CN101652764A - 流式细胞仪中使用的多增益自适应线性处理和门控数字系统 - Google Patents

Abstract

揭示一种用于流式细胞仪的电子处理系统，该流式细胞仪使用在按照样本基础的样本上以并行结构处理数据的处理芯片并且提供高吞吐量的数据。此外，多增益线性放大器被使用，使用反馈路线匹配多增益线性放大器以提供具有高动态范围的精确的数据和高分辨率数据。

Description

流式细胞仪中使用的多增益自适应线性处理和门控数字系统

背景技术

[0001]流式细胞仪是同时地测量和分析诸如单细胞的单颗粒的多重物理特性的技术。可以使用流式细胞仪测量的细胞的特性和性状包括尺寸、粒度、内部的复杂性、荧光强度及细胞的其他特征。诸如光电倍增管的检测器用来检测前向散射、侧向散射和荧光以测量细胞的各种性状。然后，由流式细胞仪识别的特性和性状可以用来对细胞进行分析、识别和/或分类。

[0002]典型的流式细胞仪使用三个主系统，即，射流系统、光学系统和电子系统。射流系统在液流中传送颗粒经过用于照射的激光束。光学系统包括照射液流中的单个颗粒的激光器、过滤光的滤光器和检测荧光和/或散射的光电倍增管。电子系统处理由光电倍增管或其它检测器生成的模拟信号，处理模拟和/或数字形式的信号，提供用于细胞的识别信息并且生成用于控制颗粒的分类的控制信号。

[0003]由于流式细胞仪以超高速运转，所以电子系统也必需以超高速和非常精确的高分辨率以及高动态范围运转。

发明内容

[0004]因此本发明可以包含一种在流式细胞仪中处理多个数据信道的方法，该方法包含：数字化所述数据以产生多个数字化数据的信道；在施行功能的处理芯片中并行处理所述多个数字化数据的信道，所述功能包含：通过多个被选择的延时使所述多个数字化数据的信道中被选择的单个数字化数据的信道延迟，以临时使所述多个数字化数据的信道对齐；通过将所述多个数字化数据的信道与阈值进行比较，从所述多个数字化数据的信道生成信道触发器；选择所述信道触发器的子集以帮助生成事件窗口信号；在使用所述处理芯片中的可编程序逻辑以进一步帮助生成事件窗口信号；从所述多个数字化数据的信道生成数字化数据输出信号；使用所述事件窗口信号选择所述数字化数据输出信号。

[0005]本发明可以进一步包含一种在流式细胞仪中生成高分辨率输出数据的方法，在流式细胞仪中，检测输入数据的大范围振幅，该方法包含：以预定增益系数放大所述输入数据以产生被放大的输入数据；数字化所述输入数据以产生二进制输入数据；数字化所述被放大的数据以产生放大的二进制输入数据；施行等于所述被放大的输入数据的所述预定增益系数的所述二进制输入的二进制乘法以产生二进制相乘的输入数据；比较所述放大的二进制输入数据和所述二进制相乘的输入数据以消除所述放大的二进制输入数据和所述二进制相乘的输入数据之间的不一致；基于预定标准在所述放大的二进制输入数据和所述二进制相乘的输入数据之间进行选择以产生高分辨率输出数据。

[0006]本发明可以进一步包含一种用于流式细胞仪的电子控制系统，该流式细胞仪同时并行处理多个输入数据信号以提供高数据吞吐率，该电子控制系统包含：模拟数字转换器，用于数字化所述多个输入数据信号从而产生多个二进制输入数据信号；同时并行处理所述二进制输入数据信号的处理芯片，所述处理芯片包含：临时使所述二进制输入数据信号对齐的延迟电路；通过比较所述二进制输入数据信号与预定阈值生成信道触发器的比较电路；从所述二进制输入数据信号生成二进制输出数据信号的检测器电路；使用所述信道触发器和可编程序逻辑生成事件窗口信号的事件窗口生成器，所述事件窗口信号选择所述二进制输出数据信号的子集。

[0007]本发明可以进一步包含用于在流式细胞仪中生成高分辨率输出数据信号的系统，在该流式细胞仪中，检测大范围输入数据，该系统包含：放大器，通过选择的增益系数放大多个输入数据信号以产生多个被放大的输入数据信号；模拟数字转换器，用于数字化所述输入数据信号从而产生二进制输入数据信号；附加的模拟数字转换器，用于数字化所述被放大的输入数据信号从而产生放大的二进制输入数据信号；第一比较器，比较二进制输入数据信号和放大的二进制输入数据信号以消除二进制输入数据信号和放大的二进制输入数据信号之间的不一致；第二比较器，基于预定标准在二进制输入数据信号和放大的二进制输入数据信号之间进行选择以便提供高分辨率的、一致的输入数据信号。

