CN113019214A - 一种磁珠试剂的自动搅拌装置及磁珠试剂路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁珠试剂的自动搅拌装置及磁珠试剂路径规划方法，搅拌装置包括运动磁场激发装置和信号调制装置，磁珠试剂位于运动磁场激发装置中，运动磁场激发装置包括三组正交的亥姆霍兹线圈，磁珠试剂位于三组正交的亥姆霍兹线圈中间；信号调制装置包括路径规划装置和若干个电流产生装置，路径规划装置连接若干个所述电流产生装置，电流产生装置与亥姆霍兹线圈一一对应，路径规划装置用于进行磁珠试剂的路径规划，电流产生装置用于根据路径规划装置的路径规划结果，产生对应频率和大小的电流信号至对应的亥姆霍兹线圈，以使磁珠试剂按照路径规划结果进行多模态运动。本发明解决了传统试剂检测方法中难以把握质量、检测结果不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及免疫组织化学染色技术领域，尤其涉及一种磁珠试剂的自动搅拌装置及磁珠试剂路径规划方法。
背景技术
随着医疗检测技术的更新迭代以及对检测灵敏度要求的提高，免疫诊断已经成为我国体外诊断(IVD)市场规模最大的细分领域。在免疫诊断技术中，免疫组织化学染色技术是检测病理的一项重要染色方法。是通过抗原抗体反应利用带显色剂的特异性抗体对组织细胞进行标记，使标记的组织产生呈色反应，进而对相应抗原进行定性、定位、定量测定的一项新技术。但是其传统手工检测的操作过程繁琐，抗原抗体反应时间较长，质量控制较难把握，人为操作的差别影响还会造成检测结果的不稳定，进而导致不能很好地进行结果比对。
因此，传统手工检测方法在一定程度上不仅严重贻误病情，而且还对病理技术人员提出了更严苛的要求。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种磁珠试剂的自动搅拌装置及磁珠试剂路径规划方法，用以解决传统试剂检测方法中难以把握质量、检测结果不稳定的问题。
第一方面，本发明提供一种磁珠试剂的自动搅拌装置，用于实现磁珠试剂的搅拌，包括运动磁场激发装置和信号调制装置，所述磁珠试剂位于所述运动磁场激发装置中，其中，
所述运动磁场激发装置包括三组正交的亥姆霍兹线圈，所述磁珠试剂位于三组正交的亥姆霍兹线圈中间；
所述信号调制装置包括路径规划装置和若干个电流产生装置，所述路径规划装置连接若干个所述电流产生装置，所述电流产生装置与所述亥姆霍兹线圈一一对应，所述路径规划装置用于进行所述磁珠试剂的路径规划，所述电流产生装置用于根据所述路径规划装置的路径规划结果，产生对应频率和大小的电流信号至对应的所述亥姆霍兹线圈，以使磁珠试剂按照所述路径规划结果进行多模态运动。
优选的，所述的磁珠试剂的自动搅拌装置中，所述亥姆霍兹线圈包括一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两个共轴圆形线圈均与对应的所述电流产生装置电连接。
优选的，所述的磁珠试剂的自动搅拌装置中，所述共轭圆形线圈的大小相同，且两个共轭圆形线圈之间的距离等于所述共轭圆形线圈的半径。
优选的，所述的磁珠试剂的自动搅拌装置中，所述电流产生装置包括控制器和波形发生器，所述控制器与所述波形发生器电连接，所述控制器连接所述路径规划装置。
优选的，所述的磁珠试剂的自动搅拌装置还包括若干个电流采集装置，所述电流采集装置与所述电流产生装置一一对应，所述电流采集装置用于采集所述电流产生装置输出的电流信号。
优选的，所述的磁珠试剂的自动搅拌装置中，所述磁珠试剂的多模态运动为螺旋运动、旋转运动、圆周运动、柔性振动中的一种或多种。
第二方面，本发明提供还提供一种适用于如上所述的磁珠试剂的自动搅拌装置的磁珠试剂路径规划方法，包括如下步骤：
采用自由空间法进行磁珠试剂的路径初步规划，以获取初步路径规划结果；
对所述初步路径规划结果进行优化处理，以得到优化路径规划结果。
优选的，所述的磁珠试剂路径规划方法中，所述采用自由空间法进行磁珠试剂的路径初步规划，以获取初步路径规划结果的步骤具体包括：
通过预定义的几何图形构造自由空间，确定单元的连通性后将自由空间表示为连通图，以得到初步路径规划结果。
优选的，所述的磁珠试剂路径规划方法中，对所述初步路径规划结果进行优化处理，以得到优化路径规划结果的步骤具体包括：
采用Dijkstra算法对所述初步路径规划结果进行优化，以得到路径长度最优、且包含多个路径节点的路径；
