CN104758058B - 一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置，包括一发生装置、一显微成像系统、一控制系统和一数据分析系统，血细胞放置于所述发生装置中，所述发生装置上开设有观测间隙，所述显微成像系统位于所述发生装置靠近所述观测间隙的一侧，所述发生装置、所述显微成像系统和所述数据分析系统均与所述控制系统电性联通。通过发生装置产生剪切场，使血细胞发生变形。控制系统控制发射装置血液介质的注入和剪切场的产生，控制显微成像系统对被标记的血细胞进行图像捕捉，控制数据分析系统实时自动提取红细胞变形参数，并进行数据、图像的分析和处理。操作简单，而且灵敏度高，观测方便。

Description

一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置

技术领域

本发明涉及一种血细胞机械应力形变的观测装置，尤其涉及一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置。

背景技术

自心血管人工器官问世以来，有关的研究和应用发展迅速，更有不少已用于临床。尽管如此，人工器官中血液机械损伤的规律(特别是红细胞损伤所引起的血栓和溶血问题)一直是悬而未决的难题，严重阻碍了心血管人工器官等医疗装置在临床的推广使用。因此，对血液机械损伤规律的研究是人工器官等医疗器械开发的一项核心内容。设计直观而准确的血液损伤实验装置可以为此类医疗器械的设计及优化提供实验手段，具有重要的研究意义。

近年来，血液机械损伤规律的研究装置的进一步发展，主要表现在装置机械结构的改进和血液机械损伤分析方法的进步。

Leverett等人于1972年首次运用改造过的Couette粘度计研究了高剪应力下的血液损伤，其装置最大可产生400Pa的剪应力，但是整个受力过程持续数分钟，无法研究短时(1秒以下，甚至毫秒量级)应力作用的效果。Heuser研发的实验装置，采用同心圆柱面库爱特流，通过压差连续地驱使试样沿轴向快速流过圆柱面间的窄缝进行实验，但采用的是端面滑动式机械动密封，实验误差明显。由Antaki小组研制出来的Hemolyzer装置也因为机械轴承的发热过大而无法使用。在以往装置中，不但密封和发热的难题问题没有得到妥善解决，更重要的是无法直接观测血细胞的变形情况以及流场分布特征。

论文“基于计算机辅助工程技术测试人工机械心脏瓣膜血液动力学特性”，表明通过使用计算机辅助工程技术，也可以方便地进行机械瓣稳态定常流模拟测试。但是它研究方向局限在人工心脏的血液动力学特性方向，并没有对红细胞的机械损伤作研究。自动激光衍射仪，是一种测量血液中红细胞变形性及取向、数量、直径、表面积等，从而可进行血液流变特性的研究的装置，具备广阔应用背景，但是缺乏有效的血液损伤模型，藉以获得一系列可信度高的实验数据，而且激光衍射仪造价也比较昂贵。

迄今为止，用以观测血细胞机械应力形变的装置仍有待完善，尚没有一种方法能得到既满足血液机械损伤实验需求、可信度高的的血液损伤模型，又能够实时可视化观测间隙流场特征、分析剪应力分布的装置。

人工器官中血液机械损伤的规律一直是心血管人工器官等医疗装置在临床推广使用的最大桎梏，因此，研究和观测血细胞机械应力形变的状况具有重要的临床和基础研究意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置，不仅操作简单，而且灵敏度高，观测方便。

本发明提出的一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置，包括：一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置，包括一发生装置、一显微成像系统、一控制系统和一数据分析系统，血细胞放置于所述发生装置中，所述发生装置上开设有观测间隙，所述显微成像系统位于所述发生装置靠近所述观测间隙的一侧，所述发生装置、所述显微成像系统和所述数据分析系统均与所述控制系统电性联通；发生装置为一血液机械剪切应力产生器，所述血液机械剪切应力产生器包括一静止的壳体和一盘状的机械轴承转子，所述机械轴承转子位于所述壳体中，所述观测间隙位于所述壳体和机械轴承转子相交的水平位置；显微成像系统由脉冲调制激光器、荧光高速显微相机和电控位移平台组成，所述脉冲调制激光器的发射口直接朝向所述观测间隙，并将脉冲激光射向所述观测间隙内的血细胞上，所述荧光高速显微相机水平固定在所述电控位移平台上，所述脉冲调制激光器、荧光高速显微相机和所述电控位移平台均与所述控制系统电性联通。

