CN103558153B - 粒子成像室及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粒子成像室，属于医学体外诊断所使用的影像式粒子分析仪。平直通道壁面和曲面通道壁面和两个侧通道壁面形成流体通道，曲面通道壁面具有圆弧形、余弦函数型和三次以上多项式型的曲面类型，通过调整样本注入管位置使样本液体进入拍摄区域时基本处于流通通道的中心。本发明给出了粒子成像室的设计方法，并通过控制流量使样本液体和鞘液流速相同，有效减小了样本中粒子所受拉伸力和剪切力，并抑制了粒子的翻滚，提高了分析结果的准确性。

Description

粒子成像室及其设计方法

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粒子成像室及其设计方法，尤其是涉及一种使用平面流式成像技术的粒子分析仪的粒子成像室及其设计方法。

背景技术

分析液体样本中的颗粒物的方法和系统，有一种影像式的方法，需要将样本液体送到光学系统的焦平面处，令光学系统能够采集到样本液体中颗粒物的图像。对于显微成像的光学系统，焦平面的厚度非常薄，使用这种方法的装置中，需要使用鞘液包裹样本进入成像区域。

专利GB2167880A公开了一种用于显微成像的平面层流装置，该装置给出的流体通道，从液体入口到拍摄区域之间有一段厚度变窄，截面积变小，通过这样的几何尺寸变化，使得样本液体的厚度变薄，以适应光学系统的景深。专利CN100472199C公开了一种贯流分析器，利用几何聚焦和线性流速聚焦使得样本流体厚度变薄。这些技术，只针对光学系统的景深，对样本液体的薄厚程度进行研究，而没有对样本粒子的状态进行研究分析。

专利CN102998243A注意到了这个粒子姿态的问题，并针对这一问题提出了一种解决方法，使用多个鞘液泵对进入粒子成像室的鞘液流量进行分别控制，使样本液体进入成像区时处在通道的中心位置，从而控制粒子姿态。但是这种技术是从泵的流量控制样本液体位置，也就是说只关心成像区的流动结果，而没有研究液体流动的中间过程。

样本液体在粒子成像室内运动的过程中，会受到周围液体的力的作用，其中有运动方向上的推拉力、垂直于运动方向的剪切力，这些力的作用对于样本液体中的粒子存在影响。在粒子成像室的设计制作过程中，应针对这些力进行优化。

发明内容

本发明提供一种粒子成像室及其设计方法，用于获得被外层液体包裹而引导流动的样本液体中粒子的影像。

本发明采取的的技术方案是：包括曲面通道壁面、平直通道壁面和两个通道侧壁面所形成的中空的流体通道，鞘液隔离器、样本注入管、第一鞘液注入管、第二鞘液注入管、废液排出管，所述鞘液隔离器，与两个通道侧壁面相连接，所述样本注入管，穿过鞘液隔离器内部，其开口处具有扁平形状，所述第一鞘液注入管，与第二鞘液注入管，分别位于鞘液隔离器的两侧，所述鞘液隔离器两侧的鞘液，一侧为具有第一流量的从第一鞘液注入管注入的鞘液，另一侧为具有第二流量的从第二鞘液注入管注入的鞘液；具有两种流量的鞘液从两侧包夹住从所述鞘液隔离器的开口处流出的样本液体，使样本液体沿着希望的路径运动，进入所述粒子成像室的成像区域。所述曲面通道壁面，具有圆弧型、余弦函数型、三次以上多项式型的曲面类型。

所述曲面通道壁面采用圆弧型。

所述第一鞘液注入管、第二鞘液注入管分别用于鞘液注入，使鞘液分别具有第一流量和第二流量，鞘液隔离器用于样本液体的注入，使样本液体具有第三流量，具有第一流量的鞘液和具有第二流量的鞘液分别位于具有第三流量的样本液体两侧。

