CN103674991A - 人体体液癌症标记物检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体体液癌症标记物检测装置，解决了现有检测装置造价昂贵、体积庞大、检测繁琐、检测结果不准确等问题。该装置包括磁弹性生物试纸、微控制器、线圈支架、增强型阻抗转换器、电源电路、直流偏置电路、按键和液晶屏幕，线圈支架上缠绕有直流偏置线圈和交流激励线圈，磁弹性生物试纸插设于线圈支架内，磁弹性生物试纸上设有磁致伸缩材料薄片，磁致伸缩材料薄片上修饰有与待测癌症标记物对应的抗体。该装置中的磁致伸缩材料成本低、灵敏度高、检测精度高，能够快速准确检测体液中癌症标记物的数量，避免重复性使用的繁琐和误差。此外，该装置体积小，便于便携式检测，降低了噪声干扰，提高了对磁弹性生物试纸检测的准确性和可靠性。

Description

人体体液癌症标记物检测装置

技术领域

本发明涉及生物医学工程与电子传感技术交叉学科领域，具体是一种人体体液癌症标记物检测装置。

背景技术

癌症诊断的方法主要有影像学、病理学、免疫学和分子生物学等。在上述检测方法中，通过X光，CT或者核磁共振等影像学方法存在一些不足之处：一是检测设备昂贵，一般医院无法承担采购设备的费用，从而造成患者检测收取的费用较高；二是由于检测设备体积庞大，设备操作复杂而需要专业人士操作，因而检测过程较为繁琐，患者需要自行到大型医院检测，而往往等患者感觉不适到医院检测的时候，癌症已经发展到中期或者晚期，使得治疗不及时；三是检测周期较长，检测结果往往需要1到2天的时间；四是以上检测方法都存在危害，多次累积使用，会对人体组织及周边环境造成不可逆转的危害。

而通过痰液、肿块、胸水和血液等标本进行检测的方法以血液和痰液癌症标记物检测的应用最为普遍。痰液中的癌症标记物检测有助于提高早期癌症病例的检出率；血液中的癌症标记物检测主要解决临床肺癌患者转移复发预测、预后判断、特异性抗复发治疗问题。而目前，痰液中癌症标记物的检查主要依赖光学技术，靠显微镜观测判断分析；血液检测标本需要通过PCR（多聚酶链反应）基因定量分析。这些方法都需要专业仪器进行检测，不适合便携式使用。

中国专利CN 100360939C利用生物磁控压电传感芯片探针探测癌细胞的方法，用于探测唾液或血液复杂体液中的肺癌细胞。其缺点在于：压电传感芯片探针易受抗体-磁微球的影响，探针上抗体-磁微球的数量和个体差异影响探针上被吸附物质质量的改变，致使检测结果的误差难以控制。

发明内容

本发明的目的针对上述现有技术中存在的不足，而提供一种人体体液癌症标记物检测装置，是一种基于磁弹性生物传感器的癌症标记物检测方案。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种人体体液癌症标记物检测装置，包括磁弹性生物试纸、微控制器、和线圈支架；微控制器连接有增强型阻抗转换器、电源电路、直流偏置电路、按键和液晶屏幕，其中，增强型阻抗转换器包括信号发生器和阻抗检测器；磁弹性生物试纸包括一个绝缘材料薄片，绝缘材料薄片上开设有一个安置通孔，安置通孔内固定有一个磁致伸缩材料薄片，磁致伸缩材料薄片上修饰有与待测癌症标记物对应的抗体（具体的修饰方法根据不同的抗体各不相同，这是本领域技术人员所熟悉的并且是能够容易实现的）；线圈支架包括前支架和后支架，磁弹性生物试纸夹置于前支架和后支架之间，线圈支架的整体外部缠绕有上、下两组直流偏置线圈，上、下两组直流偏置线圈之间缠绕有一组交流激励线圈，磁弹性生物试纸上的磁致伸缩材料薄片位于直流偏置线圈和交流激励线圈覆盖的范围内；上、下两组直流偏置线圈都是一端与直流偏置电路连接、另一端与地连接，一组交流激励线圈的一端与增强型阻抗转换器中的信号发生器连接、另一端与增强型阻抗转换器中的阻抗检测器连接。

