基于IMX8MM全自动多通道荧光免疫分析仪系统设计.pdf

研制开发35现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9 卷第4期基于IMX8MM全自动多通道荧光免疫分析仪系统设计韦士飞石瑞孟鑫邢丹（广西埃韦迪生物科技有限公司，南宁530 0 0 1）【摘要】全自动荧光免疫分析仪是基于荧光免疫层析检测技术进行设计开发的主要设备，具有方便、高效、检测范围广、自动化程度高和无污染等优点，在POTC领域中已受到了极大的关注，同时在疫情防控、农药残留和环境监测方面也具有广阔的应用前景。本文基于IMX8MM处理器与嵌入式Linux系统，根据荧光免疫技术原理设计一种小型化、低成本、高效的全自动多通道荧光免疫分析仪，通过机械运动控制、光电信号采集与信息处理实现荧光免疫层析测试条定量检测。实验测试数据表明：本仪器的测试通道间偏差 2%、重复性误差 1%、加样正确度变异系数 5%（5L）、线性拟合度R0.9989，检测稳定性CV值 5%，具有较高的准确性和良好的重复性，技术指标符合医疗设备国标要求。【关键词】IMX8MM处理器；嵌入式系统；荧光免疫分析；全自动；多通道【中图分类号】TP29;TH776;R38.6【文献标志码】AA【D O I 10.11876/mimt202304007Design of a fully automatic multi-channel fluorescence immunoassayanalyzer systembased on IMX8MMWei Shifei,Shi Rui,Meng Xin,Xing Dan(Guangxi IVD Biotechnology Co.,Ltd.,Nanning 530001,China)Abstract The fully automatic fluorescence immunoassay analyzer is the main equipment designed and developed based onfluorescence immunoassay detection technology.It has the advantages of convenience,efficiency,wide detection range,high degree ofautomation,and no pollution.It has received great attention in the field of POTC,and has broad application prospects in epidemicprevention and control,pesticide residue,and environmental monitoring.This article was based on the IMx8MM processor and embeddedLinuxsystem and designs a miniaturized,low-cost,and efficient fully automatic multi-channel fluorescence immunoassay analyzerbased on the principles of fluorescence immunoassay technology.It achieved quantitative detection of fluorescence immunoassay teststrips through mechanical motion control,photoelectric signal acquisition,and information processing.The experimental test datashowed that the deviation between test channels of this system was less than 2%,the repeatability error was less than 1%,the coefficientof variation of sampling accuracy was less than 5%(5L),the linear fitting R was 0.9989,and the detection stability CV value wasless than 5%.It had high accuracy and good repeatability,and the technical indicators met the requirements of the medical equipmentnational standard.【K e y w o r d s IMX8MM processor;Embedded system;Fluorescence immunoassay;Fully automatic;Multichannel近年来，随着现代科学技术的发展及社会生活节奏的愈发快速高效，及我国人口基数庞大、对突发公共卫生事件监测体系不够完善等因素，人们对病情诊断的及时性、检测结果的准确性及检测方式的方便快捷性提出了更高的要求1,2 ，在临床检验领域出现了新的检验技术现场快速检验（Point-一of-care Testing,POCT)技术3。