資料介紹
描述
問題:COVID 測(cè)試速度慢、成本高、擴(kuò)展性差
- 印度是一個(gè)擁有超過 13.5 億人口的國(guó)家,由于測(cè)試成本高、制造緩慢導(dǎo)致缺乏本土測(cè)試套件、最終用戶的技能、無法獲得昂貴的測(cè)試設(shè)備,如 RT-PCR 等
- 設(shè)計(jì)一種診斷 COVID 19 的方法,該方法使用容易獲得的電子設(shè)備(如 CD DVD 播放器),該設(shè)備采用具有成本效益的樣品制備方法來提供快速可靠的結(jié)果。
我們的解決方案:以極低的成本測(cè)試大量樣品
- 我們的軟件使用 CD/DVD 光盤閱讀器技術(shù)對(duì) CD/DVD 光盤上準(zhǔn)備的生物測(cè)定進(jìn)行定量分析,以檢測(cè) COVID 19,可以快速執(zhí)行抗體/抗原測(cè)試、比色測(cè)試等,具有高特異性和靈敏度,但最重要的是在成本相對(duì)可以忽略不計(jì)。
- 我們的方法的成本非常低,因?yàn)樗褂昧巳蚱毡榭捎玫挠布喝魏慰梢赃\(yùn)行 Linux 的計(jì)算機(jī),任何 CD/DVD 播放器的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者,可能需要一個(gè)便宜的適配器來連接兩者。它甚至可以通過 USB在 Raspberry Pi model 1 上運(yùn)行。
- 一種準(zhǔn)備光盤表面的方法,用于在 CD/DVD 表面上進(jìn)行檢測(cè),使用特殊蛋白質(zhì)(由肽鍵連接的短氨基酸鏈)測(cè)試 COVID 19。盡管最重要的是診斷技術(shù),而不是我們對(duì)其進(jìn)行的生物測(cè)試,這也確保了它在未來市場(chǎng)中的可用性和必要性。

我們提出的解決方案涉及對(duì)光盤 (CD/DVD) 的聚碳酸酯層進(jìn)行表面改性,然后開發(fā)一種類似于微量 ELISA 三明治格式的測(cè)定法來檢測(cè) SARS COV-2,并通過 CD/DVD 光盤完成測(cè)定法的表征讀者技術(shù)。為此選擇的檢測(cè)和捕獲分子是一種小肽。
免責(zé)聲明:我們?nèi)栽跍y(cè)試蛋白質(zhì)的效率并等待同行評(píng)審和驗(yàn)證的結(jié)果。此階段完成后,我們將共享所有測(cè)試結(jié)果。最初我們開發(fā)了 COVID 軟件,但我們可以執(zhí)行其他生物分析測(cè)試和許多其他診斷測(cè)試,這將作為開發(fā)中的長(zhǎng)期低成本解決方案國(guó)家。
項(xiàng)目概覽
設(shè)置
使用物品清單:
- 帶電源的樹莓派
- CD(或 DVD/藍(lán)光)閱讀器
- USB 到 IDE/SATA 適配器(在此示例中,CD 閱讀器是 IDE)及其電源和電纜。
- 顯示器、電源線、HDMI線
- 鍵盤、鼠標(biāo)
- 配電電纜


我們的隊(duì)伍
我們是一個(gè)由以下人員組成的團(tuán)隊(duì):
- Gourav Samal (印度 NIT Rourkela 材料工程本科生)擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。
- Stephane Gourichon(法國(guó)巴黎索邦大學(xué))擔(dān)任軟件工程師和項(xiàng)目激勵(lì)者。école Polytechnique (ParisTech) 工程師學(xué)位,Ph.D. 索邦大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè),擁有豐富的工業(yè)/嵌入式系統(tǒng)軟件經(jīng)驗(yàn),包括交通、國(guó)防、安全和健康。
- Ashwin Gopinath教授(美國(guó)麻省理工學(xué)院)作為我們的生物學(xué)專家和顧問。波士頓大學(xué)電機(jī)工程博士,加州理工學(xué)院生物工程系研究科學(xué)家。獲得羅伯特·德克斯分子編程獎(jiǎng)。