附图说明

[0008]图1A是用于流式细胞仪的电子控制系统的一个实施例的示意方块图。

[0009]图1B是用于流式细胞仪的电子控制系统的替换的实施例的示意方块图。

[0010]图2是图1中图解的处理芯片的实施例的示意方块图。

[0011]图3A是没有使用多增益线性处理的信道处理器的单信道的实施例的示意方块图。

[0012]图3B是使用多增益线性处理的信号处理器的单信道的实施例的示意方块图。

[0013]图4是显示几个信道输出的光电倍增管或其它检测器的典型的模拟输出的曲线图。

[0014]图5是显示图4的数字化信号的曲线图。

[0015]图6是图解对齐的图5的数字化信号。

[0016]图7是图解事件窗口的曲线图。

[0017]图8A是图解比较电路和拼接/选择电路的具有多增益线性处理的信号处理器的单信道的一个实施例的示意方块图。

[0018]图8B是图解比较电路和拼接/选择电路的具有多增益线性处理的信号处理器的单信道的第二实施例的示意方块图。

[0019]图8C是加权增益转换电路的示意方块图。

[0020]图9是数据合并/串行器的实施例的示意方块图。

具体实施方式

[0021]图1A是用于流式细胞仪的电子控制系统100的一个实施例的示意方块图。如图1A图解的，可以在流式细胞仪中被采用的光电倍增管102、104、106以及其它光电倍增管检测来自已经由激光束照射的单个颗粒的光信号。如上所指出的，由每个光电倍增管检测的光信号可以是散射信号或荧光信号。来自分别由光电倍增管102、104、106生成的信道A108、信道B110和信道N112的电信号分别被施加到模拟数字转换器114、116、118。来自模拟数字转换器114、116、118的数字化信号被施加到处理芯片120。该处理芯片可以包含现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等等，能够按照样本基础在样本上通过该芯片对每个样本进行计时。由于高速处理逻辑被包含在处理芯片120之内，所以可以实现数据的高吞吐量。

[0022]光电倍增管102、104、106使用通常使用运算放大器(未显示)的互导倒数电路，生成被转变为电压信号的电流输出信号。该电压信号由光电倍增管102检测的脉冲来表示。光电倍增管102、104、106检测来自由激光器或其它光源照射的颗粒的光散射或颗粒的荧光。在被光电倍增管102检测之前过滤光的系统中还可以存在滤光器。光电倍增管很敏感并且能够检测来自非常昏暗到非常明亮的大范围的光信号。被检测的脉冲通常具有从几微伏变化到10伏特以上的高斯分布。脉冲的电压由光电倍增管检测的光信号的强度来表示。细胞可以被荧光色素染色，该荧光色素使得细胞产生从非常昏暗的响应到非常明亮的响应的不同级别的响应。自身发荧光的细胞能够不需要染色而生成光响应。自身荧光和不同染色的组合物，以及光散射被用于识别细胞。因此，一般而言，在识别细胞和分析细胞中，对非常明亮和非常昏暗的响应两者的检测和处理常常是必需的。

[0023]此外，响应的其它特征在特性化细胞中可能是有用的。例如，响应的峰值高度，响应的脉冲宽度和在高斯曲线下的面积可以提供识别细胞的信息。这些结果的算术操作同样可以提供进一步的识别信息。例如，在高斯曲线下的面积除以脉冲高度可以提供附加的识别信息。此外，还可以希望其它的逻辑组合。

[0024]响应的其它布尔组合可以提供特性化细胞的附加信息。例如，细胞可以在一个波长而不是另一个波长的荧光被识别。作为另一个实例，特殊的细胞可以在特殊波长呈现特殊的侧向散射而不发荧光。因此，高斯响应的特殊组合可以在识别细胞中具有特殊的重要性。因此，这些布尔逻辑处理在特性化细胞中可以是有价值的工具。使用现有技术的电子处理技术，布尔逻辑是费时的并且可能限制数据的高吞吐量。在信号被检测的时间和颗粒以很高的流速移动到颗粒分类器的时间之间，执行各种数学过程以及执行布尔逻辑处理和决策程序以产生分类信号的能力，需要极高的处理速度。并且，由光电倍增管产生的响应可能高速率出现并且持续时间可能非常短。响应可以如400NS那样短暂，该400NS需要由模拟数字转换器使用的很高的采样率。模拟数字转换器的很高的采样率需要高处理速率以精确的特性化响应的脉冲波形。由于事件以高速率出现并且采样率必须高，所以在必须被处理的非常短的周期产生大量数据。现有技术方案限制采样率和事件比率，导致处理较少的数据。

[0025]在图1A中显示的特殊的应用中，通过单个处理芯片120处理数据的N个信道。如果需要附加的处理芯片处理附加信道，则通过处理芯片120可以生成边频带板间(sideband interboard)(或片间(interchip))通信链路122，以使用以下更详细揭示的通用型通信线路、事件窗口触发信号、中断信号、节流信号、系统起动信号等等提供处理芯片和其它功能之间的同步。数据信号126由处理芯片120生成并被施加到高速系统总线128。连接到系统总线128的是嵌入式计算机130，该嵌入式计算机130可以被连接到用于显示来自嵌入式计算机130的信息的显示器132。此外，嵌入式计算机130可以被连接到网络或其它计算机，如链路134所示。分类定时单元136被连接到细胞分类器138。

[0026]在操作中，处理器130被用作设立处理芯片120中的系统寄存器的编程的外部接口以及可以被连接到系统总线128的任何其他系统外部设备或装置。处理芯片120执行关于数据选择的判定以及数据处理。处理的数据126经过系统总线128被处理芯片120发送到嵌入式计算机130。嵌入式计算机130可以使用软件根据处理的数据来识别细胞，并且提供发送到分类定时单元136的分类判定。分类定时单元136控制细胞分类器138。细胞分类器138实行分类判定并且起到将细胞分类进适当的分类容器的作用。在替代的结构中，分类定时单元136可以直接处理来自处理芯片的数据并且识别细胞以独立地创建分类判定，而无需嵌入式计算机130的辅助，从而减轻嵌入式计算机130的工作量并且生成分类判定。此外，如果数据收集和分析对于分类细胞并不是必然地需要，诸如通常由流式细胞仪分析器执行的处理，则不需要分类定时单元136和细胞分类器138。在那个实例中，处理的数据126被嵌入式计算机130接收，嵌入式计算机130分析该数据并生成然后可以在显示器132上显示或经由链路134通信到网络或其它计算机的统计表、柱状图和数据的其它表示法。链路134同样可以用来允许网络和其它计算机装置连接嵌入式计算机130用于遥控操作。

