CN101072994A - 用于从流式分析器管理数据的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
用于处理来自流式分析器(420)的样品数据的系统和方法采用诸如可编程门阵列(FPGA)等硬件来以较小的流水线步骤处理样品数据。处理包括环形缓冲区，其中对数据的读和写是同步的，从而防止缓冲区溢出或数据丢失。这种流水线处理方法允许增加数据获取通道或额外的处理步骤而不会限制处理速度。
Description
优先权申请
本申请要求于2004年11月17日提交的、题为“System and Method forManaging Data From a Flow Analyzer(用于从流式分析器管理数据的系统和方法)”的专利申请第60/628,715号的优先权。
发明背景
发明领域
本发明一般涉及通过存储例如与来自流经检查区的颗粒、细胞以及事件间背景噪声有关的数据来增加从流式分析器或其它数据收集设备获取的信息数量的装置及方法。具体地，本发明涉及通过将样品处理分成流水线步骤并使用环形缓冲区或类似缓冲区或临时存储能力，在没有数据损失的情况下增加获取荧光样品的速率的装置及方法。
相关技术的描述
流式细胞术一般用于迅速测定通过撞击到狭缝检测区上的光束的一个或多个细胞和/或颗粒的光学参数。关于流式细胞术的背景信息一般可在例如Shapiro′sPractical Flow Cytometry第三版(Alan R.Liss，有限公司，1995年)中找到，其整体通过引用包含在此。
在常规流式细胞仪中，将包含样品细胞和/或颗粒的样品液从样品管引入到鞘液的较快液流的中心或其附近，该液流将样品拉向混合流的中心。该过程称为流体力学聚焦，允许将细胞和/或颗粒可重现地递送到流动池或其它检查区中测量点的中心。一般，细胞和/或颗粒悬浮于流动池中。
在细胞和/或颗粒凭借悬液流动通过检测区时，连续波激光将激光束聚焦于细胞和/或颗粒上。当液流中感兴趣的目标被激光束击中时，产生某些信号，它们被检测器读出。例如，这些信号包括正向光散射强度和侧向光散射强度，前者提供了关于单个细胞和/或颗粒的大小的信息，后者提供了关于单个细胞和/或颗粒的相对大小和折射特性的信息。
检测器可读出的其它信号包括一种或多种荧光染料和/或其它荧光分子的荧光发射，这些荧光分子例如有色氨酸或其它荧光氨基酸，或者对于蛋白质或其它肽、或对于其它生物分子或人造分子而言是天然产生的其它分子。一般地，当在一分析方案中试验多种不同的荧光分子时，选择荧光发射峰，以最大程度降低，或理想地消除各荧光发射峰之间的重叠。
例如，理想上，荧光发射峰相距50μm，但也可适应和采用较小(或较大)的谱间隔，较佳地例如20、30或40μm，谱间隔越大，越能有效地区分各荧光发射。此外，在选择荧光分子中考虑了量子效率。在采用多种不同的荧光分子的情况下，调整并采用不同的检测器来检测各荧光发射物发射的不同波长。一种以上荧光分子的激发波长可以相同，或者可采用不同的激发波长来匹配各种不同荧光分子的激发谱。
分析过程产生的光学信号被传递给输出计量器和/或数据存储装置。可在将关于所测定光学信号的强度数据传送给输出计量器和/或数据存储装置之前和/或之后，采用数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)进行信号处理。
在流式细胞术中，当细胞或颗粒通过激光束或其它光源的光束时发生一个“事件”。随着事件进行，从散射和/或荧光发射测定的光随着细胞或颗粒进入光束而逐渐增加，在光束中心达到最大值，随着细胞或颗粒离开光束而逐渐减小到额定值。
流式细胞仪技术通常采用两种系统之一来测定事件。一种系统采用包括峰值保持电路的峰值检测器，以维持从事件中获得的最大信号水平，并且测定与通过激光束的细胞和/或颗粒相关的光学参数。一旦峰值检测器读出并测量到事件，即关闭峰值测量器，以便为模数(A/D)转换器提供足够时间来数字化该信号的最大值。在称为“死时间”的峰值检测器关闭期间，不会检测激光束内发生的任何事件。
第二种系统采用积分器来测定事件中采集的峰值下面积。如果在死时间期间流式细胞仪的光束内发生事件，则这两种系统都不会检测该事件。
通常，检测事件的缺少不会产生重大问题，因为对于大量事件而言，仅损失了一小部分事件。然而，需要检测稀有、重要事件，如在一千或一百万个细胞或颗粒中鉴定一个特殊细胞或颗粒的应用，当采用现有的流式细胞仪进行检测和测定时就可能发生检测不到稀有事件的情况。通量越高，在每单位时间内丢失这种重要事件的概率越大。
纳入本文作参考的Corio等人的美国专利第5,550,058号提供了对流式细胞术中分选样品遇到的问题的一种解决方案。Corio等人提供了一种方式，以弹性地控制对如何分选流式细胞仪中检测的事件的决策。按照使用者可选择的参数预先限定(prequalify)事件，以减少死时间期间丢失的事件。然而，Corio等人的参考文献没有说明或提示将死时间丢失事件的概率降低到零的方法。