- Vamsi Krishna Gotti (Awalk,創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官)。印度 NIT Rourkela 電子與儀器工程本科生 擁有系統(tǒng)設(shè)計(jì)、固件開發(fā)和 Web 應(yīng)用程序開發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)。
- Guna Sai(印度 NIT Rourkela 材料工程本科生)擔(dān)任團(tuán)隊(duì)支持成員。
- 我們中的一些人在巴黎COVID -19 編程馬拉松 HEC/Polytechnique/SciencesPo 上認(rèn)識(shí)了彼此。由于封鎖,我們都在家中遠(yuǎn)程工作。
首先要做的事情:讓我們完成一些基礎(chǔ)知識(shí),這對(duì)于理解該項(xiàng)目非常重要,讓我們了解 DVD 驅(qū)動(dòng)器的工作原理。請(qǐng)?jiān)L問此鏈接以獲取詳細(xì)說明、核心概念和一些極客獎(jiǎng)勵(lì)材料。
參考文獻(xiàn)列表
考慮到該主題的復(fù)雜性和跨學(xué)科性質(zhì),目前該領(lǐng)域的人員已經(jīng)熟悉 ELISA 測(cè)試,但不熟悉基于 CD/DVD 驅(qū)動(dòng)器的診斷。因此,我們提供了一個(gè)鏈接,其中包含一系列科學(xué)文章和補(bǔ)充材料,這將進(jìn)一步幫助他們理解和解釋所獲得的結(jié)果。使用此鏈接下載此項(xiàng)目中使用的所有補(bǔ)充文檔,這些文檔位于一個(gè)文件夾中。
軟件
我們開發(fā)了一個(gè)用于執(zhí)行生物測(cè)定分析的 GUI。
我們針對(duì)廉價(jià)計(jì)算機(jī) Raspberry Pi 編寫了一個(gè)方便的圖形用戶界面 (GUI),也可以在 Linux 臺(tái)式機(jī)上工作,以利用許多現(xiàn)有計(jì)算機(jī)。
我們?cè)谶\(yùn)行 Ubuntu 20.04 和 18.04 以及 ArchLinux 的普通 PC 以及運(yùn)行 Raspberry Pi OS 10(Raspbian,基于 Debian 10 buster)的 Raspberry Pi model 1 上成功測(cè)試了它。
這是 GUI 的樣子:

GUI 基于 Python、NumPy、Qt、pyqtgrah 和 libcdio 構(gòu)建。
如果您有一臺(tái)運(yùn)行 Linux 的計(jì)算機(jī)并且能夠以 root 身份安裝軟件(為 Debian 和 Ubuntu 提供了腳本),說明在 Github 存儲(chǔ)庫中。
然后您可以使用這個(gè)典型的工作流程運(yùn)行 GUI:
- 打開圖形用戶界面
- 選擇您要使用的 CD-Rom 驅(qū)動(dòng)器(如果已經(jīng)選擇了一個(gè))
- 如果您的驅(qū)動(dòng)器沒有物理按鈕,則提供方便的按鈕“彈出”和“關(guān)閉托盤”
- 插入裝有您準(zhǔn)備好的樣本的 CD,然后關(guān)閉托盤。
- 點(diǎn)擊“開始分析”
- 分析將持續(xù)幾分鐘,并會(huì)實(shí)時(shí)顯示圖表。
這個(gè)動(dòng)畫 GIF 顯示進(jìn)度:
有關(guān)更多詳細(xì)信息,包括安裝步驟,請(qǐng)參閱Github 頁面自述文件。我們還提供了 bash 腳本以便于安裝。
某些驅(qū)動(dòng)器可能需要或多或少的時(shí)間來執(zhí)行分析。有些驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)卡住很長(zhǎng)時(shí)間。您可以隨時(shí)按“停止”鍵取消分析并保留局部圖。
底部的圖形隨窗口調(diào)整大小,是一個(gè)交互式 pyqtgraph,您可以在其中縮放。您可以導(dǎo)出 CSV 數(shù)據(jù)以供參考。

峰的位置和高度用作區(qū)分樣品和提供診斷的基礎(chǔ)。