[0027]处理芯片120并行处理每个信道108、110、112上的数据。处理芯片120具有并行流水线结构，以便每个信道对于每个时钟脉冲在样本上按照样本基础通过处理芯片120输送。一些现有技术装置将所有数据转移到存储器中然后使用标准处理器来处理数据，这是一种非常慢的处理数据的方式。使用这种现有技术，即使具有极快的数字信号处理器，也很难实现仅仅具有部分的数据处理的每秒少于1千万个样本的数据采样率。在处理芯片120中，所有数据可以对于每个信道以并行方式通过芯片被输送并且以那种方式被数字处理。判定逻辑可以在处理芯片120中被预编程，以致处理芯片120的输出包括所有来自被选择的和处理的输入数据的结果，该结果以超高速的方式被实现。所以处理芯片120可以使用并行处理输送结构，用于以并行方式高速处理来自每个信道的数据，以在数据输出126产生输出选择结果。可以实现越过每秒1亿个样本的速度，其中所有样本数据以高分辨率被处理，如以下说明的。

[0028]图1B图解用于流式细胞仪的电子控制系统的替换的实施例150。图1B应对现有技术的系统中面临的其它问题。如以上说明的，来自光电倍增管的信号电平可以在宽的范围中变化。例如，来自光电倍增管的输出信号可以从非常低的电流变化到非常大的电流，当非常低的电流被转变为电压时，它在100微伏的范围中，当非常大的电流被转变为电压时，它在10伏特的范围中。非常昏暗的响应接着极明亮的响应。为了确保适当的细胞识别，在很多情况下，希望分析在非常低的电压和非常高的电压下都是高分辨率的信号。超过由光电倍增管产生的宽范围输出的高分辨率输出应该由电子系统提供，以便提供信息以足够地区分不同类型的细胞。在图1B的实施例中，多增益线性自适应处理被用于提供较高分辨率输出响应，用于分别在信道A(158)、信道B(160)和信道N(162)上由光电倍增管152、154、156生成的宽的信号范围。

[0029]如图1B所示，包括来自每个光电倍增管152、154、156的输出的每个信道被施加到包含多个增益电路的单独的通道。同样如图1B所示，增益电路164、172、180提供单位增益到光电倍增管信号。其它的增益量可以如希望地被提供用于这些阶段。第二组增益电路同样可以被连接到每个信道，诸如增益电路166、174和182。例如，每个增益电路166、174和182提供是二进制的倍数2⁷的增益128x。依据光电倍增管的输出范围，其它增益量能如希望地被使用。单独的增益级起到提供来自光电倍增管的高和低输出信号两者的高分辨率的作用。

[0030]同样如图1R所示，来自每个增益电路164、166、172、174、180、182的输出分别被施加到单独的模拟数字转换器168、170、176、178、184、186。模拟数字转换器将模拟信号转换到数字信号。处理芯片188类似于处理芯片120，但是包括用于控制多增益级和组合增益级的附加的线路以便提供正确的、高分辨率的和相符的输出，而不管使用的增益级。增益级精确的“拼接”提供希望相符的结果。处理芯片188也提供用于选择适当的增益级以实现最大分辨率的选择程序。处理芯片188的输出与处理芯片120的输出相同并且被类似地编号。边频带板内或芯片内通信链路122提供用于数据、事件窗口信息、中断信号、节流信号以及系统起动信号的同步和传送的通用的通信(GPcom)线路。数据信号126被施加到系统总线128。此外，附接到系统总线的是嵌入式计算机130和按顺序连接到细胞分类器138的分类定时单元136。显示器132被连接到嵌入式计算机130。这些电路中的每个电路执行如关于图1A描述的类似装置的相同功能。链路134提供接口到网络和/或其它计算机系统。

[0031]图2是处理芯片200的一个实施例的示意方块图。如图1A和1B中所示的数据信号202、204分别被传输到信道处理器206、208。处理芯片200可以包括以并行方式处理多个输入的多个信道处理器。使用当前的技术，可被用于处理芯片200的信道处理器的数目是被限制的。例如，一般地，可以在诸如FPGA的单个处理芯片200中使用四个到八个信道处理器。信道处理器芯片的功能是使数据同步，过滤数据，规定可调整的增益，生成信道触发器和处理数据以产生峰值输出信号、集成输出信号、脉冲宽度数据和其它希望的输出。根据图3A和3B更详细描述这些信号。

[0032]如图2所示，信道处理器206生成被施加到缓冲器/多路复用器230的信道触发器212。类似地，信道处理器208生成同样被施加到缓冲器/多路复用器230的信道触发器214。来自每个信道处理器206、208的各种数据输出216、218被施加到数据合并/串行器220。这些数据输出216、218同样被施加到数字示波器模块234。数据合并/串行器220的目的是将被施加到数据合并/串行器220的大的多信道并行的数据组配置成被施加到总线接口224的32比特数据字的组。数据合并/串行器220的操作根据图9更详细地描述。通过数据合并/串行器220被施加到总线接口224的32比特数据字串通过总线接口224被下载到系统总线128。

[0033]同样如图2揭示的，系统寄存器236通过总线接口224被处理器130访问。系统寄存器生成状态和连接到图2所示的每个模块的控制线238。系统寄存器236包含读/写存储器，其中，值可以被装载以控制图2中所示的各种部件。此外，各种部件的状态可以通过处理器130从系统寄存器236读出。

[0034]进一步如图2所示，来自每个信道处理器的数据被传输到数字示波器模块234。历史上，操作者已经希望使用示波器观察来自光电倍增管的数据以在不同的细胞上尝试不同类型的染色并且执行各种操作。由于图1A、图1B和图2的实施例具有高速模拟数字变换器、RAM等等，所以数字示波器在处理芯片中被实施以使显示器132显示数字示波器信息。数字示波器模块234通过总线接口224被接续到系统总线128以提供要被显示在显示器132上的信息。通用的通信信号被数字示波器模块234使用以触发所希望的信息。所有数字的样本以及这些样本的波形的形状可以被观察。此外，同步信号以及其它控制信号可以被观察。

