自适应流式液路控制系统优化设计研究_周皓冉.pdf

北大中文核心期刊国外电子测量技术 ：自适应流式液路控制系统优化设计研究周皓冉陈望陈洪波唐雪辉胡寒冬肖昌林苏衍昌（桂林电子科技大学生命与环境科学学院 桂林 ；桂林优利特医疗电子有限公司 桂林 ）摘要：设计并研究了一个样本流宽度自适应控制系统，实现在不同流量吸取样本时保持相对稳定的样本流宽度。为了适应不同样本流量的场景，设计了一种基于 与现场可编程逻辑门阵列（）的样本流量自适应流式液路控制系统。运用流体水力聚焦原理提出了利用鞘液流量和样本流量来估算样本流宽度的理论模型，系统根据样本流量优化调整参数，控制鞘液流量，实现样本流宽度达到预设值。样本流量从 变化至 ，样本流宽度可控且稳定，与设定的样本流宽度的控制误差不超过。仪器分辨率 ，优于 流式细胞仪行业标准，即仪器分辨率 的要求。所设计的自适应液路控制系统具有良好的稳定性和准确性，有效地提升了流式细胞分析性能。关键词：流式细胞术；鞘流；自适应控制；液路控制系统中图分类号：文献标识码：国家标准学科分类代码：（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）、国家重点研发计划（）项目资助引言液路的控制是流式细胞术的“心脏”，是所有依赖流式细胞术的医疗仪器的核心组成部分。液路系统的稳定性直接影响细胞通过流动室检测区的位置及时间，进而影响散射光及荧光信号的强度、宽度、面积等细胞物理化学特性的重要表征量。由于我国在流式细胞分析领域起步较晚，国内市场上大部分依靠流式细胞术进行分析的仪器其样本流宽度的控制精度、液流稳定性及液路系统故障率并不令人满意，且存在昂贵试剂浪费、稀有样本损耗等现象。实际应用中，用户会根据样本及试剂价格和检测项目需求改变样本流量，而不同的样本流量对样本流宽度以及居中度都有一定的影响。传统模式下，样本流量较低时样本流宽度较细，细胞在鞘液包裹中单个排列地通过检国外电子测量技术北大中文核心期刊测区。若样本流量较高时样本流宽度较宽，细胞易堆叠导致分形和计数的不准确。由于流式细胞术其应用场景多变，检测样本普适性要求高，因此一个稳定的、样本流量自适应的液路控制系统对流式分析仪器性能的提高具有非常重要的意义。面对上述问题，国内外学者做了一些研究工作。从软件上利用伯努利方程的物理学原理设计的液流控制算法，到硬件上微流控芯片实现的三维流体聚焦，均为流式细胞分析中液路系统的优化做出了一定的贡献。文献 提出了一种对液流入口的液柱施加静水压力来驱动液流的方法，通过控制液柱高度来达到精确控制静液压法的流动聚焦程度的目的，实现样本流的稳定。此方法虽然避免了传统液路系统中外界气源压力带来的周期性振荡，但是其样本流的流量调节范围具有很大的局限性，静液压驱动装置的液面高度校准困难，不适用于流式细胞分析系统的高压液路环境。文献 提出了一种基于模糊比例积分微分（，）的液流控制系统。根据气动控制元件动态模型与模糊控制器原理，构建主从闭环反馈控制系统。该系统通过控制推动鞘液和样本的压力，降低的超调量，缩短的响应时间，使得样本流控制精度和稳定性有了较好提升。但是此方法非常依赖传感器精度同时也忽略了环境温度对液体粘度的影响导致相同压力下理论流速和实际流速有偏差，降低了适用范围。文献 提出了一种流体动力聚焦微流体芯片来控制样本流宽度与稳定性。此方法具有高度集成、微体积、零交叉污染的优点，同时完成水平和垂直聚焦，是一个重大突破但因其使用次数受限且流速适用场景比较单一，同时该结构易堵，故障率高，仪器分辨率不能够满足 流式细胞仪行业标准要求，不利于市场化推广。为解决上述问题，本文运用流体水力聚焦原理提出了利用鞘液流量和样本流量来估算样本流宽度的理论模型，通过监测样本流量优化调整参数，控制鞘液流量，实现了一种样本流量自适应的流式液路控制系统。本文设计了细胞脉冲实验、样本流宽度控制实验和质控仪器分辨率（，）测试实验。系统实现了高精度高稳定性的液路控制，大大简化了鞘流控制的难度，提高仪器分辨率。