CN107513490B - 一种基于poct模式的全自动医用荧光pcr分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学技术领域，具体而言，涉及一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统。包括PCR仪，所述PCR仪用于通过PCR反应扩增DNA，所述PCR仪还用于对DNA进行荧光检测并生成荧光图像，所述PCR仪还用于将图像发送给客户端；客户端，所述客户端用于对荧光图像进行分析，生成分析结果。本发明提供的基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，能够解决传统基因检测过程复杂、成本昂贵、等待周期漫长的缺陷。

Description

一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，具体而言，涉及一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统。

背景技术

据联合国世界卫生组织统计，全球死亡患者中三分之一是死于不合理用药，而非死于自然疾病本身。我国卫生部药品不良反应监测中心的数据为：住院病人中，每年约有19.2万人死于药品不良反应；家庭用药不良反应需要住院治疗的病人则多达250 万人。研究表明基因组的多态性是导致药物反应多态性的重要因素，通过对人体药物相关基因（药物代谢酶、转运体和受体基因）检测，临床医师可以根据患者的基因型制定个性化的用药方案，以提高药物的疗效和降低药物的毒副反应，同时减轻病人的痛苦和经济负担。

目前，市场上基因检测主要在医院的临床分子诊断中心或者通过抽取血液样本并外送到第三方医学检验所进行检测，整个过程包括抽血、保存样本并寄送到专业的实验室、在实验室中进行细胞的裂解和核酸的提纯、进行PCR扩增、并使用专业的设备进行检测、出具报告。从取样到生成报告，一般为24～168小时，整个过程速度慢、耗时长。样本转移的步骤多，因此容易造成污染，需要筹建专业的实验室和购买专业的设备，并配备专业的操作人员，这些因素都会增加整个医院的运行成本，对基因检测的广泛应用造成了极大的阻碍。

POCT，即时检验，指在病人旁边进行的临床检测，通常不一定是临床检验师来进行。是在采样现场即刻进行分析，省去标本在实验室检验时的复杂处理程序，快速得到检验结果的一类新方法。近年来，由于当今高新技术的发展和医学科学的进步，以及高效快节奏的工作方式，使得具有实验仪器小型化、操作简单化、报告结果即时化的POCT越来越受到了人们的青睐。

现有的POCT的诊断项目包括血糖检测、心脏标志物、酒精检测等，但是现在尚未有针对于基因检测的POCT检测系统。

发明内容

本发明意在提供一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，能够解决传统基因检测过程复杂、成本昂贵、等待周期漫长的缺陷。

为了解决上述技术问题，本专利提供如下基础技术方案：

一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，包括：

PCR仪，所述PCR仪用于通过PCR反应扩增DNA，所述PCR仪还用于对DNA进行荧光检测并生成荧光图像，所述PCR仪还用于将图像发送给客户端；

客户端，所述客户端用于对荧光图像进行分析，生成分析结果。

本发明的技术方案中，通过PCR仪能够对自动对DNA进行扩增，并在扩增结束后对其进行荧光检测，然后通过客户端的软件对荧光图像进行分析，生成分析结果，无须在不同的医疗机构进行样本转移，实现即时检测，简化检测过程，降低检测成本和等待时间。

进一步，所述PCR仪包括热循环模块和控制模块，所述热循环模块用于控制温度循环使DNA扩增，所述热循环模块包括用于盛放试管的试剂槽，用于对试剂槽加热和制冷的半导体制冷片，用于辅助半导体制冷片散热或吸热的散热片，用于获取试剂槽温度的温度传感器，所述控制模块用于根据温度传感器的数据控制半导体制冷片的电流大小和方向，所述试剂槽上设有单排的用来盛装反应试管的试管孔。