而随着免疫层析技术、胶体金技术及色谱法的快速发展为POTC的发展开创了全新的局面，检测仪器也由传统模式向小型化、低成本、家庭化的发展方向4。荧光免疫层析技术检测方法具有快速高效、灵敏度高和重复性好等特点，已成为生物医学等相关领域的未来发展趋势5本文以IMX8MM处理器和嵌人式Linux系统为核心，基于荧光免疫技术原理与设计一款全自动多通道荧光免疫分析仪，在确保检测结果的准确高效第一作者：韦士飞，男，本科，工程师，研究方向：工业电气自动化及嵌入式系统控制，E-mail：w 412 2 50 2 17 s i n a.c o m36Modern Instruments&MedicalVol.29No.4的基础上，实现低成本、小型化、低功耗、高效率目标6 ,以改善传统检测方式效率不高、灵敏度低的问题，满足国内各级医疗单位用户对突发卫生疾病的现场快速诊断。1系统框架设计1.1机械结构设计全自动多通道荧光免疫分析仪机械部分由扫描检测结构、试剂卡插卡结构、样本放置结构、样本稀释结构、样本取样结构、荧光检测结构、3轴导轨结构及采样针清洗系统组成，机械结构设计框图如图1所示。其中扫描检测结构用于扫描试剂卡条形码信息，根据条形码信息自动选择测试样本；试剂卡插卡结构用于放置待检测的试剂卡，在结构末端放置检测开关，用于检测试剂卡是否插人7 ；样本放置结构用于放置待检测样本；样本稀释结构放置样本稀释板和稀释液，样本按特定比例与稀释液进行充分混合稀释后添加到试剂卡进行检测；样本取样结构由样本采样针、柱塞泵、清洗泵及配套管路组成，实现样本取样、吸取稀释液、样本混匀、试剂加样及样本液液面检测功能；荧光检测结构用于采集试剂卡荧光信号3轴导轨结构控制采样针运动，以实现样本取样、吸取稀释液、样本混均、加样、采样针清洗及试剂卡荧光信号采集功能4；液体处理系统主要是对采样针和管路进行深度清洗，确保采样针和管路清洁以防止污染8 样本取样结构3轴导轨结构样本稀释结构荧光检测结构加样针清洗系统扫描检测结构样本放置结构试剂卡插卡结构图1机械结构设计框图1.2控制电路设计控制电路包含主控中心系统、传动控制模块和光电采集模块3大组成模块，主控中心系统与传动控制系统的数据通信采用RS485总线实现，传动控制系统通过12 C与光电采集模块进行数据通讯9控制电路总体设计框图如图2 所示。一主控中一DC电源模块显示屏连接外置USB设备云服务器心系统1LVDSUSBEthernetIMX8MM核心控制系统1TUART2UART3TUARTI1ID卡RS485通讯打印机RS485通讯J光电采集模块RS485通讯传动控制系统光路光源光源驱动TCUART1IC定时器试剂卡STM32主控系统伺服电机控制川1光路信号处理个GPIOTUART3光电传感器插卡检测液面探测扫描仪图2控制电路总体设计框图2硬件系统设计2.1主控中心系统主控中心系统采用嵌入式系统框架，以IMX8MM核心板为中心，集成DC-DC电源转换、10.1寸触摸显示屏、RS485总线、USB接口和打印机接口等。IMX8MM核心板基于NXP四核Cortex-A53指令集的i.MX8MMini系列处理器，运行频率1.8 GHz，2GDDR4内存，8 GEMMC存储，搭载嵌人式Linux系统,具备强大的数据处理能力和系统实时性。主控中心系统负责测试流程控制、数据处理、结果计算、数据存储、系统参数设置、数据上传云服务器与界面显示等功能10 。主控系统电路框图如图3所示。37现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9 卷第4期DC电源模块显示屏连接外置USB设备云服务器TLVDSUSBEthernetIMX8MM核心控制系统TUART2LUART3TCUARTIID卡RS485通讯打印机RS485通讯图3主控系统电路框图2.2光电采集模块光电采集模块完成试剂卡检测区域内荧光物质被激发出的荧光信号采集。模块主要由驱动电路、紫外光源、聚光透镜、二色分光镜、光阑、滤光片和光电传感器组成。模块驱动电路和光路结构示意图分别如图4和图5所示。光电采集模块光路光源光源驱动12试剂卡光路信号处理光电传感器图4光电采集模块电路框图光电传感器、光阑滤光片聚光透镜聚光透镜滤光片紫外光源二色分光镜试剂卡T-C图5光电采集模块光路示意图2.3传动控制系统传动控制系统主要由伺服电机控制、插卡检测、液面探测和条码扫描器共4个子模块组成，伺服电机控制模块控制采样针进行3轴运动并实现样本的取样、混合、加样和采样针清洗功能；插卡检测用于检测试剂卡槽位置是否有卡插；液面探测用于检测样本及稀释液是否充足；条码扫描器用于扫描试剂卡上的条码信息，并系统根据条码信息选择相应的项目参数进行自动测试。传动控制模块电路设计如图6 所示2.4采样针清洗系统采样针清洗系统主要功能是清洗采样针内外壁并将清洗后的废液排出，由清洗液水路系统和清洗池构成，分别如图7 和图8 所示。传动控制系统控制大功率洗液泵抽取生化清洗液，以强大压力从采样针喷出，快速冲刷采样针内壁。同时在清洗池进水槽中形成漩涡，以达到同时清洗采样针内外壁的作用，避免残留和交叉污染 。