CN113504153B - 一种基于微流控技术的血液粘度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于微流控技术的血液粘度检测装置及方法，解决了当前基于微加工和微流体技术的凝血检验装置成本高且操作复杂的问题，考虑在凝血过程中，血液样本粘度逐渐增加，导致血液样本流速降低，而鞘液粘度不变，流速不变，血液样本在生成的油包水液滴中的占比逐渐减小，引起油包水液滴的颜色改变的现象；利用图像采集装置对流过血液粘度检测区域的油包水液滴进行实时动态成像，并传输至中央处理器，中央处理器对油包水液滴实时动态图像进行处理，油包水液滴成像后有明显的圆形边界可以检测，中央处理器处理时更加方便，从而获取油包水液滴的颜色强度数值，以此计算血液粘度，整个装置结构简单，而且操作简易，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及血液粘度检测装置设计的技术领域，更具体地，涉及一种基于微流控技术的血液粘度检测装置及方法。
背景技术
正常的凝血功能对人体的正常运行至关重要，凝血功能不足可能导致失血过多，凝血功能过强则有产生血栓的风险。凝血功能检验可对患者的凝血水平进行评估，指导促、抗凝剂的使用，因此，凝血功能检验在手术期的护理、脓毒症、产科出血和血栓性疾病等的治疗方面有着重要应用。
评价凝血功能强弱的两个主要指标是凝血发生的速度和凝块的机械强度(如粘弹性)。目前，临床上的凝血功能检验以基于时间的凝血四项为主，但凝血四项存在三个较为明显的缺点：一是仅检测了凝块响应所需的时间和纤维蛋白原浓度；二是检测使用的样本为血浆，无法检测细胞成分(如血小板)对凝血功能的影响；三是部分凝块在产生后又会出现纤溶现象，使用该方法无法检测到此现象。
为弥补凝血四项的不足，研究者提出了血栓弹力图仪，可以监测凝血过程中血液粘弹性的动态变化，其检测结果充分考虑了细胞组成对凝血的影响，并且涵盖了从凝血到溶血的全过程，从而完成凝血检验，但血栓弹力图仪存在仪器体型较大、操作较复杂且成本高等缺点。
微加工和微流体技术的发展为小型化的仪器提供了基础，2017年8月18日，公开号为CN10706733A的发明专利中公开了一种基于微流控芯片的通用凝血测定装置，可用于测量全血或血液衍生物的凝血时间、确定抗凝药物对凝血动力学的影响、以及评估抗凝剂逆转剂的效果通过集成电极的血液阻抗和/或通过分别使用红外(IR)LED和光电二极管测量光透射来检测凝血，展示了即时检验的潜力，但是操作复杂，且很难实现小型化和低成本。
发明内容
为克服当前基于微加工和微流体技术的凝血检验装置成本高且操作复杂的问题，本发明提出一种基于微流控技术的血液粘度检测装置及方法，可用于凝血功能的即时检验，具有成本低、便携的优点。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于微流控技术的血液粘度检测装置，包括：
若干个微流体通道、载玻片、负压驱动结构、光源、图像采集装置及中央处理器，任意一个微流体通道包括：鞘液入口、血液样本入口、油相入口、用于连通鞘液入口与血液样本入口的Y型通道、油相通道及汇合通道，所述Y型通道、油相通道及汇合通道连通汇合于a点；
所述若干个微流体通道均嵌合于载玻片上，负压驱动结构通过软管连通微流体通道的一端出口处，负压驱动结构驱动油、鞘液、血液样本分别从油相入口、鞘液入口、血液样本入口输入，油从油相入口流入油相通道，鞘液与血液样本在Y型通道混合后，与油相通道的油在a点混合，形成油包水液滴，液滴颜色随血液样本粘度改变而改变，油包水液滴流入汇合通道，所述汇合通道上方设有光源，下方设有图像采集装置，图像采集装置采集汇合通道中油包水液滴的实时图像并传输至中央处理器，实现油包水液滴颜色的动态监测，中央处理器对油包水液滴的实时图像进行处理，从而分析血液样本粘度的变化。
优选地，若干个微流体通道的制作过程为：
