CN107367453A - 一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，用以检测细胞粒子的体积及数量，包括以下步骤：1)通过直流电阻抗法获取待检测细胞粒子的脉冲信号；2)获取脉冲信号的波形脉宽、多峰情况、峰值和谷值；3)设定脉宽的阈值，并根据脉宽和多峰情况判断脉冲信号为单粒子脉冲信号或者多粒子脉冲信号，对细胞粒子进行计数，并且根据脉冲信号的峰值和谷值获取细胞粒子的真实体积。与现有技术相比，本发明具有判断准确、应用广泛等优点。
Description
技术领域
本发明涉及血液细胞分析领域，尤其是涉及一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法。
背景技术
在血液细胞分析领域，直流电阻抗法是目前RBC/PLT(红细胞/血小板)测量的最常用方法。图1是直流电阻抗测量的一个简单示意图，两个容器中隔绝的待测细胞悬液通过小孔建立联系。两个测量电极分别位于两个容器中，通过直流源激励在小孔建立电场。在压力驱动下，流过小孔的粒子或细胞会引起电阻抗的变化，就会产生一个个脉冲信号。理想情况下，一个粒子对应一个脉冲，脉冲的个数指示粒子的数目，脉冲的幅值高度正比于粒子体积。
然而在实际情况下，电场等势线不均匀分布、小孔孔径远大于粒子直径、流速不稳、样本中含有大量碎片、气泡等因素都会影响脉冲的形状及幅值。因此，该方法受检测原理和结构的限制，不可避免地会引入一些计数以及测量值上的误差，造成这些误差的主要来源一个是轨迹影响，一个是重叠影响。
1)轨迹现象(体积误差)
单个粒子由不同轨迹流过小孔而引起体积误差，此为轨迹现象，如图2所示，10为小孔，10周围的圆形线为电场等势线分布，三个大小相等的粒子分别以AT、BT、CT三条轨迹从左至右通过小孔。可见，
粒子沿小孔的中心线AT流过，形成一个理想的脉冲信号，其脉冲峰值AMP.A真实反映粒子体积。
粒子沿小孔的边沿BT流过，形成M形信号，其脉冲峰值AMP.B不代表该粒子的真实体积，而是其脉冲谷值AMP.A代表该粒子的真实体积。
粒子沿斜线轨迹CT流过小孔，形成类似M形信号，其脉冲峰值AMP.C不代表该粒子的真实体积，而是其脉冲谷值AMP.A代表该粒子的真实体积。
2)重叠现象(个数误差)
由于小孔的孔径明显大于粒子直径，因此会出现两个粒子同时进入小孔的情况，产生的脉冲信号等价于单个粒子逐一通过时，各自产生信号的叠加，此为重叠现象，如图3所示。
图中，A为单个理想粒子经过时候的情况(其下面为对应的脉冲信号，B、C、D、E同)，其脉冲的峰值代表该粒子的真实体积。
B为两个隔的较远的粒子同时进入小孔，信号有小部分重叠，形成M形信号，其脉冲的两个峰值分别代表该两个粒子的真实体积，而其脉冲谷值不代表粒子的真实体积。
C为比B靠的近一点的两个粒子同时进入小孔，信号有较大部分重叠，形成M形信号，其脉冲的两个峰值分别代表该两个粒子的真实体积，而其脉冲谷值不代表粒子的真实体积。
D为横向两个靠的非常近的粒子同时经过小孔，所产生的信号完全重叠，其幅值要大的多。E为纵向两个靠的非常近的粒子同时经过小孔，所产生的信号完全重叠，其幅值比D还要大。情况D和E只有当细胞稀释很不好时会有，通常很少发生，忽略不计；这里重点考虑A、B、C情况。
上面分别描述了粒子在轨迹影响和重叠影响下所表现出来的现象，然而在实际情况下，这两种情况是都会同时发生的，使问题变得很复杂，如M形信号，这两种情况表现出的波形现象基本类似。
现在，一般的处理方式不区分单个粒子和多个粒子产生的M形信号，对轨迹影响用硬件电路修正其幅值，而对于重叠影响产生的个数误差，只能进行大概修正。到目前为止，都没有一种好的方法同时修正这两种误差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种判断准确快速、应用广泛的基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，用以检测细胞粒子的体积及数量，包括以下步骤：
