用于生物芯片阅读仪校正的标准平面光源的研制

2013-12-05许颖原

中国医疗器械杂志 2013年5期

【作者】许颖原

上海铭源数康生物芯片有限公司，上海市，201403

0 前言

全球癌症发病率持续升高，目前用于癌症筛查的方法主要采用癌症标志物蛋白芯片和单指标检查，癌症标志物蛋白芯片可以对AFP、CEA、CA199等多种癌症标志物进行检测，特别适用于体检。单指标检测准确性高，适用于临床。

癌症标志物蛋白芯片的工作原理是采用化学发光分析法，利用生物化学发光的强度与反应物浓度成正比的原理进行测量。生物芯片阅读仪采用高性能的进口制冷CCD对生物芯片进行拍摄，从而测量出其化学发光信号值，根据标准曲线计算出样品的浓度。使用CCD面临最大的问题就是：像场的不均匀度和仪器间的测量误差。由于可供放置光源的空间非常有限，在新型标准平面光源研制成功前，校正时采用的是点光源，就是由单个LED组成的光源系统。它虽然也能完成校正的任务，但是每次校正需要由人工完成48个位置的移动，校正工作量大，速度慢，校正一台仪器一般大于2 h。另外人工移动位置时，会造成人为误差，影响仪器的精度。为了解决上述问题，进行新型标准平面光源的研制。

1 生物芯片阅读仪工作原理

生物芯片阅读仪的结构如图1所示，其核心部件是制冷CCD，生物芯片放置在暗盒内进行测量。

图1 生物芯片阅读仪示意图Fig.1 The diagram of biochip reader

图2所示的生物芯片是48人份的，每个人份中有24个样品点，2个样品点对应一个指标。样品信号经过镜头传送到CCD芯片上成像，由于样品信号非常微弱，因此对CCD的本底噪声要求非常高，避免对样品信号造成干扰。

2 标准平面光源的研制

图2 48人份的蛋白芯片Fig.2 The photo of protein chip

2.1 标准平面光源的结构设计

在高精度的测量系统中，CCD像素响应不均匀性和镜头造成的不均匀性会给系统带来测量误差。造成不均匀的原因是多种多样的，如沟道参杂浓度[1]不均匀、表面态分步浓度不均匀以及栅氧化物厚度不同造成的开启电压不同、感光单元有效面积不同，从而引入固定模式噪声，表现为暗电流和光电响应的不均匀。为了提高测量精度，就必须对像素响应不均匀性和镜头造成的不均匀性进行校正[2]。

以往对于CCD的不均匀校正，采用的工具基本上是积分球加上精密直流稳压稳流电源[3]。由于生物芯片阅读仪的暗盒空间非常有限，要求标准光源的长和宽不能超过100 mm，厚度不能超过20 mm，同时发光平面的高度尽量与生物芯片的发光平面接近。因此，无法采用积分球对CCD进行不均匀度的校正。这种情况下，只能采用LED阵列来设计标准平面光源，如图3所示，每个LED的位置是生物芯片中每个人份的几何中心。由于标准平面光源的高度受到很大限制，所以发光元件只能采用贴片LED。

图3 标准平面光源LED阵列Fig.3 The diagram of LED array in standard plane light source

由于生物芯片的发光非常微弱，为了提高校正的精度，就要使标准平面光源所发出的光强与生物芯片接近。但是LED的最小工作电流是有限制的，当低于一定值时，LED发光的稳定性就会大大下降。为了解决这问题，在LED上覆盖了光学扩散板和光衰减片，使得标准光源的发光强度与生物芯片基本接近。另外为了避免LED相互之间的影响，在LED之间还安装隔离膜。

2.2 标准平面光源的电路设计

对于标准平面光源最重要的性能是稳定性和均匀性。由于LED的一致性和电路上的差异，无法保证每个LED的亮度是一致的，因此就要求每个LED的亮度可以调节。另外，要确保标准平面光源LED工作的稳定性，要求电源系统的稳定性足够高。由于标准平面光源放置在暗盒内，而暗盒不允许漏光，因此标准平面光源不能使用外部电源。以上这些要求是设计标准平面光源所面临的极大挑战。