[0035]如上根据图2所述，来自多信道处理器的信道触发器228被施加到缓冲器/多路复用器230。该缓冲器/多路复用器230选择输入信道触发器的一个子集以生成被施加到事件窗口生成器和多板同步器228的事件窗口和同步信号232。缓冲器/多路复用器230可以被编程来改变被选择作为事件窗口和同步信号232的特殊的信道触发器228，该事件窗口和同步信号232被施加到事件窗口生成器和多板同步器228。例如，如果系统的操作者仅仅希望基于某些信道触发器生成事件窗口，该信道触发器涉及具体的情况，诸如特殊波长中细胞的荧光，则这种程序可以经由系统总线128进入缓冲器/多路复用器230。事件窗口生成器和多板同步器228接收事件窗口和同步信号232并且处理这些信号以生成事件窗口信号210。事件窗口生成器和多板同步器228还可以经由系统总线128被编程以提供用于生成事件窗口的附加的逻辑。任何布尔逻辑的组合可以通过事件窗口生成器和多板同步器228基于事件窗口和同步信号232被执行以生成事件窗口210。例如，当第一、第二和第四信号是正的时，而不是当第三信号是正的时，如果系统的操作者想要生成事件窗口，则那个逻辑可以在事件窗口生成器和多板同步器228中被简单地下载。查找表格可用于实现希望的逻辑以便提供对于各种输入的希望的输出。然后，事件窗口210被施加到信道处理器206、208，以及系统总线128，以为系统提供同步。因此，通过缓冲器/多路复用器230选择的信道触发器228，以及在事件窗口生成器和多板同步器228中的查找表格中可以被提供的逻辑允许在选择事件窗口和设置同步化中的各种布尔逻辑结果。

[0036]通过使用在事件窗口生成器和多板同步器228中的查找表格，而不具有硬连线逻辑，该查找表格可以被容易地编程以提供希望的应答和避免大量的逻辑电路，该逻辑电路另外需要产生希望的输出。此外，查找表格可以被容易地编程以提供希望的逻辑而不是依赖于单独的逻辑电路。可以使用查找表格提供任何输出的组合。四条输入线可以被用作地址线以便查找表格中的存储器可以被装载希望的应答。然后，可以在一个时钟周期内提供任何可能的逻辑组合，而没有必要经过另外所需的复杂脉动逻辑。查找表格提供一种非常快速和非常强大的提供希望输出的方法，并且允许使用可以被简单地编程到处理芯片120、188中的各种布尔逻辑组合。所以，事件窗口生成器和多板同步电路228接收已经由缓冲器/多路复用器230选择的信道触发器232，并且使用装载到查找表格中的逻辑将它们组合，从而确定希望的事件何时发生以生成事件窗口信号210。例如，系统的操作者可能不想要事件窗口出现，除非事件的某一组合被检测到或未被检测到。使用可以容易地被操作者编程的查找表格，所有逻辑可以被在事件窗口生成器和多板同步器228之内建立。

[0037]其它信号同样可以由事件事件窗口生成器和多板同步器228生成。例如，中断信号和节流信号可以由事件窗口生成器228生成。事件窗口210限定事件何时发生。中断信号可以用来在事件已经开始之后中断事件。例如，如果事件落入某一阈值以下然后返回阈值以上，该阈值表示两个颗粒被检测到彼此非常接近，则该事件应该被中断。然后中断信号将表示该数据不是好的数据并且应该被消除。节流信号可以用来使整个系统节流以防止数据超出限度。如果信息被传输到系统的速度比系统可以处理数据的速度更快，则缓冲区将最终超过限度。如果任何缓冲区达到危险的高级别，这些缓冲区中的任何一个可以认定节流信号以致事件窗口触发器将不会创建新的事件，直到系统能够处理足够的数据以在缓冲区中充分地释放空间以便恢复馈送给系统的数据为止。此外，事件窗口生成器能够被编程，以便通过简单地将时间延长经由处理器130增加到事件窗口而可以使事件窗口更久。

[0038]图7是事件窗口信号406的说明。如图7中图解的事件窗口信号406具有两个事件窗口408、410。通过事件窗口生成器和多板同步器228生成这些事件窗口以提供同步并且适当地捕获事件窗口之内的数据。事件窗口的选择以上根据图2被更完全地描述。

[0039]图3A是未使用多增益线性处理的信道处理器的单信道的示意方块图。如图3A所示，光电倍增管102生成被施加到模拟数字转换电路114的输出信号。来自模拟数字转换电路114的数字化信号被施加到信道处理器206。数字基准复位电路302去除数字信号中的偏移量以使数字信号基于0伏特。其中偏移量已经被去除的数字信号然后被施加到可编程延时304。可编程延时304可以在先入先出(FIFO)寄存器中被实施，该先入先出寄存器是基于流式细胞仪中检测器之间的间隔。具体地，多个激光器和多个检测器可以沿着流式细胞仪的长度被散开以顺序地照射和检测细胞的光响应。在流式细胞仪已经被起动并且在正常流动条件之下运转之后，每个检测器之间的延时可以被容易地确定。FIFO可以被用来提供希望的延迟304。

[0040]图4是来自光电倍增管102的模拟输出400的说明。如所示的，每个信道产生被顺序延迟的输出，诸如由输出108、110、112图解的。来自每个信道的临时延迟是每个信道输出代表不同的光电倍增管的输出的事实的结果，不同的光电倍增管在流式细胞仪中相对于另一个在空间上有位移。

[0041]图5是由来自每个单独的信道的模拟数字转换电路生成的数字化信号402的说明。

[0042]图6是代表来自每个信道的信号集合的对齐的数字化信号404的说明，每个信道包括可编程延时304的输出。如图6所示，信道A延迟使得与信道C的输出对齐的量。类似地，信道B也延迟使得与信道C的输出对齐的量。如上所述，用于每个信道的可编程延时304可以在FIFO寄存器中被实施。然后，图6中图解的对齐的数字化信号404被施加到过滤器306。滤波器306可以包含平均滤波器、有限脉冲响应(FIR)滤波器或其它类型的滤波器以使数字化高斯信号平整从而消除低噪声变化。

