CN106085962B - 一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，包括计算机控制系统、与计算机控制系统电连接的光电检测系统以及与光电检测系统配合使用的血流循环单元，所述的光电检测系统包括脉冲激光器、依次设置在脉冲激光器与血流循环单元之间的柱透镜、机械狭缝、凸透镜、反射镜、物镜以及与物镜相对设置的超声探头，该超声探头与计算机控制系统电连接。与现有技术相比，本发明整体结构简单，操作方便，能够实现智能化控制，检测精度高，微创安全性高，经济实用，能够在不向血液中混入标记物的情况下实现循环肿瘤细胞的检测，并将含有循环黑色素瘤细胞的微量血液分离出来，可广泛应用于临床医学和基础医学研究领域。

Description

一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置

技术领域

本发明属于细胞检测技术领域，涉及一种细胞检测与分离装置，尤其是涉及一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置。

背景技术

黑色素瘤是一种恶性程度很高的肿瘤，大多原发于皮肤、眼、鼻腔等部位，可在肿瘤形成早期即转移至肺、脑等重要部位。循环肿瘤细胞(英文简称：CTC)是指从肿瘤的原发灶分离并进入循环系统的细胞，具有在机体的其它部位附着并形成转移病灶的能力。循环黑色素瘤细胞是反应黑色素瘤转移的一个重要指标，循环黑色素瘤细胞的数目对于判断肿瘤转移的过程具有重要意义，及时清除循环肿瘤细胞将有助于抑制黑色素瘤的早期转移过程，减小肿瘤复发的概率。

循环肿瘤细胞的数目非常少，每毫升血液中含有血细胞的数量大约为50亿个，但循环肿瘤细胞的含量通常少于10个，因此，在临床中很难被传统的医学仪器检测到。例如，计算机断层成像、磁共振成像的分辨率决定了其无法观测到微米级的细胞。正电子断层成像发射成像利用放射性核素在肿瘤病灶的富集可以检测到早期的肿瘤病灶，但同样无法检测到循环肿瘤细胞的运动情况，且核素对人体存在一定伤害。在生物医学研究中，常借助于细胞荧光标记的方法标记循环肿瘤细胞，基本原理是利用与荧光探针耦合的特异性抗体标记肿瘤细胞的某些特异性位点，借助于荧光分析技术进行检测。目前，针对循环肿瘤细胞检测技术的研究备受科技工作者的广泛关注。

申请号为201410787928.9的中国专利公布了一种检测循环肿瘤细胞(CTC)的装置，包括硅基片以及封接在硅基片上方的聚合物盖板，还包括设置于硅基片下方的磁铁；所述聚合物盖板设有流体出口与入口，接触硅基片的一面设有流体存储腔，流体出口与入口通过流体通道分别与流体存储腔连通；所述硅基片接触聚合物盖板的一面，在对应于流体存储腔的位置，设置硅纳米线区域；所述磁铁的安装位置与硅纳米线区域对应。上述专利公布的技术方案通过硅纳米线阵列和磁场相结合，用于提高捕捉CTC的效率。荧光信号没有背景自发荧光干扰，有效提高了CTC检测的灵敏度，并可以通过洗脱分离收集的CTC用于进一步的分子检测。上述专利公布的技术方案虽然可以实现循环肿瘤细胞的检测和分离，但需要借助特异性标记物标记CTC，且该装置花费在每个CTC上的检测时间会非常长。

申请号为201510908410.0的中国专利公布了多功能肿瘤细胞或其它病理细胞检测装置及其检测方法，所述的装置包括激光光源、激光反射镜、柱透镜、单细胞液流系统、细胞分离捕获微流控芯片、荧光反射镜、光电倍增管、数据处理系统，所述光电倍增管与数据处理系统相连，还包括脉冲激光源、超声探头，所述超声探头与数据处理系统相连，所述激光光源、激光反射镜、柱透镜形成将激光聚焦到单细胞液流系统上的一聚焦系统，所述荧光反射镜和光电倍增管形成收集单细胞液流系统发出荧光的收集系统，所述脉冲激光源和柱透镜形成将脉冲激光聚焦到单细胞液流系统上的另一聚焦系统，所述超声探头设在单细胞液流系统上，所述的细胞分离捕获微流控芯片设在单细胞液流系统的端口。上述专利公布的技术方案混合了传统的流式细胞技术、超声信号检测和微流控芯片技术，但缺乏必要的技术细节。首先缺乏形成单细胞液流所必备的鞘流系统的实施细节，不具备可行性；其次该专利对已经非常成熟的基于荧光的流式细胞技术进行了拆分，所有涉及荧光标记和检测的内容均已有公布；超声检测中的1Hz-100MHz的检测范围明显故意扩大了检测范围，且该专利没有公布检测结果，而且该技术方案的实施仍需要对血液或者其它杨萍进行复杂的处理以获得单细胞液流。

