医用全自动双激光流式细胞仪 - 关键核心概念验证测试大纲
编制：李栋 | 审核：王鹏 | 中科院苏州生物医学工程技术研究所 | 工程化研究中心 项目周期：2019.09 - 2020.09 | 项目负责人：罗刚银 | 文档版本：V1.0
本测试大纲根据医用全自动双激光流式细胞仪的研制项目分解报告编制，用于关键核心概念验证阶段（Proof of Concept）验证8项关键技术的可行性。
一、编写依据
- YY/T 0588-2017《流式细胞仪医药行业标准》
- 项目任务书
- 项目分解报告
- 关键技术详细设计方案
二、8 大关键技术（测试对象）
| 序号 | 关键技术 | 核心目标 |
|---|---|---|
| 1 | 荧光分光 | 488nm + 638nm 双激光，8 荧光通道检测 |
| 2 | FPGA 数据采集算法 | 双激光信号延时对齐（~47μs 延迟） |
| 3 | 柱塞泵上样 | 低成本进样方案，三通阀切换管路 |
| 4 | 注射器进鞘液 | 鞘液供给，流速 9.2ml/min |
| 5 | 样本模块 | 样本架存储、运输、摇匀、条码扫描 |
| 6 | 离心模块 | 细胞分离离心，20 个离心位 |
| 7 | 穿刺取样 | 穿刺针刺破采血管管帽取样 |
| 8 | 上位机控制时序调度 | 多线程调度 + CAN 通信 + 模块状态机 |
2.1 荧光分光
- 原理：488nm 蓝光激发 6 个荧光通道，638nm 红光激发 2 个荧光通道
- 优势：双激光可检测 8 色（单激光仅 4 色），增加可激发荧光素种类，减少光谱重叠
- 意义：提升细胞内可检出染色体种类和抗原染料的选择范围
2.2 FPGA 数据采集算法
- 问题：两束激光入射位置不同（竖直方向错位），同一细胞先后通过两激光区，荧光信号存在~47μs 时间差
- 方案：以前向散射信号（蓝光激发）为基准，通过移位寄存器对红光通道数据进行整体移位延迟
- 优势：有效避免数据丢失，实现双激光信号在时间上对齐
2.3 柱塞泵上样
- 采用柱塞泵进样，通过三通阀切换进样与上样管路
- 与样品泵进样对比：效果相同，成本更低
2.4 注射器进鞘液
- 采用注射器进鞘液，通过三通阀切换进鞘液与上鞘液管路
2.5 样本模块
完整流程：存储 → 提升 → 拖入 → 条码扫描 → 翻转 → 取样 → 回收
- 样本架叠放在存储区底部托盘上
- 托盘将样本架提升至输送窗口
- 样本架拖勾拖入翻转托盘，条码枪依次扫描试管条码
- 翻转托盘翻转至指定位置，便于取样针操作
- 取样完成后废弃样本架重新拖入存储区上半部分
2.6 离心模块
- 目的：细胞分离离心分层，配合 PBS 加注模块完成缓冲液清洗
- 结构：内外两层共 20 个离心位
- 驱动：伺服电机带动旋转离心；步进电机负责开盖/关盖
2.7 穿刺取样
- 驱动：150mm 行程 FUYU 滑台
- 动作：穿刺针刺破采血管管帽 → 探到底部吸取血样
2.8 上位机控制时序调度
架构：多线程 + 状态机 + CAN 通信
- 模块子线程：每个模块一个独立线程 + 一个状态机，保存当前模块状态
- 主调度线程：协调各模块子线程动作，实现子线程间通信
- 子线程直连：支持各模块子线程直接与其他子线程交互，提高灵活性
- CAN 通信层：集成 CAN 卡通信 SDK，实现连接/断开/发送/接收
- CAN 接收线程：单独开辟，完成数据接收、解析、分发
三、测试条件
环境条件
- 实验室环境即可，对温湿度要求不高
- 光学模块需避光调试
- 需使用调试软件
设备工具
| 序号 | 设备/工具 | 数量 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 1 | 计算机 | 1 | 安装上位机调试软件及算法验证 |
