IVD設(shè)備液面探測應(yīng)用實(shí)例

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液面探測在全自動(dòng)醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域幾乎已經(jīng)成為了必須功能，在全自動(dòng)醫(yī)療設(shè)備的加樣移液過程中，都需要檢測探針是否接觸到試劑液面，以此作為設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)入下一步工作的依據(jù)。為了提高檢測速度, 目前大部分IVD儀器采用多路液面檢測以提高系統(tǒng)工作效率，設(shè)備在日常工作中這一液面探測功能會(huì)被成千上萬次使用，一旦液面探測出現(xiàn)任何偏差就會(huì)出現(xiàn)撞針、試劑交叉污染等設(shè)備異常運(yùn)行狀態(tài)，如何保證多路液面探測有序、穩(wěn)定、高效地工作也成為全自動(dòng)醫(yī)療設(shè)備研發(fā)人員的一個(gè)工作重點(diǎn)與難點(diǎn)。

在《醫(yī)療設(shè)備液面探測方案：電容式液位傳感器》一文中，已經(jīng)詳細(xì)介紹了電容式液位傳感器PCS0902相對于傳統(tǒng)液面檢測方案的不同及幾大優(yōu)勢，獲得了廣大IVD設(shè)備廠商的認(rèn)可。從廠家試樣到批量化用于設(shè)備生產(chǎn)過程中，我們收到很多工程師關(guān)于PCS0902液面探測模塊的使用問題，這些疑問大同小異，本文將結(jié)合某IVD設(shè)備廠商從拿到模塊，到最終成功批量化應(yīng)用的成功項(xiàng)目實(shí)例，對某些普遍問題進(jìn)行分析解答。

此項(xiàng)目實(shí)例為全自動(dòng)免疫分析設(shè)備的試劑液面探測應(yīng)用實(shí)例，文章將從初次實(shí)驗(yàn)的不理想效果開始，描述到最終達(dá)到預(yù)期效果的整個(gè)過程。

初次測試：

測試方式及工具：采用PCS0902電容式液面探測模塊單端模式一進(jìn)行檢測，線纜芯線接單層探針, 上位機(jī)電腦上運(yùn)行譜思公司的PUSICAN工具軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)波形監(jiān)控。

探測示意圖：

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實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖：

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實(shí)驗(yàn)試劑：蘇木素

????蘇木素是從洋蘇木中提取的一種染色劑，它在被氧化后生成蘇木精，同媒染劑（常用的是三價(jià)的鐵或鋁的鹽）一起使用，能夠使細(xì)胞核染色。蘇木素是一種堿性染料

特性：

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分子結(jié)構(gòu)：

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設(shè)備搭建好，初次開機(jī)后空針電容值探測曲線圖：電容值波動(dòng)較大，并且不在零位線

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點(diǎn)擊空針較準(zhǔn)后空針情況電容值探測曲線圖：電容值回到零位線附近，但波動(dòng)依然較大

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探測試劑為蘇木素時(shí)電容值曲線變化圖：電容值變化很小，只有2pF左右

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反復(fù)探測蘇木素試劑，電容值變化曲線圖：

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初次實(shí)驗(yàn)效果不太理想，除上面描述的問題以外，還存在一些其他問題，但經(jīng)過分析改進(jìn)后，最終得到如下圖的理想探測波形，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)備上的批量化應(yīng)用。從初次測試效果很不理想，到最終的期望效果，我們總結(jié)了如下幾點(diǎn)主要影響因素, 以下詳述改進(jìn)過程。

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影響因素一、模塊供電對檢測值的影響：

在實(shí)驗(yàn)一中，僅用設(shè)備主板的5V供電口為PCS0902模塊供電，空針較準(zhǔn)后得到的空針檢測波形如下：

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可以看到空針時(shí)的電容檢測值波動(dòng)比較大，檢測值不穩(wěn)定。

改進(jìn)方式：將模塊供電電源與其他系統(tǒng)部件供電分開，改為標(biāo)準(zhǔn)單一的穩(wěn)壓5V供電，將PCS0902模塊電源地、設(shè)備電源供電地與設(shè)備機(jī)架地共地處理，之后得到的空針檢測值波形如下：

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兩圖對比可以看到，空針檢測值波動(dòng)有明顯減小。