采用B样条曲线对所述Dijkstra算法处理得到的路径的各个路径节点进行曲线拟合，以得到优化路径规划结果。
优选的，所述的磁珠试剂路径规划方法中，采用K阶B样条曲线方程对Dijkstra算法处理得到的路径的各个路径节点进行曲线拟合，其中，所述K阶B样条曲线方程为：
其中，
其中，fi(i＝0、1、…、n)表示控制顶点的坐标；
Qi,k(i＝0、1、…、n)，k表示样条曲线的阶数，i表示序号；
u＝[u0、u1、…、un+k+1]，表示路径节点的矢量。
相较于现有技术，本发明提供的磁珠试剂的自动搅拌装置及磁珠试剂的路径规划方法，利用所述磁珠试剂在交变电磁场中的不规则机械运动进行自动搅拌，使显色剂能快速、高效的渗入到检测样品的组织内部，不仅可以降低抗体的使用量，而且能够促进显色剂渗入组织内部，提高抗原抗体的结合效率，缩短组织免疫诊断的反应时间，实现免疫组织快速染色。
附图说明
图1为本发明提供的磁珠试剂的自动搅拌装置的一较佳实施例的结构框图；
图2为本发明提供的磁珠试剂的自动搅拌装置中，所述运动磁场激发装置的一较佳实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的磁珠试剂的自动搅拌装置中，所述亥姆霍兹线圈的一较佳实施例的结构示意图；
图4为本发明提供的磁珠试剂路径规划方法的一较佳实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供的磁珠试剂的自动搅拌装置，用于实现磁珠试剂的搅拌，所述磁珠试剂基于纳米材料应用于IVD技术(主要包括核酸检测和免疫诊断)开发所得，在该磁性纳米材料表面包覆二氧化硅，其表面带负电荷，使其在检测样品中相互排斥、不团聚、易分散，具备较好的高均一性、高分散性，而且可以受到磁场驱动而进行动作。
所述磁珠试剂的自动搅拌装置包括运动磁场激发装置1和信号调制装置2，所述磁珠试剂位于所述运动磁场激发装置1中。
具体的，所述运动磁场激发装置1包括三组正交的亥姆霍兹线圈11，所述磁珠试剂位于三组正交的亥姆霍兹线圈11中间，三组正交亥姆赫兹线圈11则可在三组亥姆赫兹线圈11的中心处形成三维正交均强磁场，利用不同特征的磁场产生的力或力矩可驱动磁珠试剂运动。
所述信号调制装置2包括路径规划装置21和若干个电流产生装置22，所述路径规划装置21连接若干个所述电流产生装置22，所述电流产生装置22与所述亥姆霍兹线圈11一一对应，所述路径规划装置21用于进行所述磁珠试剂的路径规划，所述电流产生装置22用于根据所述路径规划装置21的路径规划结果，产生对应频率和大小的电流信号至对应的所述亥姆霍兹线圈11，以使磁珠试剂按照所述路径规划结果进行多模态运动。
具体来说，根据毕奥-萨伐尔定律可知，在静磁场学里稳定的环形电流元Ids在其周围空间某点P(x，y，z)的矢径r上所产生的磁场的磁感应强度计算公式如下：
其中，μ0为真空磁导率值，4π×10-7H/m。
若要实现纳米磁珠在磁场作用下进行可控运动，需要通过改变通入线圈的电流来控制电磁线圈产生的电磁场，实现磁场可控可调。在不考虑线圈之间互感的情况下，可以认为各个线圈产生的磁场符合线性叠加原理，故对三组正交赫姆霍兹线圈的磁场强度解析值进行数学建模。假设把磁性介质剖分为N个单元(1～N表示磁性介质单元)，每个单元的磁化率分别为χ1、χ2、…、χN；再假设三维空间中的任意点P(x，y，z)，其矢径为r，空间电流在P点处所产生的磁场强度为Hs，在磁性介质单元的中心所产生的磁场强度分别为H1s、H2s、…、HNs，耦合系数为C(其中系数C是N×N阶的张量)。则三维正交磁场空间中，任意点的场值分布建模积分方程如下：
将上列方程转换为矩阵方程式：AH＝B，其中A、H、B分别为：
H＝(H1xHiyH1zΛHNxHNyHNz)T
B＝(-H1sx-Hisy-H1szΛ-HNsx-HNsy-HNsz)T。
故基于此，当得到了磁珠试剂的路径后，可以对应换算成对应的磁场强度，根据磁场强度可以对应换算出需要通入的电流，本发明基于此，首先根据需求规划出磁珠试剂的路径，然后根据规划处的路径产生对应的电流信号，将电流信号输入至对应的亥姆霍兹线圈11中，从而使得三组亥姆霍兹线圈协同产生不同特性的磁场，利用不同特性的磁场产生的力或力矩驱动磁珠进行多模态运动，利用所述磁珠试剂在交变电磁场中的不规则机械运动进行自动搅拌，使显色剂能快速、高效的渗入到检测样品的组织内部，不仅可以降低抗体的使用量，而且能够促进显色剂渗入组织内部，提高抗原抗体的结合效率，缩短组织免疫诊断的反应时间，实现免疫组织快速染色。
