体外诊断原理与设计简介

体外诊断仪器原理与设计PrincipleandDesignofInVitroDiagnosticInstrument简介IVD概述Introductionof

IVD“体外诊断（InVitroDiagnosis，简称IVD）指在人体外通过某种设备和试剂对人体的血液、体液、组织及分泌物等样品进行检测，然后与正常的指标做比对，从而获取临床诊断信息的一系列过程。主要应用于感染性疾病检测、艾滋病检测、心血管疾病检测、肿瘤标志物检测、免疫性疾病检测、肾脏疾病检测和药物检测等方面。1.1体外诊断分类类别概述特点生化诊断通过各种生物化学反应，测定体内酶类、糖类、脂类、蛋白和非蛋白氮类、无机元素类等生物指标的诊断方法侧重于对样品中高浓度化学物质的检测，精度要求低，线性范围较宽免疫诊断通过抗原与抗体相结合的特异性反应进行测定的诊断方法侧重于对样品中微量物质的检测，精度要求较高，线性范围较窄分子诊断对与疾病相关的蛋白质和各种免疫活性分子及编码这些分子的基因进行测定的诊断方法侧重于对样品中基因及分子的检测血液诊断对血细胞、止凝血、尿液、胸液、脑积液等进行检验，诊断各种血液、神经、消化、生殖等系统的疾病侧重于对样品中细胞等有形物质的检测微生物诊断通过对临床标本进行病原学诊断和药物敏感性分析，为临床感染性疾病的预防、诊断、治疗和疗效观察提供科学依据侧重于对样品中微生物的检测新冠抗原自测和核酸检测分别属于哪一类？体外诊断产业链原材料生物原料、化学原料、电子元器件、包装材料等研发生产体外诊断试剂体外诊断仪器应用场景血站、医疗机构、疾控中心、医学实验室、体检中心上游中游下游

通过对产业链的分析，可以让我们快速的了解行业的整个闭环，有利于梳理我们上下级的关系，从而做到心中有数。上游——原料

常见的体外诊断的原料主要包括酶、抗原、抗体等体外诊断试剂的关键原料。我国近些年体外诊断的发展十分迅速，同时作为产业链上游的体外诊断原料的市场需求也相应的快速扩大，整体的市场规模市场规模由2017年的57.8亿元增长至2022年的119.2亿元，复合年均增长率达15.6%。保守预计2023年的市场规模将有望达到137.6亿元。整个行业的上游产业链呈现快速增长，一方面反映了我国IVD行业的蓬勃发展，国内IVD企业的百花齐放，另外一方面也侧面反映出未来我国IVD的前景也是非常的美好。上游——原料进出口市场

从整个市场格局而言，进口的上游原料产品依然占据体外诊断试剂原料市场的主导地位，但国产产品整体的增长速度是要快于进口的。上游——原料竞争格局名称使用场景主要用途企业抗原/抗体酶联免疫分析、化学发光免疫分析，胶体金倒向层析、荧光免疫侧向层析等检测平台反应物Hytest、Medix、Meridian、菲鹏生物、金斯瑞、阿匹斯酶/辅酶/酶底物生化、免疫、分子、POCT、凝血、血糖等几乎所有的体外诊断子领域标记物罗氏、东洋纺、菲鹏生物、瀚海新酶磁微粒/微球/NC膜磁微粒化学发光、胶乳免疫比浊、免疫荧光、液相芯片、核酸提取等关键材料与反应载体Merck、GE、ThermoFisher、JSR、万孚生物

体外诊断试剂的上游的核心原材料基本被跨国企业所垄断，而国内以试剂原料作为主营业务的领军企业是菲鹏生物，目前在原料领域发展势头强劲。中游——全球体外诊断市场规模650727833117012741438近年来，体外诊断已经发展成为医疗健康市场最活跃、增长最快的领域之一，由于新冠检测需求激增，2021年起全球体外诊断市场规模显著增长。中游——全球体外诊断市场竞争格局

体外诊断在全球范围内市场集中度较高，形成以罗氏、雅培、丹纳赫、西门子为主的“4+X”较为稳定的格局。行业前十销售收入均在10亿美元以上，全球市占率加起来达69%。中游——中国体外诊断行业发展历程市场导入期：

2001年以前，国产体外诊断企业数量少，技术低，医院检验市场基本由外资品牌垄断。成长初期：2001年～2010年，国产企业在生化、酶联免疫诊断领域随着技术逐步提加强，产品质量稳步提升，行业内诞生一批以生化和酶联免疫为主要产品的中小型企业。快速发展期：2010年～2016年，国产全自动化学发光、分子诊断等技术取得重大突破，行业内优秀企业陆续登陆资本市场并快速发展。升级取代期：2016年之后，国内企业不仅在中低端免疫诊断产品中逐步扩大市场占有率，还在外资垄断的化学发光和分子诊断领域开始实现部分进口替代中游——中国体外诊断市场容量7138711075124314241603

