CN102507418A - 粒子成像室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粒子成像室，属于粒子分析仪的部件。通道盖板与通道基底粘接，通道盖板形成液体通道垂直于成像系统轴线的第一通道壁面；通道基底的向内部凹陷形成流体通道的第二通道壁面，以及平行于成像系统轴线的两个侧通道壁面；第一通道壁面、第二通道壁面与两个侧通道壁面形成流体通道。有益效果是结构新颖，使粒子成像室的外层液体稳定无漩涡，样本液中的粒子在成像区通过时姿态稳定，不会随液体流动而翻滚。

Description

粒子成像室

技术领域

本发明涉及医学体外诊断所使用的影像式粒子分析仪的成像室，尤其是涉及一种使用平面流式成像技术的粒子分析仪。

背景技术

分析液体样本中的颗粒物的方法和系统，其最基本的方法，需要使样本液体中的粒子从一个狭窄的通道流过，同时在这个狭窄通道处收集粒子的特征信息。对于采集粒子图像信息的装置，需要使样本在光学系统的镜头前形成一个扁平的平面。采用平面流式技术，利用外层缓冲液体，又称鞘液，包围样本液体，并对样本液体进行引导，使得样本液体形成一个很薄的扁平的平面流，在光学系统的镜头前的焦平面处流过，从而得到样本液体中粒子的图像信息。这样的装置，外层缓冲液体的流动状态是否平稳十分重要。传统上采用加大通道长度的方式使得缓冲液体流动状态平稳，但是这样会使得装置体积较大。

另一方面，对于最小尺寸在0.1mm到0.5mm尺寸以内的通道，液体粘性影响下，通道内液体流速分布为抛物线规律，通道中心处流速最高，紧贴通道壁面处流速最低，其余位置处的流速依相距中心处的距离而变化。样本颗粒在通道内流动时，其相距通道中心的位置对颗粒的姿态有很大影响，处于中心处的粒子，周围的流速一致，粒子不会翻滚，不在中心位置的粒子，其周围液体流速不同，使粒子在运动的过程中产生翻滚，影响拍摄质量。

对于通道结构对称的粒子成像室，样本液体周围包裹的缓冲液，又称鞘液，也是对称的，样本液体内的粒子处于通道的中心位置，不会存在上述缺点，例如专利US5412466、GB2137880所公开的装置，其结构对称，很容易实现样本液体处于通道的中心，从而抑制粒子翻滚。但是这种结构的粒子成像室制作成本过高。

专利US4338024、US6825926公开了非对称结构的粒子分析装置，这种非对称的粒子成像室，相对于对称结构的粒子成像室，制作成本大幅降低，但是很难确保样本粒子处于通道中心，很难确保粒子经过拍摄区域时的姿态。

发明内容

本发明提供一种粒子成像室，用于获得被外层缓冲液体包裹而引导流动的样本液体中粒子影像。

本发明采取的技术方案是：通道盖板与通道基底粘接，通道盖板形成液体通道垂直于成像系统轴线的第一通道壁面；通道基底的向内部凹陷形成流体通道的第二通道壁面，以及平行于成像系统轴线的两个侧通道壁面；第一通道壁面、第二通道壁面与两个侧通道壁面形成流体通道；

所述流体通道包括液体整流区、样本输入点、样本引导区和粒子成像区；

所述液体整流区，具有正对着第二流体接口管的弧形壁面，能使作为外层液体的缓冲液进入粒子成像室后充分减速并减少涡旋；

所述样本输入点与第一通道壁面之间的距离为第一距离，样本输入点与第二通道壁面之间的距离为第二距离，所述第二距离不同于所述第一距离；

所述样本引导区，其第二通道壁面向第一通道壁面倾斜，使第二通道壁面与第一通道壁面之间的距离变小；

所述粒子成像区，其第二通道壁面与第一通道壁面之间的距离0.1~0.4mm；

第一流体接口管其出口位于所述样本输入点，从粒子成像室外连接到所述流体通道内的样本输入点；第二流体接口管从粒子成像室外连接到所述流体通道内的液体整流区；第三流体接口管从粒子成像室外连接到所述流体通道内的粒子成像区。