1)通过直流电阻抗法获取待检测细胞粒子的脉冲信号；
2)获取脉冲信号的波形脉宽、多峰情况、峰值和谷值；
3)设定脉宽的阈值，并根据脉宽和多峰情况判断脉冲信号为单粒子脉冲信号或者多粒子脉冲信号，对细胞粒子进行计数，并且根据脉冲信号的峰值和谷值获取细胞粒子的体积。
所述的步骤3)中，脉宽的阈值h的计算式为：
h＝K*W
其中，K为区分系数，且1.1≤K≤2，W为单峰脉冲信号脉宽的均值。
所述的步骤3)具体包括以下判断方法：
(1)若检测到的脉冲信号为单峰信号，且脉宽Wi≤h时，则该脉冲信号的峰值代表该粒子的体积，粒子个数计为一个；
(2)若检测到的脉冲信号为多峰信号，且脉宽Wi≤h时，则该脉冲信号的谷值代表该粒子的体积，粒子个数计为一个；
(3)若检测到的脉冲信号为单峰信号，且脉宽Wi＞h时，则舍弃该粒子，粒子个数不计；
(4)若检测到的脉冲信号为多峰信号，且脉宽Wi＞h时，则该脉冲信号的多个峰值分别代表多个粒子的体积，粒子个数计为波峰个数。
所述的单峰脉冲信号脉宽的均值通过正态分布拟合或移动平均处理获得。
所述的区分系数K的取值范围为1.3～1.6。
所述的方法(4)中具体包括以下判断方法：当脉冲信号为双峰信号时，则其二个峰值分别代表二个粒子的体积，粒子个数计为二个。
所述的方法(4)具体包括以下判断方法：当脉冲信号为三峰信号时，则其三个峰值分别代表三个粒子的体积，粒子个数计为三个。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、判断准确：本发明引入脉冲信号的时间宽度测量(脉宽)，结合脉冲信号的多峰情况判断，以及峰值和谷值的测量，根据脉宽的统计分布处理，进行综合判断，甄别和区别对待单个粒子和多个粒子产生的M形信号，同时克服轨迹现象引起的体积误差和重叠现象引起的个数误差，以准确测量粒子的真实体积和个数。
二、应用广泛：除血液细胞分析，本发明的方法也适用于应用直流电阻抗法的其他细胞或粒子的检测和分析。
附图说明
图1为直流电阻抗测量的示意图，其中，图(1a)为直流电阻抗测量结构原理图，图(1b)为细胞通过小孔的示意图，图(1c)为细胞通过小孔时产生的脉冲信号图。
图2为轨迹现象的示意图，其中，图(2a)为轨迹现象的原理图，图(2b)为粒子沿小孔的中心线AT流过产生的脉冲信号，图(2c)为粒子沿小孔的边沿BT流过形成M形信号，图(2d)为粒子沿斜线轨迹CT流过小孔形成类似M形信号。
图3为重叠现象的示意图。
图4为本发明的技术原理图，其中，图(4a)为单个粒子沿中心线流过小孔的脉冲信号波形，图(4b)为单个粒子沿斜线流过小孔的M形波形，图(4c)为两个粒子同时进入小孔产生的M形波形，图(4d)为两个粒子同时进入小孔产生的单峰脉冲信号。
图5为本发明的技术方案流程图。
图6为实施例1的流程图。
图7为实施例1中脉冲信号的脉宽分布图。
图8为实施例2的流程图。
图9为实施例2中脉冲信号的脉宽分布图。
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。
本发明的技术原理为：
为了区分单个粒子和多个粒子产生的M形信号，考虑粒子流过小孔所用的时间。单个粒子沿中心线流过小孔所用的时间是最短的；单个粒子沿边沿或斜线流过小孔所用的时间要略长，产生的M形信号的时间宽度也略大；而两个粒子同时进入小孔产生的M形脉冲信号的时间宽度要远大于单个粒子产生的脉冲信号的时间宽度，原理如图4所示。
进行粒子分析和误差修正的方法为：
脉冲信号从前置传感器送入信号处理部分，由硬件电路，或信号采样后由数字处理方式，获得脉冲信号的脉宽、多峰情况、峰值和谷值信息，计算机接收并存储所有这些测量信息。分析测试结束，计算机对所有脉冲的信息进行统计处理，原理如图5所示。