作为本发明的进一步改进，所述脉冲调制激光器能够将脉冲激光射向所述观测间隙内的血细胞上的结构为：所述脉冲调制激光器的发射口竖直向下，所述脉冲调制激光器的下方固设一半透半反镜，所述半透半反镜位于荧光高速显微相机的拍摄范围内。

作为本发明的进一步改进，所述发生装置的壳体为圆柱体，所述观测间隙与荧光高速显微相机之间固设一凹凸透镜。

作为本发明的进一步改进，所述控制系统为一计算机，所述计算机控制所述数据分析系统的运作。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：通过发生装置产生剪切场，使血细胞发生变形。控制系统控制发生装置血液介质的注入和剪切场的产生，控制显微成像系统对被标记的血细胞进行图像捕捉，控制数据分析系统实时自动提取红细胞变形参数，并进行数据、图像的分析和处理。操作简单，而且灵敏度高，观测方便。该装置既可通过简易显微成像系统直接观测红细胞变形及流动过程，从而获得剪切间隙内的流场特征。其次，该装置从结构上保证剪切间隙内无干扰流场的装置，因此具有精度高，剪切场均匀程度高等优点。而装置的密封结构可保持细胞良好的培养环境，避免外界温度、湿度、酸碱度和细菌因素对实验结果的影响。另外，细胞所受剪应力的大小和剪切时间都可精确控制与调节,装置对细胞的形变观测灵活性强。该装置是十分可靠有效的血细胞机械应力形变观测装置。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装框架图；

图2是本发明中发生装置的结构示意图；

图3是本发明中发生装置的观测间隙较大时的观测示意图；

图4是本发明中发生装置的观测间隙较小时的观测示意图；

图5是本发明中增加凹凸透镜的观测示意图；

图6是本发明中凹凸透镜的成像原理示意图；

其中：1-机械轴承转子，2-脉冲调制激光器，3-电控位移平台，4-荧光高速显微相机，5-半透半反镜，6-凹凸透镜，7-壁筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例：如图1所示，一种血细胞机械应力形变观测装置结构，包括一发生装置、一显微成像系统、一控制系统和一数据分析系统，血细胞放置于所述发生装置中，所述发生装置上开设有观测间隙，所述显微成像系统位于所述发生装置靠近所述观测间隙的一侧，所述发生装置、所述显微成像系统和所述数据分析系统均与所述控制系统电性联通。发生装置用于产生剪切场，使血细胞发生变形。显微成像系统，控制系统以及数据分析系统三个部分组成观测装置。控制系统控制发生装置血液介质的注入，产生剪切场，控制显微成像系统对被标记的血细胞进行图像捕捉，控制数据分析系统实时自动提取红细胞变形参数，并进行数据、图像的分析和处理。

如图2所示，所述发生装置为一血液机械剪切应力产生器，所述血液机械剪切应力产生器包括一静止的壳体和一盘状的机械轴承转子1，所述机械轴承转子位于所述壳体中，所述观测间隙位于所述壳体和机械轴承转子相交的水平位置。不同于以往，本发明在观测间隙的水平位置做特殊的间隙观测处理，以实现对血细胞变形的可视化。当血液模拟介质通过管路按照图中箭头方向流入，经过观测间隙时血细胞发生变形，透过可视化的观测间隙，细胞变形情况可以被直接捕捉。

所述显微成像系统由脉冲调制激光器2、荧光高速显微相机4和电控位移平台3组成，所述脉冲调制激光器能够将脉冲激光射向所述观测间隙内的血细胞上，所述荧光高速显微相机水平固定在所述电控位移平台上，所述脉冲调制激光器、荧光高速显微相机和所述电控位移平台均与所述控制系统电性联通。为了使血细胞变形情况能够被准确采集，观测前需用DiI(细胞膜红色荧光探针)将血液模拟介质染色。在控制系统的控制下，当血液模拟介质通过观测间隙时，脉冲调制激光器的开关被触发，血液中的荧光物质受到激光的激发，发出的荧光信号透过观测间隙被荧光高速显微相机捕捉并记录。通过电控位移平台实现荧光高速显微相机在X、Y、Z三个轴向上的运动，从而可以扫描不同流场区域，观测不同区域内的红细胞的变形情况以及流场分布特征。