本发明的一个重要方面是一种使样本液体在外层缓冲液体包裹下流过流体通道，并使样本液位于流体通道的中心部分的方法，该方法包括第一通道壁面、第二通道壁面与两个侧通道壁面形成流体通道，该流体通道具有液体整流区、样本输入点、样本引导区和粒子成像区；所述液体整流区，第一通道壁面与第二通道壁面距离较大，具有较大容积，能使作为外层液体的缓冲液进入粒子成像室后充分减速，减少涡旋；所述样本输入点相距第一通道壁面具有第一距离，相距第二通道壁面具有第二距离，所述第二距离不同于所述第一距离；所述样本引导区部分，第二通道壁面向第一通道壁面倾斜，引导样本流入所述粒子成像区；所述粒子成像区，第一通道壁面与第二通道壁面距离很小。样本液体在所述样本输入点处进入流体通道，与外层缓冲液一起，在所述样本引导区的引导下流到下游的粒子成像区，光学拍照系统在此处拍摄粒子的图像。

本发明的有益效果：结构新颖，使粒子成像室的外层液体稳定无漩涡，样本液中的粒子在成像区通过时姿态稳定，不会随液体流动而翻滚。

附图说明

图1A是本发明的结构示意图，图中没有包括通道盖板；

图1B是图1A的A-A剖视图，图中包括通道盖板；

图2是小尺寸通道内液体流速分布示意图；

图3是样本液体中的粒子在通道内的姿态示意图；

图4是对称结构粒子成像室的流速分布、样本路径示意图；

图5是样本输入端处在通道中心的不对称结构粒子成像室的流速分布、样本路径示意图；

图6是样本输入端不处在通道中心的不对称结构粒子成像室的流速分布、样本路径示意图；

图7A是不对称结构、样本输入端处在通道中心的粒子成像室的样本路径的FLUENT仿真计算结果图；

图7B是图7A仿真计算结果的局部放大图；

图8A是不对称结构、样本输入端不处在通道中心的粒子成像室的样本路径的FLUENT仿真计算结果图；

图8B是图8A仿真计算结果的局部放大图；

图9A是缓冲液流速较低时液体整流区的流线示意图；

图9B是缓冲液流速较高时液体整流区的流线示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种粒子成像室，通过改变样本输入点与第一通道壁面和第二通道壁面的距离，使样本液体流过样本引导区后，在粒子成像区位于通道的中心位置，可使样本中的粒子姿态稳定，不会随液体流动而翻滚。

粒子成像室1的结构如图1A和图1B所示。

通道盖板2与通道基底4粘接，通道盖板2形成液体通道垂直于成像系统轴线的第一通道壁面3；通道基底4的向内部凹陷形成流体通道的第二通道壁面5，以及平行于成像系统轴线的两个侧通道壁面10；第一通道壁面、第二通道壁面与两个侧通道壁面形成流体通道9；

所述流体通道9包括液体整流区9a、样本输入点9b、样本引导区9c和粒子成像区9d；

所述液体整流区9a，具有正对着第二流体接口管11的弧形壁面，能使作为外层液体的缓冲液进入粒子成像室后充分减速并减少涡旋；

所述样本输入点9b与第一通道壁面3之间的距离为第一距离6，样本输入点9b与第二通道壁面5之间的距离为第二距离7，所述第二距离7不同于所述第一距离6；

所述样本引导区9c，其第二通道壁面5向第一通道壁面3倾斜，使第二通道壁面5与第一通道壁面3之间的距离变小；

所述粒子成像区9d，其第二通道壁面5与第一通道壁面3之间的距离0.1~0.4mm，能使其中流过的样本粒子处在显微成像系统19的拍摄深度范围内；

第一流体接口管8其出口位于所述样本输入点，从粒子成像室1外连接到所述流体通道9内的样本输入点9b；第二流体接口管11从粒子成像室1外连接到所述流体通道9内的液体整流区9a；第三流体接口管12从粒子成像室1外连接到所述流体通道9内的粒子成像区9d；

