CN101000306B - 细胞分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及光学检测方法的细胞分析仪，包括照明单元、样本发生单元和信号处理单元，其中，照明单元包括激光器和光束整形模块，光束整形模块对激光器发出的激光光束进行准直、会聚处理，样本发生单元包括气液传输控制模块和流动室并相连，并使含有被测细胞的样本液被鞘液包裹着通过流动室，照明单元产生的光斑照射于流动室的细胞流上，信号处理单元对通过流动室的散射光斑进行接收以及相应处理，光束整形模块包括一片准直透镜和一片会聚透镜，其特征在于：单片准直透镜的数值孔径至少为0.3；准直透镜镜面形状采用该式：

，本发明通过光学系统消除散射信号的伴随信号，避免信号处理时带来的误差。

Description

细胞分析仪

技术领域

本发明涉及光学，尤其涉及细胞分析仪。

背景技术

传统的流式细胞仪已经被广泛应用于血液细胞分析中。这样的血液细胞分析仪主要由照明单元、流动室以及信号处理单元组成。其中流动室提供一个光学检测区域，在这个区域中运用鞘流原理将血液细胞样本流包裹在鞘流中，使血液细胞逐个地通过检测通道；光源，通常是激光，提供一个照射光束照射到流动室的检测区域上，当细胞流过检测区的时候，照射光束就会照射到细胞上发生散射或激发荧光发射等；信号处理单元对流动室中产生的各种光学信息进行收集并转换成电信号，对这些转换后的电信号进行处理和分析就可以得到血液中存在的各种细胞的参数，进行计数和分类等处理。

一般情况下，细胞的某些特性都是由上述信号的峰值或脉宽表现出来的，因此需要获取各种光信息的峰值或脉宽数据，利用这些数据构成的直方图或散点图计算血液细胞的某些参数。

在现有技术中，例如图1所示，通常的流式细胞仪都需要将光源发出的光束LB经过一个光学系统聚焦在流动室4检测区的中央，在检测区中心处垂直于光轴的平面π上形成一个椭圆形光斑BS，光斑的短轴应与样本流动方向

一致。由于光束在细胞流方向上具有很大的发散角θ_Y，经过光学系统后会存在较大的像差，导致聚焦在流动室检测区位置上的光斑在样本流动方向上除了有一个主极大光斑BSO外，还对称地存在两个旁瓣BS1和BS2，如图2所示，I为流动室内壁，0为流动室外壁，那么，细胞在经过这样光照区域之后产生的信号也相应地会在主脉冲信号P的两侧出现伴随脉冲P⁽¹⁾和P⁽²⁾，这些脉冲幅值如果也被识别为细胞的散射信号的话，则会造成血样检测不准确。

为了解决该问题，现有的处理方法为：在信号处理单元增加散射脉冲信号识别的算法，用一个阈值V_th将伴随信号去掉，如图3所示，当识别到的峰值小于这个阈值时认为这个脉冲是虚假的伴随信号而将其剔除。但是这种方法存在很大缺陷，因为某些小细胞的主脉冲P_k往往比大细胞的伴随脉冲还要小，利用阈值在剔除大细胞伴随脉冲

的同时也会将小细胞的真实散射信号P_k去掉，给细胞分析带来误差。

发明内容

本发明的目的在于提供细胞分析仪，所述细胞分析仪通过光学系统消除散射信号的伴随信号，避免信号处理时带来的误差，以克服现有技术中的不足。

本发明中的细胞分析仪，包括照明单元、样本发生单元和信号处理单元，其中，

所述的照明单元包括激光器和光束整形模块，所述的光束整形模块对激光器发出的激光光束进行准直、会聚处理；

所述的样本发生单元包括气液传输控制模块和流动室并相连，并使含有被测细胞的样本液被鞘液包裹着通过流动室；

所述的照明单元产生的光斑照射于流动室的细胞流上；

所述的信号处理单元对通过流动室的散射光进行接收以及相应处理，所述的信号处理单元中至少包括光电探测模块；

其特征在于：所述的光束整形模块包括至少一片准直透镜对激光器发出的光束进行准直处理，所述准直透镜为非球面透镜，数值孔径为至少0.3，以及聚光柱面镜，其对光束进行聚焦，所述光束整形模块输出横截面为椭圆的光斑照射于流动室的细胞流上，其中椭圆的短径方向与流动室中细胞流动方向一致，长径方向与细胞流动方向和光束传播方向所构成的平面相垂直；