故无论上述那种方法，都需要向血液中混入人工合成的材料对循环肿瘤细胞进行标记或者对血液样品进行复杂的处理，导致检测速度较慢，在很大程度上限制了其应用于活体状态下的循环肿瘤细胞分离。研究表明，大部分黑色素瘤细胞内的黑色素含量与正常细胞有较大的差异，因此，可以利用光声信号对其进行检测。光声现象是指利用细胞内的某些物质(主要是黑色素)吸收脉冲激光后温度迅速升高，体积随之膨胀并发出微弱的超声信号，通过检测超声信号可以对细胞进行检测。基于光声现象发展起来的光声成像已经是一种比较成熟的手段，国外已经有科研团队将其运用到了临床乳腺癌检查。

发明内容

为了克服现有的细胞分析分离技术需要借助于向血液中混入特殊标记并且难以实现活体状态下的分离循环肿瘤细胞的不足，本发明提供一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，该装置能够在不向血液中混入标记物的情况下，实现循环黑色素瘤细胞的检测，并将含有循环肿瘤细胞的微量血液分离出来。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，该装置包括计算机控制系统、与计算机控制系统电连接的光电检测系统以及与光电检测系统配合使用的血流循环单元，所述的光电检测系统包括脉冲激光器、依次设置在脉冲激光器与血流循环单元之间的柱透镜、机械狭缝、凸透镜、反射镜、物镜以及与物镜相对设置的超声探头，该超声探头与计算机控制系统电连接；

在工作状态下，所述的脉冲激光器发射出的脉冲激光依次经过柱透镜、机械狭缝、凸透镜、反射镜及物镜，聚焦到血流循环单元中，并产生焦斑，当血流循环单元中的循环黑色素瘤细胞流经焦斑位置时，会强烈吸收脉冲激光，并产生超声信号，所述的超声探头接收超声信号并传送至计算机控制系统进行识别。

所述的脉冲激光器产生的脉冲激光的波长为820-1064nm，脉冲宽度<10ns，重复频率约为10kHz。

所述的机械狭缝位于柱透镜的焦距处。

所述的机械狭缝与凸透镜的间距与凸透镜的焦距相等。

所述的反射镜与脉冲激光的光轴呈45°。

所述的血流循环单元包括血液循环导管以及设置在血液循环导管上的双出口血液泵，该双出口血液泵与计算机控制系统电连接，所述的计算机控制系统通过双出口血液泵对血液循环导管中的血流量或血流速度进行调控，并能控制血流在双出口血液泵的两个出口之间的切换。

所述的血流循环单元还包括与双出口血液泵的一个出口相连通的废液缸。

所述的脉冲激光聚焦在血液循环导管上，并产生焦斑，该焦斑为覆盖血液循环导管内壁任意直径的长条形焦斑。

所述的超声探头与物镜相对设置，并分别设置在血液循环导管的两侧。

所述的计算机控制系统包括与双出口血液泵电连接的计算机工作站、依次与超声探头电连接的放大器以及数据采集器，该数据采集器通过电路与计算机工作站连接。

本发明中，脉冲激光器发射的脉冲激光经过柱透镜和狭缝将圆形光斑整理成近似狭长形，物镜将激光聚焦到血流循环导管。血液样品或者活体动物的血液由血液循环导管入口进入，双出口血液泵控制血液的流动。当循环黑色素瘤细胞流经焦斑位置时，会强烈吸收脉冲激光并产生超声信号，通过超声探头、放大器和高速数据采集器，将其转换为电信号并由计算机工作站实时处理，出现信号峰时，表示有循环肿瘤细胞通过；计算机工作站识别信号后，会同步控制双出口血液泵将含有循环黑色素瘤细胞的微量血液泵出到废液收集通道，并排送至废液缸。

