CN105181561B - 一种血细胞分析传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种血细胞分析传感器，利用激光照射液流系统中的单个待测细胞，通过多种特制光学反射、透射部件的组合，把多维散射光强信息分不同空域成像在CCD传感器阵面上，在CCD阵面上可同时接收到前向、侧向和后向对应立体角范围内的散射光强分布，依据光散射理论对血细胞模型下光散射分布的计算结果，对此一次采集得到的光信息进行分析计算，可实现血细胞群的分类和计数。本发明具有散射信息丰富、分类依据充分、传感器结构小、集成化高等优点，适用于血细胞分类和细胞动力学分析的科学研究和临床医学应用领域中的仪器开发，特别适用于便携式仪器开发，满足人们对健康状态和疾病诊断的社区化普及。
Description
技术领域
本发明属于血细胞分析技术领域，具体涉及一种利用光散射理论，将样品空域中多维散射信息集成到一个阵面上，并依据光信息分布实现血全细胞分类和计数的光学传感器。
背景技术
细胞分析仪以其快速、灵活、大量和可定量化等特点，广泛应用于医学基础研究和临床实践各个方面。生物细胞的光散射主要是由光在细胞及细胞核边缘的衍射、细胞质、细胞核及周围介质的不同折射率、不同光学边界的反射、细胞内的吸收等因素造成的。因此，生物细胞的光散射图谱中包含了细胞尺寸、内部结构、内容物含量等丰富的信息。
激光散射技术是结合细胞的前向散射光、侧向散射光以及后向散射光进行组合分析，可将血细胞进行分类。例如国内专利技术CN 103471982 A(一种血细胞分析芯片、分析仪及分析方法)是利用四个不同角度的偏振光散射信号对白细胞进行分类。四个角度散射光分别为前向散射光、狭角散射光、垂直激光直进方向的散射光与消偏振光散射光。因此需在这四个位置处分别放置光探测器进行信号的接收。日本希森美康株式会社发明专利技术CN 104075981 A(血细胞分析装置及血细胞分析方法)，利用光散射和荧光检测来分类细胞，同样在各个不同的散射方向处放置多个光探测器来接收光散射信号以及荧光信号。
目前，大部分传统光散射血细胞分析仪存在以下不足：一是需要在细胞各个不的方位放置光探测器来接收光散射信号，导致其探测光路是呈发散状，不利于分析仪器的小型化；二是对细胞进行信息获取的方法中，对细胞后向散射的利用少之又少；三是利用多个探测器浪费了资源，大大减小了产品的使用效率，同时也使得仪器的组装调试过程复杂化和难度化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单次拍摄多维光散射信息采集的血细胞分析传感器，以便在一个CCD传感器阵面上接收到细胞各方向散射信号，从而减小系统的大小，简化系统操作以及降低细胞分析仪的成本。
为了解决以上技术问题，本发明基于光散射技术，利用多种特制光学反射、透射部件的组合，把多维散射光强信息分不同空域成像在CCD传感器阵面上，其中特别是把后向大立体角范围内的散射光汇聚在一点，并通过椭球反射面反射到前向，可有效解决后向散射接收难的问题。本传感器可使细胞分析系统拥有小体积、便携式、低成本、易控制等特点。具体技术方案如下：
一种血细胞分析传感器，其特征在于：包括发射光源激光器(1)、用于汇聚激光光束的第一凸透镜(2)、液流系统样本流通道(3)、用于过滤直射激光的光陷阱(4)、用于反射细胞各向散射光的球曲面反射镜(5)和椭球曲面反射镜(6)、用于延长光束聚焦的第一凹透镜(7)、第二凸透镜(8)、由第三凸透镜(9)和第四凸透镜(10)组成的4F系统；所述4F系统可接收到前向、侧向和后向散射光强信号，然后传输到CCD传感器阵面(11)后,在CCD不同空域处可测量出细胞的各向散射光强分布；
