CN113175952A - 面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置，包括器官芯片腔室模块(1)、信号采集单元(2)、信号放大和调理模块(3)和单片机控制模块(4)，上述模块或单元集成安装在同一基板上。通过时分复用功能实现了高通量测量的可能性，能够针对单片机系统有限数量的端口连接更多的传感单元。提高了系统测量的自动化程度，为器官芯片长时间连续测量节约了人力。提高数据获取的稳定性与可靠性，降低了人为操作因素造成失误的可能性并避免了手动测量造成的系统误差。
Description
技术领域
本发明涉及芯片装置，特别涉及面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置。
背景技术
人体器官芯片(Organ-on-a-Chip)是通过芯片中开展细胞体外培养，模拟人体器官功能的一项新兴科学技术。人体器官芯片可以为医学、药学和生命科学研究提供与人体环境相仿的模型，为药物研发和筛选、疾病模型构建等研究提供替代动物和临床实验的数据。然而，目前器官芯片应用过程中面临着模型特征不统一的困扰，所获取的数据不具有普遍适用性，因而限制其实际应用。
为了获得器官芯片使用过程中微组织器官本身的结构与功能信息及周围环境状态的变化过程，需要通过光学、电学、光谱等分析手段开展精准测量。其中，商用传感器及微电极阵列已经被证明可以用于微组织器官的电生理及芯片内温度、pH、离子及蛋白浓度的测量。由于需要对器官芯片内不同位置的多种生化参数开展监测，所设置的传感单元远远多于现有单片机等微处理单元的端口数，因而亟需构建一套能够分时复用的多路信号采集及控制系统，辅助器官芯片内开展高通量自动化检测。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供多路信号采集控制装置用于监测器官芯片内的环境和体外培养的微组织器官电生理状态，解决器官芯片长时间、高通量、自动化监测的问题。
技术方案：本发明提供一种面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置，包括器官芯片腔室模块、信号采集单元、信号放大和调理模块和单片机控制模块，上述模块或单元集成安装在同一基板上。
进一步地，不同模块或单元之间的信号通路通过印刷电路板或金属连接线的方式连接。所述信号采集单元置于器官芯片腔室内或者不同腔室之间的流体通道内，其采集的电信号经信号放大和调理模块处理后传输到单片机控制模块的模拟信号输入端，同时单片机控制模块的数字信号端生成寻址编码用于不同器官芯片腔室的选择。所述信号采集单元可选用可输出模拟电压或者电流信号的传感器，也可选用微电极阵列。所述信号放大和调理模块选用运算放大器对信号采集单元获得的电压信号进行放大处理，使其电压幅值位于-10至10伏之间。所述单片机控制模块选用MSP430系列单片机，其模拟信号输入端口不少于8路，数字信号端口不少于4路。
通过在器官芯片腔室模块内设置微电极或者传感器等信号采集单元，所采集的电信号经放大和调理电路处理后传输到单片机的模拟信号输入端，同时单片机的数字信号端生成寻址编码用于不同器官芯片腔室的选择。
有益效果：本发明通过时分复用功能实现了高通量测量的可能性，能够针对单片机系统有限数量的端口连接更多的传感单元。提高了系统测量的自动化程度，为器官芯片长时间连续测量节约了人力。提高数据获取的稳定性与可靠性，降低了人为操作因素造成失误的可能性并避免了手动测量造成的系统误差。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例一：多腔室并联芯片的多参数测量
本实施例中器官芯片腔室模块1选用12孔细胞培养板，每个孔内安装的信号采集单元2包括一个温度传感器pt100，一个pH传感器，一个溶解氧传感器，一个钠离子浓度传感器。信号放大和调理模块3由恒流源电桥电路、AD620放大电路、50Hz陷波电路构成。单片机控制模选用MSP430F5529。
单片机控制模块4的数字信号端输出四位二进制编码，分别对应12孔细胞培养板的12个腔室。利用单片机自带时钟信号生成循环触发信号，每隔1小时扫描一次，每个腔室的信号采集时间为30秒。当二进制编码与对应的腔室编码一致时，生成高电平信号触发对应的4个传感器。
信号放大和调理模块3可以将4路输入的模拟电压信号调至0-5V的范围后，输入至单片机模拟输入端，存储单元按照顺序记录相应的数据。
实施例二：多腔室串联芯片的温度测量
本实施例中器官芯片腔室模块l选用12孔细胞培养板，每个孔内安装的信号采集单元2包括四个温度电阻模块。信号放大和调理模块3由恒流源电桥电路。单片机控制模选用MSP430F5529。
单片机控制模块4的数字信号端输出四位二进制编码，分别对应12孔细胞培养板的12个腔室。利用单片机自带时钟信号生成循环触发信号，每隔1分钟扫描一次，每个腔室的信号采集时间为5秒。当二进制编码与对应的腔室编码一致时，生成高电平信号触发对应的4个传感器。
信号放大和调理模块3可以将4路输入的模拟电压信号调至0-5V，分别对应实际温度为30至50℃，预设36-38℃为适宜的温度区间。如果测量的温度低于或高于该区间，发出报警提示。
Claims (6)
1.一种面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置，其特征在于：包括器官芯片腔室模块(1)、信号采集单元(2)、信号放大和调理模块(3)和单片机控制模块(4)，上述模块或单元集成安装在同一基板上。
2.根据权利要求1所述的面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置，其特征在于：不同模块或单元之间的信号通路通过印刷电路板或金属连接线的方式连接。
3.根据权利要求1所述的面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置，其特征在于：所述信号采集单元(2)置于器官芯片腔室(1)内或者不同腔室之间的流体通道内，其采集的电信号经信号放大和调理模块(3)处理后传输到单片机控制模块(4)的模拟信号输入端，同时单片机控制模块(4)的数字信号端生成寻址编码用于不同器官芯片腔室的选择。
4.根据权利要求1所述的面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置，其特征在于：所述信号采集单元(2)可选用可输出模拟电压或电流信号的传感器，也可选用微电极阵列。
5.根据权利要求1所述的面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置，其特征在于：所述信号放大和调理模块(3)选用运算放大器对信号采集单元获得的电压信号进行放大处理，使其电压幅值位于-10至10伏之间。
6.根据权利要求1所述的面向器官芯片原位测量的多路信号采集控制装置，其特征在于：所述单片机控制模块(4)选用MSP430系列单片机，其模拟信号输入端口不少于8路，数字信号端口不少于4路。
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