具体来说，在实际使用时，脉冲激光器产生的脉冲激光，经过柱透镜后，会变成椭圆形激光，其输出波长可以为820～1064nm，脉冲宽度<10ns，重复频率约为10kHz；在柱透镜的焦距处有机械狭缝，通过调节宽度控制光斑的大小，光斑被调制成宽度约为400μm近似长条形；凸透镜与机械狭缝的距离为凸透镜的焦距，反射镜主要用于改变主光轴方向以节约空间，反射镜与脉冲激光的光轴呈45°放置，脉冲激光最终经过40倍物镜聚焦到血液循环导管的一条内壁直径位置，该位置记为焦斑位置。血液样品或者活体实验动物的血液由血液循环导管入口进入血液循环导管，在双出口血液泵的控制下，保持匀速流动，其中，所述的双出口血液泵可以精确控制血液流速或流量并能控制血液在两个出口之间的精确切换；当循环黑色素瘤细胞流经焦斑位置时，会因为光声效应产生特异性超声信号，超声探头贴近血液循环导管放置，并与脉冲激光传播方向呈30°夹角，超声信号通过超声探头转换为电信号，后经过放大器放大并去噪，由高速数据采集器转换为数字信号后，通过计算机工作站识别。

本发明装置目前仅用于血液样品中循环黑色素瘤细胞的检测与分离，以及实验室中的实验动物活体状态下的循环黑色素瘤细胞检测与分离。但其作为应用于临床应用的原型机，具有对人体循环黑色素瘤细胞进行检测与分离的潜力。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)能够在不向血液中混入标记物的情况下实现循环肿瘤细胞的检测，并将含有循环黑色素瘤细胞的微量血液分离出来；

2)具有广泛应用于免疫学、血液学、肿瘤学、细胞生物学、细胞遗传学、生物化学等临床医学和基础医学研究领域的潜力；

3)整体结构简单，操作方便，能够实现智能化控制，微创安全性高，经济实用，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为采用本发明装置检测的循环黑色素瘤细胞的光声信号图；

图中标记说明：

1—脉冲激光器、2—柱透镜、3—机械狭缝、4—凸透镜、5—反射镜、6—物镜、7—超声探头、8—血液循环导管、9—双出口血液泵、10—废液缸、11—计算机工作站、12—放大器、13—数据采集器、14—废液收集通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，该装置包括计算机控制系统、与计算机控制系统电连接的光电检测系统以及与光电检测系统配合使用的血流循环单元，光电检测系统包括脉冲激光器1、依次设置在脉冲激光器1与血流循环单元之间的柱透镜2、机械狭缝3、凸透镜4、反射镜5、物镜6以及与物镜6相对设置的超声探头7，该超声探头7与计算机控制系统电连接；其中，机械狭缝3位于柱透镜2的焦距处；机械狭缝3与凸透镜4的间距与凸透镜4的焦距相等；反射镜5与脉冲激光的光轴呈45°。

血流循环单元包括血液循环导管8以及设置在血液循环导管8上的双出口血液泵9，该双出口血液泵9与计算机控制系统电连接，计算机控制系统通过双出口血液泵9对血液循环导管8中的血流量或血流速度进行调控，并能控制血流在双出口血液泵9的两个出口之间的切换。血流循环单元还包括与双出口血液泵9的一个出口相连通的废液缸10。脉冲激光聚焦在血液循环导管8上，并产生焦斑，该焦斑为覆盖血液循环导管8内壁直径的长条形焦斑。超声探头7与物镜6相对设置，并分别设置在血液循环导管8的两侧。

计算机控制系统包括与双出口血液泵9电连接的计算机工作站11、依次与超声探头7电连接的放大器12以及数据采集器13，该数据采集器13通过电路与计算机工作站11连接。

在工作状态下，脉冲激光器1产生的脉冲激光的波长为820-1064nm，脉冲宽度<10ns，重复频率约为10kHz。脉冲激光器1发射出的脉冲激光依次经过柱透镜2、机械狭缝3、凸透镜4、反射镜5及物镜6，聚焦到血流循环单元中，并产生焦斑，当血流循环单元中的循环黑色素瘤细胞流经焦斑位置时，会强烈吸收脉冲激光，并产生超声信号，超声探头7接收超声信号并传送至计算机控制系统进行识别。

在实际使用时，脉冲激光器1产生的脉冲激光，经过柱透镜2后，会变成椭圆形激光；在柱透镜2的焦距处有机械狭缝3，通过调节宽度控制光斑的大小，光斑被调制成宽度约为400μm近似长条形；凸透镜4与机械狭缝3的距离为凸透镜4的焦距，反射镜5主要用于改变主光轴方向以节约空间，反射镜5与脉冲激光的光轴呈45°放置，脉冲激光最终经过40倍物镜6聚焦到血液循环导管8的一条内壁直径位置，该位置记为焦斑位置。血液样品或者活体实验动物的血液由血液循环导管8的入口进入血液循环导管8，在双出口血液泵9的控制下，保持匀速流动，其中，双出口血液泵9可以精确控制血液流速或流量并能控制血液在两个出口之间的精确切换；当循环黑色素瘤细胞流经焦斑位置时，会因为光声效应产生特异性超声信号，超声探头7贴近血液循环导管8放置，并与脉冲激光传播方向呈30°夹角，超声信号通过超声探头7转换为电信号，后经过放大器12放大并去噪，由高速数据采集器13转换为数字信号后，出现信号峰(如图2所示)，表示有循环肿瘤细胞通过，计算机工作站11识别信号后，会同步控制双出口血液泵9将含有循环黑色素瘤细胞的微量血液泵出到废液收集通道14，并排送至废液缸10，从而完成对循环黑色素瘤细胞的检测与分离作业。