所述激光器(1)、第一凸透镜(2)、液流系统样本流通道(3)、第一凹透镜(7)、第二凸透镜(8)、第三凸透镜(9)、第四凸透镜(10)和CCD传感器阵面(11)的中心和焦点都在同一光轴上；将光轴看做是X轴，球曲面反射镜(5)的焦点和椭球曲面反射镜(6)的第一焦点重合；球曲面反射镜(5)的球心与椭球曲面反射镜(6)的球心在同一位置，位于椭球曲面反射镜第一焦点的右侧；所述液流系统样本流通道(3)中的光检测区域在球曲面反射镜(5)的焦点上；第一凹透镜(7)垂直放置于球曲面反射镜(5)的球心与椭球曲面反射镜(6)的第二焦点之间；第二凸透镜(8)垂直放置于椭球曲面反射镜(6)的第二焦点上；
所述的4F系统中，第三凸透镜(9)的左焦点和与经过第一凹透镜(7)后的前向散射光汇聚点重合；第三凸透镜(9)的右焦点和第四凸透镜(10)的左焦点重合；CCD传感器阵面(11)过第四凸透镜(10)的右焦点垂直于光轴放置。
所述激光器(1)发出的激光经过第一凸透镜(2)汇聚形成一个椭圆形光斑，光斑的大小能够覆盖整个待测细胞，待测细胞经鞘流系统的夹流作用后单个逐一地在液流系统样本流通道(3)中流动，流经检测区域被激光照射后向周围发射散射光。
所述待测细胞的各向散射光中，包括待测细胞发射的正侧向20°范围内的散射光被球曲面反射镜(5)反射，其中过焦点的入射光线经反射后平行于光轴出射；位于椭球曲面第一焦点处细胞发射的后向50°范围内的散射光被椭球曲面反射镜(6)反射，致使发出或通过该焦点任意一束光，经椭球曲面反射镜反射后都汇聚到第二焦点；
所述第一凹透镜(7)延长了经过椭球曲面反射镜(6)后的反射光束汇聚点至第二焦点的后方；所述第二凸透镜(8)的中间区域，具体为距离光轴高度
内的部分被掏空，以让前方经过第一凹透镜(7)的后向散射光通过；由于光陷阱(4)的限制，小于15°范围内的前向散射光被附着于液流系统样本流通道(3)侧壁上的光陷阱(4)吸收，不会再通过第一凹透镜(7)，15°～30°范围内的前向散射光直接通过第二凸透镜(8)后平行出射；所述第一凹透镜(7)合理的高度设置不会干扰到大角前向散射光信号的传输。
所述4F系统中的第三凸透镜(9)和第四凸透镜(10)，是为了能够使前方多维图像被配备在CCD传感器阵面(11)上，确保光散射信息全部被接收。
所述球曲面反射镜(5)、椭球曲面反射镜(6)、第一凹透镜(7)、第二凸透镜(8)、第三凸透镜(9)、第四凸透镜(10)和CCD传感器阵面(11)都是在经过光轴的一个平面内进行分析的；血细胞传感器实物是一个立体形状，其三维立体结构可将该平面绕光轴旋转360°得到。因此本发明能够接收到相应立体角范围内的细胞光散射强度信号，与传统的血细胞传感器相比大大提高了待检光信号的强度。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图中：1：激光器；2：第一凸透镜；3：液流系统样本流通道；4：光陷阱；5：球曲面反射镜；6：椭球曲面反射镜；7：第一凹透镜；8：第二凸透镜；9：第三凸透镜；10：第四凸透镜；11：CCD传感器阵面；I A：接收前向散射光区域；ⅡA：接收侧向散射光区域；ⅢA：接收后向散射光区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例中的激光器1是波长为632.8nm，输出功率为3.4mw的氦氖激光器。
激光器1光源发出水平方向的光束，向前传输经第一凸透镜2后形成一个大小能够覆盖待测细胞大小的椭圆形光斑，光斑照射到液流系统样本流通道3中，通道中的待测细胞单个逐一地流经照射区域，被照射的细胞向周围360°范围内发射散射光。
本实施例中的光陷阱4附着于液流系统样本流通道3侧壁上，位于光斑照射区域的后方，光陷阱的大小与待测细胞大小类似。使得前向散射光首先通过附着于液流系统样本流通道3侧壁上的光陷阱4，滤掉入射激光的干扰，前向15°～30°范围内的散射光再次通过第二凸透镜8后平行出射，而小于15°范围内的散射光被吸收，散射光向后传播不会受到第一凹透镜7的干扰，同时正侧向20°范围内的散射光经过球曲面反射镜5后平行出射，后向50°范围内的散射光经椭球曲面反射镜6反射后汇聚到另一个焦点，在汇聚之前放置第一凹透镜7，使得后向散射光束汇聚到第二焦点后方。
后向散射光信号在增焦后通过第二凸透镜8的中间区域，具体为距离光轴高度内的部分被掏空，以保证第二凸透镜不会对后向散射光的传输造成干扰。