现有的PCR仪都是采用多行试管孔的试剂槽，由于试管孔之间需要按标准设置一定的间距，因而体积较大，试剂槽自身升降温所需的时间长，导致升降温速度慢，本发明技术方案中，通过在试剂槽上设置单排的试管孔，可以减小试剂槽的厚度，进而减少试剂槽的体积和质量，从而使试剂槽升高或降低同样温度所需的加热量或制冷量就会更少，进而可以实现更高的试剂槽升降温速率，提升DNA扩增速度。

进一步，所述半导体制冷片设置在试剂槽的侧面。

试剂槽上设有单排的试管孔虽然减少了试剂槽的体积，但是同时也使试剂槽与半导体制冷片的接触面积变小，带来了热传递效率降低的问题，因此同时将半导体制冷片设置在试剂槽的一侧，增大半导体制冷片与试剂槽的接触面积，增大热传导效率，进一步提升试剂槽的升降温速率，提高DNA扩增效率。

进一步，所述PCR仪设置有荧光检测模块，所述荧光检测模块用于对DNA进行荧光检测生成荧光图像，所述控制模块还用于将荧光图像发送给客户端，所述荧光检测模块包括光源灯和摄像头，所述试管孔为通孔，所述试剂槽远离半导体制冷片一侧的侧壁与每个试管孔对应位置设置导光通孔，所述光源灯与导光通孔对应设置，所述摄像头位于试管孔的下方。

现有的PCR仪器都是从顶部发射激发光线来激活荧光，而且发出的荧光又需要被反射到顶部进行探测和采集，不利于装置体积的缩小，且光路复杂，影响成像效果。本发明通过使用侧面控温的方式，使试剂槽的底面可以安装摄像头，试剂槽的侧面设置进光孔，采用90°垂直光入射设计，提升了仪器的光学信噪比，缩短了光程，使仪器更小巧便携，同时避免了现有的PCR仪在试剂槽上方设置摄像机导致的反应试管取放不方便的问题。

进一步，所述光源灯与导光通孔之间设有导光柱。

导光柱可以集中光线，防止光线散射，使光线沿光柱传播，避免空气中的颗粒物等对检验造成影响。

进一步，所述光源灯与导光通孔之间还设有滤光镜。

滤除不激发荧光的光线，减少干扰。

进一步，还包括腮膜拭取样抹子，所述腮膜拭取样抹子用于对口腔上皮粘膜细胞的取样。

腮膜拭取样抹子实现了无创取样，取样简单、方便、无痛无创伤。

进一步，还包括后台服务器，所述客户端还用于将接收到的荧光图像以及荧光检测的分析结果发送给所述后台服务器，所述后台服务器用于保存所述荧光图像和分析结果，所述后台服务器还用于根据管理员的操作控制所有客户端对荧光图像进行分析时的参数。

管理人员可以通过后台服务器收集到的荧光图像和荧光的检测结果，适当调整当前产品的参数，通过后台服务器即可实现对所有客户端的调节。

附图说明

图1为本发明一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统实施例一的逻辑框图；

图2为本发明一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统实施例一中PCR仪的热循环模块的结构示意图；

图3为本发明一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统实施例一中PCR仪的荧光检测模块的结构示意图；

图4为本发明一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统实施例一中腮膜拭取样抹子的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

附图标记说明：PCR仪S1、试剂槽1、半导体制冷片2、散热片3、试管孔4、温度取样孔5、导热硅脂6、导光通孔7、摄像头9、反应试管10、导光柱11、光源灯12、滤光镜13、取样头14、盖子15、套管17。

如图1所示，本实施例一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统包括：PCR仪S1、客户端和后台服务器，本实施中还配备了打印机用于打印检测结果。

PCR仪S1用于通过PCR反应扩增DNA， PCR仪S1还用于对DNA进行荧光检测并生成荧光图像，并将图像发送给客户端；客户端用于对荧光图像进行分析，生成分析结果，本实施例中，客户端为安装了相应分析软件的电脑，通过打印机打印分析结果，并将分析结果发送给后台服务器，后台服务器用于保存所述荧光图像和分析结果，后台服务器能够根据管理员的操作远程控制所有客户端对荧光图像进行分析时的参数。

