CN104212705A - 一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，解决了现有细胞计数仪器结构复杂、造价昂贵、实现不便，且难以满足当下各领域特别是临床检测领域的需求的问题。该基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统包括：光源子系统，用于提供光源；双通道微流控制系统，为细胞流通提供通道并产生电脉冲；细胞脉冲信号采集系统，对所述双通道微流控制系统传递的电脉冲进行采样；智能图像采集和图像处理系统，由所述细胞脉冲信号采集系统采样的电脉冲激活并对细胞形态进行分析记录。本发明成本低、携带轻便、分析快速、高通量且易操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统。
背景技术
细胞计数在生物学基础研究和临床检测应用中都具有非常重要的意义，例如：药物开发研究中，常需考察药物对目标细胞的作用效果，需定量对细胞进行计数；医院内为确认癌症病人是否存在癌细胞扩散，也需对其血液内癌细胞进行计数。因此，对各类细胞，尤其是某些特定的稀少细胞的快速准确的定量计数显得异常重要。
现有技术中，一般采用流式细胞计数仪作为主要的检测工具，流式细胞计数仪主要是通过光谱识别方法，利用不同细胞对特定波长的光源透射及反射信号的不同，来进行区分与计数。但是，流式细胞计数仪需要集成光源及精准的光学探测器，因此体积庞大而且造价昂贵，过程复杂，而且需要专业人员操作，不适用于现场操作。
此外，也可以通过成像方法，即用细胞在显微镜下成像的方法区分不同细胞。目前常用的细胞检测技术采用表面化学技术的微流通道捕获细胞，其计数仍然在传统显微镜下实现，无法适应高通量的需求，如：发明创造名称为“血细胞分析仪及分析方法”，申请号为：200810179322.1的中国专利申请；以及发明创造名称为“一种基于图像识别的细胞计数方法”，申请号为：201010282484.5的中国专利申请，该申请公开文件中就记载了一种需要用到传统显微镜的细胞分析计数装置。
像流式细胞仪需要对快速流动的细胞进行显微成像，通常需要克服两个主要问题：
（1）显微镜的焦深调整。为了使细胞成像清晰，必须将流动的细胞约束在显微镜的焦深范围内。焦深主要取决于显微物镜的数值孔径，对于数值孔径很大的成像物镜，焦深非常小，很难将样品约束在焦深范围内。当待测细胞的大小大于焦深时，系统只能对细胞的局部成清晰像，处在焦深外的部分将得到离焦模糊像。
（2）对流动的细胞成像。由于细胞与相机之间存在相对运动，会造成图像拖尾问题。通常可以通过减小曝光时间，使得细胞在曝光时间范围内运动的距离小于成像的空间分辨率，细胞近似为静止，从而克服拖尾问题，但是较短的曝光时间将降低系统的灵敏度。如果采用特殊的时间延时积分相机(TDI相机)对流动的细胞进行拍摄，细胞像的流动方向与相机的行扫描方向相同并且同步，相对于相机，整个过程中细胞处于静止状态，从而克服拖尾问题。然而TDI相机价格昂贵，体积庞大，采用TDI相机探测将会使得系统的成本增加，而且如果细胞的流速与TDI相机的行扫描稍微不同步，亦会造成拖尾。
结合上述可知，现有技术中的细胞计数仪器已难以满足当下各领域特别是临床检测领域的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种造价低廉、成像清晰且能满足当下各领域特别是临床检测领域的需求的基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，包括：
光源子系统，用于提供光源；
双通道微流控制系统，为细胞流通提供通道并产生电脉冲；
细胞脉冲信号采集系统，对所述双通道微流控制系统传递的电脉冲进行采样；
智能图像采集和图像处理系统，由所述细胞脉冲信号采集系统采样的电脉冲激活并对细胞形态进行分析记录。
优选的，所述光源子系统为LED光源；此外还可采用如卤素灯、单色光源、激光束等。
具体的说，所述双通道微流控制系统包括微流控芯片，两条分别设置于微流控芯片内部的底部两侧的微流控管道，以及分别设置于微流控芯片两端并与所述微流控管道连通的样品输入口和样品输出口；在两个所述的微流控管道靠近样品输出口的一端设有与细胞脉冲信号采集系统连接的电极。
优选的，所述微流控芯片是透明的PDMS微流控芯片。
进一步的，所述样品输入口装有微量注射泵。
再进一步的，所述样品输出口装有收集废液的容器。
具体的说，所述细胞脉冲信号采集系统包括与所述两个微流控管道靠近样品输出口的一端设置的电极连接的差分信号放大电路，通过滤波器与差分信号放大电路连接的数模转换器，以及与数模转换器连接并用于滤去干扰信号的有源滤波器电路。
