CN112522091A - 一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，包括微流控芯片模块，细胞分选单元采用梯形截面的螺旋管道；控制模块包括树莓派和触摸屏；图像采集模块包括CMOS图像传感器,可替换的不同倍率的光学透镜以及调整平台；光源模块包括14个LED灯阵列、两层透镜和均光板，LED灯阵列和两层透镜实现了点光源；液压驱动模块采用便携轻便的小型蠕动泵；电源管理模块包括移动电源和电压调节模块。相比于传统的细胞检测系统，采用微流控芯片，自动化且安全；采用树莓派处理数据，提升了实时性。本发明便于携带、检测快速、实时性强、分析速度快、信息量大、操作简易，可以用于不同环境下的现场即时检测。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术和成像检测技术，尤其是涉及了便携式微流控细胞分选与成像检测系统。
背景技术
传统的细胞检测系统经过多年的发展，技术成熟且已经应用于临床诊断，但其大型化和高昂的价格限制其在现场及时诊疗（POCT）中发挥作用。近几十年发展起来的微流控技术，其器件样本消耗小，操作精度高，在细胞分选应用和小型化便携式系统中拥有巨大潜力。
现阶段的微流控分选技术可以根据是否有外力场可以分为主动分选和被动分选技术。主动分选技术精度高，但是需要外加外力场（光、电、磁和声）的作用，结构复杂而且通量低。被动分选技术大多采用独特的管道结构实现细胞分选，大致可分为微结构分选、确定性侧向偏移（DLD）、仿生分选、场流及水力分选和惯性分选等方法。其中微结构和确定性侧向位移容易发生堵塞，仿生分选只针对特定的细胞分选，场流和水力分选往往有多出入口或者需要鞘流。相较之下，惯性分选结构简单、通量大、无需对细胞进行标记，只需根据细胞尺寸就能实现分选，在细胞分选上很大的应用前景。
对微小样本的放大和成像是生物医学处理中必不可少的步骤。传统的细胞样本成像一般都采用光学显微镜，虽然光学显微镜性能出众，但是其庞大的光路系统和高昂的价格不利于便携式发展。为了克服传统光学显微成像的缺点并实现小型化成像技术，基于CMOS 图像传感芯片与微流控集成的无透镜微流控片上成像系统被提出。但是无透镜的成像技术，如阴影成像、全息成像和荧光成像等对细胞细节的捕捉都不尽人意。因此，CMOS图像传感器加上小型光学透镜成为了便携式成像检测系统的一个较优选择。
在数据处理中，如果依靠人眼很难进行细胞分析，几乎不可能通过手动搜索图像特征来进行细胞分析。因此，人工智能是一个很好的解决方案。因此结合以上技术的便携式系统可以克服当前应用中的不足。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统。微流控细胞分选技术能够实现尺寸不同细胞的分选；CMOS图像传感器与光学透镜的结合能够实时采集微流管道中的图像和视频数据，通过调整平台可以调节图像采集区域；通过控制模块能将数据实时传输并进行处理，不仅可以获得细胞形状，还可以对不同细胞的计数。
本发明提供一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，包括微流控芯片模块，细胞分选单元采用梯形截面的螺旋管道；控制模块包括树莓派和触摸屏；图像采集模块包括CMOS图像传感器和可替换的不同倍率的物镜镜头，以及调整平台；光源模块包括14个LED灯阵列、两层透镜和均光板，LED灯阵列和两层透镜实现了点光源，而均光板可以提高成像效果；液压驱动模块采用轻便的小型蠕动泵；电源管理模块包括移动电源和电压调节模块，可对光源模块、控制模块、图像采集模块和液压驱动模块输入指定电压；软件设计模块采用开源的计算机视觉库进行数据处理。
进一步的，所述微流控芯片是用3D打印模具，PDMS浇筑剥离并和玻璃键合制作而成的。
进一步的，所述细胞分选单元为梯形截面的单螺旋流道，能在1-2ml/min流速下分选尺寸在8um上下的细胞。
进一步的，所述控制模块是以树莓派4B为核心，它只有卡片一样的大小，但同时拥4G、1.5GHz的CPU，同时还拥有丰富的外设接口，并通过Qt编写GUI（Graphical UserInterface），在触摸屏上实现对整个系统的操作和控制。