請(qǐng)查看此文檔以執(zhí)行測(cè)試以及如何識(shí)別和解釋結(jié)果。
基于誤差的生物測(cè)定定量
光盤 (CD) 可以重新用作快速、低成本、高通量篩選平臺(tái),用于運(yùn)行生物測(cè)定,而無需修改檢測(cè)硬件(標(biāo)準(zhǔn)光驅(qū))。我們開發(fā)了軟件,通過以C1/PIE和C2/PIF錯(cuò)誤的形式定位錯(cuò)誤位置來識(shí)別錯(cuò)誤扇區(qū)。錯(cuò)誤扇區(qū)的數(shù)量隨著分析物濃度的增加而增加。
該方法可用于執(zhí)行ELISA的定量分析和許多其他類型的定量分析,以及比色法。現(xiàn)在讓我們了解什么是ELISA。
酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)
ELISA(酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定)是一種基于平板的測(cè)定技術(shù),設(shè)計(jì)用于檢測(cè)和量化肽、蛋白質(zhì)、抗體和激素。在 ELISA 中,必須將抗原固定到固體表面,然后與連接酶的抗體復(fù)合。抗原-抗體復(fù)合物是由多種抗原與抗體結(jié)合形成的分子。結(jié)合的抗原和抗體作為一個(gè)單一的對(duì)象。

檢測(cè)是通過與底物一起孵育以產(chǎn)生可測(cè)量的產(chǎn)物來評(píng)估結(jié)合酶的活性來完成的。檢測(cè)策略中最關(guān)鍵的要素是高度特異性的抗體-抗原相互作用。酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定 (ELISA) 原理與其他免疫測(cè)定技術(shù)非常相似。ELISA 依靠特異性抗體結(jié)合靶抗原,以及檢測(cè)系統(tǒng)來指示抗原結(jié)合的存在和數(shù)量。為了最大限度地提高檢測(cè)的靈敏度和精度,必須用高親和力抗體小心地包被板。(“ELISA 基本原理,它是如何工作的?!盵在線]??捎茫?/font>https://www.bosterbio.com/protocol-and-troubleshooting/elisa-principle。)
現(xiàn)在,這些是 ELISA 測(cè)試的生物學(xué)細(xì)節(jié)。對(duì)于定量分析,使用稱為 ELISA 讀取器的設(shè)備。要深入了解 ELISA 測(cè)試以及 ELISA 讀取器的工作原理,請(qǐng)參閱此鏈接?,F(xiàn)在我們將了解我們的軟件如何工作以及我們將如何使用 CD/DVD模仿此設(shè)備的功能并產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果。
重要說明現(xiàn)在我們要做的是利用 CD/DVD 驅(qū)動(dòng)器的特性,使用與 ELISA 讀取器類似的原理來執(zhí)行定量分析,即通過測(cè)定測(cè)量光的吸收率。現(xiàn)在,我們無法直接訪問來自傳感器的原始信號(hào),因此我們找到了一種間接方法來測(cè)量分析物的濃度。這將在接下來的部分中解釋。
CD/DVD 光盤中的錯(cuò)誤
現(xiàn)在讓我們了解什么是 C1/PIE 和 C2/PIF 誤差,以及它們?nèi)绾斡糜诙糠治觥?/font>
1. C1 錯(cuò)誤:這些是最低級(jí)別的位錯(cuò)誤,通常以每秒錯(cuò)誤數(shù)來衡量。此塊錯(cuò)誤率或 (BLER)是光盤質(zhì)量的指示。
2. C2 錯(cuò)誤:這可能是由于母版 CD 刻錄不佳、母版媒體質(zhì)量不佳以及光盤劃痕、標(biāo)記和磨損造成的。C2 錯(cuò)誤是讀取錯(cuò)誤,并不總是光盤的物理缺陷。
3. PIE(僅限 DVD):Parity Inner errors (PIE) 是有錯(cuò)誤的奇偶校驗(yàn)內(nèi)部行數(shù)。如果驅(qū)動(dòng)器無法糾正 PIE,則將其視為 PIF。如果驅(qū)動(dòng)器無法糾正 PIF,則將其視為 POE。