美国专利第6,658,357号(纳入本文作参考)提供了对“死时间”问题和捕获稀有事件的解决方法。然而，它采用异步过程向环形缓冲区写入样品数据并从中读取数据。进而，取得荧光样品的速率受限于DSP的能力和存储器。例如，提高荧光采样速率可导致DSP带宽不足和缓冲区溢出，这可能导致如上所述的样品数据丢失的不良后果。
因此，在包括流式细胞仪或其它分析装置的流式分析器领域中，在没有丢失任何事件的可能性且无需增加缓冲区大小的情况下来处理增加的荧光样品的方式将是有利的。
还期望有效且便宜地提供最大化采样速率同时减少这样的高采样速率丢失事件的概率的系统和/或方法。
发明概述
根据本发明的系统和方法解决了上述问题。概括而言，本发明包括将样品数据写入环形缓冲区并从中读出数据的同步过程。样品被同步地输入到环形缓冲区以及从中输出。将样品写入环形缓冲区导致最旧的样品从环形缓冲区中移除并被处理。采样速率因此不受环形缓冲区大小和例如FPGA的硬件资源的限制，且有可能增加通道的数目。因为环形数据缓冲区以同一速率填满和清空，因此不存在缓冲区溢出和丢失数据的可能性。
本发明的一个较佳实施例提供一种用于使用将样品数据写入环形缓冲区并从中读出数据的同步过程来增加数据量而同时减少在流式分析器、流式细胞仪和其它测量设备中丢失数据的几率的系统和方法。样品被同时输入环形缓冲区以及从中输出。将样品写入环形缓冲区导致最旧的样品从环形缓冲区中移除并被处理。驱动保持写和读过程同步的处理的是采样。使用双端口随机存取存储器，使得在读和写过程之间不存在竞争。因为写和读过程同步，因此缓冲区不可能溢出，且缓冲区大小由具体的处理算法所需的数据来确定。增加FADC通道(滤波、放大、数字化、转换)的数目不会减少样品通量，因为通道是并行处理的。增加过程中的样品数目(例如，当前和(running sum))不会减少通量，因为随每一传入样品实时更新当前和。
在一种形式中，数据处理被分成较小的流水线步骤，例如其中流水线处理对样品数据执行逻辑和算术运算。对样品数据的这种流水线处理由诸如FPGA或ASIC等可编程逻辑器件(PLD)以用于所需数目的通道的模数转换(ADC)采样速率执行，只要PLD具有足够的内部逻辑和外部引脚。这种硬件方法允许仅受ADC时间或读取ADC时的固有传播延迟中较小的一个限制的高采样速率。此外，尽管通道的数目仅受PLD资源的限制，但增加通道不会限制仪器的速度。因为样品数据处理对PLD而言是内部的，因此有可能对流水线添加处理子步而对通量没有影响。最后，因为样品数据写和读是同步的，因此环形缓冲区以相同速率填满和清空，而没有缓冲区溢出或数据丢失的可能性。
附图简述
通过阅读以下详细描述并参考附图，本发明的其它目的和优点将是显而易见的，附图中：
图1是根据本发明的流式分析器的示意图；
图2是根据本发明的示例过程的流程图；
图3是图1的过程的样品值表；以及
图4是绘出图1的过程的图2表的样品值的图表。
较佳实施例的描述
参考图1，为例如流式细胞仪的运作的流式分析器420示出了一示意图。来自激光器400的激光束402被示为当其通过流式管的检查区404时撞击到颗粒406上。散射、发射(例如，荧光发射)、折射或以其它方式产生的光422、424然后由一个或多个检测器408、410读出，后者然后将其数据426、428发送到其各自的FADC(滤波、放大以及数字转换)单元412、414。FADC然后将其各自所得的数字化数据430、432发送给诸如FPGA、ASIC或其它数据处理器等可编程逻辑器件(PLD)416以便最终的数据处理。这样的PLD是具有用于与诸如DSP等处理器组合或单独执行逻辑和算术运算的逻辑组件的半导体设备。FPGA或其它处理器416进行的处理的结果然后被输出436为最终的、经处理的数据418。尽管可在416处使用诸如DSP等处理器，但本发明的过程的一个优点在于允许使用硬件逻辑解决方案，而不读取使用DSP带宽的相当大部分的内部DSP存储器中的样品数据以及将样品数据存储其中，这样的读取和存储限制了通道个数或处理时间。
转向图2，示出了一个示例性流水线过程。图2中，每一功能块可包括存储块和处理块。一个或多个数据元素从存储块传递到处理块以便被操作并从处理块输出。在图2的流水线过程中，该过程接收荧光数据、计算数据的当前和、并从当前和中减去背景数据。每一流水线过程较佳地包括一个或多个环形缓冲区，然而可以理解这样的环形缓冲区可以是多个物理设备或划分成多个缓冲区的单个数据设备。重要的是认识到，可代替环形缓冲区使用其它设备或方法而仍实现此处所述的结果。美国专利第6,658,357号描述了“环形缓冲区”，本领域中的普通技术人员也可以理解，环形缓冲区可构成被配置成接受连续样品数据流的任何存储器，而不必构成物理上毗邻的存储器(即，“虚拟”环形缓冲区)，且可动态分配存储器以构成环形缓冲区。
更具体地，图2示出被安排成使一个功能块的输出成为下一功能块的输入的功能块序列。因此，在图2中，该流水线过程从功能块510接收荧光数据、在520处计算数据的当前和、在532处从当前和减去背景数据、而在540处检测峰值当前和。
图2中的数据存储块514、526、544是由具有数据输入总线、数据输出总线、读地址总线、写地址总线以及地址计数器的同步简单双端口随机存取存储器组成的环形缓冲区。每一存储块514、526、544可按要执行的处理所需而具有不同的深度和宽度。双端口RAM被配置成当读和写地址相同时输出正被写入的单元的旧内容，因此写入环形缓冲区的每一新数据值导致最旧的数据值将以同步过程从环形缓冲区输出。