闪光灯13、聚光镜14组成了照明系统，物镜15、辅助物镜16、成像仪17组成了显微成像系统，照明系统对粒子成像室1内的粒子成像区9d进行照明，显微成像系统19对粒子成像区9d内的样本粒子拍摄照片。

对于粒子成像室内的液体，保持平缓的层流状态是很重要的。对于从小直径管道流入大直径通道这样的口径变化剧烈的地方，需要对速度较高的液体进行缓冲，充分的减速。当液体接口管流入的液体流速很大时，液体直接冲入通道中，会在通道孔径变化处产生涡旋，并且局部的高流速会使得原本应该包围样本液体并对样本液体进入光学测量系统的焦面位置进行引导的外层液体不能正确引导样本液体进入光学测量系统的焦面位置。传统做法是将此处通道加长，使得缓冲液体充分减速后才包围样本液体。本发明的粒子成像室内的液体整流区，具有一个容积比较大的空腔，且与液体接口管相对的壁面设置了一段圆弧形的缓冲面，用来对鞘液进行缓冲。当液体接口管流入的液体流速很大时，液体会直接冲击到圆弧形的缓冲面，形成涡流的会被限制在此处容积较大的空腔内，不会向下游移动。图9显示了液体流速较低和较高时液体整流区的流动状况，缓冲液流速较低时，液体整流区的流动平稳；缓冲液流速较高时，可以看出高速冲击形成的涡流被限制在空腔内，无法向下游移动，保证了下游液体的稳定。

本发明对粒子姿态翻滚的问题进行了改进。液体在运动时，由于液体粘性的影响，与距离壁面近处的液体受到粘性力作用，流速较低，距离壁面越近，流速越低，贴紧壁面的地方流速降低到零。当液体在通道内流动时，两侧通道壁面之间的距离很小，液体夹在中间，受到两侧粘性力作用，使得液体在通道中心部分流速最高，两侧部分流速低于中心部分。根据流体力学的牛顿切应力公式，可以计算得到液体流速与壁面距离之间的关系为二次函数。图2显示了小尺寸通道内液体流动速度与壁面距离的关系。待检测的样本粒子在流过尺寸很小的粒子成像区的时候，粒子周围的液体流速不完全相同。若粒子在通道中心部分流动，粒子所在的区域，周围的速度大致相同，粒子会以进入成像区时的姿态一直平移通过成像区；若粒子在通道中心部分的一侧流动，粒子所在的区域，周围的速度不相同，靠近中心部分速度快，远离中心部分速度慢，粒子就会一直翻滚着通过成像区。如图3所示为粒子通过成像区时的姿态。

不对称结构的粒子成像室，与对称结构的区别就在于样本引导区的不同，对称结构下，样本引导区的两个壁面相互向对方倾斜，而不对称结构只有一个壁面向对方倾斜，另一个壁面是平面。不对称结构加工工艺性更好，成本更低。

对于对称结构的粒子成像室，只要让样本输入端在对称线上，也就是通道的中心，其很容易保证样本粒子进入成像区后处在通道的中心位置。如图4所示，样本输入端到周围壁面的距离H1与H2相等，样本输入端周围鞘液的流速V1与V2相等，在对称结构的样本引导区，鞘液的流速V1’与V2’也同样相等，样本进入成像区后，自然处在通道的中心位置。

对于非对称结构的粒子成像室，如果仍然将样本输入端放置在通道的中心位置，并不能使样本粒子进入成像区后处在通道的中心位置，因为样本引导区结构的不对称，使得液体在这里的行为并不完全等同与对称结构下的行为。如图5所示，不对称结构的粒子成像室，样本输入端到周围壁面的距离H3与H4相等，样本输入端周围鞘液的流速V3与V4相等，但在不对称结构的样本引导区，鞘液的流速V3’与V4’由于结构的影响而并不相同，平面壁面附近的鞘液流速高，倾斜壁面附近的鞘液流速低，V3’大于V4’，导致的结果是靠近平面壁面的液体流量较大，对靠近倾斜壁面的液体产生一定的压迫，使得原本位于通道中心的样本液体被压迫到靠近倾斜壁面，偏离了通道的中心。如图7A、图7B所示为这种结构的仿真实验结果，样本液体并不在通道的中心位置。因此，对于不对称结构的粒子成像室，要使得样本液体进入成像区后处在通道的中心从而保证粒子不会翻滚，就不能采用样本输入端到周围壁面的距离H3与H4相等的结构。

