美国国家仪器NI有限公司

［编辑简介］：本案例使用NI的LabVIEW软件和CompactRIO 硬件，基于一个统一的平台创建自动生物流体灌注系统。它能自动收集分泌物，进行细胞分泌分析，该设计克服了原有自动化装置需使用不同的平台与可编程语言来完成的弊端。

［关键词］：NI LabVIEW CompactRIO 细胞分泌分析

行业:
生命科学, 医学/ 医疗器械

产品:
LabVIEW, CompactRIO, 报告生成工具包, 实时模块, Touch Panel Module, FPGA模块, NI SoftMotion开发模块, PID控制工具包

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。

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、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。

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