所述的准直透镜的镜面形状采用下式表示：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4$

其中，c为曲率，z为截面相对于定点的轴向距离，k为二次常

数，r为截面的圆半径。

所述的准直透镜包括第一镜面和第二镜面，其中第一镜面为激光光束入射面。

所述的光电探测模块采用至少一片准直透镜对流动室的散射光斑进行准直处理，其中，所述的准直透镜的数值孔径至少为0.3。

所述的光电探测模块的准直透镜为非球面透镜。

所述椭圆的短径为15um-25um，长径为75um-85um，光斑照射深度为8um-12um。

所述的信号处理单元还包括信号提取模块和分析模块，所述光电探测模块、所述信号提取模块和所述分析模块依次相连，其中，

所述的光电探测模块将不同角度范围内的散射光收集到光电转换器件上，将光信息转换成相应的电信号并将其发送至信号提取模块；

所述的信号提取模块提取信号中的峰值或脉宽信息，将这些信息传送至分析模块；

所述的分析模块对接收到的信号进行计数、分类，形成一维的直方图或二维散点图。

所述的光电探测模块包括两组光电信号采集子模块和相应的光电转换器，所述的两组光电信号采集子模块分别采集不同散射角度域光斑信号，光电转换器对所述光斑信号作相应光电转换。

所述的激光器为半导体激光器。

本发明的有益效果为：在本发明中，照明单元以及光电探测模块中采用了较大数值孔径(如0.3-0.5)的非球面准直透镜对大发散角的相关光束进行准直，使本发明通过光学系统消除了流动室检测区位置上的照射光斑的旁瓣，从光路上解除了散射信号出现的虚假脉冲的干扰，使检测更为精确，这种精确性的获取通过光学系统的设计得到保证，具有本征特性，不需要通过信号处理进行有关消除处理，从而使信号处理更为简单、直接，使本发明具有较强的实用性。

本发明中准直透镜采用非球面准直透镜，其镜面形状所采用的曲线为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4$

这种非球面准直透镜可保证较大数值孔径的取得，且确保了照射光斑旁瓣的消除。

本发明采用半导体激光器，大大减小了仪器系统的结构尺寸。

附图说明

图1为现有技术中流式细胞仪示意图；

图2是现有技术中散射信号的缺陷示意图；

图3是现有技术阈值消除伴随脉冲缺陷的方法示意图；

图4为本发明系统结构示意图；

图5为本发明中半导体激光器输出光束示意图；

图6为本发明中光束整形模块结构示意图；

图7为本发明中准直透镜的镜面曲面结构示意图；

图8为本发明中准直透镜结构示意图；

图9为本发明中流动室水平剖面局部示意图；

图10为本发明中流动室沿A-A截面示意图；

图11为本发明中光电探测模块结构示意图；

图12为采用本发明的散射信号示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

根据图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12，本发明包括照明单元1、样本发生单元2和信号处理单元3并依次相连。

如图4所示，照明单元1包括激光器11和光束整形模块12，光束整形模块12对激光器11发出的激光光束进行准直、会聚处理，如图6所示，光束整形模块12包括一片准直透镜121和一片会聚透镜122，在本发明中，单片准直透镜121的数值孔径采用0.3-0.5，准直透镜121采用非球面镜面，其镜面形状采用下式表示：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4$

