一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統的製作方法

2023-09-23 18:47:05

一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，解決了現有細胞計數儀器結構複雜、造價昂貴、實現不便，且難以滿足當下各領域特別是臨床檢測領域的需求的問題。該基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統包括：光源子系統，用於提供光源；雙通道微流控制系統，為細胞流通提供通道並產生電脈衝；細胞脈衝信號採集系統，對所述雙通道微流控制系統傳遞的電脈衝進行採樣；智能圖像採集和圖像處理系統，由所述細胞脈衝信號採集系統採樣的電脈衝激活並對細胞形態進行分析記錄。本發明成本低、攜帶輕便、分析快速、高通量且易操作。
【專利說明】一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統。

【背景技術】
[0002] 細胞計數在生物學基礎研究和臨床檢測應用中都具有非常重要的意義，例如：藥 物開發研究中，常需考察藥物對目標細胞的作用效果，需定量對細胞進行計數；醫院內為確 認癌症病人是否存在癌細胞擴散，也需對其血液內癌細胞進行計數。因此，對各類細胞，尤 其是某些特定的稀少細胞的快速準確的定量計數顯得異常重要。
[0003] 現有技術中，一般採用流式細胞計數儀作為主要的檢測工具，流式細胞計數儀主 要是通過光譜識別方法，利用不同細胞對特定波長的光源透射及反射信號的不同，來進行 區分與計數。但是，流式細胞計數儀需要集成光源及精準的光學探測器，因此體積龐大而且 造價昂貴，過程複雜，而且需要專業人員操作，不適用於現場操作。
[0004] 此外，也可以通過成像方法，即用細胞在顯微鏡下成像的方法區分不同細胞。目前 常用的細胞檢測技術採用表面化學技術的微流通道捕獲細胞，其計數仍然在傳統顯微鏡下 實現，無法適應高通量的需求，如：發明創造名稱為"血細胞分析儀及分析方法"，申請號為： 200810179322. 1的中國專利申請；以及發明創造名稱為"一種基於圖像識別的細胞計數方 法"，申請號為：201010282484. 5的中國專利申請，該申請公開文件中就記載了一種需要用 到傳統顯微鏡的細胞分析計數裝置。
[0005] 像流式細胞儀需要對快速流動的細胞進行顯微成像，通常需要克服兩個主要問 題： (1)顯微鏡的焦深調整。為了使細胞成像清晰，必須將流動的細胞約束在顯微鏡的焦 深範圍內。焦深主要取決於顯微物鏡的數值孔徑，對於數值孔徑很大的成像物鏡，焦深非常 小，很難將樣品約束在焦深範圍內。當待測細胞的大小大於焦深時，系統只能對細胞的局部 成清晰像，處在焦深外的部分將得到離焦模糊像。
[0006] (2)對流動的細胞成像。由於細胞與相機之間存在相對運動，會造成圖像拖尾問 題。通常可以通過減小曝光時間，使得細胞在曝光時間範圍內運動的距離小於成像的空間 解析度，細胞近似為靜止，從而克服拖尾問題，但是較短的曝光時間將降低系統的靈敏度。 如果採用特殊的時間延時積分相機（TDI相機）對流動的細胞進行拍攝，細胞像的流動方向 與相機的行掃描方向相同並且同步，相對於相機，整個過程中細胞處於靜止狀態，從而克服 拖尾問題。然而TDI相機價格昂貴，體積龐大，採用TDI相機探測將會使得系統的成本增加， 而且如果細胞的流速與TDI相機的行掃描稍微不同步，亦會造成拖尾。
[0007] 結合上述可知，現有技術中的細胞計數儀器已難以滿足當下各領域特別是臨床檢 測領域的需求。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的在於克服上述缺陷，提供一種造價低廉、成像清晰且能滿足當下各 領域特別是臨床檢測領域的需求的基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統。
