilen voltaj sinyali A / D dönüşüm devresine gönderilir.
2.3 ADC örnekleme devresi
ADC örnekleme devresi, TM7705 ve çevre devrelerinden oluşur. TM7705'in hassasiyeti 16 bittir, en yüksek örnekleme hızı 500 Hz'e ulaşır. Dijital kontrol modülü, çip sıfırlama, başlatma, kayıt konfigürasyonu ve AD veri okumasını gerçekleştirmek için SPI veriyolu üzerinden AD çipi ile iletişim kurar.
2.4 İletim tarama platformu
Şanzıman tarama platformu, esas olarak test bandı yuvası, kademeli motor (28BYJ-48), sürücü devre kartı ve transmisyon platformunu içeren motorlu test bandı yuvasının doğrusal hareketini gerçekleştirir. Adım motorunun sürüş voltajı 5 V'tur, dört fazlı sekiz vuruşlu modda çalışır ve motor sürücüsünü gerçekleştirmek için ULN2003 güç amplifikatörü kullanılır.
3 FPGA dijital kontrol modülü tasarımı
FPGA dijital kontrol modülü, esas olarak ADC sürücü ünitesi, motor sürücü ünitesi, seri port gönderme ünitesi ve kontrol ünitesinden oluşan kantitatif algılama sisteminin çekirdeğidir. Dijital kontrol ünitesi, sistemin çekirdek birimidir.Sistem çalışırken, motor bir vuruş için ileri döner; ADC sürücü ünitesi, immünokromatografi test şeridini SPI veriyolu üzerinden örneklemek için AD çipini kontrol eder ve verileri test şeridi algılanana kadar RAM'de saklar Tüm pencereler tarandıktan sonra, motor başlangıç konumuna geri döner ve ardından RAM'deki veriler seri bağlantı noktası üzerinden ana bilgisayara gönderilir. Kontrol ünitesinin iş akışı Şekil 3'te gösterilmektedir.
3.1 ADC sürücü ünitesi tasarımı
Ana cihaz olarak ADC sürüş ünitesi, SPI arayüzleri data_in, sclk_in ve Dout aracılığıyla bağımlı ADC çipi TM7705 ile iletişim kurar, sclk_in okuma ve yazma için senkronize bir saat sinyalidir ve data_in ve Dout, sırasıyla veri girişi ve çıkış sinyalleridir. ADC sürücü ünitesi, başlatma boyunca TM7705'in okunmasını ve yazılmasını kontrol eder. Yüksek başlatma biti 1 olduğunda, yonga başlatmayı gerçekleştirmek için yapılandırma verilerini TM7705'e yazın. DRDY, ADC veri dönüştürme tamamlandı bayrak bitidir. DRDY, TM7705 örneklemesinin tamamlandığını belirtmek için 0'dır. DRDY dönüştürme frekansı 250 Hz'ye ayarlanmıştır (DRDY, her 4 ms'de bir 0'a ayarlanır). Düşük başlangıç biti 1 ve DRDY 0 olduğunda, örneklenen veriler Dout seri portu üzerinden okunur ve çift portlu RAM'e çıkarılır. Şekil 4, TM7705 sürücüsünün şematik diyagramıdır.
3.2 Motor tahrik ünitesinin tasarımı
Şekil 5'te gösterildiği gibi, motor sürücü ünitesi, yön ve motor_driver sinyalleri boyunca dönmesi için step motoru tahrik eder. yön ileri ve geri kontrol sinyalidir, yüksek konum 1 ileri, düşük konum 1 terstir. Bunlar arasında adc_start, TM7705 dönüşümünün başlangıç sinyalidir ve addr_num, çift bağlantı noktalı RAM'in yazma adresini sağlar. Adım motoru, analogdan dijitale dönüştürmeyi başlatır ve her çalıştığında yazma adresi değerini addr_num'u günceller.
3.3 Kontrol ünitesi
Kontrol ünitesi esas olarak sistemin koordinasyonundan sorumludur Şekil 6, kontrol ünitesinin blok diyagramıdır. Kontrol ünitesi, okuma etkinleştirme sinyalini ve RAM'in adres değerini üretir ve RAM'de toplanan verileri seri port üzerinden gönderir. Ünite, sistem tarafından algılanan verilerin doğruluğunu sağlamak için sistemin başlangıç ve bitiş durumunu kontrol eder; örnekleme süresi içinde ünite, motoru bir kez çalışacak şekilde kontrol eder ve test şeritlerinin örneklemesini ve depolanmasını tamamlar. Bunların arasında fid_start, sistem çalışma etkinleştirme sinyalidir ve fid_done, bitiş sinyalini temsil eder.