具体的PCR仪S1包括热循环模块、荧光检测模块和控制模块，热循环模块用于控制温度循环使DNA扩增，热循环模块结构如图2所示，包括用于盛放试管的试剂槽1，用于对试剂槽1加热和制冷的半导体制冷片2，用于辅助半导体制冷片2散热或吸热的散热片3，用于获取试剂槽1温度的温度传感器，以控制模块用于根据温度传感器的数据控制半导体制冷片2的电流大小和方向，试剂槽1上设有单排的用来盛装反应试管10的试管孔4，半导体制冷片2设置在试剂槽1的侧面。

本实施例中共设有12个试管孔4，试剂槽1的两端设有温度取样孔5，用来放入温度传感器，本实施例中，试剂槽1两端每一端均设置有两个温度取样孔5（图中只画出一个），试剂槽1一侧设有固定板，用来将试剂槽1与散热片3固定在一起，固定板可以选择与试剂槽1一体成型，也可以采用两者分离的方式，采用分离方式时，为了使试剂槽1的温度不通过固定板散发到散热片3上，可以使固定板的周边采用隔热材料，如真空隔热材料或玻璃纤维材料等，并在固定板与试剂槽1直接对应的位置采用与试剂槽1相同的导热材料；也可以使固定板采用隔热材料，同时将固定板中心对应试剂槽1位置挖空，使试剂槽1嵌入固定板中，通过螺栓等连接固定板和试剂槽1。

半导体制冷片2用来对试剂槽1进行加热或制冷，其设置在散热片3与试剂槽1之间，具体的来说，是设置在试剂槽1的一侧，其从试剂槽1的侧面为试剂槽1加热或制冷，半导体制冷片2与试剂槽1、半导体制冷片2与散热片3之间均设有导热硅脂6，用以填充半导体制冷片2与试剂槽1、半导体制冷片2与散热片3之间的空隙，提高导热效率，导热硅脂6优先选用PCR仪S1专用的进口导热硅脂6，这种导热硅脂6具有很高的导热系数，且很难挥发，从而使设备保持长期稳定性；

散热片3采用常见的鳍片式散热片3，其上设置有用来容纳半导体制冷片2的凹槽，本实施例中，采用螺钉固定试剂槽1与散热片3，因此试剂槽1的固定板和散热片3上均开有用于固定的孔；

本实施例中，半导体制冷片2共有两片，在散热片3中沿水平方向放置，每一片的长度和试剂槽1的总长度相同，每一片的高度均为试剂槽1的试管孔4深度的1.5倍，试剂槽1设置在两片半导体制冷片2所组成的矩形区域的中心位置，试剂槽1两端的温度取样孔5分别对应左右两片半导体制冷片2的中心位置，温度传感器有四个，分别放置在试剂槽1两端的温度取样孔5中，恰好可以采集半导体制冷片2的中心温度，每端两个温度传感器可以更加精准的测出温度，减少误差；控制模块用来根据温度传感器的数据和PCR过程所需的温度，自动控制每片半导体制冷片2的电流大小和方向，实现对试剂槽1的温度控制。

荧光检测模块用于对DNA进行荧光检测生成荧光图像，控制模块还用于将荧光图像发送给客户端，如图3所示，荧光检测模块包括光源灯12和摄像头9，光源灯12固定在灯座上，光源灯12优选为LED冷光源，其无需预热，寿命长，试管孔4为通孔，通孔的半径自上而下逐渐减小，试剂槽1远离半导体制冷片2一侧的侧壁与每个试管孔4对应位置设置导光通孔7，光源灯12与导光通孔7对应设置，摄像头9位于试管孔4的下方光源灯12与导光通孔7之间设有滤光镜13和导光柱11，反应试管10应采用透明度良好的材料制成，以确保光线的正常传播，本实施例中优选为聚丙烯材料，反应试管10的底面设置为平面，以减少光线折射对荧光图像的影响。