4. POE(僅限 DVD):奇偶校驗(yàn)外部錯(cuò)誤 (POE) 是ECC 塊中不可糾正的奇偶校驗(yàn)外部列的數(shù)量。
(“CD 復(fù)制、DVD 復(fù)制、CD 復(fù)制英國(guó)服務(wù) ? 博客存檔 ? CD 復(fù)制 C1、C2 和 CU 光盤錯(cuò)誤?!盵在線]??捎茫?/font>http ://www.testa-rossa.com/cd-duplication-c1 -c2-and-cu-disc-errors/. )
注意:有關(guān)錯(cuò)誤及其生成方式、錯(cuò)誤更正方法等的更多詳細(xì)說明,請(qǐng)?jiān)L問此鏈接。對(duì)于 DVD 驅(qū)動(dòng)器,PIE 和 PIF 是根據(jù)不同的算法生成的。請(qǐng)?jiān)L問以下鏈接了解更多詳情。標(biāo)準(zhǔn) ECMA 267 (http://www.ecma-international.org),p. 26–30
光學(xué)現(xiàn)象
現(xiàn)在讓我們了解所有這些技術(shù)術(shù)語如何適用于我們的項(xiàng)目:
用于讀取 DVD 和 CD 的傳統(tǒng)光盤驅(qū)動(dòng)器包含執(zhí)行定量化學(xué)和生物分析所需的所有組件。該驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè) 650 和 780 nm 的激光器,分別用于讀取 DVD 和 CD,一個(gè) Si 光電二極管檢測(cè)器,以及一個(gè)用于掃描整個(gè)磁盤表面的精密激光跟蹤系統(tǒng)。在開發(fā)的 Lab-on-DVD 傳感器系統(tǒng)中,從光電二極管提取模擬信號(hào),然后在從光盤讀取數(shù)字內(nèi)容期間將其數(shù)字化并帶入數(shù)據(jù)采集程序。該信號(hào)用于定量檢測(cè)沉積在光盤讀取表面上的化學(xué)或生物測(cè)定的光學(xué)特性的變化。

在沒有檢測(cè)的情況下,激光通過光盤表面?zhèn)鬏敚瑥墓獗P的反射數(shù)據(jù)層反射,然后返回到光電二極管檢測(cè)器。當(dāng)對(duì) CD 或 DVD 光盤的讀取面進(jìn)行檢測(cè)時(shí),激光會(huì)兩次穿過傳感器薄膜,如上圖所示。在傳感器薄膜與化學(xué)或生物物質(zhì)相互作用時(shí),傳感器薄膜的光學(xué)特性發(fā)生變化,導(dǎo)致激光拾取頭的光電二極管檢測(cè)器檢測(cè)到的光量發(fā)生變化,并允許對(duì)測(cè)定響應(yīng)進(jìn)行定量。
傳統(tǒng) CD/DVD 驅(qū)動(dòng)器的光學(xué)系統(tǒng)將激光聚焦到磁盤內(nèi)的反射層上,達(dá)到 ~1 μm 的光點(diǎn),并對(duì)到達(dá)檢測(cè)器的光提供偏振和相位控制。在從磁盤讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí),這些特性對(duì)于抑制環(huán)境光和由磁盤表面的劃痕和其他缺陷產(chǎn)生的光很重要。在當(dāng)前的光盤驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中,這些特性為基于分析中可能產(chǎn)生的各種光學(xué)現(xiàn)象的化學(xué)和生物量化提供了機(jī)會(huì)(見上圖 B)。(RA Potyrailo、WG Morris、AM Leach、TM Sivavec、MB Wisnudel 和 S. Boyette,“用于定量化學(xué)傳感的計(jì)算機(jī)光盤驅(qū)動(dòng)器的模擬信號(hào)采集”,Anal. Chem。,卷。78,沒有。16,第 5893–5899 頁,2006 年。)
原則
這是最重要的部分,我們項(xiàng)目的基礎(chǔ),它是如何工作的。