进一步的，所述图像采集模块中图像传感器采用的是Sony公司的IMX219，它是一款拥有有效像素约为808万的背照式CMOS图像传感器，对分辨率测试板进行拍摄，可以拍摄到第六个元素，它的线宽为4.38um。而白细胞的大小为8-15um，可以对其很好的成像。所述调整平台，可以对图像传感器及其硬件电路进行X轴和Y轴方向上的调整，能够采集到全区域的图像数据。
进一步的，所述光源模块中14个LED灯阵列和两层透镜实现了点光源，增加均光板可以提高成像效果。
进一步的，所述电源管理模块选用了一个24V，9800毫安的移动电源，它可以稳定输出高达10A的电流，充分满足系统长时间工作的需求，并通过三个自设计的电压调节模块实现电压的稳定输出。
进一步的，所述软件设计模块采用OpenCV实现不同特征细胞的识别，并能够对不同细胞计数。
本发明便携式微流控细胞分选与成像检测系统采用了以上技术方法，因此整个工作流程包括微流控芯片的细胞分选、图像传感器的数据采集和树莓派的数据处理三个部分。微流控分选芯片只需注入样本即可获得目标细胞，实现自动化的分选。通过对图像采集，实验样品注射等部分的优化，实现了整个系统的可便携性、易操作性。传统细胞检测系统的数据处理是先将实验数据进行存储，然后通过转换，最后在电脑端进行处理，本发明在控制器上可实现数据的存储与处理，提高了数据处理的效率，实现了实时性。
附图说明
图1为本发明的系统架构图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明的微流控分选芯片的结构示意图；
图4为本发明的用户控制界面示意图；
图5为本发明的数据处理的软件流程图；
其中，1-调整平台，2-图像传感器，3-物镜镜头，4-载物台，5-微流控分选芯片，6-均光板，7-点光源，8-暗室，9-蠕动泵，10-分压电路，11-移动电源，12-树莓派处理系统，13-触摸屏。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明的便携式微流控细胞分选与成像检测系统主要分为三层：控制中心层、数据处理层和硬件层。树莓派处理系统作为控制中心层的核心控制器，通过Qt编写GUI（Graphical User Interface），在触摸屏上实现对整个系统的操作。数据处理层实现对数据的处理，包括利用OpenCV对图像传感器采集到的数据进行恢复计数等处理；根据图像传感器的需求对蠕动泵进行转速的控制和光源亮度的调节以实现图像采集的需求。硬件层主要实现了CMOS图像传感器的驱动，光源模块的驱动以及蠕动泵的驱动。
如图2所示，本发明便携式微流控细胞分选与成像检测系统包括：微流控分选芯片5，调整平台1、图像传感器2和物镜镜头3组成的数据采集模块，点光源7和均光板6组成的光源模块，树莓派处理系统12和触摸屏13组成的控制模块，移动电源11和分压电路10组成的电源管理模块，蠕动泵9用于样本的泵入，暗室8减小环境干扰，优化成像环境。
如图3所示，微流控分选芯片5采用梯形截面的单螺旋管道，其管道截面宽度为400um，短边高度为60um,长边高度为90um，其管道长度约为20cm,进出口结构为1进2出，内壁出口为收集口，外壁出口为废液口。3D打印以树脂为材料的管道模具，PDMS浇筑剥离获得PDMS芯片，与玻璃键合。
图像传感器2选用的是索尼公司生产的IMX219传感器，分辨率高达800万，同时支持MIPI传输。MIPI接口的模组，相较于并口具有速度快，传输数据量大，功耗低，抗干扰能力强。例如一款同时具备MIPI和并口传输的8M的模组，8位并口传输时，需要至少11根传输线，高达96M的输出时钟，才能达到12FPS的全像素输出；而采用MIPI接口仅需要2个通道6根传输线就可以达到在全像素下12FPS的帧率，且消耗电流会比并口传输低大概20MA。本系统通过设计的硬件电路，实现了树莓派处理系统12与IMX219建立连接，从而实现了图像采集过程中的高分辨率、实时性和稳定性。
如图4所示，通过自编写的GUI用户控制界面，能够拍摄存储采集到的的图像和视频数据并存储到树莓派处理系统12上，并运用树莓派进行数据处理。对图像数据的处理如图5所示，将拍摄到的视频作为程序的输入，视频中的第一帧作为背景，然后将每一帧减去第一帧，再经过高斯、二值化、开运算和膨胀算法，利用细胞本身的特性，从而对其进行计数。