还包括腮膜拭取样抹子，腮膜拭取样抹子用于对口腔上皮粘膜细胞的取样，如图4所示，腮膜拭取样抹子包括取样头14、盖子15和套管17，取样头14与套管17螺纹连接，取样头14的形状与反应试管10相匹配，取样头14能够伸入反应试管10内同时密封反应试管10，取样头14由半径逐级缩小的多级圆台组成，圆台侧壁上设有凹凸的花纹，用以增大刮取量，其优选为热塑性橡胶材料制成，橡胶具有弹性，可以保证反应试管10的密封性。

还包括样品存储装置和用户手机端，样品存储装置用来存储采集的用户DNA样本，可采用现有的冷藏设备，设置温度为零下20℃左右即可；用户在进行PCR分析检测时，会被要求留下手机号，后台服务器收集的分析结果中包括了用户的手机号，用户可以通过手机端登录后台服务器，查看自己的检测结果或选择检测项目。

用户可以选择一次性检测还是长期型检测，长期型检测与一次性检测的区别在于，一次性检测仅仅检测一次目标基因，如某一些野生型基因，检测完成出具报告后，用户DNA样本将会被丢弃；长期型检测可以使用用户的基因样本进行多次检测，由于技术发展的原因，有一些基因可能现在还没有发现，或者没有合适的荧光材料进行分析，但是随着技术的发展，一些新的基因逐渐会被发现，又或者用户刚开始只需要某一种基因的检测，后来有需要另外的基因检测，这时候，传统的检测方法需要用户再次进行取样检测，但是本系统中，用户如果选择了长期型检测，就会将用户的基因保存在样品储存装置中，每当有新的、重要的基因被发现后，或者用户主动要检测其他基因项目时，用户只需通过手机端登陆后台服务器即可选择要检测的项目，系统检测完毕后会将检测结果收集到服务器上，用户通过手机端即可查看，整个过程无需用户再次进行取样检测。

后台服务器中还设有用户权限管理模块，该模块用来管理每个注册用户的查看权限，用户可以通过手机端主动添加其他用户到自己的权限列表中，从而使他人尤其是家人可以查看自己的检测结果，其他用户，如医生，也可以通过手机端主动申请查看某一个用户的某一次基因检测结果，该申请通过用户权限管理模块推送到目标用户的客户端上，由用户确认授权后，其他人方可获得查看权限。

本实施例工作时，用户如果选择一次性检测或者用户是第一次使用本系统，则需要进行采样并设置手机号码，如果用户选择的是长期型检测且不是第一次使用本系统则不需要再次采样，

采样的过程为：通过腮膜拭取样抹子采集用户口腔上皮粘膜细胞，然后将取样头14插入盛装有细胞裂解液和其他反应试剂的反应试管10中，按压塞紧后，旋转套管17，将取样头14留在反应试管10中，取样头14在此过程中没有碰触其他物品，降低样品被污染的可能性，取样头14与反应试管10内的试剂接触，试剂使细胞被裂解，然后DNA释放出来，热循环模块开始对试剂槽1进行温度控制，PCR扩增DNA片段的过程通常包括变性、退火和延伸三个基本反应步骤。重复循环变性、退火、延伸三步骤就可实现DNA片段的复制。在这三个步骤中，变性的温度通常要控制在93℃左右，退火的温度则要降至55℃左右，引物延伸时，则要求温度在72℃左右。热循环模块通过对试剂槽1进行三个温度的循环控制，使反应试管10内的DNA扩增。

如果为长期型检测则需要进行DNA样本保存，使用的试剂为常规试剂，在DNA复制完成后，保存部分DNA在样品存储装置中。

然后进行针对于检测项目的PCR扩增，例如针对野生型基因和突变型基因的检测时，使DNA扩增的试剂中含有两种基因探针，一种基因探针能够与野生型基因杂合，另一种基因探针能够与突变型基因杂合，两种基因探针在与不同的基因杂合后能够被激发释放出两种不同波段的荧光。