对单峰脉冲信号求取脉宽的均值，即按正态分布拟合后得到的脉宽的均值，设为W。其实际意义为，W反映单个粒子沿中心线流过小孔所用的平均时间，单个粒子沿边沿或斜线流过小孔所用的时间要略大于W，而两个粒子同时进入小孔产生的脉冲信号的脉宽要远大于W。
据此设置脉宽阈值为K*W。这里K为区分系数根据实际情况设置，如K＝1.5。脉宽阈值K*W用来区分M形信号是单个粒子产生的还是多个粒子产生的。如脉宽<＝阈值K*W，则认为此脉冲信号是单个粒子产生的；如脉宽>阈值K*W，则认为此脉冲信号是两个粒子产生的。所以，综合考虑的算法如下：
1)当某个脉冲信号的脉宽<＝阈值K*W，且其为单峰信号，则其峰值代表该粒子的体积，粒子个数计为一个。
2)当某个脉冲信号的脉宽<＝阈值K*W，且其为多峰信号，则其谷值代表该粒子的体积，粒子个数计为一个。
3)当某个脉冲信号的脉宽>阈值K*W，且其为单峰信号，则舍弃该粒子，粒子个数不计。
4)当某个脉冲信号的脉宽>阈值K*W，且其为多峰信号，则其多个峰值分别代表多个粒子的体积，粒子个数计为波峰个数。特别地，当脉冲信号为双峰时，则其二个峰值分别代表二个粒子的体积，粒子个数计为二个。
对单峰脉冲信号求取脉宽的均值，也可用单峰脉冲信号的脉宽经移动平均处理后，分布的最高值处对应的脉宽数值。
除血液细胞分析，本发明的方法也适用于应用直流电阻抗法的其他细胞或粒子的检测和分析。
实施例：
分析测试开始，脉冲信号从前置传感器送入信号处理部分，结合微分、积分、峰值探测等方法，由硬件电路求取脉冲信号的脉宽、多峰个数、峰值和谷值，原理如图6所示。
阈值电平：根据实际情况设置，以拦截噪音和碎片信号，如图4中Vth所示。
脉宽测量电路：对送入的脉冲信号，不管是单个粒子产生的单峰信号还是多个粒子产生的多峰/M形信号，与设置的阈值电平进行比较，对超过阈值电平的部分进行时间宽度测量，得到脉冲信号的脉宽信息，如图4中Tw所示。
峰值和谷值测量电路：对送入的脉冲信号，不管是单个粒子产生的单峰信号还是多个粒子产生的M形信号，与设置的阈值电平进行比较，对超过阈值电平的部分进行多峰判断，以及峰值和谷值的幅值测量，得到脉冲信号的多峰信息，以及峰值和谷值信息。当脉冲信号为单峰时只有一个峰值信息；当脉冲信号为多峰时有多个峰值和谷值信息。特别地，当脉冲信号为双峰时有二个峰值和一个谷值信息，如图4中P1、V1、P2所示。
脉冲信号的脉宽、多峰、峰值和谷值等测量信息由采样电路转化为数字量，送入计算机。
计算机接收并存储所有这些脉冲信号的脉宽、多峰、峰值和谷值等测量信息，如
第9个脉冲，脉宽＝29us，多峰＝1，峰值1＝1.2V。
第51个脉冲，脉宽＝37us，多峰＝2，峰值1＝1.2V、谷值＝0.7V、峰值2＝1.5V。
第121个脉冲，脉宽＝57us，多峰＝2，峰值1＝0.5V、谷值＝0.3V、峰值2＝1.2V。
第235个脉冲，脉宽＝49us，多峰＝1，峰值1＝3.1V。
分析测试结束，计算机对所有脉冲的信息进行统计处理。
计算机对所有的单峰脉冲信号求取脉宽的统计平均值，脉冲信号的脉宽分布如图7所示，按正态分布进行最优拟合，得到脉宽的均值W为30us。远大于30us的脉宽不在正态分布之内。
设置脉宽阈值为K*W。这里K根据实际情况设置，如K＝1.5，则脉宽阈值＝1.5*30＝45us。脉宽阈值K*W用来区分M形信号是单个粒子产生的还是多个粒子产生的。如脉宽<＝阈值K*W，则认为此脉冲信号是单个粒子产生的；如脉宽>阈值K*W，则认为此脉冲信号是两个粒子产生的。
计算机进行综合判断，结果如下：
第9个脉冲，脉宽＝29us<脉宽阈值45us，多峰＝1，峰值1＝1.2V，则其峰值代表该粒子的体积，粒子个数计为一个。
第51个脉冲，脉宽＝37us<脉宽阈值45us，多峰＝2，峰值1＝1.2V、谷值＝0.7V、峰值2＝1.5V。则其谷值代表该粒子的体积，粒子个数计为一个。
