流式细胞仪在线监测系统的设计

曾 希

（四川大学华西医院医学工程科，成都610041）

0 引言

流式细胞仪是在流动池中对处于高速呈直线运动状态中的细胞和生物颗粒进行定量分析和分选的仪器，如图1 所示[1]。现阶段，涉及流式细胞术相关技术的检验分析设备有血球分析仪和尿沉渣分析仪等。激光器作为其中的核心部件，其输出功率的稳定性直接决定分析结果的准确性。由于激光器在流式细胞仪中多为封闭式安装，且无内置激光功率监测装置，所以在使用过程中无法检测激光输出功率。而目前判断激光器稳定性好坏主要是通过记录激光器的工作时间和厂家提供的参考时间进行对比。这种方式存在以下问题：（1）在规定时间内激光器功率异常不易被察觉，影响仪器检验结果准确性；（2）无法实时获取激光器输出功率的真实数据；（3）不能反映激光器的工作状态；（4）无法对使用者提供准确的决策信息。因此，为解决上述问题，亟须一种能够在线实时检测流式细胞仪中激光器功率的装置，保证流式细胞仪检验结果的准确性。本文设计的流式细胞仪在线监测系统利用光电传感器以及模块化编程的方法，实现对激光器输出功率的测量[2-3]。

图1 流式细胞仪检测原理图

1 流式细胞仪在线监测系统的设计原理

本设计是根据光电效应的原理，将激光光束的光信号转变为电信号，通过滤波放大，由模数转换器处理后，将数据传输并最终显示在液晶显示器（liquid crystal display，LCD）上。需要监测时，启动复位开关，传动系统将棱镜移动至激光光路上，将激光光束传导至监测系统进行处理，最终在LCD 观察所检测到的数值。未检测时，棱镜复位，离开激光光路，不会对流式细胞仪的正常检测工作造成影响[4-6]。

2 流式细胞仪在线监测系统组成与设计

流式细胞仪在线监测系统主要由开关电源、光学系统、检测单元和控制系统组成。开关电源主要为全套系统提供6、12 V 的直流稳压电源；光学系统在不改变光路的情况下，为检测校准提供必要条件；检测单元为激光监测的主要部件；控制系统主要进行各指令控制。

2.1 光学系统设计

光学系统由棱镜和传动装置组成，如图2 所示，主要作用是将激光光束传导至检测单元。光学系统的主要工作方式：在需要监测时，按动检测开关，步进电动机启动，带动传动装置将棱镜置于激光光束的光路上并传导至检测单元[7-8]。

2.2 检测单元设计

如图3 所示，检测单元主要由PIN 光电传感器、滤波放大电路、模数转换模块、开关电源和单片机组成[9]。

光电传感器是检测单元的主要元件，功能为将光信号转换为电信号。本设计采用S4349 光电二极管作为光电传感器，其高灵敏度、低串扰、低噪声、光谱响应范围较广等特点适合用于测试流式细胞仪中各类激光器的功率[10]。S4349 光电二极管的光谱响应如图4 所示。

图2 光学系统

图3 检测单元组成框图

图4 S4349 光电二极管的光谱响应

图5 滤波放大电路

光电传感器所产生的电流信号被滤波放大电路（如图5 所示）转换为电压信号，同时可以调整直流背景噪声为零，即在没有光信号计入时所输出的电压值为零。本设计采用OP07 型号的前置放大器，其性能（高增益、低信噪比）是决定整个系统输出信号质量的关键。

模数转换模块选用的是PCF8591 模数转换器，具有单片集成、单独供电、低功耗等特点，其电路原理图如图6 所示。模数转换器将光电传感器输出的模拟信号转换为数字信号供计算机系统进行处理，其芯片的位数和速度决定了数字信号的精度。