本发明的原理在于：磁弹性生物试纸主要由磁致伸缩材料构成，这种磁致伸缩材料在外界交流磁场的作用下能伸缩振动。当交流磁场的频率与磁致伸缩材料的共振频率相同时，磁致伸缩材料发生共振。磁致伸缩材料的表面可以被敏感层（例如抗体）所修饰，能够特异性吸附对应的癌症标记物。当对应的癌症标记物被吸附于磁致伸缩材料上，磁致伸缩材料的自身负荷发生改变，其共振频率发生偏移。根据公式:

其中，△?为共振频率偏移量，?₀为磁致伸缩材料的初始共振频率，m_s为磁致伸缩材料的质量，△m为磁致伸缩材料表面质量负载的改变量。被吸附的癌症标记物数量越多，则共振频率偏移量越大,从而磁弹性生物试纸的频率偏移信息可以反映被吸附的癌症标记物的信息。

磁致伸缩材料的共振频率可以通过测量包围磁致伸缩材料的线圈的阻抗谱确定。在交流磁场的基础上同时施加合适的恒定磁场(偏置磁场)，磁致伸缩材料的共振幅度可以达到最大。当磁致伸缩材料共振时，也就是交流磁场的频率等于磁致伸缩材料的共振频率时，磁致伸缩材料的磁导率发生变化，引起线圈阻抗突变。在阻抗谱中，阻抗变化最大值对应的频率就是磁致伸缩材料的共振频率。通过测量磁致伸缩材料吸附癌症标记物前后的共振频率，计算频率偏移量，就可以间接反映癌症标记物的多少。

磁弹性生物试纸包含磁致伸缩材料和框架。磁致伸缩材料根据检测不同的癌症标记物修饰不同的抗体，对于在磁致伸缩材料上修饰不同的抗体是本领域技术人员所熟悉的，并且能够实现的；框架为矩形绝缘材料薄片，用于固定修饰抗体的磁致伸缩材料和提供拿取磁弹性生物试纸的空间。

增强型阻抗转换器包含信号发生器和阻抗检测器。信号发生器用于向交流激励线圈施加交流电压激励。阻抗检测器用于测量交流激励线圈的阻抗信息。

线圈支架分为前支架和后支架，用于固定磁弹性生物试纸、直流偏置线圈和交流激励线圈。直流偏置线圈分别缠在线圈支架的上、下两端，两个直流偏置线圈的一端与直流偏置电路相连、另一端与地相连，直流偏置线圈用于提供恒定偏置磁场，优化磁弹性生物试纸中的磁致伸缩材料的振动特性。交流激励线圈缠在线圈支架的中部，即上、下两组直流偏置线圈的中间位置，交流激励线圈的一端与增强型阻抗转换器的信号发生器相连，另一端与增强型阻抗转换器的阻抗检测器相连，交流激励线圈用于提供交流磁场，驱动磁弹性生物试纸中的磁致伸缩材料发生伸缩振动。磁弹性生物试纸插入线圈支架的前后支架之间并被前后支架夹固，使磁弹性生物试纸上的修饰抗体的磁致伸缩材料位于交流激励线圈和直流偏置线圈所覆盖部分的中间。