为了满足上述要求，所设计的标准平面光源电路由：CPU、通讯接口芯片、LED电流调节芯片、高精度稳压芯片和电池等组成，见图4。

图4 标准平面电气结构示意图Fig.4 The electrical diagram of standard plane light source

电源模块由电池和稳压电路组成。由于受到高度的限制，但又要保证标准平面光源有足够长的工作时间，电池只能采用体积小、容量大的锂电池。稳压电路的核心器件是高精度稳压芯片。电池随着使用时间的增加，输出电压将不断下降，如果不采取稳压措施，那么LED的工作电压也将随着电池电压的下降而发生变化，这时其亮度的稳定性就得不到保障，所以必须配置稳压电路。实验证明，当电池电压高于稳压电路最低输入电压时，LED的工作电压非常稳定，峰峰值误差小于3‰，满足了LED亮度稳定的要求。

LED亮度的调节是采用通讯方式来实现。上位机通过专用软件，向标准平面光源发送亮度调节命令或读取当前亮度值等命令。当需要调节某个LED亮度时，上位机只要选中这个LED，然后发送新的亮度值，标准平面光源中的CPU收到修改亮度的命令后，就控制LED的电流控制芯片进行调节，完成亮度调节的功能。

由于标准平面光源对LED亮度调节要求非常精细，因此在标准平面光源中安装了3个专用的LED电流控制芯片，每个芯片控制16个LED，实现了对48个LED的独立控制。该芯片对LED工作电流的调节分为粗调和细调两种方式：粗调是对LED工作电流的大小进行调节，一共分为24级，即当输入的电流为1 mA时，每次调节是1/24 mA。细调是采用PWM方式进行，分为4096级。因此，对标准平面光源中的每个LED都能进行非常精细的调节，在标准平面光源校正时，每个LED的灰度值与设定值之间的误差都能小于5‰。

2.3 标准平面光源的校正

标准平面光源在组装完成后，首先需要进行均匀性校正，即将每一个LED的灰度值调节到规定值。具体的方法是：(1)将标准光源的通讯接口与电脑相连；(2)把被测LED放置到专用的生物芯片阅读仪的中心位置；(3)进行测量，如果其灰度值与设定值有偏差，操作人员通过专用软件，对该LED的亮度进行调节，一直到符合要求；

把所有的LED全部调整完后，就完成了对标准平面光源的校正。每个光源在完成校正后，定期需要检查，以确保其均匀性满足要求。

2.4 生物芯片阅读仪的校正

仪器的校正分为：均匀性校正和仪器间校正。

在使用标准平面光源后，仪器均匀性的校正就非常方便，只要拍摄一次，就能获得48个位置上的LED灰度值，一般完成一次均匀性校正的时间不超过5 min。根据精度要求的不同，均匀性校正算法可以采取两种方法：简单校正系数法和二维三价多项式拟合阈值曲面算法[4]校正。

简单校正系数法就是将48个位置上LED的灰度值与中心位置上的LED灰度值进行比值，计算出每个位置上的校正系数。这样做的好处是简单，运算量少，但是比后一种方法的精度低，适合对精度要求不是特别高的场合。

对于精度要求高的测量系统，可以采用二维三价多项式拟合阈值曲面的方法进行校正。利用测量到的48个LED灰度值，能够计算出整个像面上每个像素点上的校正系数。

实验证明，上述两种方法都满足生物芯片阅读仪的均匀性校正。

对于仪器间的校正，主要是利用标准平面光源中间4个LED。将标准平面光源放置到标准机内，测量中间4个LED灰度值，计算出平均值。然后，将标准平面光源放入被校仪器中，同样进行拍摄，并测量中间4个LED灰度值的平均值。如果其差异超过规定要求，则调节被校仪器的光圈，使之达到规定值。通过这样的方法，基本上可以保证被校仪器与标准机之间的误差小于规定值。