另外還有一個(gè)客戶, 在測試時(shí)使用的劣質(zhì)5V開關(guān)電源, 而且將屏蔽層與金屬機(jī)架接觸, 上電后看到的電容波形已經(jīng)不能用紋波來形容了:

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為了對比電源的影響程度, 客戶采用純凈電源(電池供電)后的對比波形如下:

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關(guān)于屏蔽層信號(hào)的連接, 我們可以從PCS0902電容式檢測模塊的內(nèi)部信號(hào)圖來分析：

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該圖表示了模塊的外層屏蔽信號(hào)和芯線信號(hào)，從此原理圖可以知道，使用模塊時(shí)并不是簡單的外層屏蔽信號(hào)接地，也不是屏蔽層之間接地，而是應(yīng)該機(jī)架接地。

影響因素二、加樣針固定材料對檢測值的影響

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上圖紅色圈內(nèi)為實(shí)驗(yàn)一中，單層探針固定基座，材料為POM，這種固定材料的介電常數(shù)相對較高，會(huì)造成電容檢測值波動(dòng)大，基礎(chǔ)電容值高，建議采用聚酰亞胺作為探針固定材料。

介電常數(shù)又稱電容率或相對電容率，表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時(shí)的電容的比值，表示電介質(zhì)在電場中貯存靜電能的相對能力?？諝夂虲S2的ε值分別為1.0006和2.6左右，而水的ε值較大，10℃時(shí)為?83.83。

根據(jù)物質(zhì)的介電常數(shù)可以判別高分子材料的極性大小。通常，相對介電常數(shù)大于3.6的物質(zhì)為極性物質(zhì)；相對介電常數(shù)在2.8~3.6范圍內(nèi)的物質(zhì)為弱極性物質(zhì)；相對介電常數(shù)小于2.8為非極性物質(zhì)。

同理，我們根據(jù)高分子材料的極性也可以大致推測材料介電常數(shù)大小，極性基團(tuán)多，介電常數(shù)高，極性基團(tuán)少，介電常數(shù)小。

下面是常見絕緣材料的介電常數(shù)大?。?/p>

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在使用PCS0902液位探測模塊配合探針進(jìn)行試劑電容值檢測時(shí)，需要選用介電常數(shù)盡量小的絕緣材料用作探針與金屬機(jī)架之間的固定材料。

影響因素三、探針類型對電容檢測值的影響

其他條件相同，不使用探針，直接用譜思公司隨貨提供的同軸線纜代替探針，線纜芯線接觸液面如圖：

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探測波形如下：探測波形非常穩(wěn)定

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使用帶屏蔽層雙層探針，探測波形如下：

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使用不帶屏蔽層的單層探針，探測波形如下：

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由波形對比可知，在不使用探針直接用同軸線纜探測時(shí)，信號(hào)探測值最穩(wěn)定，使用雙層探針、單層探針，探測效果依次下降。檢測信號(hào)從探測終端傳輸?shù)絇CS0902模塊的過程中，對檢測信號(hào)的屏蔽保護(hù)尤為重要。因此建議設(shè)備廠商采用帶屏蔽層的雙層探針，并盡量減小檢測信號(hào)的傳輸距離，避免不必要的信號(hào)干擾。

影響因素四、在系統(tǒng)管路中有液體時(shí)（主要指探針內(nèi)部及與探針相連的后端管路有清洗液或其他液體），探針管路與探針后端管路是否有用閥斷開，對電容檢測值的影響

管路中灌注清洗液，接上雙層屏蔽探針，并在探針管路與后端液路之間加電磁閥控制液路通斷，探針與電磁閥安裝如下圖:

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在電磁閥打開，探針液路與后端液路接通時(shí)，測得波形如下：空針信號(hào)大約33pf，信號(hào)變化幅度為4pf

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電磁閥關(guān)閉，前端液路與后端液路切斷時(shí)，檢測值波形如下：

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由兩圖對比可知，在系統(tǒng)管路中灌注液體后，探針前端液路是否與探針后端液路導(dǎo)通，對電容檢測值影響特別大。造成此種現(xiàn)象的主要原理是液體中的導(dǎo)電離子(在大部分清洗液中都會(huì)有導(dǎo)電離子)，導(dǎo)致探針和系統(tǒng)后端連成了一體，嚴(yán)重影響電容檢測值。