改进的结构如6图所示，样本输入端并没有放置在通道的中心位置，其到周围壁面的距离H5与H6不相等，距离平面壁面的距离H5小一些，距离倾斜壁面的距离H6要大一些。此时样本输入端周围鞘液的流速V5与V6不相等，靠近平面壁面一侧的流速V5小一些，靠近倾斜壁面一侧的流速V6大一些，靠近倾斜壁面一侧的液体流量较大，对靠近平面壁面的液体产生一定的压迫，使得样本液体在此处向平面壁面一侧靠拢。在样本引导区，平面壁面附近的鞘液流速高，倾斜壁面附近的鞘液流速低，V5’大于V6’，使得靠近平面壁面的液体流量较大，对靠近倾斜壁面的液体产生一定的压迫，使得原本靠近平面壁面的样本液体向靠近倾斜壁面一侧靠拢，也就是说，向通道中心处移动。要使样本液体通过样本引导区进入成像区后，正好位于通道的中心，就需要让样本引导区液体流速V5’大于V6’对样本液体流通位置的影响 和H5小于H6对样本液体流通位置的影响相互抵消。样本引导区的形状、表面粗糙度、液体的粘度等因素对样本引导区液体流速V5’和V6’ 具有显著影响。样本引导区界面收缩越剧烈，V5’和V6’ 的差异就越大。对因此需要对粒子成像室内液体流动状况进行仿真计算和实验，以确定H5、H6和样本引导区的具体形状。本发明进行了大量的仿真计算，对粒子成像室的结构进行了充分的仿真实验和实体实验。如图8A、图8B所示为本发明改进结构的粒子成像室内样本粒子的运动轨迹，样本液体在粒子成像区处在通道中心处，姿态不发生翻转。本发明的一个实施例中，H5为3mm，H6为3.5mm。

需要说明的是，作为外层液体所采用的缓冲液，其物理性质与待测样本相近，若采用了物理性质与待测样本相差很大的液体作为外层液体引导样本，有可能会破坏样本中的粒子，并使样本液体进入成像区后不能处在正确的位置。

本发明的粒子成像室，放置方向如图1所示，其第二流体接口管连接流体通道的最上端，可以用于向外排放粒子成像室内的气体。

应当说明的是，本发明的粒子成像室，其放置方向并不严格要求，若进行放置方向的变化，或对流体接口管的位置进行相应变化，也在本专利的权利要求范围内。

Claims (1)

1.一种粒子成像室，其特征在于：通道盖板与通道基底粘接，通道盖板形成液体通道垂直于成像系统轴线的第一通道壁面；通道基底的向内部凹陷形成流体通道的第二通道壁面，以及平行于成像系统轴线的两个侧通道壁面；第一通道壁面、第二通道壁面与两个侧通道壁面形成流体通道；

所述流体通道包括液体整流区、样本输入点、样本引导区和粒子成像区；

所述液体整流区，具有正对着第二流体接口管的弧形壁面，能使作为外层液体的缓冲液进入粒子成像室后充分减速并减少涡旋；

所述样本输入点与第一通道壁面之间的距离为第一距离，样本输入点与第二通道壁面之间的距离为第二距离，所述第二距离不同于所述第一距离；

所述样本引导区，其第二通道壁面向第一通道壁面倾斜，使第二通道壁面与第一通道壁面之间的距离变小；

所述粒子成像区，其第二通道壁面与第一通道壁面之间的距离0.1~0.4mm；

第一流体接口管其出口位于所述样本输入点，从粒子成像室外连接到所述流体通道内的样本输入点；第二流体接口管从粒子成像室外连接到所述流体通道内的液体整流区；第三流体接口管从粒子成像室外连接到所述流体通道内的粒子成像区。

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