4 Sistem simülasyonu ve sonuçları
4.1 Sistem simülasyonu
Zamanlama simülasyonu için Altera-Modelsim yazılımını kullanın Simülasyon diyagramını sezgisel olarak görünür kılmak için, veri aktarımı sistem örneklendikten hemen sonra gerçekleştirilir. Şekil 7, örneklemenin sonu ile sinyal iletiminin başlangıcının bir zamanlama simülasyon diyagramıdır ve TM7705'in Dout örnekleme değeri test sırasında 0xAAF0 olarak simüle edilir. Bu resim, sistem motor çalışması, A / D örnekleme ve seri port aktarımının üç görevinin koordineli çalışmasını gösterir.Motor çalışırken A / D dönüşümü gerçekleştirilir. Kel kafa algılama penceresini geçtiğinde, RAM'de depolanan algılama verileri seri bağlantı noktasından geçer. Ana bilgisayara gönderin. Dout'un genişletilmesinden, 32 SCLK saat döngüsünde Dout'un analog giriş değerinin 0xAAF0 olduğu ve okuma ve yazma verilerinin SCLK'nin yükselen kenarında olduğu ve verilerin doğru okunmasını sağlamak için 1/4 saat döngüsü geciktiği görülebilir. Son olarak, TXD tarafından alınan veriler, bu makalede simüle edilen Dout değeriyle aynı olan 0fAAF0'dır ve bu, sistem çalışmasının doğruluğunu ve uygulanabilirliğini kanıtlar.
4.2 PC test yazılımı
Alım sistemi, tespit sonuçlarını üst bilgisayara iletir Üst bilgisayar, tepe saptama, medyan yumuşatma filtreleme ve Vt / Vc hesaplama ve diğer algoritma işlemeyi içeren MFC (Microsoft Temel Sınıfları) tasarımını benimser ve ilgili algılama dalga biçimini görüntüler. Bunların arasında, medyan filtresi, taban çizgisi kaymasının etkin bir şekilde üstesinden gelebilir ve pürüzsüz filtre, periyodik sinyallerin parazitini daha iyi bastırabilir ve güç frekansı parazitini ve yüksek frekanslı gürültüyü filtreleyebilir. Şekil 8, 250 g / mL konsantrasyona sahip bir CRP (C-reaksiyon proteini) test şeridinin saptama dalga biçimini göstermektedir İki tepe, test çizgisinin tepe noktası ve saptama çizgisinin tepe noktasıdır.
4.3 Doğrusallık ve duyarlılık testi
Bu makale, test nesnesi olarak CRP test şeritlerini seçer ve 250 g / mL, 125 g / mL, 62.5 g / mL, 31.25 g / mL, 15.6 g / mL, 7.81 g / mL, 3.91 g / mL, 1.95 g / mL yapılandırır 8 farklı test şeridi konsantrasyonunda, toplama cihazı 5 kez ölçer ve ortalama değeri saptama sonucu olarak alır ve doğrusal denklem uydurma gerçekleştirir.Uygun eğri Şekil 9'da gösterilmiştir.
Doğrusal regresyon denklemi:
Burada y, test çizgisinin kalite kontrol çizgisine (Vt / Vc) oranıdır ve x, test çözeltisinin konsantrasyonudur. Doğrusal korelasyon katsayısı R2 = 0,998 ve duyarlılık 0,02711 mL / g'dir. Yukarıdaki sonuçlar, 1,95 ~ 250 g / mL konsantrasyon aralığında sistemin iyi doğrusal yanıt özelliklerine ve doğru hassasiyete sahip olduğunu göstermektedir.
4.4 Tekrarlanabilirlik ve minimum tespit konsantrasyon testi
Sistem tekrarlanabilirlik ölçümü, aynı test şeridinin dış ortamın tüm koşullarında değişmeden kısa sürede 10 kez tekrar tekrar ölçülmesi anlamına gelir ve test verilerinin değişim katsayısının (CV) 10 kez hesaplanması test sonucunu temsil eder. 250 g / mL, 31.25 g / mL, 1.95 g / mL ve 0.95 g / mL'lik dört temsili test şeridi test numuneleri olarak seçildi, 10 kez ölçüldü ve CV değeri hesaplandı Ölçüm sonuçları Tablo 1'de gösterilmektedir.
Düşük konsantrasyonda tepe değeri ölçülürken T çizgisinin tepe değeri gürültüden daha küçük olabileceğinden, 0,95 g / mL konsantrasyonlu test şeridinin Vt / Vc değişim katsayısı nispeten büyüktür ve test sonucu geçersiz olarak değerlendirilmelidir. Bu makale CV değerini seçer < % 10 ölçülen değer, tespit edilen en düşük konsantrasyon olarak alınır ve bu, bu sistemin en düşük tespit konsantrasyonunun 1,95 g / mL olduğunu gösterir. 1,95 ± 250 g / mL'lik doğrusal algılama aralığında, bu sistemin algılama verilerinin CV değeri% 5'in altındadır ve bu da iyi bir tekrarlanabilirliğe sahiptir.