其中，如图7所示，c为曲率，z为截面相对于定点的轴向距离，k为二次常数，r为截面的园半径。

如图8所示，准直透镜121包括第一镜面121A和第二镜面121B，其中第一镜面为激光光束入射面，其中第一镜面121A和第二镜面121B的参数如下：

               c             k          α1             α2

第一镜面  0.068609     -87.228063    9.15754E-04    -8.64353E-05

第二镜面  -0.231481    -0.648067     -1.65853E      -048.28138E-06

在本发明中，如图8所示，其中，

第一镜面121A通光孔径d1为4.4mm；

第二镜面121B通光孔径d2为5.87mm；

准直透镜121镜片孔径d3为7.20mm；

准直透镜121镜片厚度k0为4.21mm；

准直透镜121镜片通心距k1为5.36mm；

焦平面与第一镜面121A中心距f0为3.44mm。

这样，在本发明中，采用该准直透镜121，其数值孔径达到0.4，可满足对于30度发散光的收集。

如图5所示，本发明中的激光器11采用半导体激光器，它发出的光束LB在两个方向上的发散角不一致，假设光的传播方向为Z轴，那么光束在X方向上的发散角θx和Y方向上的发散角θy是不同的，假设θx＜θy，那么光束截面就会是长轴为Y方向的椭圆光斑。放置半导体激光器的时候为了使光斑在细胞BC流动的方向

上具有相对小的尺寸(短轴)，必须使半导体激光器原始的出射光束的小发散角方向与细胞流动方向一致，如图5所示，假设细胞流动方向为Y方向，则放置半导体激光器的时候要求：θx＞θy。

本发明中的激光器11在相互垂直的两个方向上的发散角分别为30°和18°，最大输出功率10mW，工作功率5mW，波长为670nm。

如图4所示，样本发生单元2包括气液传输控制模块22和流动室21并相连，气液传输控制模块22用于实现样本、鞘液、各种试剂以及清洗液、废液的气压输送，同时对样本反应的各种条件进行控制，使含有被测细胞的样本液被鞘液包裹着通过流动室21，如图9所示，流动室21采用石英玻璃制成，为长条的棱柱形，其尺寸为4mm×4mm×10mm，流动室21内设方形截面导孔，所述流动室21中的导孔包括整流段211、加速段212和检测段213，鞘液由整流段211进入并在此形成层流，经加速段212加速，在检测段213包裹着由样本注入针进入的样本液同时通过导孔，如图10所示，检测段213的方形导孔截面边长为100um-400um，本发明采用较佳值200um。

照明单元1产生的光斑照射于流动室21的检测段213中，光束整形模块12输出横截面为椭圆的光斑照射于流动室21的细胞流上，所述椭圆的短径为15um-25um，长径为75um-85um，其中短径方向与流动室21中液体(细胞)流动方向一致，长径方向与液体(细胞)流动方向和光束传播方向所构成的平面相垂直，光斑照射深度为8um-12um，在本发明中，椭圆的短径采用较佳值20um，长径采用较佳值80um，光斑照射深度采用10um，这样，如图9所示，在检测段213(检测区)形成一个20um(细胞运动方向)×10um(光束传播方向)×80um(与细胞运动方向和光束传播方向构成的平面相垂直的方向)的照射区域，当细胞经过这个照射区域时，照射到细胞上的光就会发生散射，散射光斑发射至信号处理单元3，由信号处理单元3对通过流动室21的散射光斑进行接收以及相应处理。

在本发明的光束整形模块12中，由于准直透镜121采用了大数值孔径透镜，会聚透镜122采用普通球面透镜即可，当然会聚透镜122也可以采用柱面透镜来获得长短轴比率更大(更“扁”)的光斑。

如图4所示，信号处理单元3包括光电探测模块31、信号提取模块32和分析模块33并依次相连，其中，光电探测模块31将不同角度范围内的散射光收集到光电转换器件上，将光信息转换成相应的电信号并将其发送至信号提取模块32。

如图11所示，光电探测模块31采用一片准直透镜311对流动室的散射光斑进行准直处理后经采样传送至光电转换器，在本发明中，光电探测模块31包括两组光电信号采集子模块和相应的光电转换器316A、316B，两组光电信号采集子模块分别采集不同散射角度域光斑信号，光电转换器对所述光斑信号作相应光电转换，具体地，光电探测模块31包括准直透镜311、分光棱镜312、环形光阑313A、313B、聚光镜314A、314B、小孔光阑315A、315B、光电转换器316A、316B。

如图11所示，其中，光电信号采集子模块由环形光阑313A、313B和聚光镜314A、314B相应构成，环形光阑313A和环形光阑313B通光孔径不同，可分别用于采集不同角度范围内的散射光。