清洗产生的废液由导流槽注人出水槽，在出水口由废液泵排出，RS485通讯CUART1定时器STM32主控系统伺服电机控制个GPIOCUART3插卡检测液面探测扫描仪图6传动控制电路框图柱塞泵洗液泵采洗液瓶电磁网废液泵废液瓶清洗池图7采样针清洗液水路示意图废液导流槽采样针废液出水槽清洗液进水槽废液出水口水流方向图8清洗池结构示意图38Modern Instruments&Medical Treatm2023,Vol.29No.43软件系统设计3.1主控系统程序设计系统上电后，主控制器进行软硬件系统初始化并复位所有电机，然后等待用户试剂卡插卡信号。检测到试剂卡插卡信号后，条形码扫描器读取试剂卡的ID信息，根据读取到的信息在数据库中查找对应的项目，按查询到的项目信息参数控制采样针实现样本取样、吸取稀释液、样本混均、加样、采样针清洗等操作，待样品孵育完成后控制采集模块读取试剂卡荧光信号，计算样品T/C值并输出计算结果。主控系统控制流程如图9所示。开始将采样针运动到相应启动孵育倒计时系统初始化的样本采样试管位所有电机复位否样本取样孵育完成查询插卡状态工是支否吸取稀释液将采集模块运动到相有卡插入文应的试剂卡位置工是样本混匀扫描试剂卡条形码立采集荧光信号将混匀后的样本液加注到试剂卡加样孔中根据条码查询项目信息计算测试样本T/C值支清洗采样针否是查询到项目结束图9主控系统控制流程3.2数据采集荧光数据采集功能通过控制采集模块匀速扫描试剂卡检测区域，按固定间距对检测区域进行荧光信号采样，将采集到的一系列采集点位的荧光信号生成数据曲线并上传到主控系统，由主控系统对数荧光信号曲线进行数据处理。数据采集流程如图10 所示。福开始采集模块运动到试剂卡起始点位置开始读取荧光信号采集模块运动到试剂卡下一采集点位置否信号读取完成工是荧光信号曲线数据处理结束图10数据采集流程3.3数据处理在进行样品荧光数据采集时，采样模块发射出激发光，激发光经光路聚焦后照射到试剂卡上，试剂卡上样品受到激发后发射出荧光，经分光镜后分离后被模块收集。本仪器对试剂卡采样50 0 个数据点，绘制成的波形如图11所示，横坐标为采样点序号，纵坐标为荧光采样信号值。对于两线试剂卡会形成测试线（T线）和控制线（C线）两个波峰，计算T线和C线的比值T/C即可得到无量刚的特征值12 。根据计算出的T/C值，代人拟合算法即可计算得出被测样品的浓度。20000T峰C峰1750015000125001000075005000250000100200300400500采样点序号图11试剂卡荧光采样曲线波形3.4稳定性测试在仪器使用前按照国家药品监督管理局于2021年9月发布的医药行业标准YY/T17922 0 2 1荧光免疫层析分析仪131的内容要求，对该仪器的通道一致性、稳定性、线性和准确度进行性能验证，39现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9卷第4期并以此来验证仪器性能是否达到预期要求14，相关性能要求标准：（1)通道一致性：各通道测量结果相对极差（R)应不大于5%。（2）稳定性：在荧光强度比值（T/C）高、中、低的三种质控条测试变异系数（CV)应不大于5%。（3）线性：线性相关系数（R）应不低于0.990。本仪器取一套标准试剂卡进行通道一致性和稳定测试，其浓度标准值分别为2 0 0 mg/L、10 0 mg/L、50mg/L、2 5m g/L、10 m g/L、5m g/L，分别编号16115。每张标准试剂条在同一通道内重复测试10次,得到T/C特征值并计算平均值、标准差和CV值，通道一致性和稳定数据如表1所示。表1通道一致性和稳定结果T/C特征值次数卡号1卡号2卡号3卡号4卡号5卡号6第1次19.19419.55424.28561.99321.02580.3107第2 次19.089.56554.27731.98911.02480.3102第3次18.85359.59944.25191.99481.02870.3115第4次18.75929.65264.24022.00091.03080.3127第5次19.12169.46754.27921.96931.02670.3101第6 次18.8589.57984.25421.98791.02890.3115第7 次18.81039.63534.24442.00411.02940.3126第8 次18.95889.59064.27461.99091.03090.311第9次18.68859.74824.242.0151.0340.3145第10 次18.88029.75084.26092.02231.03720.3154平均值(T/C)18.92049.61444.26081.99681.02970.3120标准差(SD)0.16470.08690.01720.01490.00380.0018变异系数(CV,%)0.87%0.90%0.40%0.75%0.37%0.57%企标要求一CV()5%5%5%5%5%5%企标：PASS/FALL/NAPASSPASSPASSPASSPASSPASS多通道测试是本仪器的特点之一，各测试通道间的测试数据偏差也是一项重要的仪器性能指标。本仪器取2 张标准试剂卡进行通道间偏差测试，4号卡和5号卡在本仪器10 个通道的测试数据如表2所示。