[0043]再参考图3A，然后，过滤的信号被施加到数字增益控制器308。该数字增益控制器308可以是允许系统的操作者或系统本身在某种程度上为质量控制目的调整信号的可选的增益控制器。该数字增益控制器可以在各种光电倍增管或被采用以检测光信号的其它检测器中补偿不同的增益。该数字增益控制器308允许用于每个信道处理器的信号电平被调整。然后，数字增益控制器308的数据输出310被施加到比较器312、峰值检测器314、面积检测器/计算器316和能够提供包括计算脉冲宽度的其它计算的附加的检测器/计算器318。比较器312通过比较来自输出数字增益控制器308的数字高斯信号与预定阈值生成信道触发器320。信道触发器320被施加到图2中图解的缓冲器/多路复用器230。峰值检测器314使用数字比较技术数字地检测每个高斯信号的峰值以生成峰值输出322。面积检测器/计算器316生成表示高斯曲线下的面积的面积输出信号324。使用标准数字积分技术执行该计算。如上所指出的，附加的检测器/计算器318产生附加的输出326，该附加的输出326可以是基于峰值输出322、面积输出324或表示高斯信号的脉冲宽度的脉冲宽度输出(未显示)的算术运算。

[0044]图3B图解具有多增益线性处理的信号处理器350的单信道。如图3B所示，光电倍增管152生成被施加到单位增益级164和提供128x增益的增益放大器166的输出。任何希望的增益能够根据希望被选择用于放大器电路164或者166。由放大器166提供的128x增益是等于2⁷的二进制倍数以使二进制乘法操作非常容易。放大器164的输出被施加到模拟数字转换器168。类似地，放大器166的输出被施加到模拟数字转换器170。模拟数字转换器168的输出被施加到是信道处理器206的一部分的数字基准复位(偏移量去除)电路352。类似地，模拟数字转换器170的输出被施加到也是信道处理器206的一部分的数字基准复位(偏移量去除)电路354。偏移量去除电路352、354调整数字信号为归零基本级。偏移量去除电路352、354的输出被施加到拼接/选择电路356。该拼接/选择电路356将两个增益级拼接在一起并且选择为光电倍增器152的输出提供最佳分辨率和准确度的信号。拼接/选择电路356根据图8A被更详细地描述。由拼接/选择电路356选择的输出信号被施加到先入先出(FIFO)寄存器358，该先入先出寄存器358提供选择的如上所述使不同信道输出对齐的延迟量。滤波器370提供滤波以去除噪声。数字增益控制器372响应来自系统的操作者或系统控制的输入信号374进行运转以如希望地提供增益给该特殊的信道。数字增益控制器372的输出信号被施加到比较器376、峰值检测器380、面积计算器384和可能包括脉冲宽度计算器和其它计算器的附加的计算器388。事件窗口信号210也被施加到这些组件中的每一个。比较器376通过比较数据信号与阈值生成信道触发器378。峰值检测器380生成峰值输出382，而面积计算器生成面积输出386。附加的计算器388生成其它输出390。因此，图3B中图解的实施例为每个光电倍增管输出提供两个不同的增益，并且选择提供具有最高分辨率的最精确的信号的期望信号。

[0045]图8A是具有多增益线性处理的信号处理器800的单信道的实施例的示意方框图，图解了比较电路812和拼接/选择电路356。如图8A所示，光电倍增管152生成被施加到模拟偏移量控制804的输出。该模拟偏移量控制804调整来自光电倍增管152的信号以消除可能存在于从光电倍增管152接收的信号中的任何偏移量。例如，从光电倍增管152接收的信号通常是然后被转换成为电压信号的电流信号。互导倒数电路(图中未显示)可能用于将电流信号转换成为电压信号。运算放大器(图中未显示)在互导倒数电路中使用。运算放大器可能在输出电压信号中引入小偏移量电压。偏移量也可能起因于检测散射时的激光溢出，或荧光背景材料。这些偏移量通过模拟偏移量控制804被去除。模拟偏移量控制804的输出被施加到模拟数字转换器168和以系数128x放大信号的模拟放大器166。此外，由于增益128x是等于2⁷的二进制倍数，所以128x被用于图8A的实施例。当然，依赖希望的增益量，任何希望的增益可在放大器166中使用。其它倍数的二进制数可用于简化图8A中图解的乘法器电路806中使用的乘法处理。然后，来自模拟放大器166的放大信号被施加到模拟数字转换器170以生成数字化输出信号。然后，数字化信号被施加到数字基准复位电路354以去除数字信号中检测的任何偏移量。存在于输入信号中到模拟放大器166的任何偏移量被乘以系数128x。因此，小偏移量被乘以超过两个数量级并且在数字基准复位电路354中被轻易地检测。偏移量监视器802检测这种偏移量并且生成被施加到模拟偏移量控制804的偏移量控制信号803，从而以非常准确的方式调整模拟偏移量控制804。数字基准复位电路352的输出以及数字基准复位电路354的输出两者被施加到拼接/选择电路356。数字基准复位电路354的输出被施加到是拼接/选择电路356的一部分的可变增益电路808。数字基准复位电路352的输出被施加到也是拼接/选择电路356的一部分的二进制乘法器806。二进制乘法器806通过简单地移动数据到左边七位以通过系数128x影响数据的相乘。然后，来自乘法器806的数字相乘的数据信号807被施加到减法器810和多路复用器834。