处理可以但不必包括保存指定数目的历史样品、计算和保存指定数目的样品的当前和、从最新的当前和中减去之前的当前、以及搜索经背景更正的当前和的峰值。图2的流水线过程仅是一个典型示例；可按需添加、减去、或修改其它处理步骤。
尽管图1示出了具有两个数据通道的流式分析器420，但本发明的一目的在于例如通过增加通道的数目或采样速率来最大化荧光数据通量。因此，流式分析器420一般具有并行处理的多个FADC通道，但图2-4是从单通道中取得的数据的示例以便于说明。
图3和4示出如何在图2的流水线内处理样品。每一新传入的ADC DATA(ADC数据)样品通过触发对ADC数据、当前和、经背景更正的和以及峰值和的更新来更新流水线。作为示例，假定环形缓冲区514包含标为ADC DATA的列中样品12到19中所示的值，而526包含标为SUM(总和)的列中样品12到19中所示的值。以下描述了如何计算图3的样品20中的值。考虑样品19，当前和块520包含25204，在522处输入3371并在516处输入1140，从而在524处产生新的样品20的SUM值27535＝25204+3371-1040。背景减去块532在534处输入25204，并在530处输入5499，从而在532处产生新的样品20的输出SUM-BKG(总和-背景)值19705＝25204-5499。峰值检测和保持块540包含前一峰值12883。在532处提供经背景更正的值16610，它大于12883，将代替12883作为新的PEAK(峰值)样品20的值。当ADC转换将ADC DATA样品20的值2623输入环形缓冲区514中时，它也将27535输入到环形缓冲区526，将19705输入到532，并将16610输入到540中。
受益于本公开的本领域的技术人员可以理解，认为本发明提供用于管理流式分析器中的数据的系统和方法。考虑到本描述，本发明的各方面的其它修改和替换实施例对本领域的技术人员而言是显而易见的。从而，本描述应被解释为仅说明性的，且用于向本领域的技术人员教导实现本发明的一般方式的目的。可以理解，此处示出和描述的本发明的形式应作为目前的较佳实施例。对此处示出和描述的元件和材料可进行替换，各部分和过程可反向，且本发明的某些特征可被独立利用，当本领域的技术人员阅读了本发明的该描述之后，这些均是显而易见的。可对此处所述的元件进行修改，而不背离如所附权利要求书中所述的本发明的精神和范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种收集和处理数据的方法，包括以下步骤：
以采样速率对信号采样以收集所采样的数据，并以所述采样速率将所采样的数据存储在存储器中；
大致以所述采样速率将所采样的数据从所述存储器读入到可编程逻辑器件(PLD)；以及
使用所述PLD大致以所述采样速率处理所采样的数据，其中所述处理包括对所述采样数据执行逻辑操作的一个或多个处理子步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对采样数据的存储和采样是基本上同步的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储器包括环形缓冲区。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理步骤包括多个子步骤，每一所述子步骤对所述采样数据执行逻辑操作。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述子步骤的至少其中之一包括算术运算。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多个信号由相应的通道接收，且所述采样、读取和处理步骤在每一通道上执行。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对来自每一通道的采样数据的处理包括多个流水线子步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PLD包括现场可编程门阵列(FPGA)。
9.一种用于处理由流式分析器收集的数据的方法，包括：
将由所述流式分析器收集的一组采样数据写入环形缓冲区内的多个数据存储区之一内；以及
同时从所述一个数据存储区中读取之前存储在其中的一组不同的采样数据。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述写和读步骤以几乎相同的速率进行。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述读步骤包括将所述一组不同的采样数据读入到可编程逻辑器件(PLD)内，且其中所述方法还包括使用所述PLD对所述一组不同的采样数据执行逻辑操作。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述写一组采样数据的步骤以模数转换(ADC)速率进行，且其中所述执行逻辑操作的步骤以所述ADC速率与受所述PLD和所述环形缓冲区的至少其中之一的样品传播延迟限制的速率中较小的一个进行。