在每个热循环的尾期，LED灯发光激发反应管中基因探针发出的荧光，摄像头9对反应管中基因探针发出的荧光进行拍照记录，并将图像传送给客户端，客户端通过预设的软件系统对每一次的图像进行分析和记录，计算机通过软件对图像上的像素点进行分析，计算出每次热循环后野生型基因和突变型基因的荧光值，并根据每次热循环后荧光值的变化生成两条拟合曲线，操作者根据两条拟合曲线来判断DNA 样本中是否含有野生型基因和/ 或突变型基因，由于两种基因探针发出的荧光不同，为了便于区分，因此两条拟合曲线的颜色不同。若在经过热循环后，只有野生型基因的荧光强度发生变化，则表明DNA 样本中只含有野生型基因，没有突变型基因；若在经过热循环后，不仅野生型基因的荧光强度发生变化，而且突变型基因的荧光强度也发生变化，那么则表明DNA样本中既含有野生基因，也含有突变型基因；若在经过热循环后，只有突变型基因的荧光强度发生变化，则表明DNA样本中只含有突变型基因，没有野生型基因，后台服务器中建立有每一个用户的档案数据，后台服务器将检测的结果保存到相应的档案记录中。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，其特征在于：包括：

PCR仪，所述PCR仪用于通过PCR反应扩增DNA，所述PCR仪还用于对DNA进行荧光检测并生成荧光图像，所述PCR仪还用于将图像发送给客户端；

客户端，所述客户端用于对荧光图像进行分析，生成分析结果；

所述PCR仪包括热循环模块和控制模块，所述热循环模块用于控制温度循环使DNA扩增，所述热循环模块包括用于盛放试管的试剂槽，用于对试剂槽加热和制冷的半导体制冷片，用于辅助半导体制冷片散热或吸热的散热片，用于获取试剂槽温度的温度传感器，所述控制模块用于根据温度传感器的数据控制半导体制冷片的电流大小和方向，所述试剂槽上设有单排的用来盛装反应试管的试管孔；

所述半导体制冷片设置在试剂槽的侧面；

半导体制冷片共两片，每一片半导体制冷片的长度和试剂槽的长度相同，每一片半导体制冷片的高度均为试剂槽的试管孔的深度的1.5倍，试剂槽设置在两片半导体制冷片所组成的矩形区域的中心位置，试剂槽的两端设有温度取样孔，温度传感器放入温度取样孔内。

2.如权利要求1所述的基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，其特征在于：所述PCR仪设置有荧光检测模块，所述荧光检测模块用于对DNA进行荧光检测生成荧光图像，所述控制模块还用于将荧光图像发送给客户端，所述荧光检测模块包括光源灯和摄像头，所述试管孔为通孔，所述试剂槽远离半导体制冷片一侧的侧壁与每个试管孔对应位置设置导光通孔，所述光源灯与导光通孔对应设置，所述摄像头位于试管孔的下方。

3.如权利要求2所述的基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，其特征在于：所述光源灯与导光通孔之间设有导光柱。

4.如权利要求3所述的基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，其特征在于：所述光源灯与导光通孔之间还设有滤光镜。

5.如权利要求1所述的基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，其特征在于：还包括腮膜拭取样抹子，所述腮膜拭取样抹子用于对口腔上皮粘膜细胞的取样。

6.如权利要求1所述的基于POCT模式的全自动医用荧光PCR分析系统，其特征在于：还包括后台服务器，所述客户端还用于将接收到的荧光图像以及荧光检测的分析结果发送给所述后台服务器，所述后台服务器用于保存所述荧光图像和分析结果，所述后台服务器还用于根据管理员的操作控制所有客户端对荧光图像进行分析时的参数。

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