[0009] 為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下： 一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，包括： 光源子系統，用於提供光源； 雙通道微流控制系統，為細胞流通提供通道並產生電脈衝； 細胞脈衝信號採集系統，對所述雙通道微流控制系統傳遞的電脈衝進行採樣； 智能圖像採集和圖像處理系統，由所述細胞脈衝信號採集系統採樣的電脈衝激活並對 細胞形態進行分析記錄。
[0010] 優選的，所述光源子系統為LED光源；此外還可採用如滷素燈、單色光源、雷射束 等。
[0011] 具體的說，所述雙通道微流控制系統包括微流控晶片，兩條分別設置於微流控芯 片內部的底部兩側的微流控管道，以及分別設置於微流控晶片兩端並與所述微流控管道連 通的樣品輸入口和樣品輸出口；在兩個所述的微流控管道靠近樣品輸出口的一端設有與細 胞脈衝信號採集系統連接的電極。
[0012] 優選的，所述微流控晶片是透明的PDMS微流控晶片。
[0013] 進一步的，所述樣品輸入口裝有微量注射泵。
[0014] 再進一步的，所述樣品輸出口裝有收集廢液的容器。
[0015] 具體的說，所述細胞脈衝信號採集系統包括與所述兩個微流控管道靠近樣品輸出 口的一端設置的電極連接的差分信號放大電路，通過濾波器與差分信號放大電路連接的數 模轉換器，以及與數模轉換器連接並用於濾去幹擾信號的有源濾波器電路。
[0016] 具體的說，所述智能圖像採集和圖像處理系統包括圖像傳感器晶片；所述的微流 控晶片直接貼合於所述圖像傳感器晶片之上。
[0017] 優選的，所述圖像傳感器晶片為CMOS圖像傳感器晶片或C⑶圖像傳感器晶片。
[0018] 進一步的，所述微流控管道長度小於或等於CMOS圖像傳感器晶片像素陣列的對 角線長度。
[0019] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果： (1)本發明中微流控晶片直接貼合於圖像傳感器晶片之上，無需物鏡，不僅能有效地克 服顯微成像時焦深小的局限性，且不同於其它成像流式細胞儀的側向成像方式，本發明的 成像方向與細胞的流動方向平行，從而可以抑制拖尾問題，成像質量更清晰。
[0020] (2)本發明採用細胞電脈衝激發系統，當有細胞經過微控流晶片時，產生電脈衝信 號，電脈衝信號激發圖像傳感器晶片，圖像傳感器晶片自動對細胞的圖像及形態進行分析 與記錄，極大地提高了本發明有效數據的收據率，降低了功耗。
[0021] (3)本發明中雙通道微流控制系統包括微流控晶片，該微流控晶片內部的底部兩 側分別設有一條微流控管道，細胞可通過任一管道流通，從而極大地提高了微控流晶片的 處理速度。
[0022] (4)本發明能夠對細胞進行顯微成像，獲得細胞的形態及內部結構信息，基於脈衝 觸發機制系統可以大大節約信息儲存空間降低系統整體功耗；此外，可以同時對不同細胞 進行區分、檢測，提高檢測速度，實現高通量。
[0023] (5)本發明成本低、攜帶輕便、分析快速、高通量且易操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明中微流控晶片和圖像傳感器晶片的側視圖。
[0025] 圖2是本發明中微流控晶片和圖像傳感器晶片的俯視圖。
[0026] 圖3是本發明中細胞脈衝信號採集系統的電路圖。
[0027] 圖4是本發明中CMOS呈像的晶片結構圖。
[0028] 圖5是本發明中脈衝圖像採集的原理說明圖。
[0029] 上述附圖中，附圖標記對應的部件名稱如下： 1-微流控晶片，2-印製電路板，3-圖像傳感器晶片，4-傳感器封裝，5-微流控管道， 6-AgCl 電極。

【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限於 下列實施例。 實施例
