CN106769693A - 一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，该系统由血样处理模块、循环肿瘤细胞检测模块、数据处理模块和结果输出模块构成。血液样本处理主要基于微通孔过滤芯片对循环肿瘤细胞的富集作用，循环肿瘤细胞检测包括光学显微成像检测和显微拉曼光谱检测，通过将检测数据与数据库对比，最终获得CTCs细胞的数量、种类以及所属时期等信息。本系统直接放入采血样本，即可获得检测结果，集成度高，操作简单，拉曼光谱特异性好，可广泛应用于临床血液化验、癌症早期诊断及预后监测、基础科研等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种循环肿瘤细胞自动检测系统，具体为一种基于拉曼光谱检测血液中循环肿瘤细胞的自动化系统。
背景技术
循环肿瘤细胞(CTCs)是癌症发生转移的主要原因，其致死率高达90％。从患者血液中检测CTCs，只需要抽取一定量的外周血，无需病理切片，不仅对患者几乎没有损伤，而且能准确掌握患者病情，判断其癌症转移风险，对早期癌症预后有重要价值。然而，CTCs在血液中的含量很少，远低于正常的红细胞和白细胞，传统方法主要为免疫检测法，包括免疫磁珠法、免疫荧光法等，但由于癌细胞进入血液后形成CTCs时其表面抗原易丢失，部分CTCs甚至会形成干细胞，因此免疫法极易漏检，同时存在假阳性结合问题，导致传统免疫法对CTCs的检出率较低，且目前已探明的癌细胞免疫抗体种类有限，导致该方法可检测的CTCs种类有限。另外，癌细胞免疫抗体价格昂贵，导致患者的检测费用居高不下。
为了解决以上问题，本发明提供了一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，该系统利用微通孔芯片实现对血液中CTCs的富集，然后利用拉曼散射光谱的特异性区分不同种类的细胞，排除微通孔芯片富集后残留的红细胞和白细胞，同时准确区分出CTCs的种类、数量和CTCs所处的时期。
发明内容
为避免上述背景技术中CTCs免疫富集和检测存在的检出率低、假阳性和免疫试剂的高成本问题，便于血液中CTCs种类、数量与良恶性的准确、低成本检测，本发明提供一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，通过微通孔芯片实现CTCs的初步富集，然后通过特征拉曼光谱实现CTCs的准确识别和区分。
本发明提供一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，该系统由血样处理模块、循环肿瘤细胞检测模块、数据处理模块和结果输出模块构成；
血样处理模块集成了血液自动进样针筒、生化池、微通孔过滤芯片、血细胞裂解液、清洗液和机械臂；
循环肿瘤细胞检测模块集成了光学显微镜、成像CCD、三维电动样品台、激光器、光谱仪、滤光片和控制器；
数据处理模块集成了细胞显微图像识别算法、拉曼光谱处理分析算法、细胞统计算法和数据库；
结果输出模块集成了循环肿瘤细胞测试结果的直接显示区和统计分析结果显示区。
所述血液自动进样针筒加入患者血液量为5ml；所述生化池用于进行血细胞裂解、过滤和冲洗，其中，血细胞裂解包括红细胞全部裂解和白细胞部分裂解，裂解过滤后再利用清洗液进行冲洗和再过滤。
所述机械臂用于清洗过滤完成后，取出含有循环肿瘤细胞的过滤芯片并转移至循环肿瘤细胞检测模块的三维电动样品台上。
所述循环肿瘤细胞检测模块中器件的工作过程为：控制器首先控制三维电动样品台的上下移动，通过CCD和光学显微成像清晰度反馈，进行自动伺服对焦控制，获得清晰的显微成像结果后，记录循环肿瘤细胞的显微图像，根据显微图像对每一个细胞进行空间定位；然后控制三维电动样品台水平移动，根据定位结果将循环肿瘤细胞移至激光器焦点处，打开激光器，细胞的拉曼光谱通过滤光片后进入光谱仪，控制器记录光谱仪测量数据，并将记录的显微图像和拉曼光谱存入缓存区，控制器完成细胞测量后将测量数据发送到数据处理模块。