如图11所示，在本发明中，当散射光被准直透镜311准直之后，经分光棱镜312分为两路，两组光电信号采集子模块收集到的散射光范围就由准直透镜311的焦距以及环形光阑313A、313B的通光孔径决定。

例如，想要收集的散射光范围为[θ₁，θ₂]，那么环形光阑313A或环形光阑313B的通光孔径则为：

[F*tanθ₁，F*tanθ₂]

其中F为准直透镜311的焦距。

在本发明中，两组光电信号采集子模块分别收集1～5°范围内的散射光，称之为前向小角度散射光LAS，以及8～15°范围内的散射光，称之为中角度前向散射光MAS，这两路散射光分别被聚焦透镜收集到光电转换器316A、316B上进行光电转换，形成电信号送至信号提取模块32。

如图4所示，信号提取模块32提取信号中的峰值或脉宽信息，将这些信息传送至分析单元33，分析模块33对接收到的信号进行计数、分类，形成一维的直方图或二维散点图，再对分析结果进行显示或打印，如12所示，显示采用本发明的散射信号消除了照射光斑的旁瓣，获得了良好的应用效果。

在本发明中，对于这种较大角度散射光或照射光斑的收集，准直透镜311也可单独采用与准直透镜121相同或相似的非球面镜面，或者与准直透镜121共同采用这种非球面镜面，其结构与前述准直透镜121相同或相似，此处不再赘述。

Claims (6)

1.一种细胞分析仪，包括照明单元、样本发生单元和信号处理单元，其中，

所述的照明单元包括激光器和光束整形模块，所述的光束整形模块对激光器发出的激光光束进行准直、会聚处理；

所述的样本发生单元包括气液传输控制模块和流动室并相连，并使含有被测细胞的样本液被鞘液包裹着通过流动室；

所述的照明单元产生的光斑照射于流动室的细胞流上；

所述的信号处理单元对通过流动室的散射光进行接收以及相应处理，所述的信号处理单元中至少包括光电探测模块；

其特征在于：所述的光束整形模块包括至少一片准直透镜对激光器发出的光束进行准直处理，所述准直透镜为非球面透镜，数值孔径为至少0.3，以及聚光柱面镜，其对光束进行聚焦，所述光束整形模块输出横截面为椭圆的光斑照射于流动室的细胞流上，其中椭圆的短径方向与流动室中细胞流动方向一致，长径方向与细胞流动方向和光束传播方向所构成的平面相垂直；所述的准直透镜的镜面形状采用下式表示：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4$

其中，c为曲率，z为截面相对于定点的轴向距离，k为二次常数，r为截面的圆半径，所述的准直透镜包括第一镜面和第二镜面，其中第一镜面为激光光束入射面。

2.根据权利要求1所述的细胞分析仪，其特征在于：所述的光电探测模块采用至少一片准直透镜对流动室的散射光斑进行准直处理，其中，所述的准直透镜的数值孔径至少为0.3。

3.根据权利要求2所述的细胞分析仪，其特征在于：所述的光电探测模块的准直透镜是非球面透镜。

4.根据权利要求1所述的细胞分析仪，其特征在于：所述椭圆的短径为15um-25um，长径为75um-85um，光斑照射深度为8um-12um。

5.根据权利要求1所述的细胞分析仪，其特征在于：所述的信号处理单元还包括信号提取模块和分析模块，所述光电探测模块、所述信号提取模块和所述分析模块依次相连，其中，

所述的光电探测模块将不同角度范围内的散射光收集到光电转换器件上，将光信息转换成相应的电信号并将其发送至信号提取模块；

所述的信号提取模块提取信号中的峰值或脉宽信息，将这些信息传送至分析模块；

所述的分析模块对接收到的信号进行计数、分类，形成一维的直方图或二维散点图。

6.根据权利要求5所述的细胞分析仪，其特征在于：所述的光电探测模块包括两组光电信号采集子模块和相应的光电转换器，所述的两组光电信号采集子模块分别采集不同散射角度域光斑信号，光电转换器对所述光斑信号作相应光电转换。

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