| 2 | 微量天平 | 1 | 称量移液精准度 |
| 3 | 游标卡尺 | 1 | 测量移动位置准确度 |
| 4 | 卷尺 | 1 | 测量移动位置准确度 |
| 5 | 秒表 | 1 | 计时，计算模块运动时间和速度 |
四、关键性能指标汇总
| 技术模块 | 测试项目 | 功能要求 | 性能指标 |
|---|---|---|---|
| FPGA 数据采集 | 延时数据整合 | 8 通道同时有数据（8 峰微球各通道均有信号） | 8 通道 CV 均 < 2% |
| 柱塞泵上样 | 携带污染率 | — | ≤ 1% |
| 注射器进鞘液 | 鞘液流速 | 流速稳定 | 9.2 ± 0.2 ml/min |
| 样本模块 | 复位子流程 | 运行无卡顿、无故障 | 10s 内完成 |
| 样本模块 | 定位精度 | — | 按滑台模组技术参数 |
| 离心模块 | 离心位置 | 20 个位置均能准确走位 | — |
| 离心模块 | 离心力 | — | ≥ 300g |
| 穿刺取样 | 穿刺 | 5 个穿刺流程无损坏 | — |
五、测试方法详解
5.1 FPGA 数据采集算法验证
两种验证途径：
- ISE ChipScope 在线逻辑分析：观察各通道实际采集波形，调整延时时间，观察各通道峰值是否对齐
- 调试软件直方图分析：观察各通道直方图，计算各通道 CV 是否达标
方法：分别下载延时前和延时后的程序至数据采集卡，对比两次探测结果；微调延时时间确定最终延迟值。
5.2 柱塞泵上样 - 携带污染率测试
试剂：10μl Duke™ 3900A 微球，稀释 500 倍
程序（循环 3 次）：
- 连续测试 3 次高浓度样本，记录标定区域颗粒数 H1-1/2/3
- 一次样品管返冲循环
- 连续测试 3 次空白，记录 L1-1/2/3
- 计算携带污染率 Ci，取最大值
合格标准：携带污染率 ≤ 1%
5.3 注射器进鞘液测试
三项测试：
- 鞘液流速：称重法测得目标流速 9.2ml/min
- 流速稳定性：流量传感器记录电压值，稳定性 = 波动最大值 b / 平均值 a，重复 3 次取平均
- 效果对比：鞘液泵 vs 工装（注射器），用 FlowCheck 和八峰试剂分别测试前向和侧向信号值
- 注射器方案：吸 80ml 鞘液，以 10ml/min 进样
5.4 样本模块测试
复位子流程：
- 将机构置于距零点最远工作位 → 执行复位 → 记录时间 T → 重复 5 次 → 求平均值
- 合格：10s 内完成
Z 方向定位精度：由 Z 向滑台模组精度决定，参考厂家模组参数
5.5 离心模块测试
离心位置测试：依次设置离心机转至目标位置，目测 20 个位置均能准确定位为合格
离心力测试：
- 装载样本和试剂，对称放入离心位
- 按验收指标检测实际转速
- 离心力公式：g = r × 11.18 × 10⁻⁶ × rpm²（r 为有效离心半径）
- 重复 3 次，均 ≥ 300g 为合格
5.6 穿刺取样测试
- 以小发光项目试管架为承载工具
- 单针完成 5 个穿刺流程（扎穿新管 → 探底 → 抽出）不出现损坏即合格
六、文档状态与备注
- 文档为关键核心概念验证阶段测试大纲，部分章节（荧光分光、上位机时序调度）测试方法描述较简略，待补充
- 测试项目表中荧光分光和上位机调度部分内容为空，处于规划阶段
- 文档共 8 页，含 4 个表格：项目信息表、修改记录表、设备工具表、测试项目指标表
七、关联笔记
- 飞凌OKMX6X-C用户手册-i.MX6-Qt5.6-Linux4.1.15（嵌入式硬件平台参考）
- FPGA设计概述-培训讲义-1.1（FPGA 开发基础）
- 共聚焦项目-软件需求规格说明书-化学发光免疫分析仪（同类医疗仪器项目参考）
- 共聚焦软件采集部分架构导图（上位机软件架构参考）