另外，根据发生装置以及观测的具体情况可制定不同方案：

(1)如图3所示，当发生装置的观测间隙较大时，所述脉冲调制激光器的发射口直接朝向所述观测间隙。

(2)如图4所示，当发生装置的观测间隙相对较小，脉冲调制激光器直接照射有困难时，可将激光器竖直向下照射，所述脉冲调制激光器的发射口竖直向下，所述脉冲调制激光器的下方固设一半透半反镜5，所述半透半反镜位于荧光高速显微相机的拍摄范围内。利用半透半反镜改变光路，使激光垂直射入观测间隙中。

(3)如图5所示，所述发生装置的壳体为圆柱体，所述观测间隙与荧光高速显微相机之间固设一凹凸透镜6。由于发生装置的壳体为圆柱体，所以观测到的图像为柱面像。在观测间隙与荧光高速显微相机之间的适当位置加一片特殊的凹凸透镜(需根据具体实验情况选定透镜)，将柱面像转变成平面像，调整视场变化，方便观测。加入特殊的凹凸透镜之后，具体成像原理如图6所示。观测间隙内发生形变的血细胞A发出的光线经过壁筒7之后发生偏折，再经过凹凸透镜后，光线再一次偏折，视场得到调整，并在D点成平面像。

所述控制系统为一计算机，所述计算机控制所述数据分析系统的运作，所述数据分析系统为一智能图像处理软件。计算机中预先编写的程序实现血液模拟介质的注入，激光器的开关触发，图像信号被荧光高速显微相机记录并传输到内的同步化，避免了人工操作带来的误差。同时也可以改变血细胞的剪切时间，机械应力的大小以及电控位移平台的观测范围，从而获得多组不同剪切时间，不同机械应力以及不同流场内血细胞的变形情况。荧光高速显微相机所记录的图像信息存储到计算机后，借助于智能图像处理软件自动提取红细胞变形参数进行分析，从而实现对群体在整个剪切过程中甚至是特定时间点的变形情况的实时动态观测，还原血细胞的剪切变形过程。

Claims (4)

1.一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置，其特征在于：包括一发生装置、一显微成像系统、一控制系统和一数据分析系统，血细胞放置于所述发生装置中，所述发生装置上开设有观测间隙，所述显微成像系统位于所述发生装置靠近所述观测间隙的一侧，所述发生装置、所述显微成像系统和所述数据分析系统均与所述控制系统电性联通；所述发生装置为一血液机械剪切应力产生器，所述血液机械剪切应力产生器包括一静止的壳体和一盘状的机械轴承转子，所述机械轴承转子位于所述壳体中，所述观测间隙位于所述壳体和机械轴承转子相交的水平位置；所述显微成像系统由脉冲调制激光器、荧光高速显微相机和电控位移平台组成，所述脉冲调制激光器的发射口直接朝向所述观测间隙，并将脉冲激光射向所述观测间隙内的血细胞上，所述荧光高速显微相机水平固定在所述电控位移平台上，所述脉冲调制激光器、荧光高速显微相机和所述电控位移平台均与所述控制系统电性联通。

2.根据权利要求1所述的一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置，其特征在于：所述脉冲调制激光器能够将脉冲激光射向所述观测间隙内的血细胞上的结构为：所述脉冲调制激光器的发射口竖直向下，所述脉冲调制激光器的下方固设一半透半反镜，所述半透半反镜位于荧光高速显微相机的拍摄范围内。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置，其特征在于：所述发生装置的壳体为圆柱体，所述观测间隙与荧光高速显微相机之间固设一凹凸透镜。

4.根据权利要求1-2中任意一项所述的一种血细胞机械应力形变脉冲激光同步显微成像观测装置，其特征在于：所述控制系统为一计算机，所述计算机控制所述数据分析系统的运作。