[0046]同样如图8A所示，可变增益电路808根据差分控制信号828调整被模拟放大器166相乘的信号的增益。可变增益电路808的输出809同样被施加到减法器电路810。减法器电路810从模拟相乘的信号809减去数字相乘的信号807。减法器电路810生成与两个输入信号中的差成正比的差分控制信号。差分控制信号828被施加到缓慢调整差分控制信号828，从而防止被施加到可变增益电路808的差分控制信号828中的急剧变化的求和电路811。可变增益电路808调整信号809，以使信号809与信号807匹配。

[0047]图8A还揭示了生成比较器控制信号826的比较电路812，当模拟相乘的信号809的条件被改正时，比较器控制信号控制减法器电路810并允许减法器电路810生成差分控制信号828，从而调整可变增益电路808并导致模拟相乘的信号809与数字相乘的信号807被拼接在一起。模拟相乘的信号809被施加到比较电路816，该比较电路816确定模拟相乘的信号809是否具有大于模拟放大器166的最大振幅的百分之50的振幅(达到饱和之前)。如果是的话，输出信号被施加到“与”门820。模拟相乘的信号809被施加到比较电路818，从而确定模拟相乘的信号809是否具有小于模拟放大器166的最大振幅的百分之88的瞬态振幅。如果是的话，比较电路818生成被施加到“与”门820的信号。如果这些条件都存在，“与”门820施加输出信号到“与”门824。模拟相乘的信号809还被施加到比较电路822，该比较电路822确定模拟相乘的信号809的斜率是否小于某个预定的界限。如果是的话，比较电路822生成被施加到“与”门824的输出。如果到“与”门824的输入两者都存在，则生成比较器控制信号826，如果需要，该比较器控制信号826被施加到减法器电路810以激活减法器电路810生成差分控制信号828。

[0048]图8A中图解的比较电路812使用三个比较电路816、818、822，从而确保模拟放大信号809的数字化高斯脉冲的振幅和斜率是在特定范围内，以便对数字相乘的信号807能够做出有效的比较。第一条件是模拟相乘的信号809是在模拟放大器166的振幅极限的百分之50到88的范围中。当然，可以变化这些百分比率以提供系统设计者希望的特殊结果。选择该范围的理由是，由于失真可能导致较高增益区域(例如，大于百分之88)，该较高增益区域归因于偏移量去除引起的范围损失，所以希望在模拟相乘的信号809在它的放大范围的上半部(大于百分之50)中但是小于模拟放大器166的最大增益的某个百分比的时候，比较信号807、809。当模拟放大信号809在那些范围之内时，“与”门820的输出生成信号。此外，当高斯脉冲接近它的峰值并且在振幅中较少飞快的变化时，比较信号807、809是有利的。仅仅当数字化高斯脉冲809的变化率小于某个预定界限时比较电路812生成信号，从而确保比较朝向模拟放大电路809的高斯脉冲的峰值出现。当这些条件都满足时，“与”门824生成比较器控制信号826，以发信号通知减法器810来生成差分控制信号828。

[0049]同样如图8A所示，可变增益电路808的输出被施加到比较电路830和多路复用器834两者。信号806也被施加到多路复用器834。比较电路830比较输入信号809和比较电路830中设置的阈值以确定信号809是否大于某个预定值，诸如模拟放大器166提供的总增益的百分之88。如果比较电路830确定信号809大于模拟放大器166的总增量的百分之88，则生成选择控制信号832，该选择控制信号832被施加到多路复用器834以控制多路复用器834选择数字相乘的信号807作为多路复用器834的输出836。如果比较电路830确定信号809小于某个预定界限，诸如模拟放大器166的最大输出的88％，则多路复用器834选择输入809作为输出836。由于失真可能出现在信号中，所以希望的是，如果信号809已经被放大到大于模拟放大器166的最大输出的88％的等级，则不使用该模拟放大信号809。如果信号809大于某个预定界限，诸如模拟放大器166的最大输出的88％，则数字相乘的信号807被选择作为输出836，因为将有较少的失真存在于数字相乘的信号807中。

[0050]图8B是具有多增益线性处理的信号处理器800的单信道的第二实施例的概略图，其图解了比较电路812和拼接/选择电路356。除了MUX834由加权增益级转移电路850代替并且去除88％比较电路830以外，图8B中示意图解的实施例与图8中所示的相同。为了简化表达式，在随后的公开中，数字相乘的信号807可以称为增益001级、增益001信号或增益001数据，并且在随后的公开中，模拟放大信号809可以称为增益128级、增益128信号或增益128数据。

[0051]当在使用增益001级和增益128级作为信道1的输出信号之间进行切换时，加权增益转移电路850提供平稳转换。因此，取代在一个固定点直接从增益128级转换到增益001级，例如，当增益128级大于它的最大值的88％时，来自两个级的数据可用于平稳地转换级。这种平稳减少了如果级没有完美地匹配则可能出现的反常的数据间隔。一个实现其的方法是计算加权系数。例如，这种加权系数可以根据表1基于模拟相乘的信号(增益128级)的数字化等级计算。

增益128标准	增益128权重	增益001权重
			≥0xE146	0	4096
0xE145	1	4095
			…	…	…
0xD946	2048
			…	…	…
0xD147	4095	1
			≤0xD146	4096	0

表1

[0052]在实施例中，表1中提供的权重可以被用作查找表。为了根据表长度和值节省使用存储器和提供灵活性，在实施例中，使用等式(1)和(2)计算表1提供的权重：等式(1)增益128权重＝0xE146-增益128数据，其中计算的增益128权重被限于0≤计算的增益128权重≤4096；和

等式(2)增益001权重＝4096-增益128权重。

然后，信道的加权输出根据等式(3)计算：

等式(3)

[0053]表1是基于模拟相乘的信号809(增益128信号)的最大电平的88％。其它比较标准同样能被使用。例如，在一个实施例中，92％(0xECCC)被用作比较标准。在这种实施例中，对应于增益128标准的表值范围从0xECCC到0xDCCC递减量为1。等式(1)，(2)和(3)相应地被修改。