按键与微控制器相连，用于设定偏置磁场的强度以及交流磁场的起始频率、频移宽度和扫描点数信息。

液晶屏幕与微控制器相连，用于输出检测结果。

电源分别向微控制器、增强型阻抗转换器、直流偏置电路和液晶屏幕供电。

微控制器用于控制交直流激励、读取数据、数据处理和输出数据。微控制器控制直流偏置电路，向直流偏置线圈施加恒定电压，通过两个直流偏置线圈产生一个恒定偏置磁场。微控制器向增强型阻抗转换器发出包含起始频率、频移宽度和扫描点数信息的控制字。增强型阻抗转换器的信号发生器按照控制字的起始频率，向交流激励线圈施加一个这一频率的交流电压，同时增强型阻抗转换器的阻抗转换器采集在这一频率交流电压激励下交流激励线圈的阻抗。然后信号发生器按照控制字的频移宽度，在起始频率的基础上加上频移宽度，向交流激励线圈施加一个相加后频率的交流电压，同时增强型阻抗转换器的阻抗检测器采集在这一频率交流电压激励下交流激励线圈的阻抗，依次循环，直到测量的数量达到控制字的扫描点数。微处理器读取增强型阻抗转换器中全部频率和对应的阻抗数据（实部值和虚部值），通过比较全部的阻抗数据的实部值或者虚部值，找到阻抗的实部值或者虚部值变化的最大值所对应的频率值，从而确定磁致伸缩材料的共振频率。微控制器分别记录磁致伸缩材料与人体体液接触前后的共振频率，计算频率偏移量，从而通过频率偏移量的大小判断癌症标记物的数量。

进一步地，磁弹性生物试纸上的磁致伸缩材料薄片固定于安置通孔内的具体固定方法为：磁致伸缩材料薄片的两端各延设有一个连接耳，磁致伸缩材料薄片两端的连接耳固定在磁弹性生物试纸上安置通孔的孔边。

本发明的有益效果如下：

磁弹性生物试纸中的磁致伸缩材料成本低、灵敏度高，能够快速检测体液中癌症标记物的数量，适用于一次性使用，避免重复性使用的繁琐和误差。本发明检测装置采用增强型阻抗转换器，包含信号发生器和阻抗检测器于一体，减少了元器件的数量，使检测装置体积小，便于便携式检测，降低了噪声干扰，提高了对磁弹性生物试纸检测的准确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置的磁弹性生物试纸结构示意图。

图中：1-微控制器、2-磁弹性生物试纸、2-1-绝缘材料薄片、2-2-安置通孔、2-3-磁致伸缩材料薄片、2-4-连接耳、3-线圈支架、3-1-前支架、3-2-后支架、4-增强型阻抗转换器、4-1-信号发生器、4-2-阻抗检测器、5-电源电路、6-直流偏置电路、7-按键、8-液晶屏幕、9-直流偏置线圈、10-交流激励线圈。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步地描述：

如图1、2所示，一种人体体液癌症标记物检测装置，包括磁弹性生物试纸2、微控制器1和线圈支架3；微控制器1连接有增强型阻抗转换器4、电源电路5、直流偏置电路6、按键7和液晶屏幕8，其中，增强型阻抗转换器4包括信号发生器4-1和阻抗检测器4-2；磁弹性生物试纸2包括一个绝缘材料薄片2-1，绝缘材料薄片2-1上开设有一个安置通孔2-2，安置通孔2-2内固定有一个磁致伸缩材料薄片2-3，磁致伸缩材料薄片2-3上修饰有与待测癌症标记物对应的抗体；线圈支架（3）包括前支架3-1和后支架3-2，磁弹性生物试纸2夹置于前支架3-1和后支架3-2之间，线圈支架3的整体外部缠绕有上、下两组直流偏置线圈9，上、下两组直流偏置线圈9之间缠绕有一组交流激励线圈10，磁弹性生物试纸2上的矩形磁致伸缩材料薄片2-3位于直流偏置线圈9和交流激励线圈10覆盖的范围内；上、下两组直流偏置线圈9都是一端与直流偏置电路6连接、另一端与地连接，一组交流激励线圈10的一端与增强型阻抗转换器4中的信号发生器4-1连接、另一端与增强型阻抗转换器4中的阻抗检测器4-2连接。

本发明的增强型阻抗转换器4优选美国亚德诺半导体公司的AD5933高精度阻抗转换器。该阻抗转换器的片上集成了信号发生器4-1，12位MSPS的模数转换器和DSP内核。12位MSPS的模数转换器和DSP内核可以实现阻抗检测器4-2的功能，因此整合信号发生器4-1和阻抗检测器4-2于一体。微控制器1控制增强型阻抗转换器4的信号发生器4-1产生一定频率范围的交流电压来激励交流激励线圈10，交流激励线圈10的阻抗信息由增强型阻抗转换器41的片上ADC进行采样，然后由增强型阻抗转换器4的片上DSP进行离散傅里叶变换(DFT)处理。DFT算法在每个频率上返回交流激励线圈阻抗的实部值和虚部值。增强型阻抗转换器4和微控制器1通过I2C总线进行通讯。