优选的实施例中，请参阅图3，所述亥姆霍兹线圈11包括一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈111，两个共轴圆形线圈111均与对应的所述电流产生装置22电连接，其中，所述共轭圆形线圈111的大小相同，且两个共轭圆形线圈111之间的距离等于所述共轭圆形线圈111的半径，如图3所示，在一组X轴方向的亥姆赫兹线圈中，共轭圆形线圈111之间的距离和共轭圆形线圈的半径均为Rx，两个共轭圆形线圈111中均通以同方向的连续电流，电流量不随时间而改变，电荷不会在任意位置累积或消失，通电后在该线圈的公共轴线中点附近会产生较广的均匀磁场，建立三组正交亥姆赫兹线圈则可在三组亥姆赫兹线圈的中心处形成三维正交均强磁场。然后通过独立控制每个线圈中的输出电压和频率来改变线圈中的电流大小，在三维空间中产生可控均匀梯度磁场、旋转磁场和震荡磁场等不同特性的运动磁场。最后将磁珠试剂放在三组亥姆赫兹线圈的中间，利用不同特性的磁场产生的力或力矩驱动磁珠试剂进行多模态运动。
进一步的实施例中，请继续参阅图1，所述电流产生装置22包括控制器221和波形发生器222，所述控制器221与所述波形发生器222电连接，所述控制器221连接所述路径规划装置21，其中，所述控制器211用于根据所述路径规划装置21的路径规划结果产生电流调制信号后，发送给所述波形发生器222，所述波形发生器222根据所述电流调制信号产生对应的频率和大小的电流信号至对应的所述亥姆霍兹线圈11，从而使所述亥姆霍兹线圈11产生对应的磁场，进而使磁珠试剂按照所述路径规划结果进行多模态运动。在具体实施时，所述控制器可采用STM32的单片机，当然，在其它的实施例中，所述控制器还可采用其它的型号的芯片，本发明对此不做限定。
优选的实施例中，所述磁珠试剂的自动搅拌装置还包括若干个电流采集装置，所述电流采集装置与所述电流产生装置22一一对应，所述电流采集装置用于采集所述电流产生装置21输出的电流信号，以形成一闭环系统，在具体实施时，所述电流采集装置与所述控制器211和波形发生器212均连接，采集所述波形发生器212产生的电流信号输送至所述控制器211，以使所述控制器211可实时进行电流信号的微调。
进一步的实施例中，所述磁珠试剂的多模态运动为螺旋运动、旋转运动、圆周运动、柔性振动中的一种或多种，位于线圈中的磁珠试剂在检测样品中发生机械运动，并通过改变线圈的输出电压和频率来实现多模态运动，在保证生物活性前提下达到溶液充分混合、快速反应的目的。
在进行模拟测试时，首先在PC端安装基于Ubuntu Linux的COMSOL Multiphysics软件，利用COMSOL Multiphysics搭建由三组亥姆赫兹线圈形成的三维正交磁场仿真环境，实现功能性仿真对环境的测试；然后基于串口通信实现亥姆赫兹线圈和PC端之间的通信，即STM32控制板和Ubuntu Linux之间的通信，完成对三组正交亥姆赫兹线圈的调试；最后通过调整输出电压和频率来改变线圈中的电流大小，在三维空间中产生可控均匀梯度磁场、旋转磁场和震荡磁场等不同特性的运动磁场，并采用Hector SLAM建图方法对该运动磁场进行环境建模。
请参阅图4，基于上述磁珠试剂的自动搅拌装置，本发明还相应的提供一种适用于如上述各实施例所述的磁珠试剂的自动搅拌装置的磁珠试剂路径规划方法，包括如下步骤：
S100、采用自由空间法进行磁珠试剂的路径初步规划，以获取初步路径规划结果；
S200、对所述初步路径规划结果进行优化处理，以得到优化路径规划结果。
本实施例中，通过3D绘图鼠标绘制任意曲率的3D参考路径，基于该控制算法设计的交互系统，对路径特征进行分析，并确定磁场分布，进而控制输出电压和频率使线圈中的电流发生改变，使磁珠试剂在磁场力驱动作用下按照线路来进行运动。首先，采用自由空间法规划微纳米磁珠的路径，然后，在自由空间法的基础上对自由空间算法规划所得路径进行优化，以达到减少规划路径长度、时间和平滑路径的目的，以此来控制微纳米磁珠的运动模式。
具体的，所述步骤S100具体包括：
通过预定义的几何图形构造自由空间，确定单元的连通性后将自由空间表示为连通图，以得到初步路径规划结果。
所述步骤S200具体包括：
采用Dijkstra算法对所述初步路径规划结果进行优化，以得到路径长度最优、且包含多个路径节点的路径；