以中国为代表的新兴体外诊断市场增长迅猛。我国体外诊断产业在政策扶持、下游市场需求膨胀、技术进步的带动下经历了快速发展，产业化程度迅速提高。中游——中国体外诊断市场竞争格局

我国体外诊断市场外资品牌占据主导地位，目前国产品牌市场份额和集中度都比较低。迈瑞医疗占率7%（擅长血液生化免疫）、安图生物3%（擅长免疫微生物）、万孚生物2%（擅长POCT）、迈克生物1%（擅长生化）。相比之下，国产实力较弱。中游——中国体外诊断细分领域分布

由于中国人口基数大，许多慢性疾病如糖尿病、心脑血管疾病的发病率逐年升高，作为常规检测项目的生化和免疫诊断依旧会在市场上占有较大比例。中游——中国体外诊断主要企业及产品类型公司名称产品类型核心竞争力科华生物免疫、生化、分子诊断试剂及相关配套仪器的生产及销售，并以免疫诊断为主拥有生产批件及注册证百余个，多项产品通过了CE认证利德曼生化、免疫诊断试剂及配套仪器的生产和销售。同时生产诊断酶、抗原、抗体等生物化学原料诊断试剂的上游原料逐步实现自产。在化学发光诊断方面处于国内领先水平迈克生物生化诊断、酶免试剂、化学发光、POCT、血液等类别以及化学发光分析仪，涵盖了近100项检测项目拥有体外诊断产品注册证书228项，重视产品质量，有量值溯源参考实验室。美康生物生化及免疫诊断试剂及仪器国内少有的拥有全产业链的企业，第三方实验室的开发与发展前景广阔达安基因配合进口仪器的分子诊断试剂的生产和销售，同时提供临床检测服务国内分子诊断细分领域的龙头企业，在高端的核酸试剂领域处于领导者地位新产业化学发光诊断产品及配套仪器很早入主化学发光的热点，在市场上的优势明显迪瑞医疗生化及免疫诊断试剂。拳头产品为血液分析仪及尿液分析仪尿液分析仪的市场占比超过三分之一。万孚生物快速诊断试剂、设备等POCT产品POCT产品在市场上有很强的优势下游——医疗卫生机构

医疗机构是体外诊断行业重要应用场景。2021年末，全国医疗卫生机构总数为103.1万个，比上年增加8013个。其中：医院3.66万个，基层医疗卫生机构97.8万个，专业公共卫生机构1.33万个。下游——健康体检规模

近年来，随着国民生活水平的提高以及健康意识的增强，健康体检行业市场需求旺盛。IVD仪器功能模块“1.2

各种体外诊断仪器因检测的项目不同，其检测原理、分析技术各异，结构和组成也有较大差异。但总体来说，基本构成都离不开液路、气路、光路、电路以及机械传动系统。其中，液路和气路主要与取样、加样、试剂运转、清洗及废液排弃等有关；光路和电路主要与信号检测、信息综合处理有关；而机械传动系统则贯穿整个检测分析的全过程。

按功能进行分类，可分为光学模块、运动模块、移液模块、液路控制模块和温控模块5个类别。光学模块体外诊断仪器的光学模块主要用于对样品和试剂反应后产物的光学特性进行检测，从而计算待测样品中成分的含量，通常由光源、分光器和光电检测器组成。除此之外，光学模块也常用于移液、样品传动等运动过程中的位置检测。运动模块体外诊断仪器的运动模块按功能分类可以分为取样运动模块、样品传动模块、搅拌混匀模块等。其中，取样运动模块的功能是吸取、转移注射样品或试剂，是体外诊断仪器的重要组成部分之一。取样运动模块需要完成的工作有两个部分，一是水平面上达到预定的取样位置；二是取样针垂直水平面移动，下降到液面以下吸取样品，然后抬升进行后续动作。取样运动模块——Z轴-R平面构型机械臂Z轴-R平面构型机械臂具有一个竖直移动关节和水平旋转关节，分别由竖直移动电机和水平旋转电机控制，其中，水平旋转电机控制取样臂进行水平转动，转轴旁配有一个槽型光耦，用于确定取样臂的水平位置。竖直移动电机则控制取样臂进行上下运动，使取样针在水平面上到达取样位置后能够下降到液面实现取样和加样，竖直方向亦配有一个确定竖直位置的槽型光耦。取样运动模块——X-Z轴构型机械臂X-Z轴构型机械臂包括一个竖直移动关节和水平移动关节，两个关节同样由两个步进电机进行控制，取样针安装在竖直机械臂下端，水平步进电机控制取样针进行直线移动，竖直电机则进行竖直移动，每个移动方向均有一个槽型光耦进行位置的确定，从而保证直线取样和加样的精确进行。取样运动模块——XYZ轴构型机械臂XYZ轴构型机械臂包括三个平移关节，分别对应X、Y、Z轴三个方向上的移动，由三个步进电机进行控制，前两个关节（X轴和Y轴）用来确定试管位置，最后一个关节（Z轴）则实现在竖直方向上的上下移动。此构型通过精确控制取样针/夹爪的三个轴进行单一的移动动作，就可以实现样品或试剂的高精确定位和移液/移杯，定位时相当于坐标轴定位。样品传动模块——样品的传动

