基于FPGA技术的智慧POCT检测仪器架构研究

2018-03-02 03:33马德敏徐建新

中国医疗器械信息 2018年1期

马德敏徐建新

上海奥普生物医药有限公司（上海 201201）

POCT仪器的概念自1995年引入国内医疗领域至今，已经从手动操作、定性判读，发展为以自动化、定量检测为主要特点的第四代仪器[1]。POCT仪器以其操作简便、检测速度快、小型化、低成本等诸多优势，已被广泛接受和应用于各级医疗结构的医学检验活动中[1,2]。

1.POCT检测仪器现状分析

目前，全自动、高通量的POCT检测仪器的系统架构多来自于大型的自动生化分析仪，通常采用比较传统的三层架构方案[3,4]。见图1所示三层结构示意图。

图1. 三层结构示意图

第一层为人机交互设备、上位机设备及上位机软件，用于完成与用户指令的交互，相应不同的操作指令工作流程的处理，数据存储，和与第二层之间的接口、指令及数据的通讯。通常用户交互设备为PC显示器，或者触摸显示屏，上位机通常使用PC机或单片机实现。

第二层为下位机设备及下位机软件。主要用于和上位机、驱动控制程序间的接口和指令、数据的通讯；根据操作选定的工作流程，进行部件的调度和时序控制。该层的功能通常使用单片机或DSP实现。

第三层为部件控制驱动板卡和部件及驱动程序。实现和下位机接口和通讯，接受到下位机的指令后，对部件进行控制驱动。通常各运动控制驱动板、温度控制板、数据采集板也使用单片机实现。

这种结构的特点在实际临床应用中的不足已经显现，成为此类POCT仪器推广的重要障碍，其主要不足分析如下：①串行控制时序，仪器工作时间长，难以优化缩短。由于在第二层使用了单片机的实现工作时序控制和调度，并根据时序要求发送指令或数据给第三层时，所有工作、所有功能部件都处于串行工作时序。随着仪器的自动化程度越来越高，检测时间要求越来越短，这种串行工作的架构方案便难以满意满足日益增长的临床测试要求。②不利于实现POCT仪器小型化。小型化是POCT仪器的最重要特点之一[5]。但自动化程度越高，运动部件越多，控制环节就越复杂。传统的三层架构在物理连接上只能采取星状结构，占用的物理空间大，很难实现仪器的小型化。③可生产、可维护性差。随着自动化程度越来越来，仪器结构更加复杂，直接表现为仪器内部的部件多，部件之间的连接线缆多，控制电路也多；由此造成了在产品的生产物料多不利于采购、存储管理，操作复杂而不利于提高生产效率，客户现场的维修部件多、工序复杂而不利于仪器的维护。不良的可生产性、可维护性直接影响了产品的生产和运营维护成本居高不下。④可扩展性差。随着临床检测工作量的增加、负责程度的提升，在仪器自动化的要求基础上，已经开始有越来越多的智能化、智慧化需求了[5,6]。传统的架构的结构复杂，部件之间的工作时序主要以串行为主，且所使用的主处理器的资源较少，基本无法在仪器上实现一些比较复杂的处理算法或程序，这就限制了其智能化扩展的能力。

2.基于FPGA的设计方案概述

采用FPGA作为核心芯片，实现自动化、智慧化POCT检测仪器，替代传统的三层架构，如图2所示。本架构中，将传统的上、下位机、部件控制驱动合并到一起，避免了板间复杂的物理连接，直接通过内部的程序实现逻辑控制和时序调度，提高了系统可靠性，降低了复杂程度，增加了产品的可生产性、可维护性。

图2. 基于FPGA技术的POCT检测仪器架构

在实际应用中，选择了Xilinx的Zynq7000系列作为主芯片。其内嵌cortex-A9双核arm处理器，最高主频可达到1GHz，具有扩展的外部存储器接口，提供了多种类型的外设接口，如图3所示。该系芯片可准确的完成各部件的时序要求，及部件间并行运行外，还能通过IP核执行实时数据处理分析，实现高速数据通讯，能连接触摸屏实现用户交互功能。通过芯片扩展的接口连接到无线传输功能模块，可将仪器内部各传感器的数据，以及检测结果数据传输到所需的终端或存储器中，为实现仪器智能化提供了硬件基础。