CN108444896A - 一种光声探测装置 - Google Patents
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- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N2015/1006—Investigating individual particles for cytology
Abstract
本申请实施例公开了一种光声探测装置，该光声探测装置包括：该光声探测装置包括：光声激发模块，细胞流道模块和光声信号处理模块；上述光声激发模块包括光源和引导光路；上述细胞流道模块包括细胞流道，该细胞流道的任一侧设置有受光口；上述光声信号处理模块包括光声信号探测单元；上述光源用于提供光声信号激发光，上述引导光路用于引导该光声信号激发光；上述细胞流道用于导流待测样品液；上述光声信号激发光通过上述受光口照射流经上述受光口的上述待测样品液；上述光声信号探测单元用于接收上述待测样品液中细胞受光后产生的光声信号。该光声探测装置，微小轻便，结构简单，成本低，探测操作简单。
Description
技术领域
本申请涉及医疗检测领域，具体涉及一种光声探测装置。
背景技术
循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)是指自发或因诊疗操作由实体瘤或转移灶释进入外周循环系统的肿瘤细胞，是恶性肿瘤患者出现术后复发和远处转移的重要原因，也是导致肿瘤患者死亡的重要因素。近几年循环肿瘤细胞的检测在肿瘤诊断、治疗和监控等方面的临床表现逐渐崭露头角，是目前最具发展潜力的肿瘤无创诊断和实时疗效监测手段。
流式细胞仪是目前使用最广的循环肿瘤细胞探测设备，它包括光源、液流通路、信号检测传输和数据的分析模块。其工作原理是在细胞分子水平上通过单克隆抗体对单个细胞或其他生物粒子进行多参数、快速的定量分析。
流式细胞仪在进行细胞检测前，需要先对细胞进行荧光标记，因此该方法存在荧光检测的缺点，例如荧光物质在标记后的淬灭导致检测准确度降低，程序繁复，对细胞的毒性一致细胞不能循环使用。另外，流式细胞仪结构庞大，操作复杂且价格昂贵。
发明内容
本申请实施例提供一种光声探测装置，该光声探测装置以光声探测替代荧光探测，无需对细胞进行标记，且微小轻便，结构简单，成本低，探测操作简单安全。
本申请实施例提供了一种光声探测装置，该光声探测装置包括：光声激发模块，细胞流道模块和光声信号处理模块；
上述光声激发模块包括光源和引导光路；上述细胞流道模块包括细胞流道，该细胞流道的任一侧设置有受光口；上述光声信号处理模块包括光声信号探测单元；
上述光源用于提供光声信号激发光，上述引导光路用于将该光声信号激发光由该光源引导至该引导光路的输出端进行输出；上述细胞流道用于导流待测样品液；上述光声信号激发光通过上述受光口照射流经上述受光口的上述待测样品液；上述光声信号探测单元用于接收上述待测样品液中细胞受光后产生的光声信号，将该光声信号转换为电信号。
本申请实施例中，该光声探测装置包括：光声激发模块，细胞流道模块和光声信号处理模块；光声激发模块输出光声信号激发光，该光声信号激发光照射细胞流道所导流的待测样品液，待测样品液中的细胞受光后产生的光声信号，该光声信号由光声信号处理模块进行采集并转换成电信号。该光声探测装置以光声探测替代荧光探测，无需对细胞进行标记，探测操作简单安全；且光声信号的采集过程发生在微流控芯片上，整体装置微小轻便，结构简单，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1A是本申请实施例提供的一种光声探测装置的结构示意图；
图1B是本申请实施例提供的一种光声探测装置的组成模块示意图；
图1C是本申请实施例提供的一种光声探测装置的探头设置位置示意图；
图1D是本申请实施例提供的待测样品液光声效应的超声信号图；
图1E是本申请实施例提供的蒸馏水光声效应的超声信号图；
图1F是本申请实施例提供的磷酸缓冲盐溶液光声效应的超声信号图；
图2A是本申请实施例提供的另一种光声探测装置的结构示意图；
图2B是本申请实施例提供的一种光声探测装置的流道的结构示意图；
图2C是本申请实施例提供的待测样品液中细胞被激光照射的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本申请的一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都应属于本申请保护的范围。
请参见图1A，图1A是本申请实施例提供的一种光声探测装置的结构示意图。该光声探测装置100，包括：光声激发模块110，细胞流道模块120和光声信号处理模块130；