[0031] 如圖1至5所示，本實施例提供了一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像 採集系統，其主要包括：光源子系統，用於提供光源；雙通道微流控制系統，為細胞流通提 供通道並產生電脈衝；細胞脈衝信號採集系統，對雙通道微流控制系統傳遞的電脈衝進行 採樣；智能圖像採集和圖像處理系統，由細胞脈衝信號採集系統採樣的電脈衝激活並對細 胞形態進行分析記錄。上述部件均繼承於一塊印製電路板上。通過上述設置，細胞通過任 一管道流通，由於直流電刺激便會產生電脈衝，該電脈衝傳遞給細胞脈衝信號採集系統，電 流脈衝經放大電路處理後，激發智能圖像採集和圖像處理系統工作，對細胞進行細胞檢測， 輪廓提取、識別、分類計數，活性分析等。
[0032] 光源子系統為LED光源、滷素燈、單色光源或雷射束，其發出的光照射在雙通道微 流控制系統上，光源子系統為為整個CMOS的拍攝過程提高光源。
[0033] 雙通道微流控制系統包括微流控晶片，兩條分別設置於微流控晶片內部的底部兩 側的微流控管道，以及分別設置於微流控晶片兩端並與微流控管道連通的樣品輸入口和樣 品輸出口；在兩個的微流控管道靠近樣品輸出口的一端設有與細胞脈衝信號採集系統連接 的電極。通過上述設置，細胞通過任一微流控管道，都會產生電脈衝，比傳統單通道微流控 晶片多了一倍的細胞處理能力。為了便於實施，本實施例在樣品輸入口裝有微量注射泵；樣 品輸出口裝有收集廢液的容器。
[0034] 其中，微流控晶片優選透明的PDMS微流控晶片，其也可採用其他材料，如： PC (polycarbonate,聚碳酸酯）、PMMA (poly-methylmethacrylate，聚酸甲酯）、PS (polystyrene，聚苯乙烯）、PET (polyethylene terephthalate，聚對苯二甲酸乙二酯）、 PVC (polyvinyl chloride,聚氯乙烯）、PFA (perfluoroalkoxy，全氟燒氧基樹脂)、FEP (fluorinated ethylenepropylene，聚全氟乙丙烯）、C0C(Cyclic Olefin Copolymer，環烯煙 共聚物）、TPE (Thermoset Polyester，熱固性聚酯）、PUMA (Polyurethane Methacrylate， 聚氨酯甲基丙烯酸酯）等。
[0035] 微流控晶片兩端分別為晶片入口端和晶片出口端，二者與樣品輸入口和樣品輸出 口一一對應。電極優選為AgCl電極，兩個AgCl電極分別與細胞脈衝信號採集系統連接，細 胞樣品從樣品輸入口流入微流控管道，在經過AgCl電極時，由於直流電刺激便會產生一個 電脈衝，傳遞給後端的細胞脈衝信號採集系統。
[0036] 細胞脈衝信號採集系統包括與所述兩個微流控管道靠近樣品輸出口的一端設置 的電極連接的差分信號放大電路，通過濾波器與差分信號放大電路連接的數模轉換器，以 及與數模轉換器連接並用於濾去幹擾信號的有源濾波器電路。優選的，差分放大電路由 MAX9643組成一個放大器，對微弱的電流信號進行放大；濾波器由THS4521構成；數模轉換 器由ADS8881構成，其具有IM的採樣率和16位的解析度，可以精確地對高速的細胞脈衝信 號進行採樣；有源濾波器是由0PA333組成的高階有源濾波器。兩個AgCl分別與MAX9643 的同相輸入端和反相輸入端連接。細胞脈衝信號採集系統的具體工作過程如下：當細胞產 生的微弱電流信號流過AgCl電極時，前端的MAX9643將通過IK的取樣電阻把電流信號轉 化為電壓信號，並進行100倍的放大；經過放大後的電壓信號再由THS4521濾波後轉化差分 信號傳遞給模數轉化器。為了給模數轉化器提供高質量的參考電壓，細胞脈衝信號採集系 統採用的是REF5054電壓參考源，並在參考電壓輸出端了加入了高階的有源濾波器以濾去 幹擾信號。
[0037] 智能圖像採集和圖像處理系統包括圖像傳感器晶片，優選的，該圖像傳感器晶片 為CMOS圖像傳感器晶片或C⑶圖像傳感器晶片，該晶片包括細胞圖像運動檢測單元、細 胞分類識別單元以及圖像結構相似度計數單元，其可完成同時對不同細胞形態進行分析記 錄，微流控晶片直接貼合於圖像傳感器晶片之上，上述的微流控管道長度近似於（小於或等 於)CMOS圖像傳感器晶片像素陣列的對角線長度。當細胞進入微流控晶片時，圖像傳感器芯 片處於關閉狀態，細胞流經AgCl電極產生的電脈衝，經過放大、濾波及數模轉換器處理後， 激發圖像傳感器晶片工作，對細胞形態進行分析記錄。
