CN105067488A - 一种粒子成像室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子成像室，可用于影像式粒子分析仪，包括依次设置的整流腔部件、加速腔部件、聚焦腔部件及识别腔部件。所述粒子成像室输入样本液体和鞘液，其中鞘液在通过所述粒子成像室的腔体后能够对样本液体的截面厚度进行压缩，使其达到理想厚度后拍照分类；并且可提高样本液体内粒子的运动姿态稳定性，特别是对不规则形状粒子运动姿态稳定性的提高，从而提高自动分类识别的成功率及分析结果的准确性。

Description

一种粒子成像室

技术领域

本发明涉及影像式粒子分析仪技术领域，尤其涉及的是一种粒子成像室。

背景技术

分析液体样本中的粒子，最有效的方法是使液体样本中的粒子从一个狭窄的通道流过，同时在这个狭窄的粒子通道上通过显微成像系统采集粒子的特征信息。目前，显微成像系统技术已经相当成熟，且处于不断上升提高的阶段；为了得到准确的特征信息，在成像室内形成稳定的、很薄的平面流技术显得格外重要。

样本中的粒子在通道内流动时，处于中心处的粒子流速最快，紧贴通道壁面处的流速最低，其余位置的流速根据距离中心处位置的不同而呈抛物线规律；不在中心位置的粒子与周围液体流速不一致，在流动过程中会造成翻滚现象，导致粒子图像存在弯折、堆积、卷曲等缺陷。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种粒子成像室，旨在解决现有技术中待成像的样本中的粒子无法在成像室内形成稳定的、很薄的平面流的缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种粒子成像室，其中，包括依次设置的用于注入鞘液及样本液体、且使鞘液具有相同的注入速度的整流腔部件，用于从对所述整流腔部件流出的鞘液进行第一次加速的加速腔部件，用于对从所述加速腔部件中流出的鞘液在包裹从整流腔部件直接注入的样本液体后进行第二次加速的聚焦腔部件，及用于通过腔外设置的显微成像系统对从所述聚焦腔部件流出的包裹着样本液体的鞘液进行图像采集的识别腔部件。

所述粒子成像室，其中，所述整流腔部件包括：

对称式整流腔；

套设在所述对称式整流腔上的样本针座；

设置在所述的对称式整流腔入口处的排气座；

垂直设置在所述排气座的侧壁上第一排气接头及第二排气接头；

垂直设置在所述排气座顶端、贯穿所述排气座并延伸至聚焦腔部件的样本针；

设置在所述样本针座的侧壁上、贯穿所述样本针座并延伸至对称式整流腔的鞘液入口管。

所述粒子成像室，其中，所述第一排气接头与所述第二水平接头在水平方向上呈90°夹角，且在竖直方向上不处于同一高度。

所述粒子成像室，其中，所述加速腔部件的长度为5mm-15mm。

所述粒子成像室，其中，所述聚焦腔部件的侧面壁厚为0-2mm，且其河道宽度为0-6mm。

所述粒子成像室，其中，所述识别腔部件包括：

对称式识别腔；

设置在所述对称式识别腔出口处的排废液座；

设置在所述排废液座上的排废液接头。

所述粒子成像室，其中，所述对称式识别腔的前表面和后表面上均设置有至少2个标记点。

所述粒子成像室，其中，所述对称式识别腔的前表面的四个顶角中的两个相对的对角上分别设置有第一标记点及第二标记点。

所述粒子成像室，其中，所述对称式识别腔的后表面的四个顶角中的两个相对的对角上分别设置有第三标记点及第四标记点。

所述粒子成像室，其中，所述标记点由4个高度不同的方形区域组成，且每一方形区域的几何中心处设置有十字线。

有益效果：本发明所述的粒子成像室，可用于影像式粒子分析仪，包括依次设置的整流腔部件、加速腔部件、聚焦腔部件及识别腔部件。所述粒子成像室输入样本液体和鞘液，其中鞘液在通过所述粒子成像室的腔体后能够对样本液体的截面厚度进行压缩，使其达到理想厚度后拍照分类；并且可提高样本液体内粒子的运动姿态稳定性，特别是对不规则形状粒子运动姿态稳定性的提高，从而提高自动分类识别的成功率及分析结果的准确性。