影響因素五、探針前端液路與后端液路接通時(shí)，探針前端液路中，清洗液是否與探測液之間有空氣柱對檢測值的影響。

電磁閥關(guān)閉，前端液路與后端液路斷開，探針前端液路中，清洗液與探測液之間無空氣柱斷開，對試劑進(jìn)行探測，檢測值波形如下：試劑探測值與空針檢測值無法區(qū)分

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電磁閥關(guān)閉，前端液路與后端液路斷開，探針前端液路中，清洗液與探測液之間有200ml空氣柱，對試劑進(jìn)行探測，檢測值波形如下：試劑探測值與空針檢測值可以區(qū)分

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兩圖對比可知，電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)前端液路與后端液路斷開時(shí)，前端液路中是否有空氣柱在清洗液與探測試劑之間進(jìn)行阻斷，對探測值得影響非常大，有空氣柱阻斷探測效果會(huì)好很多，此種波形最終達(dá)到設(shè)備要求。

因此，在使用電容式檢測模塊PCS0902配合探針對試劑進(jìn)行探測時(shí)，首先需要設(shè)計(jì)合理的檢測流程，此處推薦一種成功的探測流程作為參考（不同設(shè)備可能有細(xì)微差異）：

• 打開閥門，導(dǎo)入清洗液，對探針進(jìn)行沖洗；
• 保持閥門打開，吸取固定的空氣體積，方便后續(xù)與測試液體之間形成空氣柱，防止混液。這個(gè)體積一般為20uL；
• 關(guān)閉閥門，切斷后端清洗液池的連接，這個(gè)步驟是為了防止后端大量清洗液對探針前端測試電容值的影響，因?yàn)榍逑匆菏菐щ婋x子；
• 空針校準(zhǔn)；
• 吸取測試液體，測試電容值；
• 測試液體完成后，將測試液體放入反應(yīng)試管中，然后打開閥門，對探針用清洗液進(jìn)行清洗；
• 第二次測試的時(shí)候重復(fù)上述步驟，但是此時(shí)可以減去空針校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，因?yàn)榈诙翁结樓岸耸Ｓ嗟那逑匆旱碾娙葜岛偷谝淮位臼且恢碌?，所以探針前端到閥之間的長度L盡量越小越好，越小的話，測試產(chǎn)生的漂移就越小。

影響因素六、大功率干擾源對電容檢測值的影響

在客戶反饋的眾多問題中，我們也有發(fā)現(xiàn)大功率器件對檢測值造成影響的問題.

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：

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在大功率泵工作時(shí)，空針測得波形如下：

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客戶換了多家液位檢測模塊和探針連接方法, 均無法有效去除掉這種強(qiáng)干擾. 最后客戶在譜思的工程師協(xié)助下, 修改了PCS0902模塊的濾波器參數(shù)， 將干擾信號(hào)的特定頻率濾掉, 更新固件之后, 當(dāng)大功率泵工作時(shí)，空針檢測波形如下：

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從波形圖可以看出，修改固件濾波器參數(shù)后，干擾明顯減弱。這個(gè)案例反映了PCS0902電容檢測模塊的算法靈活性, 不同于一些采用集成液位芯片的解決方案, PCS0902基于純軟件算法, 如下圖:

因此在這種情形下, 可以根據(jù)客戶實(shí)際的機(jī)架分布電容和固有的干擾特性,?來調(diào)整和修改濾波器參數(shù),?從而獲得獨(dú)特的檢測效果，工程師首先通過pusican工具,?獲得設(shè)備的干擾頻率特性,?然后再對應(yīng)修改參數(shù),??最后獲得理想的檢測波形.

數(shù)字濾波器信號(hào)圖如下：

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影響因素七、不同探測試劑對電容檢測值的影響

在避免以上五大影響因素可能帶來問題的情況下，分別檢測相同體積不同試劑得到的波形圖如下：

檢測試劑為一抗時(shí)波形如下：

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檢測試劑為蘇木素是波形如下：

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檢測試劑為DAB稀釋液時(shí)波形如下:

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檢測試劑為DAB濃縮液時(shí)波形如下：

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檢測試劑為增強(qiáng)劑時(shí)波形如下：

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從圖可以看出，不同試劑得到的檢測波形會(huì)有所不同，主要原因就是不同的試劑會(huì)有不同的介電常數(shù)，介電常數(shù)值越高，越容易被檢測。

?注：本文案由PUSIROBOT供稿