表1和表2 中的数据可得出结论，16 号标准试剂卡的测试数据的CV值均 1%，设备通道间偏差 2%，检测稳定性CV值 5%，符合相关仪器设备的国标要求。分别用本仪器与其他某品牌仪器检测T/C特征值并进行线性度对比分析，检测结果如表3所示，根据表中的数据线性拟合分析可得到如图12 所示的拟合曲线。从图中可得本仪器设备拟合度R=0.9989,对照设备拟合度R=0.9983。本仪器线性拟合度略高于对照仪器，符合相关仪器设备的国标要求。表2通道间偏差测试结果T/C特征值通道卡号4卡号512.0991.110922.09241.044132.04431.083442.02231.075252.01971.103862.00911.069672.07161.086582.04961.072392.07391.1083102.12151.0658平均值(T/C)2.06031.0820标准差(SD)0.03750.0211变异系数(CV,%)1.82%1.95%企标要求一CV()2%2%企标：PASS/FALL/NAPASSPASS40ModernInstruments&Medical Treatm3.Vol.29No.4表3线性度测试结果浓度本仪器T/C对照仪器T/C卡号(mg/L)平均值平均值120018.920418.4321009.61449.6453504.26084.2034251.99672.0175101.02971.031650.31200.315820y=0.0958x-0.2019R2=0.9989y=0.0934x-0.131615R2=0.998310本设备对照设备5线性（本设备）线性(对照设备)0050100150200250图12线性度对比分析本仪器用纯化水进行加样正确度与重复性测试，分别吸取8 0 L和5L纯化水，重复测试10 次，测试结果如表4所示，表4加样正确度测试结果加样量(L)次数805第1次80.85.1第2 次80.14.9第3次80.55.4第4次80.95.6第5次81.75.3第6 次80.95.3第7 次80.74.9第8 次81.75第9次81.65.3第10 次81.35.4平均值(uL)81.05.2标准差(SD)0.54120.2348变异系数(CV,%)0.67%4.50%企标要求一CV(）3%5%企标：PASS/FALL/NAPASSPASS测试数据表明，移液体积 50 L，加样正确度变异系数 5%;移液体积50 L,加样正确度变异系数 3%，符合相关仪器设备的国标要求。4丝结语本文基于IMX8MM处理器和嵌人式Linux系统，根据荧光免疫技术原理设计一种小型化、低成本、高效的全自动多通道荧光免疫分析仪，并对仪器的机械结构、硬件系统和软件系统进行详细分析介绍。从仪器通道一致性、稳定性、线性度和加样正确度与重复性等方面进行测试分析。实验测试数据表明：本仪器的测试通道间偏差 2%、重复性误差 1%、加样正确度变异系数 5%（5L）、线性拟合度R0.9989,检测稳定性CV值 5%，具有较高的准确性和良好的重复性，技术指标符合医疗设备国标要求。与此同时，本仪器采用嵌人式处理器与Linux系统进行设计，相对于传统PC处理器平台具有成本低、功耗低、稳定性强和自动化程度高的特点，可极大地提高仪器产品在市场的竞争力和可靠性，并可显著降低样本检测的人力需求、减少人工测量误差，显著提升检测速度，在有限的时间条件下增加单位时间内的样本检测能力。参考文献1李颖.干式荧光免疫分析装置的研究与开发【D.武汉：武汉纺织大学，2 0 2 1.2李萍萍，杨阳华，玉涛.我国体外诊断产业现状及发展建议J】检验医学与临床，2 0 19,16（12）：17 8 3-17 8 6.3 时冉.全自动POCT型生化免疫一体机关键技术研究与系统开发D.深圳：深圳大学，2 0 2 0.4马长望.全自动POCT型化学发光免疫分析仪关键技术研究和系统开发D.深圳：深圳大学，2 0 2 0.5宋健.荧光免疫分析仪的分析与设计D.天津：天津理工大学，2 0 19.6谢梦圆，张军，谷稳，等.便携式定量荧光免疫分析仪J.仪表技术与传感器，2 0 14,51（12）：2 5-2 8.7 余元骏，赵荻，周利茗，等.一种多通道荧光免疫分析仪的设计J.中国药业,2 0 2 1,30（12）：44-47.8唐赛.小型化学发光免疫分析仪运动系统的设计与开发D.长春：长春理工大学，2 0 2 2.9周楠.全自动荧光定量免疫层析分析仪的研制和实验验证D.广州：华南理工大学，2 0 18.10刘艳萍，黄丽英，王嘉豪.一种多通道可扩展式荧光免疫分析系统的设计J.电子技术与软件工程,2 0 2 1,10（2 3）：6 8-7 0.11张晓亮.小型全自动化学发光免疫分析仪关键技术研究D.合肥：中国科学技术大学，2 0 19.12王水兵，李颖.基于STM32的干式荧光免疫分析仪工程设计J.西部皮革，2 0 19,41（2 3）：96+110.13国家药品监督管理局.荧光免疫层析分析仪：YY/T1792-2021S.2021.14苏勇，陆奎英，王永斌，等.VITROS5600型全自动生化免疫分析仪检测性能验证J.中国医学装备，2 0 2 3,2 0（6）：38-42.15王改先，刘洁.荧光免疫层析分析仪的性能验证和计量需求J.计量与测试技术，2 0 2 2，49（3）：43-45.