该粒子成像室的内腔通道形状经过设计，优化液体运动的加速曲线，能够降低由粒子上游和下游速度差引起的拉伸力，减少样本中粒子的运动损坏。所述粒子成像室包括曲面通道壁面、平直通道壁面和两个通道侧壁面所形成的中空的流体通道，鞘液隔离器、样本注入管、第一鞘液注入管、第二鞘液注入管、废液排出管。所述鞘液隔离器，与两个通道侧壁面相连接，所述样本注入管，穿过鞘液隔离器内部，其开口处具有扁平形状，所述第一鞘液注入管，与第二鞘液注入管，分别位于鞘液隔离器的两侧。所述曲面通道壁面，具圆弧型、余弦函数型、三次以上多项式型的曲面类型，使通道壁面的截面积变化率连续，能够使通道内流动的液体流速变化率连续，不产生突变。

本发明提高粒子成像质量方法的一个重要方面是，通过控制样本液体和鞘液的流量，减小样本液体与周围的鞘液的速度差，保持样本液体与鞘液流速的一致性，从而减小样本液体和鞘液之间的剪切力，降低系统的势能，同时减少样本液体中粒子的卷曲、弯折等情况的发生，提高粒子成像的质量。

本发明提高粒子成像质量方法的另一个方面是，在所述样本液体和鞘液流速基本相同的前提下，由于粒子成像室结构的不对称，使得样本液体两侧的鞘液流动的距离和所受的阻力不尽相同，因此样本液体在进入拍摄区域时会偏离流通通道的中心，本方法通过调整样本注入管的位置，使样本液体进入拍摄区域时基本处于流通通道的中心，从而抑制样本液体中粒子的翻滚。

本发明粒子成像室的设计方法，包括下列步骤：

1）、确定光学系统的景深，2）、根据加工工艺所能达到的最小尺寸确定粒子成像室成像区的尺寸和样本液体入口尺寸，3）、根据质量守恒计算得出粒子成像室流体通道尺寸，4）、以保证样本液体加速度在合理范围内为原则，通过理论分析和仿真计算确定曲面形状和尺寸，5）、根据粒子成像室的结构和尺寸，优化样本液体进入流体通道的位置。

本发明的有益效果：提出一种粒子成像室，通过对粒子成像室内部流体通道的精确计算，给出曲线参数，使该流体通道的形状能有效的减少液体流动过程中拉伸力和加速度过大引起的粒子损坏；同时采用控制液体流量的方式保证液体流速的一致性，减少粒子的卷曲和弯折；再通过调整样本注入管的位置，使样本液体进入拍摄区域时基本处于流体通道的中心，从而抑制样本液体中粒子的翻滚，提高了粒子分析的准确性。

附图说明

图1是本发明的粒子成像室的斜侧示意图；

图2是本发明粒子成像室不同类型曲面通道壁面对比图；

图3是本发明粒子成像室的流体通道尺寸示意图；

图4A是四种类型曲面所构成粒子成像室内的样本液体流动速度对比曲线；

图4B是四种类型曲面所构成粒子成像室内的样本液体流动加速度对比曲线；

图5是样本注入管在中央时的样本路径仿真计算结果图；

图6是样本注入管向平直通道壁面平移0.6mm时的样本路径仿真计算结果图。

具体实施方式

本发明提出了一种粒子成像室，用于获得被外层液体包裹而引导流动的样本液体中粒子的影像。该粒子成像室的内腔通道形状经过设计，优化液体运动的加速曲线，能够降低鞘液与样本之间的剪切力，减少样本中粒子的运动损坏。

所述粒子成像室如图1所示，包括平直通道壁面1，曲面通道壁面2，通道侧壁面3，两个通道侧壁面所形成的中空的流体通道4，鞘液隔离器5，样本注入管6，第一鞘液注入管7，第二鞘液注入管8，废液排出管9。所述鞘液隔离器5，与两个通道侧壁面3相连接，所述样本注入管6，穿过鞘液隔离器5内部，其开口处具有扁平形状，所述第一鞘液注入管7与第二鞘液注入管8，分别位于鞘液隔离器5的两侧。所述曲面通道壁面2，具有圆弧型、余弦函数型、三次以上多项式型的曲面类型，使通道壁面的截面积变化率连续，能够使通道内流动的液体流速变化率连续，不产生突变。