上述光声激发模块110包括光源111和引导光路112；上述细胞流道模块120包括细胞流道121，该细胞流道121的任一侧设置有受光口122；上述光声信号处理模块130包括光声信号探测单元131；
上述光源111用于提供光声信号激发光，上述引导光路112用于将该光声信号激发光由该光源引导至该引导光路的输出端进行输出；上述细胞流道121用于导流待测样品液；上述光声信号激发光通过上述受光口122照射流经上述受光口122的上述待测样品液；上述光声信号探测单元131用于接收上述待测样品液中细胞受光后产生的光声信号，将该光声信号转换为电信号。
在本实施例中，光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI)是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时，生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。在激发光参数不变的情况下，光声信号的强度、频谱与生物组织的光吸收特性紧密相关，不同的组织有不同的光吸收特性。待测样品液流经受光口时会受到激光照射产生光声信号，因此，这里可以根据需要探测的细胞组织选择特定波长作为上述光源模块输出的脉冲激光。
举例说明，参见图1D、图1E和图1F，上述待测样品液为小鼠黑色素肿瘤细胞B16F10与磷酸缓冲盐溶液(即PBS缓冲液)配置的混合浓液，其浓度为1万个细胞每毫升，经过光声探测装置100得到的待测样品液的超声信号图如图1D所示；蒸馏水和PBS缓冲液经过光声探测装置100得到的待测样品液的超声信号图如图1E和图1F所示。对比图1D、图1E和图1F可以看出，待测样品液的光声信号来自样品液中黑色素肿瘤细胞。根据上述实验结果可以判断光声探测装置100对循环系统内黑色素肿瘤细胞的检测具备可行性。
在本实施方式中，上述光声激发模块的组成如图1B所示，图1B是本申请实施例提供的一种光声探测装置的组成模块示意图。为保证脉冲能量强度以提高光声效应强度，选择可输出重复频率1-20Hz、脉宽8ns、输出波长范围为355-1064nm、脉冲能量10-100mJ的脉冲激光的脉冲激光器作为光源。引导光路可以包括耦合光路和传导光纤，结合耦合光路将脉冲激光器发出的脉冲激光耦合到光纤内，最终达到光纤输出端(即上述出光口)的每脉冲能量为200uJ，重复频率20Hz，输出波长范围为355-1064nm(该范围可调节)。
在本实施例中，细胞流道模块120可以采用微流控芯片，微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。在上述微流控芯片上设置流道导流待测样品液，大大减小了探测装置的体积，例如，由于循环肿瘤细胞直径为7～15um，因此可选择微流道的宽度选择20um。
可以理解，本申请实施例中，该光声探测装置包括：光声激发模块，细胞流道模块和光声信号处理模块；光声激发模块输出光声信号激发光，该光声信号激发光照射细胞流道所导流的待测样品液，待测样品液中的细胞受光后产生的光声信号，该光声信号由光声信号处理模块进行采集并转换成电信号。该光声探测装置以光声探测替代荧光探测，无需对细胞进行标记，探测操作简单安全；且光声信号的采集过程发生在微流控芯片上，整体装置微小轻便，结构简单，成本低。
作为一种可选的实施方式，上述引导光路将上述光声信号激发光由上述光源引导至上述引导光路的输出端的过程中的损耗率低于第一阈值。
可以理解，如果要引导光路将上述光声信号激发光由上述光源高效地引导至上述引导光路的输出端，则需要这个引导过程中的光损耗降至尽量低。因此这里的第一阈值可由本领域技术人员根据具体情况设定，本实施方式对第一阈值的值不做限定。
作为一种可选的实施方式，上述引导光路的输出端所输出的上述光声信号激发光在上述细胞流道壁上所形成的光斑直径小于第二阈值。
可以理解，光声信号激发光由引导光路的输出端输出通过上述受光口照射在细胞流道上，则会在细胞流道壁上形成一个光斑，这个光斑越小，则所输出的光声信号激发光的能量汇聚程度越高，因而能够产生更强的光声效应。因此这里的第二阈值可由本领域技术人员根据具体情况设定，本实施方式对第二阈值的值不做限定。最好的情况是引导光路的输出端所输出光声信号激发光束在样本中的细胞上所形成的光斑正好是这个细胞的大小。
请再参见图2A，图2A是本申请实施例提供的另一种光声探测装置的结构示意图。该光声探测装置200，包括：光声激发模块210，细胞流道模块220和光声信号处理模块230；
上述光声激发模块210包括光源211和引导光路212；上述细胞流道模块220包括细胞流道221，该细胞流道的结构为使待测样品液中细胞单个排列的流道结构，该细胞流道221的任一侧设置有受光口222；上述光声信号处理模块230包括光声信号探测单元231；