在进行数据具体分析时，计算机工作站11会记录循环黑色素肿瘤细胞通过焦斑位置的时间

以及恰好经过焦斑位置的时刻t，其中D表示细胞直径，l表示光斑宽度，v表示血流速度。焦斑位置到双出口血液泵9的废液出口的距离为L，该双出口血液泵9将

时间段内的血液泵出到废液缸10。若该时间段内有多个循环黑色素肿瘤细胞(实际发生的概率极小)，则双出口血液泵9从第一个循环黑色素肿瘤细胞进入出口前的1ms，到最后一个循环黑色素肿瘤细胞被泵出后的1ms结束，将血液泵出至废液缸10。采用该方法，若分离每个循环黑色素肿瘤细胞需要泵出的血液可以控制10μL以内，分离1000个循环黑色素肿瘤细胞需要泵出的血量不足10mL。

本实施例装置目前仅用于血液样品中循环黑色素瘤细胞的检测与分离，以及实验室中的实验动物活体状态下的循环黑色素瘤细胞检测与分离。但其作为应用于临床应用的原型机，具有对人体循环黑色素瘤细胞进行检测与分离的潜力。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，其特征在于，该装置包括计算机控制系统、与计算机控制系统电连接的光电检测系统以及与光电检测系统配合使用的血流循环单元，所述的光电检测系统包括脉冲激光器(1)、依次设置在脉冲激光器(1)与血流循环单元之间的柱透镜(2)、机械狭缝(3)、凸透镜(4)、反射镜(5)、物镜(6)以及与物镜(6)相对设置的超声探头(7)，该超声探头(7)与计算机控制系统电连接；

所述的血流循环单元包括血液循环导管(8)以及设置在血液循环导管(8)上的双出口血液泵(9)，该双出口血液泵(9)与计算机控制系统电连接，所述的计算机控制系统通过双出口血液泵(9)对血液循环导管(8)中的血流量或血流速度进行调控，并能控制血流在双出口血液泵(9)的两个出口之间的切换；

所述的血流循环单元还包括与双出口血液泵(9)的一个出口相连通的废液缸(10)；

所述的脉冲激光器(1)产生的脉冲激光的波长为820-1064nm，脉冲宽度<10ns，重复频率为10kHz；

所述的脉冲激光聚焦在血液循环导管(8)上，并产生焦斑，该焦斑为覆盖血液循环导管(8)内壁直径的长条形焦斑；

所述的超声探头(7)与物镜(6)相对设置，并分别设置在血液循环导管(8)的两侧；

工作时，计算机工作站(11)记录循环黑色素肿瘤细胞通过焦斑位置的时间

以及恰好经过焦斑位置的时刻t，其中D表示细胞直径，l表示光斑宽度，v表示血流速度；

焦斑位置到双出口血液泵9的废液出口的距离为L，该双出口血液泵9将

时间段内的血液泵出到废液缸10；

若该时间段内有多个循环黑色素肿瘤细胞，则双出口血液泵9从第一个循环黑色素肿瘤细胞进入出口前的1ms，到最后一个循环黑色素肿瘤细胞被泵出后的1ms结束，将血液泵出至废液缸10。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，其特征在于，所述的机械狭缝(3)位于柱透镜(2)的焦距处。

3.根据权利要求2所述的一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，其特征在于，所述的机械狭缝(3)与凸透镜(4)的间距与凸透镜(4)的焦距相等。

4.根据权利要求1所述的一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，其特征在于，所述的反射镜(5)与脉冲激光的光轴呈45°。

5.根据权利要求1所述的一种用于检测与分离循环黑色素瘤细胞的装置，其特征在于，所述的计算机控制系统包括与双出口血液泵(9)电连接的计算机工作站(11)、依次与超声探头(7)电连接的放大器(12)以及数据采集器(13)，该数据采集器(13)通过电路与计算机工作站(11)连接。

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