采用B样条曲线对所述Dijkstra算法处理得到的路径的各个路径节点进行曲线拟合，以得到优化路径规划结果。
具体来说，本发明首先采用自由空间法规划微纳米磁珠的路径，通过预定义的几何图形构造自由空间，确定单元的连通性后将自由空间表示为连通图，并建立搜索树确定搜索策略；然后，在自由空间法的基础上引入Dijkstra算法和B样条曲线，对自由空间算法规划所得路径进行优化，以达到减少规划路径长度、时间和平滑路径的目的。
其中，所述Dijkstra算法实现路径长度寻优的过程为现有技术，在此不再赘述。
进一步来说，本发明采用K阶B样条曲线方程对Dijkstra算法处理得到的路径的各个路径节点进行曲线拟合，具体采用三次均匀B样条函数插值获得路径节点连接处的折角角度，引入B样条曲线修改有折角的局部路径，对所述Dijkstra算法处理得到的路径进行曲线拟合，以得到优化路径规划结果，其中，所述K阶B样条曲线方程为：
其中，
其中，fi(i＝0、1、…、n)表示控制顶点的坐标；
Qi,k(i＝0、1、…、n)，k表示样条曲线的阶数，i表示序号；
u＝[u0、u1、…、un+k+1]，表示路径节点的矢量。
之后基于该控制算法设计的交互系统，分析路径特征，确定磁场分布，进而控制输出电压和频率使线圈中的电流发生改变。最后磁珠试剂在磁场力驱动作用下按照线路来进行运动，其中包括螺旋运动、旋转运动、圆周运动、柔性振动等。
综上所述，本发明提供的磁珠试剂的自动搅拌装置及磁珠试剂的路径规划方法，利用所述磁珠试剂在交变电磁场中的不规则机械运动进行自动搅拌，使显色剂能快速、高效的渗入到检测样品的组织内部，不仅可以降低抗体的使用量，而且能够促进显色剂渗入组织内部，提高抗原抗体的结合效率，缩短组织免疫诊断的反应时间，实现免疫组织快速染色。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁珠试剂的自动搅拌装置，用于实现磁珠试剂的搅拌，其特征在于，包括运动磁场激发装置和信号调制装置，所述磁珠试剂位于所述运动磁场激发装置中，其中，
所述运动磁场激发装置包括三组正交的亥姆霍兹线圈，所述磁珠试剂位于三组正交的亥姆霍兹线圈中间；
所述信号调制装置包括路径规划装置和若干个电流产生装置，所述路径规划装置连接若干个所述电流产生装置，所述电流产生装置与所述亥姆霍兹线圈一一对应，所述路径规划装置用于进行所述磁珠试剂的路径规划，所述电流产生装置用于根据所述路径规划装置的路径规划结果，产生对应频率和大小的电流信号至对应的所述亥姆霍兹线圈，以使磁珠试剂按照所述路径规划结果进行多模态运动。
2.根据权利要求1所述的磁珠试剂的自动搅拌装置，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈包括一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两个共轴圆形线圈均与对应的所述电流产生装置电连接。
3.根据权利要求2所述的磁珠试剂的自动搅拌装置，其特征在于，所述共轭圆形线圈的大小相同，且两个共轭圆形线圈之间的距离等于所述共轭圆形线圈的半径。
4.根据权利要求1所述的磁珠试剂的自动搅拌装置，其特征在于，所述电流产生装置包括控制器和波形发生器，所述控制器与所述波形发生器电连接，所述控制器连接所述路径规划装置。
5.根据权利要求1所述的磁珠试剂的自动搅拌装置，其特征在于，还包括若干个电流采集装置，所述电流采集装置与所述电流产生装置一一对应，所述电流采集装置用于采集所述电流产生装置输出的电流信号。
6.根据权利要求1所述的磁珠试剂的自动搅拌装置，其特征在于，所述磁珠试剂的多模态运动为螺旋运动、旋转运动、圆周运动、柔性振动中的一种或多种。
7.一种适用于如权利要求1-6任意一项所述的磁珠试剂的自动搅拌装置的磁珠试剂路径规划方法，包括如下步骤：
采用自由空间法进行磁珠试剂的路径初步规划，以获取初步路径规划结果；
对所述初步路径规划结果进行优化处理，以得到优化路径规划结果。
8.根据权利要求7所述的磁珠试剂路径规划方法，其特征在于，所述采用自由空间法进行磁珠试剂的路径初步规划，以获取初步路径规划结果的步骤具体包括：
通过预定义的几何图形构造自由空间，确定单元的连通性后将自由空间表示为连通图，以得到初步路径规划结果。
9.根据权利要求7所述的磁珠试剂路径规划方法，其特征在于，对所述初步路径规划结果进行优化处理，以得到优化路径规划结果的步骤具体包括：
