CN104212706A - 一种基于锁相放大技术的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锁相放大技术的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。该基于锁相放大技术的细胞微流图像采集系统包括：光源子系统，用于提供光源；微流控制系统，为细胞流通提供通道并产生交流信号；锁相放大子系统，对细胞的电学信息进行收集，并对细胞种类和有无进行甄别；智能图像采集和图像处理系统，由交流信号转换后的数字信号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锁相放大技术的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锁相放大技术的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：
一种基于锁相放大技术的细胞微流图像采集系统，包括：
光源子系统，用于提供光源；
微流控制系统，为细胞流通提供通道并产生交流信号；
锁相放大子系统，对细胞的电学信息进行收集，并对细胞种类和有无进行甄别，将细胞产生的交流信号方法并转换为数字信号；
智能图像采集和图像处理系统，由交流信号转换的数字信号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、卤素灯、单色光源或激光束。
具体的说，所述锁相放大子系统包括产生两路正交信号的正交信号发生器，由AD524构成的差放电路和AD708构成的中频放大电路，对放大后的交流信号进行平衡建波并得出信号的虚部和实部的由AD630构成的检波电路，以及由ADS8881组成并将虚部和实部信号转化为数字信号传至智能图像采集和图像处理系统的模数转化器。
进一步的，所述锁相放大子系统还包括由两个OPA333组成并用于滤去干扰信号的高阶有源滤波器。
再进一步的，所述微流控制系统包括微流控芯片，设置于微流控芯片内部的底部一侧的微流控管道，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；在所述的微流控管道靠近样品输出口的一端设有与锁相放大子系统连接的电极。
优选的，所述微流控芯片是透明的PDMS微流控芯片。
优选的，所述样品输入口装有微量注射泵。
优选的，所述样品输出口装有收集废液的容器。
同时，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。
优选的，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）本发明通过锁相放大子系统对微流芯片上细胞的电学信息进行收集，并对细胞种类和有无进行甄别；在确定该细胞为有所需样品细胞后，启动智能图像采集和图像处理系统对样品细胞进行图像采集和处理，不仅提高了系统对细胞的识别速度也提高的细胞的检测精度，同时节约了图像储存空间降低了系统功耗。
（3）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是本发明中锁相放大子系统的电路图。
图3是本发明中图像采集的芯片结构图。
图4是本发明中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4所示，本实施例提供了一种基于锁相放大技术的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；微流控制系统，为细胞流通提供通道并产生交流信号；锁相放大子系统，对细胞的电学信息进行收集，并对细胞种类和有无进行甄别；智能图像采集和图像处理系统，由交流信号激活并对细胞形态进行分析记录。通过上述设置，细胞通过管道流通时，由于参考电压刺激便会产生微弱的交流信号，该交流信号传递给锁相放大子系统，交流信号经锁相放大子系统处理后，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，其发出的光照射在微流控制系统上。
微流控制系统微流控芯片，设置于微流控芯片内部的底部一侧的微流控管道，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；在所述的微流控管道靠近样品输出口的一端设有与锁相放大子系统连接的电极。通过上述设置，细胞通过微流控管道时，正交信号发生器发出的激发源作为参考电源，通过参考电源激发流通的细胞产生交流信号。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电极分别与锁相放大子系统连接，细胞样品从样品输入口流入微流控管道，在经过AgCl电极时，由于参考电压刺激便会产生一个交流信号，传递给后端的锁相放大子系统。
锁相放大子系统包括产生两路正交信号的正交信号发生器，由AD524构成的差放电路和AD708构成的中频放大电路，对放大后的交流信号进行平衡建波并得出信号的虚部和实部的由AD630构成的检波电路，以及由ADS8881组成并将虚部和实部信号转化为数字信号传至智能图像采集和图像处理系统的模数转化器。其中，正交信号发生器由DDS芯片构成，能同时产生正交的两路信号，其中一路信号做为激发源，激发流过微流通道的细胞产生交变的电信号。锁相放大子系统的工作原理如下：正交信号发生器产生两路正交的信号，一路通过Ag/AgCl电极通向微流控芯片中，另一路作为后端检波的参考信号；当细胞流经Ag/AgCl电极时，细胞在参考电压的激励下，会产生极微弱的交流信号，AD524和AD708组成的前端放大电路对该交流信号进行放大，再交由两路AD630进行建波，得出信号的虚部和实部（信号的虚部和实部便是指细胞本身的电阻值）；最后，虚部和实部信号经两路由ADS8881组成的模数转化器进行采样后转化为数字信号传给智能图像采集和图像处理系统做后续的数据处理。
进一步的，本实施例中，锁相放大子系统还包括由两个OPA333组成并用于滤去干扰信号的高阶有源滤波器。
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电极产生的交流信号，经过放大、滤波及数模转换器处理后，转换成数字信号，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锁相放大技术的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)
1.一种基于锁相放大技术的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；
微流控制系统，为细胞流通提供通道并产生交流信号；
锁相放大子系统，对细胞的电学信息进行收集，并对细胞种类和有无进行甄别，将细胞产生的交流信号放大并转换为数字信号；
智能图像采集和图像处理系统，由交流信号转换的数字信号激活并对细胞形态进行分析记录。
2.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的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或2所述的一种基于锁相放大技术的细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述锁相放大子系统包括产生两路正交信号的正交信号发生器，由AD524构成的差放电路和AD708构成的中频放大电路，对放大后的交流信号进行平衡建波并得出信号的虚部和实部的由AD630构成的检波电路，以及由ADS8881组成并将虚部和实部信号转化为数字信号传至智能图像采集和图像处理系统的模数转化器。
4.根据权利要求3所述的一种基于锁相放大技术的细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述锁相放大子系统还包括由两个OPA333组成并用于滤去干扰信号的高阶有源滤波器。
5.根据权利要求4所述的一种基于锁相放大技术的细胞微流图像采集系统，其特征在于，所述微流控制系统包括微流控芯片，设置于微流控芯片内部的底部一侧的微流控管道，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；在所述的微流控管道靠近样品输出口的一端设有与锁相放大子系统连接的电极。
6.根据权利要求5所述的一种基于锁相放大技术的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。
7.根据权利要求5所述的一种基于锁相放大技术的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。
8.根据权利要求5所述的一种基于锁相放大技术的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。
9.根据权利要求4至8任一项所述的一种基于锁相放大技术的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。
10.根据权利要求9所述的一种基于锁相放大技术的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。
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