液路控制系统设计一个对精度和稳定性要求高的液路控制系统，须包含具有高频数据处理能力的处理器、多个液路参数的采集反馈和便于维护的模块化设计。因现场可编程逻辑门阵列（，）其出色的实时性与并行性的特点以及 便于控制的优点，故系统采用 的架构，以 为主控中央处理器（，），作为数据处理以及算法控制的核心处理器。从而做到在鞘流形成中监测管路中流体状态准确获取鞘流参数信息，确保样本流宽度和位置的稳定。流式液路控制系统主要由液路流程控制模块、鞘流控制模块和数据采集处理模块组成。流式液路控制系统结构如图所示。液路流程控制模块用于控制电机、电磁阀和泵完成各液路流程的需求，在鞘流的控制中起到了重要作用。在该模块中 与 之间的数据交换通过可变静态存储控制器（，）通信实现。数据采集处理模块用于控制器域网（，）通信数据的转发、模数转换器（，）的信号采集和鞘流形成过程中的液路参数的处理。鞘流控制模块主要用于把流动室各入口的流量、流动室温度及罐内压力等液路参数采集到数据采集处理模块，通过本文提出的一种自适应控制机制反馈给鞘流控制模块的执行单元，实时的改变电机速度、流动室温度及电磁阀与泵的关断，保证样本流宽度和样本流位置的稳定。图流式液路控制系统结构模块与模块间的数据通信均通过 总线完成。鞘流形成的过程中数据采集模块从流动室获得三路光学信号前向散射光 、侧向散射光 及荧光数据，通过网口上传至上位机处理后得到散点图和细胞分类计数。样本流宽度控制 步进电机驱动系统样本流量由负压控制，鞘液流量通过由步进电机驱动的旋转泵控制。因此，一个噪声小、驱动脉冲不抖且运动过程平稳的驱动电路是很重要的。本文应用 芯片设计了一种 细分的电机驱动电路。细分的目的在于减小每一个脉冲的步距角，通过控制脉冲的个数来控制北大中文核心期刊国外电子测量技术电机的角位移量，从而达到精确定位的目的 。由于 采用独有的自适应快速衰减百分比（）算法，可在多种步进速度和步进电机特性范围内优化电流波形，因此这种自适应功能大大改善了电路性能。在可靠的硬件驱动的支撑下本文应用了一种新型自适应步进电机曲线控制算法，解决了不能平缓加减速、不能快速停止、丢步、加速减速过程中的加速度不同的技术问题。由于系统步进电机驱动硬件和软件的自适应性，且流体具有不可压缩性，因此线性特征好，随着电机转速的变化其样本流量呈线性趋势。查询旋转泵的产品规格书结合电机驱动 细分电路可得步进电机一个脉冲驱动将推动 液体。假设电机速度为，可得到系统中电机速度与鞘液流量对应关系为：（）样本流宽度计算鞘流流动室结构截面图如图所示。待测样本从样本口注入即灰色区域，在外部鞘液的层流“聚焦”力的挤压的作用下，经聚焦区聚焦加速后，将样本液由较宽的入口状态逐渐挤压成非常小的聚焦状态。图鞘流流动室结构截面图系统使用结构对称的圆形鞘流器，样本流从较大的内部喷嘴进入较小的聚焦单元。经过前处理样本密度和鞘液密度近似相等，因此质量守恒可转换为流量守恒。由质量守恒要求流经中心通道的流体量必须等于流经聚焦流的流体量 ，可得到入口流量与出口流量相等的结论：（）（）式中：为入口样本流量；为样本流聚焦后的出口流量；为通过断面的流体总流量；为与的总和。与为鞘液流量且本系统中鞘液入口具备良好的称性，因此与相等。出口流道为完全发展的层流，则断面内的流速分布呈抛物线分布，且中心轴线速度最大，可得到结论：（）式中：是经过聚焦中心后的样本流速；是流动室出口处流过断面的平均速度。根据流体流量的定义，可得：（）（）（）（）（）（）式中：是样本聚焦之前的样本流速；和由鞘流器内部喷嘴 大 小 确 定；是 聚 焦 后 样 本 流 宽 度。联 立 式（）（）解得为：（）将式（）的电机速度与鞘液流量的关系代入式（）中得到样本流量不变的条件下样本流宽度理论模型：（）自适应控制过程不同样本流量的自适应系统需要完成多传感器数据采集、压力控制、数据收发、旋转泵控制等多个任务。系统移植了 操作系统，以满足实时性的要求。流动室与液流驱动系统的传统控制结构如图（）所示。