本实施例中的一种血细胞传感器最终得到待测细胞经由第三凸透镜9和第四凸透镜10组成4F系统后的前向、侧向和后向散射光强信号，这些信号到达CCD传感器阵面11后分不同空域形成细胞的各向散射光强分布，依据这些光强信号分布差异对待测细胞进行计数和分类。
本实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种血细胞分析传感器，其特征在于，包括激光器(1)、用于汇聚激光光束的第一凸透镜(2)、液流系统样本流通道(3)、用于过滤直射光束的光陷阱(4)、用于反射细胞各向散射光的球曲面反射镜(5)和椭球曲面反射镜(6)、用于延长光束聚焦的第一凹透镜(7)、第二凸透镜(8)、由第三凸透镜(9)和第四凸透镜(10)组成的4F系统；所述4F系统接收到前向、侧向和后向散射光强信号后到达CCD传感器阵面(11)后,分不同空域形成样品的各向散射光强分布；
所述激光器(1)、第一凸透镜(2)、液流系统样本流通道(3)、第一凹透镜(7)、第二凸透镜(8)、第三凸透镜(9)、第四凸透镜(10)和CCD传感器阵面(11)的中心和焦点都在同一光轴上；将光轴看做是X轴，球曲面反射镜(5)的焦点和椭球曲面反射镜(6)的第一焦点重合；球曲面反射镜(5)的球心与椭球曲面反射镜(6)的球心在同一位置，位于椭球曲面反射镜第一焦点的右侧；所述液流系统样本流通道(3)中的光检测区域在球曲面反射镜(5)的焦点上；第一凹透镜(7)垂直放置于球曲面反射镜(5)的球心与椭球曲面反射镜(6)的第二焦点之间；第二凸透镜(8)垂直放置于椭球曲面反射镜(6)的第二焦点上；
所述的4F系统中，第三凸透镜(9)的左焦点与经过第一凹透镜(7)后的前向散射光汇聚点重合；第三凸透镜(9)的右焦点和第四凸透镜(10)的左焦点重合；CCD传感器阵面(11)过第四凸透镜(10)的右焦点垂直于光轴放置。
2.根据权利要求1所述的一种血细胞分析传感器，其特征在于：所述激光器(1)发出的激光经过第一凸透镜(2)汇聚形成一个椭圆形光斑，光斑的大小能够覆盖整个待测细胞，待测细胞经鞘流系统的夹流作用后单个逐一地在所述液流样本流通道(3)中流动，流经检测区域被激光照射后向周围发射散射光。
3.根据权利要求1所述的一种血细胞分析传感器，其特征在于：待测细胞发射的正侧向20°范围内的散射光被球曲面反射镜(5)反射，且过所述球曲面反射镜(5)焦点的入射光线经反射后平行于光轴出射；位于所述椭球曲面反射镜(6)第一焦点处的细胞发射后向50°范围内的散射光被椭球曲面反射镜(6)反射，然后汇聚到所述椭球曲面反射镜(6)的第二焦点处。
4.根据权利要求1所述的一种血细胞分析传感器，其特征在于：所述第一凹透镜(7)使经过所述椭球曲面反射镜(6)的反射光束汇聚到所述椭球曲面反射镜(6)第二焦点的后方；所述第二凸透镜(8)的中间区域，具体为距离光轴1/3高度内的部分被掏空，以让前方经过所述第一凹透镜(7)的后向散射光通过；前向散射光通过所述光陷阱(4)后，小于15°范围内的散射光被附着于所述液流系统样本流通道(3)侧壁上的光陷阱(4)吸收，不会再通过所述第一凹透镜(7)，15°～30°范围内的散射光直接通过所述第二凸透镜(8)后平行出射；所述第一凹透镜(7)合理的高度设置不会干扰到大角前向散射光信号的传输。
5.根据权利要求1所述的一种血细胞分析传感器，其特征在于：所述的4F系统能够使前方多维图像被配备在CCD传感器阵面(11)上，确保光散射信息全部被接收。
6.根据权利要求1所述的一种血细胞分析传感器，其特征在于：所述球曲面反射镜(5)、椭球曲面反射镜(6)、第一凹透镜(7)、第二凸透镜(8)、第三凸透镜(9)、第四凸透镜(10)和CCD传感器阵面(11)都是在通过光轴的平面内进行分析的；血细胞分析传感器的基本立体结构可将所述平面绕光轴旋转360°得到，可接收到相应立体角范围内的细胞光散射强度信号。
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