用 LabVIEW軟件和CompactRIO硬件 解決生物流體灌注系統(tǒng)方案詳解

Biorep生物流體灌注系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：增進(jìn)細(xì)胞分泌分析的處理能力和可重復(fù)性，這種分析常被用于第一型糖尿病研究中的胰島細(xì)胞的分析。

解決方案：使用NI的LabVIEW軟件和CompactRIO 硬件，創(chuàng)建一個自動生物流體灌注（Perifusion） 系統(tǒng)。它能實現(xiàn)全面的環(huán)境控制，刺激不同細(xì)胞類型，并在符合可編程協(xié)議的情況下能夠自動收集分泌物。

“只用了3個月，我們VI設(shè)計組的克里斯？佛朗達(dá)（Chris Fronda）就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來控制一個復(fù)雜的自動化醫(yī)療儀器?！?/p>

Biorep技術(shù)股份有限公司（Biorep Technologies Inc.）需要設(shè)計一種設(shè)備用來隔離胰臟中特定細(xì)胞（胰島細(xì)胞）。隔離過程非常復(fù)雜，需要超過20 種不同的裝置，其中5種需高度自動化。在目前，這些自動化裝置是使用不同的平臺與可編程語言來完成的，比如，一種語言用于控制器、另一種用于觸摸屏、第三種語言用于電機驅(qū)動、第四種語言用于步進(jìn)器驅(qū)動。隨著公司的發(fā)展，這樣的設(shè)計方式造成了很多問題。由于采用了多種語言環(huán)境，所以需要不同的學(xué)習(xí)曲線，冗長的程序說明文件，而且不同平臺間需要不同的通訊協(xié)議，非常沒有效率。

考慮到NI的產(chǎn)品在近年來有著非常巨大的發(fā)展，能夠滿足我們的功能需求，我們決定采用功能強大的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件來實現(xiàn)所有的自動化裝置。這樣，絕大部分的自動化裝置都能夠在一個軟件平臺上完成，所以工程師只需要學(xué)習(xí)一種語言，并且也能簡化設(shè)備的工作流程。此外，LabVIEW還提供了先進(jìn)的軟件調(diào)試工具，并使設(shè)備具備了遠(yuǎn)程調(diào)試功能，幫助我們縮短調(diào)試時間，并避免長途旅行，換算下來相當(dāng)于節(jié)省了超過10，000美金的成本。LabVIEW平臺的使用，對我們的效率和開發(fā)能力造成了很大的影響。

只用了3個月，我們VI設(shè)計組的克里斯？弗朗達(dá)（Chris Fronda）就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來控制一個復(fù)雜的自動化醫(yī)療儀器，其中包括多軸運動控制 （步進(jìn)電機）、精準(zhǔn)的培養(yǎng)箱溫度控制和復(fù)雜的液體處理功能（電子閥數(shù)組控制）。VI設(shè)計組使用LabVIEW Real-Time模塊與LabVIEW FPGA模塊開發(fā)了軟件架構(gòu)。公司還使用LabVIEW NI SoftMoTIon模塊（圖1）實現(xiàn)了系統(tǒng)的仿真，在虛擬原型上模擬真實的運動軌跡，這使我們在花費成本制造實體原型之前，就先將設(shè)計進(jìn)行可視化和最優(yōu)化，并幫助我們評估不同的設(shè)計理念。依靠LabVIEW 和 CompactRIO，VI設(shè)計組將開發(fā)時間從預(yù)計的12個月縮短至3個月，并且不用開發(fā)定制的控制軟件與驅(qū)動程序。

圖 1. SolidWorks下的 XY 機械結(jié)構(gòu)

起初，我們開發(fā)Biorep生物流體灌注系統(tǒng)（圖2）是為了測試試管內(nèi)胰島能力的。之后，系統(tǒng)功能得以不斷擴充，還可以可測定來自胰腺源祖干細(xì)胞 （ pancreaTIc progenitor stem cells） 的分化細(xì)胞的分泌物。

圖 2. Biorep生物流體灌注系統(tǒng)

在研究細(xì)胞對刺激物的反應(yīng)時（例如在糖尿病研究中細(xì)胞對藥物或葡萄糖的反應(yīng)），灌注對批次培養(yǎng)（batch incubaTIon）有非常大的好處。在生物流體灌注系統(tǒng)中，會有刺激物不斷注入，研究中的細(xì)胞或細(xì)胞群所分泌的代謝物沖走。而在過去的批次培養(yǎng)中，這些代謝物會累積從而影響研究結(jié)果。

也有一些其它更先進(jìn)的方法，例如動態(tài)量測，但它們并不實用，所以實驗室仍然使用批次培養(yǎng)的方法。Biorep技術(shù)股份有限公司（Biorep Technologies Inc.）與邁阿密大學(xué)糖尿病研究機構(gòu)（Diabetes Research InsTItute at the University of Miami）開發(fā)的自動的生物流體灌注系統(tǒng)，可以簡化實驗流程。它能實現(xiàn)全面的環(huán)境控制，刺激不同細(xì)胞類型，并在符合可編程協(xié)議的情況下能夠自動收集分泌物（圖3及圖4）。經(jīng)過測試，我們的生物流體灌注系統(tǒng)被證明是非常有價值的，可以在器官移植前，在試管內(nèi)測試人類胰島的生存能力。

圖 3. 協(xié)議監(jiān)測界面

圖 4. 容器定位界面

目前，已有數(shù)個實驗室定期采用該系統(tǒng)來研究胰島細(xì)胞的激素分泌。然而，Biorep 生物流體灌注系統(tǒng)并不僅限于用在胰島分泌的研究。它還可用來測定其他類型細(xì)胞的分泌，包括諸如干細(xì)胞這類的單細(xì)胞。此外，它更成為了醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)藥物研發(fā)過程中不可或缺的一部分。