所述曲面通道壁面2，优先采用圆弧型。

粒子成像室的功能是运送样本中的粒子到光学系统的镜头前，使光学系统能够采集到粒子的图像。鞘液和样本进入粒子成像室后，流动速度、方向等状态发生变化，最终使样本液体流过粒子成像室的成像区时，得到位置合理、厚度合理的样本层，从而使样本液体内的粒子能够清晰的成像。粒子成像室的内部流体通道的形状、尺寸对于其内流动的样本液体和粒子存在影响，设计合理的粒子成像室，使其内部液体的流动状态平稳地变化，最终在成像区得到符合测试需求的流动状态，而不尽合理的通道形状、尺寸，会使流体通道内流动的液体的流动状态发生不合理的变化，影响粒子成像效果。

为在粒子成像室的成像区得到厚度合理的样本层，首先需要确定粒子成像室的流体通道尺寸。根据质量守恒定律，在所研究的系统内的流体质量没有增加也没有减少的情况下，流入系统的流体质量等于流出系统的流体质量。当流体是不可压缩流体，也就是流体密度一定的情况下，可以认为流入系统的流体体积等于流出系统的流体体积。如图2所示，有如下公式：

v_1HH₁=v_1TT₁

v_2HH₂=v_2TT₂

其中v_1H为样本注入口处所有液体的总流速，v_1T为成像区域所有液体的总流速，v_2H为样本注入口处样本液体的平均流速，v_2T成像区域样本液体的平均流速，H₁为粒子成像室样本注入口处流体通道的厚度，H₂为样本注入口处样本液体的厚度，T₁为粒子成像室成像区域流体通道厚度，T₂为成像区域样本液体的厚度，将上述两式相除可得：

$\frac{v_{1H}{H}_1}{v_{2H}{H}_2}=\frac{v_{1T}{T}_1}{v_{2T}{T}_2}$

其中v_1H=v_2H，而对于成像区域样本液体的平均流速，由于通道内流体的流动速度分布呈现对称的抛物线规律，因此可以得到由此可以推出粒子成像室流体通道尺寸的计算公式：

$\frac{H_1}{H_2}=\frac{2T_1}{{3T}_2}$

其中样本注入口处样本液体的厚度H₂和成像区域流体通道厚度T₁由加工工艺所能达到的最小尺寸决定，成像区域样本液体的厚度T₂由光学系统的景深决定，通过公式计算即可得出样本注入口处流体通道的厚度H₁。因此，粒子成像室上游流体通道的尺寸设计，应依赖于光学系统的景深需求。

本发明对液体的流动状态变化进行了研究，针对粒子成像室的内部流体通道的形状进行了优化。样本液体在进入粒子成像室内的流体通道以后，与周围的鞘液一起流动，样本液体与周围鞘液的流速如果不相同，样本液体与鞘液之间存在流速差，那么样本液体与鞘液之间就会有剪切力的作用。对于样本液体内的粒子来说，这样的剪切力是不利于分析的。样本内的粒子，有圆形、方形、菱形、长条形等多种形状。剪切力的作用，会使样本粒子发生弯折、卷曲这样的变形，对于比较大的粒子，甚至可能使粒子断裂。

粒子成像室内的流体通道，其截面积是变化的，上游的截面积大，下游成像区的通道截面积很小。液体在通道中流动时，由于上游与下游的流量是相同的，因此上游的液体流速低，下游的液体流速高。样本液体在粒子成像室内流动，是会有一个加速的过程，这个加速过程的速度变化是否平稳，对样本液体内的粒子同样具有影响。对于一个粒子，其上游与下游的流速差，会导致粒子本身相对较靠下游部分运动速度稍高于其它部分，使粒子受到拉伸的作用力。拉伸力能使粒子更加舒展，在流动方向上的面积变小，在垂直于流动方向上（即拍照的方向上）面积变大。因此流动方向上的拉伸力是能够对测量粒子起到正面作用的力。但是拉伸力如果过于大，或者拉伸力的变化过于剧烈，则可能对粒子产生破坏作用。作用在粒子上的这个拉伸力，与液体流动的加速度成正比，加速度约大，拉伸的作用力越大，加速度变化剧烈，拉伸力的变化也剧烈。因此，必须控制液体运动的加速度在一个合理范围内，不应出现过大的突变现象。