首先利用光刻技术加工出具有凸通道的硅片，在硅片上加入基质和固化剂比列为10:1的聚二甲基硅氧烷PDMS后加热固化，得到凹通道，将PDMS层揭下打孔并与载玻片进行键合，并使用硅烷对内部通道进行疏水处理，得到微流体通道。
优选地，所述Y型通道、油相通道及汇合通道均为凹通道，与载玻片嵌合，形成微通道。
优选地，负压驱动结构为注射器，产生的负压恒定。
优选地，负压驱动结构为采血管，产生的负压恒定。
优选地，所述中央处理器为平板电脑。
本发明还提出一种根据上述基于微流控技术的血液粘度检测装置实现的血液粘度检测方法，所述方法至少包括：
S1.利用负压驱动结构驱动油、鞘液、血液样本分别从油相入口、鞘液入口、血液样本入口输入；
S2.油从油相入口流入油相通道，鞘液与血液样本在Y型通道混合后，与油相通道的油在a点混合，形成油包水液滴，油包水液滴在负压驱动结构驱动下由a点向汇合通道移动；
S3.设定汇合通道的血液粘度检测区域，在血液粘度检测区域的上方设置光源，血液粘度检测区域的下方设置图像采集装置；
S4.利用图像采集装置对流过血液粘度检测区域的油包水液滴进行实时动态成像，并传输至中央处理器，中央处理器对油包水液滴实时动态图像进行处理，获取油包水液滴的RGB数值，得到油包水液滴的颜色强度，以此确定血液样本粘度值。
优选地，在步骤S2中，在负压驱动结构驱动下，血液样本随时间的延长逐渐凝固，流速逐渐降低，粘度逐渐增大，致使血液样本在a点形成的油包水液滴中占比减小，油包水液滴的颜色发生改变，在由a点向汇合通道移动的过程中，油包水液滴的红色调由深变浅，油包水液滴的蓝色调由浅变深。
优选地，步骤S4中所述确定血液样本粘度值的理论公式为：
μ＝a1R+a2G+a3B+b
其中，μ表示血液样本粘度值；a1、a2、a3、b表示未定系数；R、G、B表示中央处理器处理后获得的油包水液滴的图像RGB值；
基于油包水液滴的实时图像，结合理论公式进行拟合，确定a1、a2、a3、b，获得液滴颜色强度RGB与血液样本粘度的拟合关系，绘制血液粘度-时间曲线，用于分析血液样本的凝血功能。
优选地，步骤S4之后还包括血液样本粘度检测结果的验证过程，为：
取正常的血液样本，分别利用基于微流控技术的血液粘度检测装置和血栓弹力图仪进行凝血检验，验证基于微流控技术的血液粘度检测装置的检测结果的正确性，检测结果正确的验证标准为：基于微流控技术的血液粘度检测装置的检测结果与血栓弹力图仪所测得的从激活凝血功能开始到纤维蛋白开始形成时所用的时间值R、从R时间终点至描记幅度达20mm所需时间值K、检测结果曲线形成时上下最大距离值MA、K值和MA值的斜率角度α参数一致或强相关；其中，一致表示基于微流控技术的血液粘度检测装置所测得检测结果曲线的变化时间与血栓弹力图仪的变化时间一样，且幅度变化趋势一样，强相关表示在进行皮尔森相关性分析时，皮尔森系数大于0.5。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出了一种基于微流控技术的血液粘度检测装置及方法，结合微流控技术，考虑在凝血过程中，血液样本粘度逐渐增加，导致血液样本流速降低，而鞘液粘度不变，流速不变，致使血液样本在生成的油包水液滴中的占比逐渐减小，引起油包水液滴的颜色改变的现象，以及油包水液滴中，油与血液样本、鞘液不相容，油包水液滴里面的血液样本和鞘液可以混合均匀，可以减少血液样本的用量；利用图像采集装置对流过血液粘度检测区域的油包水液滴进行实时动态成像，并传输至中央处理器，中央处理器对油包水液滴实时动态图像进行处理，油包水液滴成像后有明显的圆形边界可以检测，中央处理器处理时更加方便，从而获取油包水液滴的RGB数值，以此计算血液粘度，整个装置结构简单，而且操作简易，可用于凝血功能即时检验，具有成本低、便携等优势，有望用于ICU、创伤急救现场、甚至患者家中的凝血检验。
附图说明
图1表示本发明实施例1中提出的基于微流控技术的血液粘度检测装置中微流体通道的示意图；