附图说明

图1为本发明所述的粒子成像室的区域划分示意图。

图2为本发明所述的粒子成像室的结构示意图。

图3为非对称流道的示意图。

图4a为本发明所述的粒子成像室中对称式识别腔的前表面上标记点的示意图。

图4b为本发明所述的粒子成像室中对称式识别腔的后表面上标记点的示意图。

图5为本发明所述的粒子成像室中标记点的示意图。

图6为聚焦腔部件中不同鞘流池宽度对样本液体的层流宽度影响的模拟仿真结果曲线图。

图7为不同加速腔部件长度模拟仿真结果曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种粒子成像室，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，其为本发明所述的粒子成像室的区域划分示意图。如图1所示，所述粒子成像室包括依次设置的用于注入鞘液及样本液体、且使鞘液具有相同的注入速度的整流腔部件100，用于从对所述整流腔部件100流出的鞘液进行第一次加速的加速腔部件200，用于对从所述加速腔部件200中流出的鞘液在包裹从整流腔部件100直接注入的样本液体后进行第二次加速的聚焦腔部件300，及用于通过腔外设置的显微成像系统对从所述聚焦腔部件300流出的包裹着样本液体的鞘液进行图像采集的识别腔部件400。

进一步的，请再参考图2，其为本发明所述的粒子成像室的结构示意图。如图2所示，所述整流腔部件100包括：

对称式整流腔110；

套设在所述对称式整流腔上的样本针座120；

设置在所述的对称式整流腔入口处的排气座130；

垂直设置在所述排气座130的侧壁上第一排气接头140及第二排气接头150；

垂直设置在所述排气座130顶端、贯穿所述排气座130并延伸至聚焦腔部件300的样本针160；

设置在所述样本针座120的侧壁上、贯穿所述样本针座120并延伸至对称式整流腔110的鞘液入口管170。

具体实施时，所述对称式整流腔110的腔体内为圆柱形通壁面，还包括样本液引导区（图中未标出）。可见，所述的整流腔部件100上设置有鞘液入口管170，其为单一的鞘液输入口，当鞘液注入到对称式整流腔110的圆柱形腔体后，经过样本针座120集合位置均布的两孔输入鞘液，使得两孔鞘液具有相同的注入速度进入加速腔部件200。

更具体的，鞘液从鞘液入口管170注入对称式整流腔110，以相同流量从两孔注入加速腔部件200，经过加速进入聚焦腔部件300进行第二次加速，样本液体通过样本针160进入聚焦腔部件300，具有相同速度的鞘液分别从两侧在聚焦腔部件300夹着样本液体向前流动，经过识别腔部件400，并从识别腔部件400的输出端流出。

进一步的，如图1和图2所示，所述的加速腔部件200，具有呈对称分布的加速腔体，输入和输出端之间轮廓由圆弧和直线直接连接起来（即包括曲线加速面和直线整流面），流体（本发明中的流体是指鞘液及样本液体）通过加速腔部件200由腔体截面积变化进行压缩，实现第一次加速后输出更加稳定的流体进入聚焦腔部件300。

进一步的，如图1和图2所示，所述的聚焦腔部件300呈对称分布，聚焦腔部件300的输入端与加速腔部件200的输出端相连，通过流体截面积的再次变化对鞘液层流厚度进行压缩，且聚焦腔部件300中聚焦腔两侧的鞘液流速相同，使样样本针160中流出的样本层流两侧压力相同，进而保证样本层流位于整个层流的中间，便于接下来的拍照识别。具体实施时，样本针160输出口位于二次加速的起始端，具有相同速度的鞘液夹着样本液体前行，样本液体从样本针160的输出口中流出的速度与鞘液速度不同。

进一步的，如图1和图2所示，所述的识别腔部件400，包括：对称式识别腔410；设置在所述对称式识别腔410出口处的排废液座420；设置在所述排废液座420上的排废液接头430。所述对称式识别腔410呈对称分布，分别与聚焦腔部件300中聚焦腔的输出端和排废液座420的输入端相连，当鞘液包裹下的样本液体的层流以一定的速度匀速经过对称式识别腔410时，置于识别腔部件400外部的显微成像系统进行拍照，并对图像进行分析、归类、处理。