13.一种处理由流式分析器收集的数据的方法，包括将由所述流式分析器收集的一组新采样数据写入到环形缓冲区内，且所述写一组新采样数据的步骤使得存储在所述环形缓冲区内的一组最旧的数据被读出。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述写一组新采样数据的步骤包括将所述一组新采样数据写入到存储所述一组最旧的采样数据的同一数据存储区内。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述写一组新采样数据的步骤还使所述一组最旧采样数据由可编程逻辑器件处理。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述写一组新采样数据的步骤和所述读一组最旧采样数据的步骤以基本上相同的速率进行。
Claims (18)
1.一种收集和处理数据的方法，包括以下步骤：
以采样速率对信号采样以收集所采样的数据，并以所述采样速率将所采样的数据存储在存储器中；
大致以所述采样速率将所采样的数据从所述存储器读入到可编程逻辑器件(PLD)；以及
使用所述PLD大致以所述采样速率处理所采样的数据，其中所述处理包括对所述采样数据执行逻辑操作的一个或多个处理子步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对采样数据的存储和采样是基本上同步的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储器包括环形缓冲区。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理步骤包括多个子步骤，每一所述子步骤对所述采样数据执行逻辑操作。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述子步骤的至少其中之一包括算术运算。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多个信号由相应的通道接收，且所述采样、读取和处理步骤在每一通道上执行。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对来自每一通道的采样数据的处理包括多个流水线子步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PLD包括现场可编程门阵列(FPGA)。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采样以模数转换(ADC)速率进行，且所述处理以所述ADC速率或ADC样品传播延迟中较小的一个进行。
10.一种颗粒流式分析器，包括：
多个数据通道，每一数据通道对表示颗粒流动现象的信号进行采样；
写入器，它从每一通道接收所采样的数据并将其写入到环形缓冲区；
读取器，它与所述写入器基本上同步地从环形缓冲区中读取所采样的数据；以及
可编程逻辑器件(PLD)，用于在一个或多个逻辑操作子步骤中处理与通道相关联的采样数据。
11.如权利要求10所述的颗粒流式分析器，其特征在于，所述PLD包括线程可编程门阵列(FPGA)。
12.如权利要求10所述的颗粒流式分析器，其特征在于，所述环形缓冲区以大致相同的速率填满和清空。
13.如权利要求10所述的颗粒流式分析器，其特征在于，所述流式分析器包括珠流式细胞仪。
14.如权利要求10所述的颗粒流式分析器，其特征在于，所述至少一个环形缓冲区包括物理上非毗邻且动态分配的存储器空间。
15.如权利要求10所述的颗粒流式分析器，其特征在于，所述每一通道包括滤波、放大、数字化和转换(FADC)通道。
16.一种收集和处理流式分析器中的数据的方法，包括以下步骤：
从多个通道接收由所述流式分析器收集的传入采样数据，并使用具有多个数据存储区的一个或多个环形缓冲区；
在一个或多个相应的环形缓冲区中存储来自相应通道的传入采样数据，以便将对由所述流式分析器收集的采样数据的接收和存储导向所述多个数据存储区的至少其中之一，包括对之前存储的采样数据的重写；
与存储同步地，由至少一个可编程逻辑器件(PLD)从所述环形缓冲区的至少其中之一读取与相应通道相关联的采样数据；以及
使用所述PLD在不丢失所采样数据的情况下处理与相应通道相关联的采样数据。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述PLD包括现场可编程门阵列(FPGA)。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，每一通道具有与之相关联的PLD，且所述处理包括对所述相关联的采样数据执行逻辑的多个流水线子步骤。
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