[0054]图8C是加权增益转换电路850的实施例的示意方框图。模拟相乘的信号809(增益128数据)被提供给减法器852的一个输入。减法器852的另一个输入被连接到值0xE146，最高有效电平的模拟相乘的信号809可以如表1所示。减法器852的输出是模拟相乘的信号权数(增益128权数)。

[0055]减法器852的输出被提供到限制器853。限制器853将减法器852的输出限定为0≤值≤4096的值。减法器852的输出被提供给减法器854的一个输入。减法器854的另一个输入被连接到值4096。减法器854的输出是数字相乘的信号权数(增益001权重)。

[0056]模拟相乘的信号809和增益128权重被输入到乘法器856。类似地，数字相乘的信号807和增益001权重被输入到乘法器858。乘法器856和858的输出被输入到加法器860。加法器860的输出被输入到除法电路862。除法电路862将它的输入除以4096。除法电路862的输出是作为信道输出的加权增益转换电路850的输出。

[0057]图9是图2中图解的数据合并/串行器的一个实施例的示意方块图。如图9所示，来自每个信道的数据的大的并行流被施加到并行寄存器906。例如，来自信道A(108)的峰值信号382可以包含被施加到并行寄存器906的32比特宽的字。类似地，面积信号386也可以是被施加到并行寄存器906的32比特宽的字。此外，信道A(108)的脉冲宽度信号902，以及其它输入904也可以包含被施加到并行寄存器906的32比特宽的字。每个信道，包括信道N(112)，可以包括被并行施加到并行寄存器906的多个32比特宽的数据字。在实际应用中，数据包含32比特宽的字并且也可以包括附加的比特，该附加的比特可以增加并行寄存器906的宽度。在至少一个应用中，并行寄存器906是512比特宽，允许大约15个输入。然后，并行寄存器906生成被施加到进一步缓冲数据的先入先出(FIFO)寄存器908的输出。FIFO寄存器的每个区是32位宽(或其它宽度，如果包括其它比特)并且可以是64层深。换句话说，FIFO908可以提供高达64个事件的事件数据的缓冲。FIFO908的输出是被施加到状态机910的诸如512比特宽信号的大并行信号。状态机910将512比特宽的数据排列成为被顺序施加到总线接口224的32位字的串。然后，总线接口将数据226施加到系统总线128。顺序的32比特宽的字的串可以包含多串数据，该多串数据包括全部包含来自信道A(108)的数据以及同样来自附加信道的数据的峰值信号382、面积信号386、脉冲宽度信号902和其它计算904。因此，系统总线128以顺序方式接收32比特宽的字中的数据以及在系统总线128上下载该数据到各种组件。

[0058]在此揭示的各种实施例提供通过处理芯片的计时数据的优点，诸如按照样本基础的样本上的现场可编程门阵列或专用集成电路，从而获得高吞吐量。包含在处理芯片之内的处理逻辑提供可以被编程到芯片中的各种逻辑以识别细胞用于分类或分折，并且在提供数据的高吞吐量的并行结构中，在上按照样本基础的样本上运行。此外，被拼接在一起提供具有高动态范围的精确的数据和高分辨率数据的多增益线性电路保额提供，该高动态范围允许在流式细胞仪中对细胞更精确的识别。

[0059]上述发明的描述为了说明和描述而呈现。不是意指穷举或限制本发明以准确的形成揭示，并且根据以上教导可以有其它修改和变化。为了最佳说明本发明的原理和它的实际应用，选择和描述本实施例，从而使其它本领域的技术人员能够为了适于特殊的使用打算，在各种实施例和各种修改中最佳运用本发明。附加的权利要求意图解释以包括本发明的其它可选择的实施例，除了现有技术限制的范围。

Claims (27)

1.一种用于生成高分辨率输出数据信号的系统，其特征在于，包含：

按照增益系数放大输入数据信号的模拟放大器；

第一模拟数字转换器，将被放大的输入数据信号数字化；

第二模拟数字转换器，将所述输入数据信号数字化；

数字放大器，将数字化的输入数据信号放大；

选择电路，基于预定标准，在被放大的数字化的输入数据信号和数字化的被放大的输入数据信号之间进行选择作为输出信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包含比较器，所述比较器比较所述数字化的被放大的输入数据信号和所述被放大的数字化的输入数据信号，其中，比较被用于消除所述被放大的数字化的输入数据信号和所述数字化的被放大的输入数据信号之间的不一致。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包含偏移量监视器，所述偏移量监视器监视所述数字化的被放大的输入数据信号中的偏移量，并且基于被监视的偏移量生成控制信号来控制所述输入数据信号的偏移量。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输出信号被处理以确定所述输出信号的一个或多个特性，进一步包含电路，所述电路将以串行方式表示的所述一个或多个特性合并到总线接口单元用于在总线上输送。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统被用于流式细胞仪中。

6.一种用于测量和分析颗粒的一个或多个物理特性的系统，其特征在于，所述系统包含：

光源，所述光源照射所述颗粒以使所述颗粒响应所述光源的照射散热光或发出荧光作为光信号；

射流子系统，在液流中输送所述颗粒经过所述光源；

光学子系统包含一个或多个信道，每个信道过滤和检测所述光信号作为经检测的光信号；和

电子子系统，对每个信道接收和处理所述经检测的光信号，其中，所述电子子系统数字地和模拟地放大每个经检测的光信号，并比较所述经检测的光信号的数字和模拟放大的型式，从而拼接所述经检测的光信号的所述数字和模拟放大的型式以生成输出，所述输出被处理来确定所述颗粒的特性。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，对于每个信道，所述电子子系统包含：