所述细胞显微图像识别算法用于对细胞进行空间定位，通过获取细胞边界和中心灰度变化进行细胞显微图像识别，从而准确获取每个细胞的形状和空间坐标。
所述拉曼光谱处理分析算法包括拉曼光谱的预处理、特征提取和对比分析，其中，预处理包括背景去除、降噪和光谱拟合，特征提取包括拉曼特征峰频率、强度、半宽以及面积，对比分析是将所提取的特征与数据库进行对比，从而实现对所测试细胞类别的归类识别。
所述细胞统计算法是在细胞显微图像识别算法和拉曼光谱处理分析算法处理后的结果基础之上，进行结果统计，以获得循环肿瘤细胞的类别分布和各类别的数量，然后分析出患者癌症转移的风险大小。
所述结果输出模块中的直接显示区用于显示循环肿瘤细胞检测模块中的测量结果，所述统计分析结果显示区用于显示细胞统计算法计算得到的统计分析结果。
本发明提供了一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，该系统的有益效果在于：
(1)与基于免疫磁珠的CTCs富集方法相比，本发明中的微通孔富集法对绝大部分CTCs均可富集，而免疫磁珠只能富集拥有特定抗原的CTCs；
(2)与基于免疫荧光的CTCs检测方法相比，本发明采用特征拉曼光谱进行CTCs的检测，可检出的CTCs种类更多，且不存在免疫荧光的假阳性问题，大大降低了漏检率和误检率；
(3)与免疫法相比，拉曼光谱检测是物理过程，无需消耗生化试剂，避免了昂贵的免疫试剂消耗，检测成本低；
(4)本发明提供的自动检测系统可自动完成样本处理、检测与分析，集成度高，无需大量人工操作，便于临床应用。
附图说明
图1是本发明提供的基于拉曼光谱的CTCs自动检测系统框图，框图间的连线表示组成系统的各模块间的关系。
图2是利用本发明系统检测获得的肺癌CTCs细胞光学显微镜成像结果。
图3是利用本发明系统检测获得的图2对应细胞的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，该系统由血样处理模块、循环肿瘤细胞检测模块、数据处理模块和结果输出模块构成；血样处理模块集成了血液自动进样针筒、生化池、微通孔过滤芯片、血细胞裂解液、清洗液和机械臂；循环肿瘤细胞检测模块集成了光学显微镜、成像CCD、三维电动样品台、激光器、光谱仪、滤光片和控制器；数据处理模块集成了细胞显微图像识别算法、拉曼光谱处理分析算法、细胞统计算法和数据库；结果输出模块集成了循环肿瘤细胞测试结果的直接显示区和统计分析结果显示区。该系统的工作过程如下：
(1)将从癌症患者身上采集的静脉血放入检测系统入口，系统的血样处理模块自动抽取5ml血液，加入进样口，然后系统加入血细胞裂解液，自动震荡混匀，保持8分钟，此时血液中绝大部分红细胞和白细胞被裂解。控制裂解后的液体进入过滤区，通过微通孔芯片进行过滤，过滤完成后系统加入缓冲液冲洗、再过滤，使裂解残渣被彻底过滤，此时几乎全部的CTCs和未被裂解的少量白细胞和红细胞被截留在微通孔芯片表面。
(2)系统控制微通孔芯片与血液处理模块分离，将其自动转移到CTCs检测模块中三维电动样品台上固定。
(3)通过控制样品台移动，CTCs检测模块通过图像识别对芯片表面的细胞进行自动对焦，然后进行光学显微成像，通过细胞图像识别自动获取每一个细胞的形状、空间位置。
(4)系统对成像的细胞依次自动进行拉曼光谱检测，系统根据光学成像结果依次将各个细胞的中心定位到拉曼检测激光的焦点处，拉曼检测的激光波长为
785nm，一次测量的积分时间为10s。
(5)每获得一个细胞的拉曼光谱后，系统自动将数据实时传输到分析模块中，分析模块首先对接收到的拉曼光谱进行背景去除、降噪以及拟合预处理，然后将处理后的数据与系统中的数据库进行比对。数据库包含所有红细胞、白细胞(种类固定)的拉曼光谱和部分CTCs细胞的拉曼光谱，若分析结果显示所测细胞属于正常的血细胞，则该细胞不再标记，结果不统计，若分析结果显示所测细胞属于数据库中已有的CTCs细胞，则对该细胞进行标记，并进行类别和数量统计，若分析结果显示所测细胞不属于数据库中的任何细胞，则对该细胞进行标记和单独归类，并统计数量。