上述光源211用于提供光声信号激发光，上述引导光路212用于将该光声信号激发光由该光源引导至该引导光路的输出端进行输出；上述细胞流道221用于导流待测样品液；上述光声信号激发光通过上述受光口222照射流经上述受光口222的上述待测样品液；上述光声信号探测单元231用于接收上述待测样品液中细胞受光后产生的光声信号，将该光声信号转换为电信号。
在本实施例中，光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI)是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时，生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。在激发光参数不变的情况下，光声信号的强度、频谱与生物组织的光吸收特性紧密相关，不同的组织有不同的光吸收特性。待测样品液流经受光口时会受到激光照射产生光声信号，因此，这里可以根据需要探测的细胞组织选择特定波长作为上述光源模块输出的脉冲激光。
在本实施例中，细胞流道模块120可以采用微流控芯片，微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。在上述微流控芯片上设置流道导流待测样品液，大大减小了探测装置的体积，例如，由于循环肿瘤细胞直径为7～15um，因此可选择微流道的宽度选择20um。
在本实施例中，上述细胞流道的结构为使待测样品液中细胞单个排列的流道结构，即待测样品液中细胞可以单个排列在细胞流道中，保证待测样品液中每个细胞都受到光照产生光电信号，使得探测结果更加准确。一般，采用弯型流道将自然状态下成团细胞打散开，使其可以单个排列在流道中。
可以理解，本申请实施例中，该光声探测装置包括：光声激发模块，细胞流道模块和光声信号处理模块；光声激发模块输出光声信号激发光，该光声信号激发光照射细胞流道所导流的待测样品液，待测样品液中的细胞受光后产生的光声信号，该光声信号由光声信号处理模块进行采集并转换成电信号。该光声探测装置以光声探测替代荧光探测，无需对细胞进行标记，探测操作简单安全；且光声信号的采集过程发生在微流控芯片上，整体装置微小轻便，结构简单，成本低。此外，待测样品液中细胞单个排列在流道中，可以保证每个细胞都受到光照产生光电信号，使得探测结果更加准确。
作为一种可选的实施方式，上述流道为波浪型流道。
在本实施方式中，如图2B所示，图2B是本申请实施例提供的一种光声探测装置的流道的结构示意图。可见，波浪型流道可以使自然状态下成团细胞将被打散开，单个排列在微流道内，可以保证每个细胞都受到光照产生光电信号，使得探测结果更加准确。
作为一种可选的实施方式，上述光声探测装置还包括流速控制器，该流速控制器用于控制待测样品液的流动速度，使该待测样品液中的单个细胞流经上述受光口的时间不少于上述光源产生上述光声信号激发光的周期。
在本实施方式中，通过流速控制器可以控制上述待测样品液在细胞流道中的流速，从而控制细胞在流道中速度，使得细胞流经受光口时间不小于光源产生上述光声信号激发光，进一步地保证每个细胞均被激光脉冲照射产生光声信号，如图2C所示。
作为一种可选的实施方式，在上述待测样品液中的单个细胞流经上述受光口的时间段内，上述光源产生的上述光声信号激发光的波长为第一波长。
可以理解，光源产生单一波长的光声信号激发光去照射待测样品液中的细胞，可以针对某一特定的细胞进行检测，同时也可以数出其细胞个数，计算出待测样品液中该细胞的浓度。
作为一种可选的实施方式，在上述待测样品液中的单个细胞流经上述受光口的时间段内，上述光源产生的上述光声信号激发光的波长为第一波长和第二波长。
可以理解，光源产生多个波长的光声信号激发光去照射待测样品液中的单个细胞，可以根据这个细胞产生的光声信号的光谱，进过分析后可以判断该细胞的类型。
作为一种可选的实施方式，上述光声信号探测单元接收上述光声信号的灵敏度大于第三阈值。
在本实施方式中，上述光声信号探测单元可以是一个探头，该探头固定设置在接收上述光声信号的灵敏度最高的位置上。
在本实施方式中，由于微流控芯片上所设置的流道尺寸为微米级，因此要采集到流道内待测样品液中的细胞产生的光声信号，一般选用单阵元的微型高频超声换能器作为探头。举例说明，尺寸为0.6mm×0.5mm×0.2mm，中心频率为40MHz，带宽达到60％的微型高频超声换能器，将其固定在外径0.9mm金属套壳内形成探头；光声探测装置工作时可将该探头放置在微流控芯片中流道受光点上方的卡槽内，调整到最佳探测位置与角度，使光声信号的探测灵敏度达到最大。
作为一种可选的实施方式，上述光声信号处理模块还包括信号处理单元，该信号处理单元与上述光声信号探测单元连接，用于对上述光声信号探测单元产生的上述电信号进行处理和分析。
作为一种可选的实施方式，上述信号处理单元包括：放大器，主机，上述光声信号探测单元与上述放大器、上述主机依次连接；