模拟放大器，放大所述经检测的光信号以生成模拟放大的经检测的光信号；

第一模拟数字转换器，将所述模拟放大的经检测的光信号转换成所述模拟放大的经检测的光信号的数字型式；

第二模拟数字转换器，将所述经检测的光信号转换成所述经检测的光信号的数字型式；

数字放大器，放大所述经检测的光信号的数字型式以生成数字放大的经检测的光信号；和

比较器，确定是输出所述模拟放大的经检测的光信号还是输出所述数字放大的经检测的光信号用于进一步的处理。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电子子系统包含可变增益电路，所述可变增益电路控制所述模拟放大的经检测的光信号的电平。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述模拟放大的经检测的光信号和所述数字放大的经检测的光信号之间的比较被用于控制所述可变增益电路的增益。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，进一步包括：

减法器，所述减法器施行所述模拟放大的经检测的光信号和所述数字放大的经检测的光信号之间的比较并生成减法器输出；和

集成器，所述集成器对所述减法器输出进行集成以生成集成的减法器输出，所述集成的减法器输出被输入到所述可变增益电路以控制所述可变增益电路的所述增益。

11.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电子子系统按照样本基础在样本上并行处理所述经检测的光信号。

12.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统被用于流式细胞仪中。

13.一种处理具有大范围振幅的输入数据的方法，其特征在于，所述方法包含：

以预定增益系数放大所述输入数据以产生被放大的输入数据；

数字化所述被放大的输入数据以产生数字化的被放大的输入数据；

数字化所述输入数据以产生数字化的输入数据；

用等于所述预定增益系数的量乘以所述数字化的输入数据从而产生相乘的数字化的输入数据；

比较所述数字化的被放大的输入数据和所述相乘的数字化的输入数据以消除所述数字化的被放大的输入数据和所述相乘的数字化的输入数据之间的不一致；和

基于预定标准在所述数字化的被放大的输入数据和所述相乘的数字化的输入数据之间进行选择以产生高分辨率的输出数据。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括：

监视所述数字化的被放大的输入数据信号中的偏移量；和

基于被监视的偏移量控制所述输入数据信号的偏移量。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述输出信号被处理以确定所述输出信号的一个或多个特性，进一步包含：

合并所述一个或多个特性；和

将被合并的一个或多个特性发给总线接口单元用于在总线上输送。

16.一种处理来自流式细胞仪的多个数据信道的数据的方法，其特征在于，所述方法包含：

数字化所述数据以产生多个数字化数据的信道；

在处理器中并行处理所述多个数字化数据的信道，所述处理器施行：

按照多个被选择的时间延迟，将所述多个数字化数据的信道中被选择的单个的数字化数据的信道延迟，以临时使所述多个数字化数据的信道对齐；

通过将所述多个数字化数据的信道与阈值进行比较，从所述多个数字化数据的信道生成信道触发器；

选择所述信道触发器的子集以帮助生成事件窗口信号；

使用所述处理器中的可编程序逻辑以进一步帮助生成所述事件窗口信号；

从所述多个数字化数据的信道生成数字化的数据输出信号；和

使用所述事件窗口信号选择所述数字化数据输出信号。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述可编程逻辑包含查找表。

18.一种同时处理多个输入数据信号以提供高数据吞吐量的电子控制系统，其特征在于，包含：

多个模拟数字转换器，用于数字化所述多个输入数据信号从而产生多个二进制输入数据信号；

同时处理所述二进制输入数据信号的处理器，所述处理器包含：

临时使所述二进制输入数据信号对齐的多个延迟电路；

通过比较所述二进制输入数据信号与预定阈值生成信道触发器的多个比较电路；

从所述二进制输入数据信号生成二进制输出数据信号的检测器电路；

使用所述信道触发器和可编程逻辑生成事件窗口信号的事件窗口生成器，所述事件窗口信号选择所述二进制输出数据信号的子集。

19.如权利要求18所述的电子控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑包含查找表。

20.如权利要求18所述的电子控制系统，其特征在于，所述电子流系统被用于流式细胞仪中。

21.一种流式细胞仪，其特征在于，包含：

照射颗粒的光源；

一个或多个光检测器，所述光检测器检测由所述被照射的颗粒散射的光或来自所述被照射的颗粒的荧光作为经检测的光信号；

放大所述经检测的光信号的模拟放大器；

第一模拟数字转换器，将被放大的经检测的光信号数字化以生成第一被放大的数字化信号；

第二模拟数字转换器，将所述经检测的光信号数字化以生成数字化的经检测的光信号；

数字放大器，放大所述数字化的经检测的光信号以生成第二被放大的数字化信号；和

拼接电路，将所述第一放大的数字化信号和所述第二被放大的数字化信号组合以生成输出信号，所述输出信号用于得到所述颗粒的一个或多个特性。

22.如权利要求21所述的流式细胞仪，其特征在于，进一步包含偏移量电路，所述偏移量电路确定与第一被放大的数字化信号相关的偏移量，其中，在被所述模拟放大器放大或被所述第二模拟数字转换器数字化之前，被确定的偏移量被用于调整所述经检测的光信号。

23.如权利要求21所述的流式细胞仪，其特征在于，所述拼接电路确定将被施加到所述第一被放大的数字化信号的第一系数，和将被施加到所述第二被放大的数字化信号的第二系数，并且将加权的第一和第二被放大的信号求和作为所述输出信号。

24.如权利要求23所述的流式细胞仪，其特征在于，通过参考存储在存储器中的表得到所述第一和第二系数。

25.如权利要求23所述的流式细胞仪，其特征在于，通过执行等式得到所述第一和第二系数。

26.如权利要求21所述的流式细胞仪，其特征在于，进一步包含用于比较所述第一和第二被放大的数字信号的比较电路，比较被用作至用于匹配所述第一和第二放大数字信号的增益电路的输入。

27.如权利要求26所述的流式细胞仪，其特征在于，所述比较电路是减法器。

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