液体流量一定的情况下，液体运动的速度与流通截面积成反比，液体运动速度的变化率与流通截面积直接相关。因此，流体通道的截面积变化部分的曲面形状和曲面参数，对于液体运动能够产生直接影响，从而对样本中的粒子产生影响。这部分的曲面设计，可以有多种方案。图3为不同类型曲面通道壁面对比图，包括直线型曲面、圆弧型曲面、三次多项式型曲面、余弦函数型曲面。根据图3中的坐标系，曲面函数方程分别为：直线型y=-0.415x；圆弧型(y+15)²+x²=225和(x-21.3)²+(y-6.18)²=225；三次多项式型y=0.001832x³-0.05852x²；余弦函数型y=4.425cos(0.147x)-4.425。图4A和图4B分别为针对所述四种曲面仿真计算得出的样本液体流动速度和加速度随粒子成像室x方向位置的变化关系，从图4B中可以看出，当样本液体将要进入成像区时，曲面函数斜率变化较大，加速度会发生明显的变化，其中直线型曲面的加速度曲线存在奇点，突变非常剧烈，由此可以说明由直线型曲面构成的粒子成像室在粒子运动过程中，存在一个瞬间，受到非常大的拉伸力冲击，会对细胞产生破坏。对于圆弧型曲面、三次多项式型曲面和余弦函数型曲面这三种曲面通道壁面的仿真结果，可以看出在横坐标为0.01m和0.018m之间，加速度按从大到小排列依次为圆弧型曲面、余弦函数型曲面、三次多项式型曲面；在横坐标为0.018m到0.022m之间，加速度的大小排序恰好相反。由此可见，曲面函数的斜率变化越小，流体通道截面积尺寸变化过度越平缓，样本液体的加速度越小。而且这三种曲面由于与成像区连接处相切，因此液体流动的速度变化也连续，加速度曲线没有奇点，避免了瞬间的冲击，相比直线型更为合理。而圆弧形曲面所对应的加速度曲线更加平滑，样本的加速过程更加平稳，因此圆弧型曲面较其它三种曲面更为合理。

曲面形状和曲面参数确定以后，样本液体运动方向上的拉伸力已得到优化，进一步需要对剪切力进行优化。液体处在层流状态下，其剪切力来源于垂直于流动方向的液体的速度差，而对样本中粒子存在影响的，主要是样本液体与周围的鞘液的速度差。粒子在随着液体流动的过程中，良好的受力状态应当是运动前进方向的拉力占主导，与运动方向相垂直的侧面方向的拉力极小，剪切力也小。从物理学中的刚体运动学的角度来说，运动前进方向的拉力使液体动能增加，而垂直运动方向的拉力不能使动能增加；而从柔性体运动学的角度来说，剪切力会使物体产生变形，使势能增加。而对于一个动力系统来说，最有效的方式是动力最大限度的转化为动能，保持最小的势能。因此，减小样本液体与周围的鞘液的速度差，保持样本与鞘液流速的一致性，对保持系统势能最小具有积极的意义，同时也能直观的减少样本中粒子的翻滚、弯折等变形，减少粒子的损伤。依据流量、流速和粒子成像室流体通道截面尺寸之间的关系，通过控制样本注入管、第一鞘液注入管和第二鞘液注入管的流量，即可以实现样本液体和鞘液流速一致的目的。