图2表示以一个微流体通道为例的一种基于微流控技术的血液粘度检测装置的结构示意图；
图3表示本发明实施例1中提出的基于微流控技术的血液粘度检测方法的流程示意图；
图4表示本发明实施例1中血液样本在凝固过程中粘度的动态变化曲线；
图5表示本发明实施例2中提出的以一个微流体通道为例的另一种基于微流控技术的血液粘度检测装置的结构示意图；
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
在本实施例中，提出一种基于微流控技术的血液粘度检测装置，包括：若干个微流体通道1、载玻片2、负压驱动结构3、光源4、图像采集装置5及中央处理器6，在具体实施时，首先考虑基于微流控技术的血液粘度检测装置中对微流体通道的设计，本实施例中，如图1所示，采用AutoCAD软件设计出4个微流体通道，可同时检测4个血液样本，4个微流体通道均嵌合于载玻片上，为了方便阐述，以图2所示的一个微流体通道为例进行说明，实际上基于微流控技术的血液粘度检测装置并不局限于使用一个微流体通道，也不局限于4个微流体通道，以一个微流体通道为例的一种基于微流控技术的血液粘度检测装置如图2所示，参见图2，对于图1的其中任意一个微流体通道包括：鞘液入口11、血液样本入口12、油相入口13、用于连通鞘液入口11与血液样本入口12的Y型通道14、油相通道15及汇合通道16。参见图2，所述Y型通道14、油相通道15及汇合通道16连通汇合于a点，负压驱动结构3通过软管连通每一个微流体通道1的一端出口处，在图2中，以其中一个微流体通道为例，负压驱动结构3驱动油、鞘液、血液样本分别从油相入口13、鞘液入口11、血液样本入口12输入，油从油相入口13流入油相通道15，鞘液与血液样本在Y型通道14混合后，与油相通道15的油在a点混合，形成油包水液滴，液滴颜色随血液样本粘度改变而改变，油包水液滴流入汇合通道16，所述汇合通道16上方设有光源4，下方设有图像采集装置5，图像采集装置5采集汇合通道16中油包水液滴的实时图像并传输至中央处理器6，实现油包水液滴颜色的动态监测，中央处理器6对油包水液滴的实时图像进行处理，从而分析血液样本粘度的变化。
在本实施例中，图2所示的其中一个微流体通道的制作过程为：
首先利用光刻技术加工出具有凸通道的硅片，在硅片上加入基质和固化剂比列为10:1的聚二甲基硅氧烷PDMS后加热固化，得到凹通道，将PDMS层揭下打孔并与载玻片进行键合，并使用硅烷对内部通道进行疏水处理，得到微流体通道，能实现小型化及便携的目的。
参见图2，Y型通道14为凹通道、油相通道15及汇合通道16均为凹通道，与载玻片2嵌合，形成微通道。
在本实施例中，负压驱动结构3为注射器，产生的负压恒定，中央处理器为平板电脑。使用临床检验科常用耗材注射器作为负压驱动结构，产生液滴，简化负压驱动，有利于实现装置的小型化。
如图3所示，本发明还提出一种根据上述基于微流控技术的血液粘度检测装置实现的血液粘度检测方法，所述方法包括：
S1.利用负压驱动结构驱动油、鞘液、血液样本分别从油相入口、鞘液入口、血液样本入口输入；
S2.油从油相入口流入油相通道，鞘液与血液样本在Y型通道混合后，与油相通道的油在a点混合，形成油包水液滴，油包水液滴在负压驱动结构驱动下由a点向汇合通道移动；
S3.设定汇合通道的血液粘度检测区域，在血液粘度检测区域的上方设置光源，血液粘度检测区域的下方设置图像采集装置；
S4.利用图像采集装置对流过血液粘度检测区域的油包水液滴进行实时动态成像，并传输至中央处理器，中央处理器对油包水液滴实时动态图像进行处理，获取油包水液滴的RGB数值，得到油包水液滴的颜色强度，以此确定血液样本粘度值。