该系统主要运用了流速与压力服从伯努利方程的关系，在确保压力恒定的条件下可以得到恒定的样本流速和鞘液的流速。这种控制方法控制了间接变量压力而不是直接变量流量，因此在实际工作过程中样本流宽度控制精度低且不稳定。本文在此基础上做了改进，将压力控制改为流量监控，把控制鞘液的空气泵更换为精度更高稳定性更强的旋转泵，流动室与液流驱动系统的改进后控制结构如图（）所示，其中为旋转泵，、为流量计。图流动室与液流驱动系统结构示意图由式（）可知，鞘流的宽度只与样本流量和鞘液流量相关。而这两个变量都可以通过流量计得到。系统设有低速、中速和高速种上样模式，不同模式的样本流量分别为、。此时系统会根据初始化任务中默认的参数对样本流量和鞘液流量进行 调节。当样国外电子测量技术北大中文核心期刊本流量发生改变，待样本流量稳定后通过式（）计算此时样本流宽度，由于流量数据存在一定的波动，因此本文规定计算的样本流宽度在一段时间内的均值与目标宽度的绝对误差不超过，若误差过大则利用式（）控制旋转泵 修正鞘液流量，从而保证在样本流量稳定的条件下调节鞘液流量实现样本流宽度的估测和自适应控制。鞘流自适应控制流程如图所示。图鞘流自适应控制流程测试分析与结果讨论 鞘流对细胞脉冲波形的影响在利用流式细胞术进行生物学分析时，液路系统是为分析系统服务的，液路的优越性直接决定了细胞经过激光束产生的脉冲波形的各项参数。因此本实验测试细胞脉冲波形，以验证液路系统性能指标的优越性，为下文质控 的测试提供理论基础。流式细胞术能够对细胞进行光电信号分析，并且可以表征单个细胞的物理和化学特征，其本质是应用了米氏散射原理。当细胞微粒的直径与辐射的激光波长相当时会发生散射现象，而此种散射在光线前向的方向要比其他各方向的光强更强，其方向性明显，因此不同大小的细胞微粒其前向光强也有所不同，而细胞内部的各类微粒组织会引起侧向散射。由于激光能量在轴和轴方向呈现高斯分布，在细胞脉冲波形的形成过程中，脉冲强度是由激光能量和散射光强的卷积决定的。因此，细胞脉冲波形是一个近似高斯函数的波形具备对称性，细胞脉冲形成过程示意图如图所示。图左边是激光能量高斯分布，右边是细胞脉冲波形。从零时刻开始，细胞进入激光束，当细胞中心通过高斯函数的顶点处时，脉冲达到峰值。图中，为细胞直径，为激光强度高斯分布的宽度，为细胞在样本流中的运动速度，为细胞脉冲基底宽度。理论上，单个细胞图细胞脉冲形成过程示意图经过激光束后产生的前向脉冲具有对称性。当鞘流不居中时，经过激光束的微粒不是一个完整的球体将导致脉冲发生形变；若样本流宽度过宽，样本微粒发生堆叠，脉冲波形将出现多个峰值而不是单一峰值。因此，通过细胞脉冲波形的分析，可以验证鞘流是否居中以及样本流宽度是否稳定且合适。与此同时，通过高精度的鞘流可视化观测平台加以辅助，测量样本流宽度进而验证前文所推导的鞘流估测理论模型。根据上述讨论，前向 和侧向 信号对于验证鞘流内细胞情况以及鞘流居中度更具参考意义。本文采用 流式细胞仪质控作为测试样本，通过示波器观察，获得细胞脉冲波形如图所示。可以看出，细胞脉冲前向信号左右对称，并且只存在一个峰值。侧向信号的波形存在一定的不对称是由细胞内部微粒无规律分布导致的。验证了本文设计的液路系统中，样本流宽度合适，样本流内粒子排列规律无重叠现象，且居中度较好。图细胞脉冲波形 样本流宽度控制实验为验证样本流宽度估测理论模型的准确度，本文利用高精度的光学显微镜观测鞘流器出口，用红墨水作为样本，测试时保持样本流量不变。比较了样本流宽度的测试值和理论值得到了样本流宽度与步进电机速度对应关系如图所示。由图可知，旋转泵速度增加意味着鞘液流量增大，样本流宽度也逐渐减小，符合式（）推导的结论。测试结果围绕理论计算上下波动，但整体误差不超过。该北大中文核心期刊国外电子测量技术图样本流宽度与电机速度对应关系样本流宽度理论模型与实际结果基本吻合。为进一步验证本系统的自适应精度，设定样本流宽度为。改变样本流量，通过显微观测平台得到了不同流量下样本流状态显微观测结果如图所示。图不同流量下样本流状态显微观测结果图中标出