本发明的粒子成像室中，要实现的技术效果是使样本液体中的样本粒子以合适的位置、合适的速度出现在显微成像系统的镜头前，使显微成像系统能够采集到清晰合适的粒子图像。

在本发明所述的粒子成像室中，为了使样本液体在聚焦腔部件300中尽量位于层流中心位置，一种方式是聚焦腔部件300内采用非对称的流道，如图3所示，调整样本液体10在进入流道时的中心位置，使其靠近平直壁面一侧。另一种方式是聚焦腔部件300内采用结构完全对称的流道，如图4所示，样本液体10两侧的鞘液20流速相同，使样本液体10的层流位于流道中心位置。

如图3所示，对于聚焦腔部件300中腔体为非对称结构的粒子成像室，如果将样本液体10的输入端放在流道的中心位置，鞘液20在靠近平面壁面的的流速高，倾斜壁面附近的鞘液20流速低，对靠近倾斜壁面的液体产生一定的压迫，不能使样本液体10中的样本粒子进入对称式识别腔410后处在流道的中心位置，使得样本液体10的流动层流位置出现偏差，偏向靠近倾斜壁面侧。

对于聚焦腔部件300中腔体为对称结构的粒子成像室，由于其结构的对称性，在不考虑重力的情况下，鞘液20和样本液体10的受力状态仍然具有对称性，液体粘度参数的变化可以改变液体内部剪切力，但是流体受力仍然呈对称性，因此样本液体10的层流位于流道中心位置的特性不会受到影响。

对于样本液体10中粒子在对称式识别腔410不能处在焦平面位置，导致不能成像的问题，引起这种现象的原因是位于样本液体10的层流两侧的鞘液20速度不同。当使鞘液20具有单一的注入速度，整流腔部件100中的鞘液20具有单一的注入口，保证进入聚焦腔部件300中鞘流池的鞘液20具有相同的速度，使样本液体10中的样本粒子进入对称式识别腔410时在通道的中心位置。通过上述调整方式，无论鞘液20的物理性质变化，样本液体20的物理性质变化，都不会对对称式识别腔410内的层流产生偏离的作用。

为了确保样本液体10的层流位于流道中心位置，样本针160两侧的鞘液输出口尺寸要相同，加工精度要保证。如果一侧的鞘液入口比另一侧大，鞘液的注入流量就会增加，导致在识别腔部件400这一侧的鞘液流量增加，样本液体的层流偏离中心聚焦位置。因此，保证对称式整流腔110输出端两个鞘液输出口的尺寸相同时十分必要的。

同时，为了确保进入识别腔部件400位于样本液体两侧的鞘液具有相同的速度，就是在鞘液进入聚焦腔部件300中的鞘流池时具有单一的速度，从而使样本液体的层流进识别腔部件400位于周围流速对称的腔体的中心位置，便于采集到粒子。

进一步的，所述对称式识别腔410的前表面和后表面上均设置有至少2个标记点411。具体实施时，如图4a和图4b所示，所述对称式识别腔410的前表面的四个顶角中的两个相对的对角上分别设置有第一标记点4111及第二标记点4112；所述对称式识别腔的后表面的四个顶角中的两个相对的对角上分别设置有第三标记点4113及第四标记点4114。在聚焦过程中可通过查看上述四个标记点位置辅助聚焦；当显微成像系统识别到不同的标记点点后，可确定其位置并快速运动到指定聚焦位置，提高聚焦效率、降低聚焦时间。

进一步的，如图5所示，所述标记点411由4个高度不同的方形区域组成，且每一方形区域的几何中心处设置有十字线。具体实施时，在每一方形区域内均设置一颜色色块，且四个方形区域的颜色色块均不相同。每一标记点411内的四种颜色色块分布在四个微米级高度差上。通过查看聚焦过程图片，查找聚焦过程中标记点上十字线清晰图片，找到对应成像清晰位置的区域，确定高度距离，通过已知标记点高度换算出能拍摄到的清晰范围，即景深范围。景深范围中间位置即为像面，即需要聚焦的位置。当显微成像系统的焦平面与样本液体流过的位置重合，在对称式识别腔410腔体的中心位置，随着样本液体流动，捕捉样本液体中不同粒子。