現(xiàn)在,對(duì)于定量分析(或者可以稱之為多重生物篩選),我們開發(fā)了一種軟件,該軟件將根據(jù)上述各種光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)進(jìn)行定量分析。由于這些現(xiàn)象取決于多種因素,我們必須控制其中的一些因素以測(cè)量所需參數(shù)的分析物濃度、蛋白質(zhì)的存在與否等。因此,圓盤表面的任何不規(guī)則都會(huì)產(chǎn)生各種影響。這些影響將以錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的形式出現(xiàn),但為此,我們需要了解大小為 ~200 nm (> λ/4) 的物體才能引起激光反射的顯著中斷(以創(chuàng)建“可讀的” ” 數(shù)字信號(hào))在標(biāo)準(zhǔn)光驅(qū)中。
生物大分子(通常為幾納米)太小而無法檢測(cè);因此,必須放大分子結(jié)合信號(hào)。我們的意思是,使用現(xiàn)成的檢測(cè)分子,我們可以通過產(chǎn)生大到足以阻擋/散射激光的分子來放大信號(hào),從而產(chǎn)生光驅(qū)可檢測(cè)到的讀取錯(cuò)誤。在飽和濃度下,可以用肉眼觀察到結(jié)合點(diǎn)。有關(guān)詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱ELISA 底物和標(biāo)準(zhǔn) ELISA 程序。
請(qǐng)注意,我們?cè)跍y(cè)定中使用陽性和陰性對(duì)照,以便我們可以檢查假陽性、測(cè)定的有效性并優(yōu)化測(cè)定程序。
我們用不同濃度的染料標(biāo)記了圓盤的表面。該軟件將掃描光盤并根據(jù) y 軸上的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)及其在 x 軸上的邏輯位置(稱為扇區(qū)號(hào))/播放時(shí)間生成圖表。下面給出了一個(gè)例子。

重要說明:我們可以通過使用已知濃度的樣品/分析物繪制校準(zhǔn)曲線來標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試結(jié)果。然后掃描實(shí)驗(yàn)樣品,根據(jù)校準(zhǔn)曲線擬合數(shù)據(jù),求出分析物的濃度。
使用我們的軟件,可以在圓盤本身的表面上進(jìn)行 ELISA 測(cè)試和更多實(shí)驗(yàn),并且具有高靈敏度。可以使用下面給出的公式確定 CD 上發(fā)生反應(yīng)/結(jié)合事件的位置(如果它顯著干擾激光讀取過程)。

如下圖所示,典型的 700-MB CD-R 包含 79.7 分鐘音頻數(shù)據(jù)的可編程區(qū)域半徑為 58 毫米,25 毫米為中心部分的半徑。這個(gè)可編程區(qū)域是我們的實(shí)驗(yàn)區(qū)域。檢測(cè)只能在這部分開發(fā),否則會(huì)導(dǎo)致讀取光盤時(shí)出錯(cuò)。

對(duì)于 DVD,可以使用相同的公式,將常數(shù)替換為符合 DVD 規(guī)格的常數(shù)。該公式也可以使用邏輯位置而不是播放時(shí)間以不同的格式編寫。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)尺寸的單面 DVD,總數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為 4.7 GB,數(shù)據(jù)記錄在半徑為 24 毫米至 58 毫米的區(qū)域。等式 1 和 2 都是必需的,因?yàn)槲覀兛梢愿鶕?jù)相應(yīng)的物理位置(即扇區(qū)距光盤中心的徑向距離)轉(zhuǎn)換誤差分布圖。這消除了數(shù)據(jù)的擴(kuò)展,因?yàn)楣獗P外部的扇區(qū)多于內(nèi)部。
光盤上的生物測(cè)定