具体的说，所述智能图像采集和图像处理系统包括图像传感器芯片；所述的微流控芯片直接贴合于所述图像传感器芯片之上。
优选的，所述图像传感器芯片为CMOS图像传感器芯片或CCD图像传感器芯片。
进一步的，所述微流控管道长度小于或等于CMOS图像传感器芯片像素阵列的对角线长度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中微流控芯片直接贴合于图像传感器芯片之上，无需物镜，不仅能有效地克服显微成像时焦深小的局限性，且不同于其它成像流式细胞仪的侧向成像方式，本发明的成像方向与细胞的流动方向平行，从而可以抑制拖尾问题，成像质量更清晰。
（2）本发明采用细胞电脉冲激发系统，当有细胞经过微控流芯片时，产生电脉冲信号，电脉冲信号激发图像传感器芯片，图像传感器芯片自动对细胞的图像及形态进行分析与记录，极大地提高了本发明有效数据的收据率，降低了功耗。
（3）本发明中双通道微流控制系统包括微流控芯片，该微流控芯片内部的底部两侧分别设有一条微流控管道，细胞可通过任一管道流通，从而极大地提高了微控流芯片的处理速度。
（4）本发明能够对细胞进行显微成像，获得细胞的形态及内部结构信息，基于脉冲触发机制系统可以大大节约信息储存空间降低系统整体功耗；此外，可以同时对不同细胞进行区分、检测，提高检测速度，实现高通量。
（5）本发明成本低、携带轻便、分析快速、高通量且易操作。
附图说明
图1是本发明中微流控芯片和图像传感器芯片的侧视图。
图2是本发明中微流控芯片和图像传感器芯片的俯视图。
图3是本发明中细胞脉冲信号采集系统的电路图。
图4是本发明中CMOS呈像的芯片结构图。
图5是本发明中脉冲图像采集的原理说明图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-微流控芯片，2-印制电路板，3-图像传感器芯片，4-传感器封装，5-微流控管道，6-AgCl电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至5所示，本实施例提供了一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其主要包括：光源子系统，用于提供光源；双通道微流控制系统，为细胞流通提供通道并产生电脉冲；细胞脉冲信号采集系统，对双通道微流控制系统传递的电脉冲进行采样；智能图像采集和图像处理系统，由细胞脉冲信号采集系统采样的电脉冲激活并对细胞形态进行分析记录。上述部件均继承于一块印制电路板上。通过上述设置，细胞通过任一管道流通，由于直流电刺激便会产生电脉冲，该电脉冲传递给细胞脉冲信号采集系统，电流脉冲经放大电路处理后，激发智能图像采集和图像处理系统工作，对细胞进行细胞检测，轮廓提取、识别、分类计数，活性分析等。
光源子系统为LED光源、卤素灯、单色光源或激光束，其发出的光照射在双通道微流控制系统上，光源子系统为为整个CMOS的拍摄过程提高光源。
双通道微流控制系统包括微流控芯片，两条分别设置于微流控芯片内部的底部两侧的微流控管道，以及分别设置于微流控芯片两端并与微流控管道连通的样品输入口和样品输出口；在两个的微流控管道靠近样品输出口的一端设有与细胞脉冲信号采集系统连接的电极。通过上述设置，细胞通过任一微流控管道，都会产生电脉冲，比传统单通道微流控芯片多了一倍的细胞处理能力。为了便于实施，本实施例在样品输入口装有微量注射泵；样品输出口装有收集废液的容器。
其中，微流控芯片优选透明的PDMS微流控芯片，其也可采用其他材料，如：PC（polycarbonate，聚碳酸酯）、PMMA（poly-methylmethacrylate，聚酸甲酯）、PS（polystyrene，聚苯乙烯）、PET（polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二酯）、PVC（polyvinyl chloride，聚氯乙烯）、PFA（perfluoroalkoxy，全氟烷氧基树脂）、FEP（fluorinated ethylenepropylene，聚全氟乙丙烯）、COC（Cyclic Olefin Copolymer，环烯烃共聚物）、TPE（Thermoset Polyester，热固性聚酯）、PUMA（Polyurethane Methacrylate，聚氨酯甲基丙烯酸酯）等。
微流控芯片两端分别为芯片入口端和芯片出口端，二者与样品输入口和样品输出口一一对应。电极优选为AgCl电极，两个AgCl电极分别与细胞脉冲信号采集系统连接，细胞样品从样品输入口流入微流控管道，在经过AgCl电极时，由于直流电刺激便会产生一个电脉冲，传递给后端的细胞脉冲信号采集系统。