上述放大器用于将所述电信号放大；上述主机用于分析放大后的上述电信号。
在本实施方式中，上述信号处理单元的组成如图1B所示，图1B是本申请实施例提供的一种光声探测装置的组成模块示意图。上述探头可选用单阵元的微型高频超声换能器，可将采集到的光声信号转换为电信号，上述放大器与上述探头连接，将上述电信号放大，主机用于分析放大后的上述电信号。如图所示，该主机还可以控制流速控制器达到控制上述流道中待测样品液的流速。
以上对本发明实施例所提供的一种光声探测装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上上述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种光声探测装置，其特征在于，包括：光声激发模块，细胞流道模块和光声信号处理模块；
所述光声激发模块包括光源和引导光路；所述细胞流道模块包括细胞流道，所述细胞流道的任一侧设置有受光口；所述光声信号处理模块包括光声信号探测单元；
所述光源用于提供光声信号激发光，所述引导光路用于将所述光声信号激发光由所述光源引导至所述引导光路的输出端进行输出；所述细胞流道用于导流待测样品液；所述光声信号激发光通过所述受光口照射流经所述受光口的所述待测样品液；所述光声信号探测单元用于接收所述待测样品液中细胞受光后产生的光声信号，将所述光声信号转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的光声探测装置，其特征在于，所述引导光路将所述光声信号激发光由所述光源引导至所述引导光路的输出端的过程中的损耗率低于第一阈值。
3.根据权利要求1所述的光声探测装置，其特征在于，所述引导光路的输出端所输出的所述光声信号激发光在所述细胞流道壁上所形成的光斑直径小于第二阈值。
4.根据权利要求1所述的光声探测装置，其特征在于，所述细胞流道的结构为使所述待测样品液中细胞单个排列的流道结构。
5.根据权利要求4所述的光声探测装置，其特征在于，所述光声探测装置还包括流速控制器，所述流速控制器用于控制所述待测样品液的流动速度，使所述待测样品液中的单个细胞流经所述受光口的时间不少于所述光源产生所述光声信号激发光的周期。
6.根据权利要求5所述的光声探测装置，其特征在于，在所述待测样品液中的单个细胞流经所述受光口的时间段内，所述光源产生的所述光声信号激发光的波长为第一波长。
7.根据权利要求5所述的光声探测装置，其特征在于，在所述待测样品液中的单个细胞流经所述受光口的时间段内，所述光源产生的所述光声信号激发光的波长为第一波长和第二波长。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光声探测装置，其特征在于，所述光声信号探测单元接收所述光声信号的灵敏度大于第三阈值。
9.根据权利要求8所述的光声探测装置，其特征在于，所述光声信号处理模块还包括信号处理单元，所述信号处理单元与所述光声信号探测单元连接，用于对所述光声信号探测单元产生的所述电信号进行处理和分析。
10.根据权利要求8所述的光声探测装置，其特征在于，所述信号处理单元包括：放大器，主机，所述光声信号探测单元与所述放大器、所述主机依次连接；
所述放大器用于将所述电信号放大；所述主机用于分析放大后的所述电信号。
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|---|---|---|---|
| CN201810022936.2A Pending CN108444896A (zh) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | 一种光声探测装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN108444896A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110412123A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-11-05 | 南方科技大学 | 一种光声微流控成像系统及方法 |
| CN111999511A (zh) * | 2019-05-11 | 2020-11-27 | 南京岚煜生物科技有限公司 | 一种实时监测的方法 |
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-
2018
- 2018-01-10 CN CN201810022936.2A patent/CN108444896A/zh active Pending
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