在本实施例中，结合微流控技术，考虑在凝血过程中，血液样本粘度逐渐增加，导致血液样本流速降低，而鞘液粘度不变，流速不变，致使血液样本在生成的油包水液滴中的占比逐渐减小，引起油包水液滴的颜色改变的现象；其中，油包水液滴中，油与血液样本、鞘液不相容，油包水液滴里面的血液样本和鞘液可以混合均匀，可以减少血液样本的用量；利用图像采集装置对流过血液粘度检测区域的油包水液滴进行实时动态成像，并传输至中央处理器，中央处理器对油包水液滴实时动态图像进行处理，油包水液滴成像后有明显的圆形边界可以检测，中央处理器处理时更加方便，从而获取油包水液滴的RGB数值，以此计算血液粘度，可用于凝血功能即时检验，具有成本低、便携等优势，有望用于ICU、创伤急救现场、甚至患者家中的凝血检验。
在步骤S2中，在负压驱动结构驱动下，血液样本随时间的延长逐渐凝固，流速逐渐降低，粘度逐渐增大，致使血液样本在a点形成的油包水液滴中占比减小，油包水液滴的颜色发生改变，在由a点向汇合通道移动的过程中，油包水液滴的红色调由深变浅(红色调表示油包水液滴中血液样本的颜色，它的变化反映了血液样本的粘度变化)，油包水液滴的蓝色调由浅变深(蓝色调表示油包水液滴中鞘液的颜色，它的变化从侧面反映了血液样本的粘度变化)。
根据哈根-泊肃叶公式(即流量与流体粘度成反比)和朗伯比尔定律(即溶液吸光度与浓度成正比)提出油包水液滴颜色强度和待测血液样本粘度之间的关系式，利用这两个公式为后面推导粘度和油包水液滴颜色强度之间的关系式提供思路，通过哈根-泊肃叶公式和朗伯比尔定律获得粘度与流速、流速与颜色之间大致关系，其次，通过实验建立适用于所搭建装置的样本粘度与流速关系模型、流速与RGB关系模型，最终建立的血液粘度-RGB关系。
步骤S4中所述确定血液样本粘度值的理论公式为：
μ＝a1R+a2G+a3B+b
其中，μ表示血液样本粘度值；a1、a2、a3、b表示未定系数；R、G、B表示中央处理器处理后获得的油包水液滴的图像RGB值；
基于油包水液滴的实时图像，结合理论公式进行实验拟合，确定a1、a2、a3、b，获得液滴颜色强度RGB与血液样本粘度的拟合关系，绘制血液粘度-时间曲线，用于分析血液样本的凝血功能，在本实施例中，考虑血液样本加与不加氯化钙的粘度动态变化，图4表示在加CaCl2与不加CaCl2的条件下在检测时间内的粘度变化曲线，其中，“◇”表示加CaCl2的曲线标记，“■”表示不加CaCl2的曲线标记。加CaCl2的实验组样本数为N＝2，不加CaCl2的空白组样本数为N＝3，
步骤S4之后还包括血液样本粘度检测结果的验证过程，为：
取正常的血液样本，分别利用基于微流控技术的血液粘度检测装置和血栓弹力图仪进行凝血检验，验证基于微流控技术的血液粘度检测装置的检测结果的正确性，检测结果正确的验证标准为：基于微流控技术的血液粘度检测装置的检测结果与血栓弹力图仪所测得的从激活凝血功能开始到纤维蛋白开始形成时所用的时间值R、从R时间终点至描记幅度达20mm所需时间值K、检测结果曲线形成时上下最大距离值MA、K值和MA值的斜率角度α参数一致或强相关；其中，一致表示基于微流控技术的血液粘度检测装置所测得检测结果曲线的变化时间与血栓弹力图仪的变化时间一样，且幅度变化趋势一样，强相关表示在进行皮尔森相关性分析时，皮尔森系数大于0.5。为进一步模拟凝血功能，在实际实施时，在正常血液样本中加入抑肽酶和肝素，以此模拟凝血功能过强和过弱情况下本申请所提的血液粘度检测装置的测试结果。
实施例2
如图5所示，以一个微流体通道为例的另一种基于微流控技术的血液粘度检测装置的结构示意图，参见图5，所述微流体通道包括：鞘液入口11、血液样本入口12、油相入口13、用于连通鞘液入口11与血液样本入口12的Y型通道14、油相通道15及汇合通道16，与实施例1的区别在于，负压驱动结构3为采血管，产生的负压恒定。
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于微流控技术的血液粘度检测装置，其特征在于，包括：
若干个微流体通道、载玻片、负压驱动结构、光源、图像采集装置及中央处理器，任意一个微流体通道包括：鞘液入口、血液样本入口、油相入口、用于连通鞘液入口与血液样本入口的Y型通道、油相通道及汇合通道，所述Y型通道、油相通道及汇合通道连通汇合于a点；