(6)完成所有细胞测试与分析后，将所有统计结果通过显示模块显示到屏幕上，包括CTCs和未知细胞的光学显微图像(如附图2所示，其中21为微通孔，22为CTCs肺癌细胞)和对应的拉曼光谱图像(如附图3所示)，以及统计分析的CTCs恶性肺癌细胞368个，未知细胞133个，患者处于癌症转移扩散高危期。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术，尽管上述内容对本发明进行了描述和说明，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，其特征在于，该系统由血样处理模块、循环肿瘤细胞检测模块、数据处理模块和结果输出模块构成；
血样处理模块集成了血液自动进样针筒、生化池、微通孔过滤芯片、血细胞裂解液、清洗液和机械臂；
循环肿瘤细胞检测模块集成了光学显微镜、成像CCD、三维电动样品台、激光器、光谱仪、滤光片和控制器；
数据处理模块集成了细胞显微图像识别算法、拉曼光谱处理分析算法、细胞统计算法和数据库；
结果输出模块集成了循环肿瘤细胞测试结果的直接显示区和统计分析结果显示区。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，其特征在于，所述血液自动进样针筒加入患者血液量为5ml；所述生化池用于进行血细胞裂解、过滤和冲洗，其中，血细胞裂解包括红细胞全部裂解和白细胞部分裂解，裂解过滤后再利用清洗液进行冲洗和再过滤。
3.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，其特征在于，所述机械臂用于清洗过滤完成后，取出含有循环肿瘤细胞的过滤芯片并转移至循环肿瘤细胞检测模块的三维电动样品台上。
4.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，其特征在于，所述循环肿瘤细胞检测模块中器件的工作过程为：控制器首先控制三维电动样品台的上下移动，通过CCD和光学显微成像清晰度反馈，进行自动伺服对焦控制，获得清晰的显微成像结果后，记录循环肿瘤细胞的显微图像，根据显微图像对每一个细胞进行空间定位；然后控制三维电动样品台水平移动，根据定位结果将循环肿瘤细胞移至激光器焦点处，打开激光器，细胞的拉曼光谱通过滤光片后进入光谱仪，控制器记录光谱仪测量数据，并将记录的显微图像和拉曼光谱存入缓存区，控制器完成细胞测量后将测量数据发送到数据处理模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，其特征在于，所述细胞显微图像识别算法用于对细胞进行空间定位，通过获取细胞边界和中心灰度变化进行细胞显微图像识别，从而准确获取每个细胞的形状和空间坐标。
6.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，其特征在于，所述拉曼光谱处理分析算法包括拉曼光谱的预处理、特征提取和对比分析，其中，预处理包括背景去除、降噪和光谱拟合，特征提取包括拉曼特征峰频率、强度、半宽以及面积，对比分析是将所提取的特征与数据库进行对比，从而实现对所测试细胞类别的归类识别。
7.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，其特征在于，所述细胞统计算法是在细胞显微图像识别算法和拉曼光谱处理分析算法处理后的结果基础之上，进行结果统计，以获得循环肿瘤细胞的类别分布和各类别的数量，然后分析出患者癌症转移的风险大小。
8.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的循环肿瘤细胞自动检测系统，其特征在于，所述结果输出模块中的直接显示区用于显示循环肿瘤细胞检测模块中的测量结果，所述统计分析结果显示区用于显示细胞统计算法计算得到的统计分析结果。
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