系统具体操作流程如下：
（1）准备待检测样品，将待检测样品和蠕动泵9上导管的一端连接在一起。
（2）搭建微流控芯片平台，将微型蠕动泵9的另一端与其相连，然后给系统进行供电。
（3）搭建用于检测细胞的光学检测系统，其中光源为中心波长的白光此外，光学检测系统还包含滤光片、光敏二极管等光学器件。
（4）打开树莓派处理系统12，在树莓派处理系统12上利用Qt编写的软件控制界面，在触摸屏13上，设置相关参数，例如拍摄时长，摄像头的快门时间、饱和度、对比度，图像的亮度，微型蠕动泵的转速，最后进行实验。
（5）最后将外壳盖上，形成暗室8，转动蠕动泵9，同时进行视频的拍摄。
（6）实验结束后，在树莓派处理系统12上借助OpenCV进行编程，对采集到的数据进行灰度化、背景去除、二值化、高斯滤波、开运算、膨胀等处理，最终实现细胞计数，并将其显示在触摸屏13上。
Claims (8)
1.一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，包括数据采集模块、光源模块、控制模块和电源管理模块，其特征在于，所述数据采集模块由微流控分选芯片（5），调整平台（1）、图像传感器（2）和物镜镜头（3）组成，所述光源模块由点光源（7）和均光板（6）组成，所述控制模块由树莓派处理系统（12）和触摸屏（13）组成，所述电源管理模块由移动电源（11）和分压电路（10）组成，还包括蠕动泵（9）用于样本的泵入，暗室（8）优化成像环境。
2.根据权利要求1所述的一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，其特征在于，所述微流控分选芯片（5）的分选管道结构为梯形截面的单螺旋状微流管道，管道的输入端连接着蠕动泵（9）的输出端；所述微流管道放置在载物台（4）上。
3.根据权利要求1所述的一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，其特征在于，所述树莓派处理系统（12）和触摸屏（13）以及数据采集模块直接相连，通过触摸屏（13）控制采集到的图像数据传输给树莓派处理系统（12）并存储，并通过程序优化对树莓派资源进行合理分配，将控制和数据处理异步进行，即在进行数据处理时，将树莓派所有的资源都分配给数据处理，同时通过借助OpenCV，实现对采集到的数据进行现场处理；所述触摸屏安装在自制亚格力板外壳的顶部。
4.根据权利要求1所述的一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，其特征在于，所述数据采集模块中图像传感器（2）采用的是Sony公司的IMX219芯片。
5.根据权利要求1所述的一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，其特征在于，所述蠕动泵（9）通过滚轮正反转，挤压软管，实现液体的泵入与泵出，最小流速为0.0024ml/min，最高流速为4.23ml/min。
6.根据权利要求1所述的一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，其特征在于，所述电源管理模块选用了24V，9800毫安的移动电源供电，并通过电压调节模块实现电压的稳定调节。
7.根据权利要求1所述的一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，其特征在于，所述光源模块由14个LED灯阵列组成，LED灯阵列外与两层透镜相连；两层透镜外围通过3D打印结构和均光板相连。
8.根据权利要求1所述的一种便携式微流控细胞分选与成像检测系统，其特征在于，通过Qt编写GUI用户控制界面，在触摸屏上实现对整个系统的操作；利用OpenCV将拍摄到的视频作为程序的输入，视频中的第一帧作为背景，然后将每一帧减去第一帧，再经过高斯、二值化、开运算和膨胀算法，利用细胞本身的特性，从而对其进行计数；根据图像传感器的需求对蠕动泵进行转速的控制和光源亮度的调节以实现图像采集的需求。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210319 |