图6 PCF8591 模数转换器电路原理图

2.3 控制系统设计

本设计选用AT89C52 单片机作为控制系统的核心部件，可满足系统需求。由AT89C52 单片机组成的最小系统（如图7 所示）包括时钟电路和复位电路。通过在单片机的XTAL1 和XTAL2 引脚上外接一个晶振和2 个电容组成时钟电路。复位电路采用按键式进行，按键按下后，单片机的RST 引脚会与电源VCC 接通并得到一个高电平，完成一次复位操作。

图7 最小系统原理图

AT89C52 的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3 四个端口与步进电动机连接，用于控制驱动电动机。但由于电动机功率较大且AT89C52 抗干扰能力弱，所以在单片机和电动机间设置一个驱动和隔离电路。

3 流式细胞仪在线监测系统软件设计

采用Keil C51 软件和C 语言设计系统软件，主要包括主程序和报警显示子程序2 个模块。主程序是整个系统程序的核心，主要完成人机对话和控制功能。在系统初始化后，完成系统参数配置，同时启动监测系统和驱动电动机。将激光光束传导至检测单元，检测单元将光束的光信号转换为电信号，同时将电信号转换为数字信号传送到PC 机，并将实时数据显示在LCD 上。报警显示子程序的功能是读取探测器的激光功率值并显示，如超过或者低于设定激光功率的设定值，则控制蜂鸣器发出报警信号。系统软件程序流程图如图8 所示。

图8 流式细胞仪在线监测系统软件程序流程图

4 实验研究

利用本文设计的流式细胞仪在线监测系统对流式细胞仪的激光器功率进行测试。激光器选用在流式细胞仪中应用较广的640 nm 激光，产品型号为OBIS 640LX，该激光器采用光泵浦半导体激光器（optically pumped semiconductor laser，OPSL）技术，具有低均方根（rootmeansquare，RMS）噪声、光束质量高、输出功率可调等特点[11]。

按照激光测试标准GB 7247.1—2001《激光产品的安全 第1 部分：设备分类、要求和用户指南》的要求利用本系统对OBIS 640LX 激光器进行功率监测，记录5 次激光功率值和误差值，详见表1。其误差皆在允许范围内（±2%），激光功率正常[12-16]。

表1 OBIS 640LX 激光器检测结果

同时对激光器的稳定性进行测试，以确保选用的激光器和流式细胞仪在线监测系统的测量值是可靠的。实验样本采用BD 公司生产的标准质控品（批号为90377）对激光器进行质量控制检测，记录激光光强抖动偏差，如图9 所示，均在可控范围（±2%）。流式细胞仪在线监测系统测量结果与质控结果基本一致，误差皆在正常范围内，因此流式细胞仪在线监测系统不会发出报警信息。

图9 激光器验证结果

实验同时对报警功能进行了验证，分别选用高于设定激光功率值和小于设定激光功率值的2 个激光器，将其安装在XDP 流式细胞仪测试平台，同样选用标准质控品进行验证。实验中蜂鸣器均发出了报警信号，因此报警功能准确有效。

上述实验验证了流式细胞仪在线监测系统的有效性和准确性，为后续产品开发并进入临床应用奠定了技术基础。

5 结语

本系统可实现对流式细胞仪的输出激光功率进行实时在线监测，当发现激光功率异常时，系统能自动报警并显示异常信息，方便维护人员及时处理，保障检验结果的准确性。本系统具有如下优点：（1）自动化程度高，操作简便，可实现对流式细胞仪的封闭式激光输出能量进行在线检测。（2）检测数据可靠，对临床结果、科研数据、维修决策具有指导意义。（3）可在该方案基础上搭建校准反馈系统，实时调整激光输出功率。

但本系统也存在一定局限性，如目前尚不能完成激光器的自动调校；实际应用较少，激光功率上下限值的设定是否足够科学，仍有待通过大量应用来确定；系统尚不具备对其他异常事件的处理能力等。未来需进一步完善系统功能，拓展临床应用，确定更为科学的激光功率上下限值，以提高系统检验的准确性。