第121个脉冲，脉宽＝57us>脉宽阈值45us，多峰＝2，峰值1＝0.5V、谷值＝0.3V、峰值2＝1.2V。则其二个峰值分别代表二个粒子的体积，粒子个数计为二个。
第235个脉冲，脉宽＝49us>脉宽阈值45us，多峰＝1，峰值1＝3.1V。则舍弃该粒子，粒子个数不计。
实施例2：
分析测试开始，脉冲信号从前置传感器送入信号处理部分，脉冲信号经数字化采样后转化为数字量，送入计算机，由数字算法求取脉冲信号的脉宽、多峰个数、峰值和谷值等测量信息，原理如图8所示。
计算机存储所有这些脉冲信号的脉宽、多峰、峰值和谷值等测量信息。
分析测试结束，计算机对所有脉冲的信息进行统计处理。
计算机对所有的单峰脉冲信号求取脉宽的均值，单峰脉冲信号的脉宽分布如图9所示，根据需要设定窗口宽度进行移动平均处理后，脉宽分布的最高值处对应的为脉宽的均值W。
设置脉宽阈值为K*W，这里K根据实际情况设置，如K＝1.45。
如实施例1所示，计算机根据脉冲信号的脉宽、多峰、峰值和谷值信息，进行综合判断，实现精确的粒子计数和体积检测。
Claims (7)
1.一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，用以检测细胞粒子的体积及数量，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过直流电阻抗法获取待检测细胞粒子的脉冲信号；
2)获取脉冲信号的波形脉宽、多峰情况、峰值和谷值；
3)设定脉宽的阈值，并根据脉宽和多峰情况判断脉冲信号为单粒子脉冲信号或者多粒子脉冲信号，对细胞粒子进行计数，并且根据脉冲信号的峰值和谷值获取细胞粒子的体积。
2.根据权利要求1所述的一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，其特征在于，所述的步骤3)中，脉宽的阈值h的计算式为：
h＝K*W
其中，K为区分系数，且1.1≤K≤2，W为单峰脉冲信号脉宽的均值。
3.根据权利要求2所述的一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包括以下判断方法：
(1)若检测到的脉冲信号为单峰信号，且脉宽Wi≤h时，则该脉冲信号的峰值代表该粒子的体积，粒子个数计为一个；
(2)若检测到的脉冲信号为多峰信号，且脉宽Wi≤h时，则该脉冲信号的谷值代表该粒子的体积，粒子个数计为一个；
(3)若检测到的脉冲信号为单峰信号，且脉宽Wi＞h时，则舍弃该粒子，粒子个数不计；
(4)若检测到的脉冲信号为多峰信号，且脉宽Wi＞h时，则该脉冲信号的多个峰值分别代表多个粒子的体积，粒子个数计为波峰个数。
4.根据权利要求1所述的一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，其特征在于，所述的单峰脉冲信号脉宽的均值通过正态分布拟合或移动平均处理获得。
5.根据权利要求2所述的一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，其特征在于，所述的区分系数K的取值范围为1.3～1.6。
6.根据权利要求3所述的一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，其特征在于，所述的方法(4)中具体包括以下判断方法：当脉冲信号为双峰信号时，则其二个峰值分别代表二个粒子的体积，粒子个数计为二个。
7.根据权利要求3所述的一种基于直流电阻抗测量的细胞粒子检测方法，其特征在于，所述的方法(4)具体包括以下判断方法：当脉冲信号为三峰信号时，则其三个峰值分别代表三个粒子的体积，粒子个数计为三个。
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