本发明所述的粒子成像室在具体实施时，需考虑如下细节：

1、显微成像系统的光学系统景深；

2、对称式识别腔的厚度和样本针扁口尺寸；

3、根据质量守恒定律、相机拖尾速度确定识别腔部件中的识别区和聚焦腔部件中的聚焦区横截面尺寸关系；

4、聚焦腔部件中的鞘流池腔体宽度；

5、通过理论分析确定曲面尺寸；

6、通过理论计算和仿真结果确定加速腔长度。

其中显微成像系统对样本液体的厚度、样本液体的速度的数值提出了一定的要求。样本液体在流动过程中，其厚度应当与显微成像系统的景深数值相当，为4um；同时要求样本流体的流动速度不能过快造成粒子拖尾现象，也不能过慢使同一个粒子出现在相邻两幅图片的现象，样本液体中的样本粒子速度在0.1~0.4m/s之间。

根据质量守恒定律，在所述粒子成像室内，鞘液和样本液体的总质量守恒，当流体为不可压缩流体时，即流体密度不变的情况下，流入所述粒子成像室的液体和流出所述粒子成像室的液体总体积不变。因此有如下计算公式：

（1）

其中，在公式（1）中，为识别腔部件400中样本液体速度， 为样本针160的出口处（聚焦腔部件300的开始端）的样本液体流速，为识别腔部件400中鞘液平均速度，为样本针160的出口处鞘液平均流速。为识别腔部件400中样本液体流域横截面积，为识别腔部件400中鞘液流域横截面积，为样本针160的出口处样本液体流域横截面积，为样本针160的出口处鞘液流域横截面积。

在公式（1）中，，，且，其中为识别腔部件400中样本液体的宽度，为识别腔部件400中样本液体的厚度，为样本针160的出口处样本液体的宽度，为样本针160的出口处样本液体的厚度，H为识别腔部件400中成像室厚度，h为识别腔部件400中成像室识别区宽度，为识别腔部件400中成像室样本针160的出口处的宽度。

液体在运动时，速度受粘度的影响较大，越靠近壁面，流速越低，贴近壁面的地方流速降低到零。当液体在通道内流动时，夹在中间的液体，受到粘性力的作用，使得液体在流道中心部分的流速最高，两侧流体速度低于中心部分的速度，根据流体力学的牛顿切应力计算方法，可得到，。

本发明中通过对粒子成像室内的流体状态变化进行研究，确定识别腔部件400的尺寸。针对粒子在识别腔部件400内部流体通道形状变化，影响样本液体内样本粒子在识别腔部件400的展现形态，提出优化方法。鞘液在粒子识别腔部件400内夹着样本液体前行，在样本液体出口处如果鞘液和样本液体存在较大流速差，由于剪切力的存在，对样本液体内的粒子是不利的。会使样本液内片状粒子发生扭曲变形，如果速度差较大，粒子可能被破坏。因此在样本液体出口处样本液体速度与鞘液速度相当。

图6为在聚焦腔部件中不同鞘流池宽度对样本液体的层流宽度影响的模拟仿真结果曲线图。从图6中可以看出，随着鞘流池宽度的增加，样本液体的层流宽度逐渐减小。

识别腔部件400中的粒子成像室内的通道，其截面积是变化的，沿着流体流动的方向，截面积逐渐变小，由于流体的流量不变，因此流体的流速逐渐变大，流体流动是一个加速的过程，速度的变化是否平稳，对样本液体内的样本粒子具有影响。如果流速差相当，可以适当拉伸粒子，若流速差过大，同样会对粒子产生破坏作用。因此不允许有速度的突变现象，根据液体流动速度连续性的要求，曲面与平面连接处应相切，如果聚焦腔部件300的壁面存在棱面，速度突然变化，导致层流不稳定，因此聚焦腔部件300中采用圆弧曲面较为合适。

根据识别腔部件400中粒子成像室各部分连接平滑的要求，可以确定聚焦腔部件300中的两段圆弧的尺寸；根据对样本液体和鞘液流量的要求，确定样本针160的内径，以及位于样本针160出口两侧，整流腔部件100的输出端鞘液入口，确定加速腔部件200输入端横向尺寸，进而确定整流腔部件100圆弧段尺寸。