交流激励线圈10的两端分别连接在增强型阻抗转换器4的输出端和输入端。交流激励线圈10由内径0.2mm的漆包线单层缠绕200圈制成，线圈直径为3mm。直流偏置线圈9分别由内径0.8mm的漆包线多层缠绕80圈制成，线圈直径为3mm。

微控制器1优选美国德州仪器半导体公司的MSP430F169微控制器，该处理器具有超低功耗的特点，适用于电池供电的便携设备。

直流偏置电路6优选数字电位器DS1804对3.3V电压分压输出。

电源电路5使用9V电池作为电源，电源电路将9V电压转换为3.3V，向微控制器1、增强型阻抗转换器4、直流偏置电路6和液晶屏幕8供电。

如图2所示，磁弹性生物试纸2包括作为框架的绝缘材料薄片2-1和用于修饰抗体的磁致伸缩材料薄片2-3。具体实施时，绝缘材料薄片2-1、磁致伸缩材料薄片2-3的形状可根据实际情况而制成任何形状，现以矩形为例：即绝缘材料薄片2-1为矩形薄片，绝缘材料薄片2-1上沿其长度方向开设有矩形的安置通孔2-2，矩形的安置通孔2-2内固定有矩形的磁致伸缩材料薄片2-3。磁致伸缩材料薄片2-3固定在安置通孔内的具体固定结构为：磁致伸缩材料薄片2-3的两端各延设有一个连接耳2-4，磁致伸缩材料薄片2-3两端的连接耳2-4固定在磁弹性生物试纸2上安置通孔2-2的孔边。绝缘材料薄片2-1的长度为100mm、宽度为10mm、厚度为2mm，其上开设的矩形通孔2-2长为40mm、宽为8mm；磁致伸缩材料薄片2-3是日立金属公司的METGLAS 2826M材料，经过切割和退火处理后，磁致伸缩材料薄片2-3的长度为32mm、宽度为6mm、厚度为30μm。磁致伸缩材料薄片2-3通过连接耳2-4固定在绝缘材料薄片2-1的安置通孔2-2内，连接耳2-4的长度为4mm，宽度为4mm。

需要说明的是，该尺寸下，磁致伸缩材料薄片2-3的共振频率为60kHz，共振需要的直流偏置电压为2.4V。

磁致伸缩材料薄片2-3表面根据检测不同的癌症标记物而修饰不同的抗体，具体的修饰方法是本领域技术人员容易实现的，例如：修饰甲胎蛋白抗体在磁致伸缩材料上，需要在磁致伸缩材料上溅射一层厚度为20μm的铬，然后再溅射一层厚度为20μm的金（铬层作为磁致伸缩材料和金的连接层），然后将甲胎蛋白抗体滴涂于金的表面。因为金具有生物活性，可以将甲胎蛋白固定于金的表面，从而实现修饰甲胎蛋白抗体在磁致伸缩材料上的目的。

以下列举一个具体实施例，对本发明的技术方案作进一步地的说明。

该实施例中以检测血液中的甲胎蛋白AFP为例：

甲胎蛋白AFP是诊断肝癌的特异性癌症标记物。通过患者外周血样样本中的甲胎蛋白的指标，可以判断患者是否肝癌的可能性。为了确定磁弹性生物试纸2的频率偏移与血液样本的甲胎蛋白指标的关系，首先需要标定甲胎蛋白指标对应频率偏移的上限和下限。

选取一个修饰甲胎蛋白抗体的磁弹性生物试纸2，放入检测装置的线圈支架3中。因为磁致伸缩材料薄片2-3修饰抗体前的共振频率为60kHz，修饰后共振频率会降低，吸附癌症标记物后共振频率还会继续降低，因此设置检测装置的交流电压激励的频率范围为51kHz-61kHz。