采用Dijkstra算法对所述初步路径规划结果进行优化，以得到路径长度最优、且包含多个路径节点的路径；
采用B样条曲线对所述Dijkstra算法处理得到的路径的各个路径节点进行曲线拟合，以得到优化路径规划结果。
10.根据权利要求9所述的磁珠试剂路径规划方法，其特征在于，采用K阶B样条曲线方程对Dijkstra算法处理得到的路径的各个路径节点进行曲线拟合，其中，所述K阶B样条曲线方程为：
其中，
其中，fi(i＝0、1、…、n)表示控制顶点的坐标；
Qi,k(i＝0、1、…、n)，k表示样条曲线的阶数，i表示序号；
u＝[u0、u1、…、un+k+1]，表示路径节点的矢量。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110307226.6A Pending CN113019214A (zh) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 一种磁珠试剂的自动搅拌装置及磁珠试剂路径规划方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113019214A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101031239A (zh) * | 2004-09-28 | 2007-09-05 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 判定磁性粒子空间分布的方法 |
| US20120164680A1 (en) * | 2010-08-27 | 2012-06-28 | The Regents Of The University Of Michigan | Asynchronous Magnetic Bead Rotation Sensing Systems and Methods |
| CN102820118A (zh) * | 2012-08-29 | 2012-12-12 | 中国科学院电工研究所 | 一种旋转磁场发生系统及其旋转磁场实现方法 |
| CN102847477A (zh) * | 2012-09-25 | 2013-01-02 | 中国科学院电工研究所 | 一种磁力搅拌装置及其搅拌方法 |
| CN102867612A (zh) * | 2012-09-06 | 2013-01-09 | 中国科学院电工研究所 | 旋转磁场发生装置及其实现方法 |
| CN106757001A (zh) * | 2016-12-20 | 2017-05-31 | 江苏大学 | 一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置 |
| US20180321333A1 (en) * | 2017-05-02 | 2018-11-08 | California Institute Of Technology | Self-calibrating solid-state magnetometer for vectorized field sensing via zero-field spin-dependent recombination |
-
2021
- 2021-03-23 CN CN202110307226.6A patent/CN113019214A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101031239A (zh) * | 2004-09-28 | 2007-09-05 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 判定磁性粒子空间分布的方法 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 殷国富等主编: "《计算机辅助设计与制造技术原理及应用》", 30 November 2001, 四川大学出版社 * |
| 车云等著: "《智能汽车 决战2020》", 30 April 2018, 北京理工大学出版社 * |
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