粒子成像室的曲面类型和通道尺寸确定后，则需要确定样本注入管的位置。在本发明的一个实施例中，样本注入管在正中央，样本液体流量为1.7μl/s，两侧鞘液流量均为37.4μl/s，此时样本液体和鞘液的流速均为2.125×10^-3m/s，由于粒子成像室结构不对称，样本液体两侧的鞘液流动的距离和所受的阻力不同，样本液体在进入拍摄区域时会偏离流通通道的中心，靠近曲面通道壁面2一侧，仿真计算结果如图5所示。在此仿真计算基础上，设计本发明的另一个实施例，样本注入管向平直通道壁面1平移0.6mm，样本液体流量为1.7μl/s，靠近曲面通道壁面2一侧的鞘液流量为41.65μl/s，靠近平直通道壁面1一侧的鞘液流量为33.15μl/s，此时样本液体和鞘液的流速均为2.125×10^-3m/s，仿真计算结果如图6所示，样本液体在进入拍摄区域时基本处于流通通道的中心，这样可以有效抑制样本粒子的翻滚。

本发明的一个重要方面是粒子成像室的设计方法，用于设计光学成像方式分析粒子的粒子成像室。该方法包括如下步骤：1、确定光学系统的景深T₁，2、根据加工工艺所能达到的最小尺寸确定粒子成像室成像区的尺寸T₂和样本液体入口尺寸H₁，3、根据质量守恒计算得出粒子成像室流体通道尺寸H₂，4、以保证样本液体加速度在合理范围内为原则，通过理论分析和仿真计算确定曲面形状和尺寸，5、根据粒子成像室的结构和尺寸，优化样本液体进入流体通道的位置。

本发明粒子成像室设计方法的一个实施例如下：假设光学系统的景深T₁为10μm，根据加工工艺所能达到的最小尺寸确定粒子成像室成像区的尺寸T₂为0.3mm，样本液体入口尺寸H₁为0.4mm，根据质量守恒推导出的公式可求出粒子成像室流体通道尺寸H₂为18mm。粒子成像室通道宽度确定后，根据理论分析和仿真计算确定曲面通道壁面的曲面形状和尺寸，使粒子成像室由宽变窄的过度尽量平缓。此时粒子成像室的结构和尺寸已经确定，根据结构尺寸设计样本注入口的位置，使样本液体进入成像区域时位于成像区的中央。

Claims (1)

1.一种粒子成像室的设计方法，所述粒子成像室的结构是：包括圆弧型曲面通道壁面、平直通道壁面和两个通道侧壁面所形成的中空的流体通道，鞘液隔离器、样本注入管、第一鞘液注入管、第二鞘液注入管、废液排出管，所述鞘液隔离器，与两个通道侧壁面相连接，所述样本注入管，穿过鞘液隔离器内部，其开口处具有扁平形状，所述第一鞘液注入管，与第二鞘液注入管，分别位于鞘液隔离器的两侧；所述鞘液隔离器两侧的鞘液，一侧为具有第一流量的从第一鞘液注入管注入的鞘液，另一侧为具有第二流量的从第二鞘液注入管注入的鞘液；具有两种流量的鞘液从两侧包夹住从所述鞘液隔离器的开口处流出的样本液体，使样本液体沿着希望的路径运动，进入所述粒子成像室的成像区域；

所述第一鞘液注入管、第二鞘液注入管分别用于鞘液注入，使鞘液分别具有第一流量和第二流量，鞘液隔离器用于样本液体的注入，使样本液体具有第三流量，具有第一流量的鞘液和具有第二流量的鞘液分别位于具有第三流量的样本液体两侧；

其特征在于包括下列步骤：

1)确定光学系统的景深；

2)根据加工工艺所能达到的最小尺寸确定粒子成像室成像区的尺寸和样本液体入口尺寸；

3)根据质量守恒计算得出粒子成像室流体通道尺寸；

4)以保证样本液体加速度在合理范围内为原则，通过理论分析和仿真计算确定曲面形状和尺寸；

5)根据粒子成像室的结构和尺寸，优化样本液体进入流体通道的位置。