细胞脉冲信号采集系统包括与所述两个微流控管道靠近样品输出口的一端设置的电极连接的差分信号放大电路，通过滤波器与差分信号放大电路连接的数模转换器，以及与数模转换器连接并用于滤去干扰信号的有源滤波器电路。优选的，差分放大电路由MAX9643组成一个放大器，对微弱的电流信号进行放大；滤波器由THS4521构成；数模转换器由ADS8881构成，其具有1M的采样率和16位的分辨率，可以精确地对高速的细胞脉冲信号进行采样；有源滤波器是由OPA333组成的高阶有源滤波器。两个AgCl分别与MAX9643的同相输入端和反相输入端连接。细胞脉冲信号采集系统的具体工作过程如下：当细胞产生的微弱电流信号流过AgCl电极时，前端的MAX9643将通过1K的取样电阻把电流信号转化为电压信号，并进行100倍的放大；经过放大后的电压信号再由THS4521滤波后转化差分信号传递给模数转化器。为了给模数转化器提供高质量的参考电压，细胞脉冲信号采集系统采用的是REF5054电压参考源，并在参考电压输出端了加入了高阶的有源滤波器以滤去干扰信号。
智能图像采集和图像处理系统包括图像传感器芯片，优选的，该图像传感器芯片为CMOS图像传感器芯片或CCD图像传感器芯片，该芯片包括细胞图像运动检测单元、细胞分类识别单元以及图像结构相似度计数单元，其可完成同时对不同细胞形态进行分析记录，微流控芯片直接贴合于图像传感器芯片之上，上述的微流控管道长度近似于（小于或等于）CMOS图像传感器芯片像素阵列的对角线长度。当细胞进入微流控芯片时，图像传感器芯片处于关闭状态，细胞流经AgCl电极产生的电脉冲，经过放大、滤波及数模转换器处理后，激发图像传感器芯片工作，对细胞形态进行分析记录。
本发明专利是基于集成电路芯片、微机电系统、模拟数字电路，光学成像和生物科学多领域交叉开发的基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，主要适用于液态微小(微米量级)物体(例如癌细胞)的检测。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，包括：
光源子系统，用于提供光源；
双通道微流控制系统，为细胞流通提供通道并产生电脉冲；
细胞脉冲信号采集系统，对所述双通道微流控制系统传递的电脉冲进行采样；
智能图像采集和图像处理系统，由所述细胞脉冲信号采集系统采样的电脉冲激活并对细胞形态进行分析记录。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述光源子系统为LED光源、卤素灯、单色光源或激光束。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述双通道微流控制系统包括微流控芯片，两条分别设置于微流控芯片内部的底部两侧的微流控管道，以及分别设置于微流控芯片两端并与所述微流控管道连通的样品输入口和样品输出口；在两个所述的微流控管道靠近样品输出口的一端设有与细胞脉冲信号采集系统连接的电极。
4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述微流控芯片是透明的PDMS微流控芯片。
5.根据权利要求3所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述样品输入口装有微量注射泵。
6.根据权利要求3所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述样品输出口装有收集废液的容器。
7.根据权利要求3至6任一项所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述细胞脉冲信号采集系统包括与所述两个微流控管道靠近样品输出口的一端设置的电极连接的差分信号放大电路，通过滤波器与差分信号放大电路连接的数模转换器，以及与数模转换器连接并用于滤去干扰信号的有源滤波器电路。
8.根据权利要求3至6任一项所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述智能图像采集和图像处理系统包括图像传感器芯片；所述的微流控芯片直接贴合于所述图像传感器芯片之上。
9.根据权利要求8所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述图像传感器芯片为CMOS图像传感器芯片或CCD图像传感器芯片。
10.根据权利要求9所述的一种基于脉冲检测技术的双通道细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述微流控管道长度小于或等于CMOS图像传感器芯片像素阵列的对角线长度。
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