可以在 CD/DVD 的表面上執(zhí)行不同種類的生物測(cè)定。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目,我們只考慮在光盤(CD、DVD 等)的表面進(jìn)行 ELISA。CD、DVD 的表面由聚碳酸酯材料制成,這使得它們適合執(zhí)行 ELISA 測(cè)試,因?yàn)橐呀?jīng)進(jìn)行了廣泛的研究以優(yōu)化測(cè)試參數(shù)。然而,我們必須注意,其他一些測(cè)試,如用于病毒檢測(cè)的基于抗體/抗原的測(cè)試、檢查水污染水平以及更多測(cè)試,可以使用前面描述的相同原理和光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行。可能性是無限的。
專門針對(duì) COVID 19 的檢測(cè),我們找到了一種合適的蛋白質(zhì),可作為檢測(cè)分子/抗原/抗體。我們需要大量的臨床試驗(yàn)才能100%確定實(shí)際數(shù)字,并優(yōu)化試劑的檢測(cè)參數(shù)和用量。到那時(shí)我們將無法提供確切的蛋白質(zhì),因?yàn)槲覀兩形词盏浇?jīng)過驗(yàn)證的結(jié)果。就過去的研究而言,這種使用基于誤差的分析方法可以檢測(cè)出超過80%的靈敏度。
請(qǐng)?jiān)诖随溄?/font>中找到在光盤上準(zhǔn)備 ELISA 測(cè)定的詳細(xì)步驟。請(qǐng)謹(jǐn)慎行事,因?yàn)樵撝黝}非常敏感,因?yàn)樗c傳染病的診斷有關(guān)。盡管您也可以使用此軟件進(jìn)行非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。
經(jīng)常問的問題
問:當(dāng)有如此多的驅(qū)動(dòng)器時(shí),人們?nèi)绾芜M(jìn)行任何有意義的測(cè)量,其中大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器的固件如此古怪,甚至都不是測(cè)量設(shè)備?
答:這是我們想法的概念證明。我們正在努力通過使用定制硬件(即經(jīng)過少量修改的 CD/DVD 驅(qū)動(dòng)器和一些額外的硬件來標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果)來獲得更好的靈敏度和特異性。我們還計(jì)劃提供具有已知屬性且適合運(yùn)行此類測(cè)試的光盤。
問:光盤卡住、驅(qū)動(dòng)器可能不同、驅(qū)動(dòng)器無法識(shí)別等運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤怎么辦?
一種。這可以使用我們?cè)诓牧锨鍐魏椭暗奶囟ㄎ臋n中提到的推薦硬件來解決。這些可以通過其他方式解決;視情況而定。
結(jié)論:
- 我們的軟件有助于以極低的初始投資成本和每個(gè)樣本試劑成本提高 COVID 19 和其他生物測(cè)定的測(cè)試。
- 它為技術(shù)/非技術(shù)用戶提供了一個(gè)平臺(tái),可以輕松地進(jìn)行生物測(cè)定的定量分析。
得到教訓(xùn)
- 無論人們來自哪里,無論他們來自哪里,甚至在家中也可以聚在一起用廉價(jià)的電子產(chǎn)品制造出真正令人驚嘆的東西。
- CD/DVD 等消費(fèi)電子產(chǎn)品堪稱現(xiàn)代工程奇跡。但是,它們的工作方式、對(duì)它們完整功能的訪問權(quán)限都無法公開獲得,也沒有得到很好的記錄。
未來的計(jì)劃
- 我們正在構(gòu)建另一個(gè)原型,它使用 DVD 驅(qū)動(dòng)器和一些額外的硬件來從驅(qū)動(dòng)器中獲取原始數(shù)據(jù),并在執(zhí)行分析時(shí)提供更好的靈敏度。
- 在護(hù)理點(diǎn)環(huán)境中制作獨(dú)立的診斷系統(tǒng),提供廉價(jià)和高吞吐量的診斷。
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