5. Sonuç
Bu çalışmada ana kontrol ünitesi olarak FPGA kullanılmakta olup, FPGA konfigürasyonunun ve sahada programlanabilme avantajlarından yararlanılarak motor konumlandırmasının hassas ve sistem yapısının basitleştirilmesi için kullanılmıştır.Aynı zamanda mevcut işlemcinin sabit pinlerinin eksikliklerini giderebilir ve fonksiyon eklemeyi daha kolay hale getirebilir. Bu tasarımın FPGA kontrol ünitesi kısmı, özelleştirilmiş immünokromatografik algılama çiplerinin geliştirilmesi için tasarım fikirleri sağlayan Verilog HDL dilinde uygulanmıştır. Bu sistemin kontrol ünitesinin tamamı, G / Ç arayüzünü ve sistem işlev modüllerini esnek bir şekilde tasarlayabilen ve yalnızca özel özelleştirme ihtiyaçlarını karşılamak için gerekli işlevleri gerçekleştirmek için FPGA kodunu değiştirmesi gereken Verilog HDL donanım dilinde uygulanmıştır; tüm sistem mantığı bir FPGA tarafından gerçekleştirilir. Sistem yapısı basittir. Deneysel ölçüm, aletin tasarım gereksinimlerini karşılayan 1.95 250 g / mL'lik algılama aralığında R2 = 0.998 ve CV değerinin% 5'ten az olduğunu göstermektedir.
Referanslar
SU J, ZHOU Z, LI H, et al.İnsan koryonik gonadotropin antijeninin immünogold kromatografik test şeritleri aracılığıyla kantitatif tespiti.Analitik Yöntemler, 2014, 6 (2): 450-455.
Ren Bingqiang, Huang Lihua, Huang Huijie. İmmünokromatografik teknolojiye dayalı, zamanla çözülen floresan immünolojik test analizörü üzerine araştırma. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2009 (6): 1330-1335.
Gao Yueming, Li Tianqi, Lin Chuanyang ve diğerleri.Flüoresan immünokromatografik test şeritlerinin fotoelektrik sinyal işleme ve özellik seçimi. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2015, 29 (5): 662-668.
PYO D, YOO J. Floresan immünokromatografide yeni trendler Journal of Immunoassay and Immunochemistry, 2012, 33 (2): 203-222.
REDDY J R, KWANG J, LECHTENBERG K F, et al.Mikobakteriyum tüberküloz tanısı için bir immünokromatografik serolojik deney. Karşılaştırmalı İmmünoloji, Mikrobiyoloji ve Bulaşıcı Hastalıklar, 2002, 25 (1): 21-27.
LEE LG, NORDMAN ES, JOHNSON MD, ve diğerleri. Floresan yanal akış deneyleri için düşük maliyetli, yüksek performanslı bir sistem.Biyosensörler, 2013, 3 (4): 360-373.
LI J J, OUELLETTE A L, GIOVANGRANDI L, ve diğerleri.Yukarı dönüştürücü fosforesan etiketleri olan immünolojik testler için optik tarayıcı.Biyomedikal Mühendisliği IEEE İşlemleri, 2008, 55 (5): 1560-1571.
Xie Mengyuan, Zhang Jun, Gu Wen, vb. Taşınabilir Kantitatif Floresan İmmünoassay Analiz Cihazı, Cihaz Teknolojisi ve Sensörü, 2014 (12): 25-28.
Liu Xiang, Du Min, Li Yurong, ve diğerleri.Floresan immünokromatografik kantitatif tespit sisteminin tasarımı ve uygulaması. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2013, 27 (9): 859-866.
Li Xiaoting. Floresan immünolojik test şeritleri için kantitatif bir dedektör tasarımı ve geliştirilmesi. Hangzhou: Zhejiang Üniversitesi, 2014.
yazar bilgileri:
Li Guoqing 1, 2, Wei Jianchong 1, 2, Wang Zhijiong 3, Gao Yueming 1, 2, Wei Mengyu 2, 3, Du Min 1, 2, Pan Shaoheng 3
(1. Fizik ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Fuzhou Üniversitesi, Fuzhou, Fujian 350116; 2. Fujian Eyaleti Tıbbi Cihazlar ve Tıp Teknolojisi Önemli Laboratuvarı, Fuzhou, Fujian 350116;
3. Analog ve Karışık Sinyal Çok Büyük Ölçekli Entegre Devreler Devlet Anahtar Laboratuvarı, Makao Üniversitesi, Makao 999078)