样品传动是指反应杯或试纸的传动，一般为直线运动，采用类似于传送带推动或夹爪夹取移动的方式，使样品在储存区、装载区、反应区及清洗区之间进行传递，是实现设备全自动的关键模块。样品传动模块——转盘的传动样品盘是存放样品、试剂的装置，反应盘则是样品与试剂进行化学反应的装置，试管的尺寸和数目决定了转盘的规格。转盘由一个步进电机通过同步带和滚珠花键带动花键轴进行水平转动，中心固定轴则不动，同时，为了保证转盘上的所有试管位置都可以被取样针进行加样操作，在转盘底部还需要配有一个光耦对反应盘的初始位置进行检测。样品传动模块——搅拌混匀模块搅拌混匀模块通常具有旋转、竖直移动和搅拌等功能，可以对样品和试剂的混合液体进行搅拌混匀，使其充分接触，更快、更完全地进行化学反应。目前使用较多的搅拌摇匀模块有三组搅拌棒，具有“一搅二洗”的模式，当第一组在搅拌时，第二组同时对搅拌棒进行碱性清洗液的清洗，第三组则进行离子水清洗。三组搅拌棒循环使用，能够高效合理的冲洗搅拌，提高检测速度，并且降低了交叉感染发生的几率。移液模块

移液模块用来对待测液体（人体体液，如血清标本、尿液）进行定量取样、分配，完成稀释或混合动作，是体外诊断仪器最终达到“高精度”检测目标的重要组成部分，具体由微量泵（柱塞泵）、取样针、导管、液面检测、压力传感器（凝块检测）等部件组成。液路控制模块

体外诊断仪器为达到测试多种指标的目的，有时需同时使用多种液体试剂，例如，全自动血细胞分析仪通常使用了稀释液、清洗液、溶血素三种液体。因此，体外诊断仪器需要液路控制模块来控制多种液体在液路系统中的流动次序、流动方向，以及每种液体在液路系统中的流动路径、流动速度及流量，主要由导管、电磁阀、微型气压泵等组成。温控模块

温控模块是体外诊断仪器为化学反应、酶促反应、细菌培养、试剂存储等提供温度保障和精准控制的重要模块。按照温度控制范围可分为加热恒温模块和制冷恒温模块两类。加热恒温模块依靠加热装置为反应容器或环境提供模拟人体温度的精确控制。制冷恒温模块则为仪器的试剂仓、样品存储单元等提供合适的低温存储环境。IVD实验平台“1.3

体外诊断实验平台是针对于体外诊断仪器开发的开源实验平台，将市面上常见的全自动体外分析设备拆分为四款不同的实验平台，便于学习体外诊断仪器开发过程中涉及的各个模块（如步进电机、光耦、液面检测模块、柱塞泵、微型泵、电磁阀、夹爪和凝块检测模块）的工作原理，并掌握体外诊断仪器开发从硬件到软件的完整开发流程。四款体外诊断实验平台体外诊断实验平台控制板液面检测与移液实验平台（IVD1）

液面检测与移液实验平台（IVD1）集成了Z轴-R平面构型的机械臂、自动液面检测和加样取样等技术。电器件主要由步进电机、光耦、柱塞泵以及液面检测模块构成。IVD1——步进电机步进电机广泛应用于各种开环控制，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，通过控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速，而通过控制步进脉冲的个数，则可以对电机精确定位，从而实现样品和试剂的精确移动和定量加样。IVD1——光耦槽型光耦又称作槽形光电开关，是以红外光为媒体，由发光体与受光体间的光路遮挡或由反射光的光亮变化为信号，检测物体的位置、有无等的装置，在体外诊断实验平台中主要用于取样臂、夹爪、柱塞泵等部件的定位和归位校准。IVD1——柱塞泵柱塞泵与取样针连通，可以控制取样针进行取样和加样。柱塞泵是移液模块的心脏，承担着检测试剂和样品的精确泵入和泵出工作，其泵量的精度直接影响着整台体外诊断仪器加样的精度。IVD1——液面检测模块液面检测是体外诊断取样和加样过程中的一项关键技术，能够对试管中样品或试剂的剩余液量进行液面检测，提高效率，尽可能缩短移液模块的处理时间；可以避免缺液导致的空吸现象影响生物化学反应的检验结果；够控制取样针探入液面的深度，最大限度减少取样针挂液现象引起的携带污染。直线加样与液路清洗实验平台（IVD2）

直线加样与液路清洗实验平台（IVD2）集成了X-Z轴构型的机械臂、液面检测、加样取样和液路清洗等技术。电器件主要由步进电机、光耦、柱塞泵、电磁阀、直流泵以及液面检测模