对于加速腔部件200平行尺寸长度，要求流体在通过加速腔部件200进入聚焦腔部件300前，流体处于充分发展的状态。对于不同加速腔长度对充分发展流动影响，图7为不同加速腔部件长度模拟仿真结果曲线图，计算出不同加速腔部件长度在横截面长度方向上的速度变化。从模拟结果可以看出，加速腔部件200长度大于5mm时，流体处于充分发展的层流状态。

本发明的一个实施实例中样本液体通过识别腔部件400，样本中粒子被识别腔部件400腔外设置的显微成像系统采集。

本发明识别腔部件中的粒子成像室设计方法的一个实施实例如下：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为0.15mm，光学系统景深4um，根据模拟结果鞘流池宽度为4mm，根据样本针的出口口样本液体速度和鞘液速度相当及质量守恒定律可以推出聚焦腔部件和识别腔部件横截面积的关系，确定聚焦腔部件300的横截面长为6.7mm，加速腔部件200的长度为5mm。此时粒子成像室的结构和尺寸已经确定，细胞正面朝向率为58.14%。在此基础上粒子成像室的另一个实施实例，改变加速腔部件200的长度为8mm，细胞正面朝向率增加为68.18%。

综上所述，本发明所述的粒子成像室，可用于影像式粒子分析仪，包括依次设置的整流腔部件、加速腔部件、聚焦腔部件及识别腔部件。所述粒子成像室输入样本液体和鞘液，其中鞘液在通过所述粒子成像室的腔体后能够对样本液体的截面厚度进行压缩，使其达到理想厚度后拍照分类；并且可提高样本液体内粒子的运动姿态稳定性，特别是对不规则形状粒子运动姿态稳定性的提高，从而提高自动分类识别的成功率及分析结果的准确性。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种粒子成像室，其特征在于，包括依次设置的用于注入鞘液及样本液体、且使鞘液具有相同的注入速度的整流腔部件，用于从对所述整流腔部件流出的鞘液进行第一次加速的加速腔部件，用于对从所述加速腔部件中流出的鞘液在包裹从整流腔部件直接注入的样本液体后进行第二次加速的聚焦腔部件，及用于通过腔外设置的显微成像系统对从所述聚焦腔部件流出的包裹着样本液体的鞘液进行图像采集的识别腔部件。

2.根据权利要求1所述粒子成像室，其特征在于，所述整流腔部件包括：

对称式整流腔；

套设在所述对称式整流腔上的样本针座；

设置在所述的对称式整流腔入口处的排气座；

垂直设置在所述排气座的侧壁上第一排气接头及第二排气接头；

垂直设置在所述排气座顶端、贯穿所述排气座并延伸至聚焦腔部件的样本针；

设置在所述样本针座的侧壁上、贯穿所述样本针座并延伸至对称式整流腔的鞘液入口管。

3.根据权利要求2所述粒子成像室，其特征在于，所述第一排气接头与所述第二水平接头在水平方向上呈90°夹角，且在竖直方向上不处于同一高度。

4.根据权利要求1所述粒子成像室，其特征在于，所述加速腔部件的长度为5mm-15mm。

5.根据权利要求1所述粒子成像室，其特征在于，所述聚焦腔部件的侧面壁厚为0-2mm，且其河道宽度为0-6mm。

6.根据权利要求1所述粒子成像室，其特征在于，所述识别腔部件包括：

对称式识别腔；

设置在所述对称式识别腔出口处的排废液座；

设置在所述排废液座上的排废液接头。

7.根据权利要求6所述粒子成像室，其特征在于，所述对称式识别腔的前表面和后表面上均设置有至少2个标记点。

8.根据权利要求7所述粒子成像室，其特征在于，所述对称式识别腔的前表面的四个顶角中的两个相对的对角上分别设置有第一标记点及第二标记点。

9.根据权利要求8所述粒子成像室，其特征在于，所述对称式识别腔的后表面的四个顶角中的两个相对的对角上分别设置有第三标记点及第四标记点。

10.根据权利要求5所述粒子成像室，其特征在于，所述标记点由4个高度不同的方形区域组成，且每一方形区域的几何中心处设置有十字线。