用 LabVIEW软件和CompactRIO硬件 解决生物流体灌注系统方案详解

Biorep生物流体灌注系统

挑战：增进细胞分泌分析的处理能力和可重复性，这种分析常被用于第一型糖尿病研究中的胰岛细胞的分析。

解决方案：使用NI的LabVIEW软件和CompactRIO 硬件，创建一个自动生物流体灌注（Perifusion） 系统。它能实现全面的环境控制，刺激不同细胞类型，并在符合可编程协议的情况下能够自动收集分泌物。

“只用了3个月，我们VI设计组的克里斯？佛朗达（Chris Fronda）就能使用 LabVIEW和CompactRIO 来控制一个复杂的自动化医疗仪器。”

Biorep技术股份有限公司（Biorep Technologies Inc.）需要设计一种设备用来隔离胰脏中特定细胞（胰岛细胞）。隔离过程非常复杂，需要超过20 种不同的装置，其中5种需高度自动化。在目前，这些自动化装置是使用不同的平台与可编程语言来完成的，比如，一种语言用于控制器、另一种用于触摸屏、第三种语言用于电机驱动、第四种语言用于步进器驱动。随着公司的发展，这样的设计方式造成了很多问题。由于采用了多种语言环境，所以需要不同的学习曲线，冗长的程序说明文件，而且不同平台间需要不同的通讯协议，非常没有效率。

考虑到NI的产品在近年来有着非常巨大的发展，能够满足我们的功能需求，我们决定采用功能强大的LabVIEW图形化系统设计软件来实现所有的自动化装置。这样，绝大部分的自动化装置都能够在一个软件平台上完成，所以工程师只需要学习一种语言，并且也能简化设备的工作流程。此外，LabVIEW还提供了先进的软件调试工具，并使设备具备了远程调试功能，帮助我们缩短调试时间，并避免长途旅行，换算下来相当于节省了超过10，000美金的成本。LabVIEW平台的使用，对我们的效率和开发能力造成了很大的影响。

只用了3个月，我们VI设计组的克里斯？弗朗达（Chris Fronda）就能使用 LabVIEW和CompactRIO 来控制一个复杂的自动化医疗仪器，其中包括多轴运动控制 （步进电机）、精准的培养箱温度控制和复杂的液体处理功能（电子阀数组控制）。VI设计组使用LabVIEW Real-Time模块与LabVIEW FPGA模块开发了软件架构。公司还使用LabVIEW NI SoftMotion模块（图1）实现了系统的仿真，在虚拟原型上模拟真实的运动轨迹，这使我们在花费成本制造实体原型之前，就先将设计进行可视化和最优化，并帮助我们评估不同的设计理念。依靠LabVIEW 和 CompactRIO，VI设计组将开发时间从预计的12个月缩短至3个月，并且不用开发定制的控制软件与驱动程序。

图 1. SolidWorks下的 XY 机械结构

起初，我们开发Biorep生物流体灌注系统（图2）是为了测试试管内胰岛能力的。之后，系统功能得以不断扩充，还可以可测定来自胰腺源祖干细胞 （ pancreatic progenitor stem cells） 的分化细胞的分泌物。

图 2. Biorep生物流体灌注系统

在研究细胞对刺激物的反应时（例如在糖尿病研究中细胞对药物或葡萄糖的反应），灌注对批次培养（batch incubation）有非常大的好处。在生物流体灌注系统中，会有刺激物不断注入，研究中的细胞或细胞群所分泌的代谢物冲走。而在过去的批次培养中，这些代谢物会累积从而影响研究结果。

也有一些其它更先进的方法，例如动态量测，但它们并不实用，所以实验室仍然使用批次培养的方法。Biorep技术股份有限公司（Biorep Technologies Inc.）与迈阿密大学糖尿病研究机构（Diabetes Research Institute at the University of Miami）开发的自动的生物流体灌注系统，可以简化实验流程。它能实现全面的环境控制，刺激不同细胞类型，并在符合可编程协议的情况下能够自动收集分泌物（图3及图4）。经过测试，我们的生物流体灌注系统被证明是非常有价值的，可以在器官移植前，在试管内测试人类胰岛的生存能力。

图 3. 协议监测界面

图 4. 容器定位界面

目前，已有数个实验室定期采用该系统来研究胰岛细胞的激素分泌。然而，Biorep 生物流体灌注系统并不仅限于用在胰岛分泌的研究。它还可用来测定其他类型细胞的分泌，包括诸如干细胞这类的单细胞。此外，它更成为了医药产业药物研发过程中不可或缺的一部分。