打开检测装置电源，通过按键7向检测装置1输入交直流电压激励的控制字：起始频率为51kHz、频移宽度为20Hz、扫描点数为500、交流输入电压0.4V和直流偏置电压为2.4V。输入完毕后，微控制器1控制直流偏置电路6通过直流偏置线圈9产生直流偏置磁场，并将交流电压激励控制字发给增强型阻抗转换器4，通过交流激励线圈10从起始频率开始，按照频移宽度递增，依次产生交流磁场，同时增强型阻抗转换器4测量每个频率的交流磁场激励下交流激励线圈10的阻抗。当测量的数量达到扫描点数后，增强型阻抗转换器4停止激励和测量，将各个频率和对应的阻抗的实部值和虚部值发回微控制器1。微控制器1比较各个频率和对应的阻抗的实部值，确定修饰甲胎蛋白抗体的磁致伸缩材料薄片2-3的初始共振频率为57.46kHz。选取甲胎蛋白超标的血液样本5ml，将该磁弹性生物试纸2放入血液样本中5分钟，使血液样本中的甲胎蛋白吸附在磁致伸缩材料薄片2-3表面。取出磁弹性生物试纸2，再次放入检测装置的线圈支架中，重新测量共振频率为53.24kHz。微控制器1计算并保存两次共振频率差值57.46-53.24=4.22kHz，从而确定甲胎蛋白检测指标的上限为4.22kHz。

重复上述步骤确定甲胎蛋白检测指标的下限。重新选取一个修饰甲胎蛋白抗体的磁弹性生物试纸2，测量共振频率为57.42kHz（由于修饰的抗体会引起每个矩形磁致伸缩材料薄片2-3的共振频率有所微小不同）。选取5ml甲胎蛋白正常的血液样本，将该磁弹性生物试纸2放入血液样本中5分钟，取出后重新测量共振频率为57.4kHz。微控制器1计算并保存两次共振频率差值57.42-57.4=0.02kHz，从而确定甲胎蛋白检测指标的下限为0.02kHz。标定完毕。

标定完毕后，利用频率偏移的上下限判断待测患者血液样本中甲胎蛋白的多少。抽取待测患者血液5ml，选取一个修饰甲胎蛋白抗体的磁弹性生物试纸2，通过测量放入血液前后的共振频率，计算共振频率差值。如果该差值接近甲胎蛋白指标下限，例如差值为0.06kHz，则属正常。如果该差值接近甲胎蛋白指标上限，例如差值为1.98kHz，则属不正常。

Claims (2)

1.一种人体体液癌症标记物检测装置，其特征在于：包括磁弹性生物试纸（2）、微控制器（1）、和线圈支架（3）；微控制器（1）连接有增强型阻抗转换器（4）、电源电路（5）、直流偏置电路（6）、按键（7）和液晶屏幕（8），其中，增强型阻抗转换器（4）包括信号发生器（4-1）和阻抗检测器（4-2）；磁弹性生物试纸（2）包括一个绝缘材料薄片（2-1），绝缘材料薄片（2-1）上开设有一个安置通孔（2-2），安置通孔（2-2）内固定有一个磁致伸缩材料薄片（2-3），磁致伸缩材料薄片（2-3）上修饰有与待测癌症标记物对应的抗体；线圈支架（3）包括前支架（3-1）和后支架（3-2），磁弹性生物试纸（2）夹置于前支架（3-1）和后支架（3-2）之间，线圈支架（3）的整体外部缠绕有上、下两组直流偏置线圈（9），上、下两组直流偏置线圈（9）之间缠绕有一组交流激励线圈（10），磁弹性生物试纸（2）上的磁致伸缩材料薄片（2-3）位于直流偏置线圈（9）和交流激励线圈（10）覆盖的范围内；上、下两组直流偏置线圈（9）都是一端与直流偏置电路（6）连接、另一端与地连接，一组交流激励线圈（10）的一端与增强型阻抗转换器（4）中的信号发生器（4-1）连接、另一端与增强型阻抗转换器（4）中的阻抗检测器（4-2）连接。

2.根据权利要求1所述的人体体液癌症标记物检测装置，其特征在于：所述的磁致伸缩材料薄片（2-3）的两端各延设有一个连接耳（2-4），磁致伸缩材料薄片（2-3）两端的连接耳（2-4）固定于磁弹性生物试纸（2）上安置通孔（2-2）的孔边。

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