[0038] 本發明專利是基於集成電路晶片、微機電系統、模擬數字電路，光學成像和生物科 學多領域交叉開發的基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，主要適用於液態 微小（微米量級）物體（例如癌細胞）的檢測。
[0039] 按照上述實施例，便可很好地實現本發明。值得說明的是，基於上述設計原理的前 提下，為解決同樣的技術問題，即使在本發明所公開的結構基礎上做出的一些無實質性的 改動或潤色，所採用的技術方案的實質仍然與本發明一樣，故其也應當在本發明的保護範 圍內。
【權利要求】
1. 一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，其特徵在於，包括： 光源子系統，用於提供光源； 雙通道微流控制系統，為細胞流通提供通道並產生電脈衝； 細胞脈衝信號採集系統，對所述雙通道微流控制系統傳遞的電脈衝進行採樣； 智能圖像採集和圖像處理系統，由所述細胞脈衝信號採集系統採樣的電脈衝激活並對 細胞形態進行分析記錄。
2. 根據權利要求1所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，其 特徵在於，所述光源子系統為LED光源、滷素燈、單色光源或雷射束。
3. 根據權利要求1所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，其 特徵在於，所述雙通道微流控制系統包括微流控晶片，兩條分別設置於微流控晶片內部的 底部兩側的微流控管道，以及分別設置於微流控晶片兩端並與所述微流控管道連通的樣品 輸入口和樣品輸出口；在兩個所述的微流控管道靠近樣品輸出口的一端設有與細胞脈衝信 號採集系統連接的電極。
4. 根據權利要求3所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，其 特徵在於，所述微流控晶片是透明的PDMS微流控晶片。
5. 根據權利要求3所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，其 特徵在於，所述樣品輸入口裝有微量注射泵。
6. 根據權利要求3所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，其 特徵在於，所述樣品輸出口裝有收集廢液的容器。
7. 根據權利要求3至6任一項所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採 集系統，其特徵在於，所述細胞脈衝信號採集系統包括與所述兩個微流控管道靠近樣品輸 出口的一端設置的電極連接的差分信號放大電路，通過濾波器與差分信號放大電路連接的 數模轉換器，以及與數模轉換器連接並用於濾去幹擾信號的有源濾波器電路。
8. 根據權利要求3至6任一項所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採 集系統，其特徵在於，所述智能圖像採集和圖像處理系統包括圖像傳感器晶片；所述的微流 控晶片直接貼合於所述圖像傳感器晶片之上。
9. 根據權利要求8所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統，其 特徵在於，所述圖像傳感器晶片為CMOS圖像傳感器晶片或C⑶圖像傳感器晶片。
10. 根據權利要求9所述的一種基於脈衝檢測技術的雙通道細胞微流圖像採集系統， 其特徵在於，所述微流控管道長度小於或等於CMOS圖像傳感器晶片像素陣列的對角線長 度。
【文檔編號】C12M1/00GK104212705SQ201410480567
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】郭勁宏, 石棟元, 康躍軍 申請人:成都勁宏科技有限公司