所述若干个微流体通道均嵌合于载玻片上，负压驱动结构通过软管连通微流体通道的一端出口处，负压驱动结构驱动油、鞘液、血液样本分别从油相入口、鞘液入口、血液样本入口输入，油从油相入口流入油相通道，鞘液与血液样本在Y型通道混合后，与油相通道的油在a点混合，形成油包水液滴，液滴颜色随血液样本粘度改变而改变，油包水液滴流入汇合通道，所述汇合通道上方设有光源，下方设有图像采集装置，图像采集装置采集汇合通道中油包水液滴的实时图像并传输至中央处理器，实现油包水液滴颜色的动态监测，中央处理器对油包水液滴的实时图像进行处理，获取油包水液滴的RGB数值，得到油包水液滴的颜色强度，以此确定血液样本粘度值；
确定血液样本粘度值的理论公式为：
其中，μ表示血液样本粘度值；a 1、a 2、a 3、b表示未定系数；R、G、B表示中央处理器处理后获得的油包水液滴的图像RGB值；
基于油包水液滴的实时图像，结合理论公式进行拟合，确定a 1、a 2、a 3、b，获得液滴颜色强度RGB与血液样本粘度的拟合关系，绘制血液粘度-时间曲线，用于分析血液样本的凝血功能。
2.根据权利要求1所述的基于微流控技术的血液粘度检测装置，其特征在于，若干个微流体通道的制作过程为：
首先利用光刻技术加工出具有凸通道的硅片，在硅片上加入基质和固化剂比列为10:1的聚二甲基硅氧烷PDMS后加热固化，得到凹通道，将PDMS层揭下打孔并与载玻片进行键合，并使用硅烷对内部通道进行疏水处理，得到微流体通道。
3.根据权利要求2所述的基于微流控技术的血液粘度检测装置，其特征在于，所述Y型通道、油相通道及汇合通道均为凹通道，与载玻片嵌合，形成微通道。
4.根据权利要求1或2所述的基于微流控技术的血液粘度检测装置，其特征在于，负压驱动结构为注射器，产生的负压恒定。
5.根据权利要求1或2所述的基于微流控技术的血液粘度检测装置，其特征在于，负压驱动结构为采血管，产生的负压恒定。
6.根据权利要求1所述的基于微流控技术的血液粘度检测装置，其特征在于，所述中央处理器为平板电脑。
7.一种基于微流控技术的血液粘度检测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1所述的基于微流控技术的血液粘度检测装置实现，所述方法至少包括：
S1.利用负压驱动结构驱动油、鞘液、血液样本分别从油相入口、鞘液入口、血液样本入口输入；
S2.油从油相入口流入油相通道，鞘液与血液样本在Y型通道混合后，与油相通道的油在a点混合，形成油包水液滴，油包水液滴在负压驱动结构驱动下由a点向汇合通道移动；
S3.设定汇合通道的血液粘度检测区域，在血液粘度检测区域的上方设置光源，血液粘度检测区域的下方设置图像采集装置；
S4.利用图像采集装置对流过血液粘度检测区域的油包水液滴进行实时动态成像，并传输至中央处理器，中央处理器对油包水液滴实时动态图像进行处理，获取油包水液滴的RGB数值，得到油包水液滴的颜色强度，以此确定血液样本粘度值;
步骤S4中所述确定血液样本粘度值的理论公式为：
其中，μ表示血液样本粘度值；a 1、a 2、a 3、b表示未定系数；R、G、B表示中央处理器处理后获得的油包水液滴的图像RGB值；
基于油包水液滴的实时图像，结合理论公式进行拟合，确定a 1、a 2、a 3、b，获得液滴颜色强度RGB与血液样本粘度的拟合关系，绘制血液粘度-时间曲线，用于分析血液样本的凝血功能。
8.根据权利要求7所述的基于微流控技术的血液粘度检测方法，其特征在于，在步骤S2中，在负压驱动结构驱动下，血液样本随时间的延长逐渐凝固，流速逐渐降低，粘度逐渐增大，致使血液样本在a点形成的油包水液滴中占比减小，油包水液滴的颜色发生改变，在由a点向汇合通道移动的过程中，油包水液滴的红色调由深变浅，油包水液滴的蓝色调由浅变深。
9.根据权利要求7所述的基于微流控技术的血液粘度检测方法，其特征在于，步骤S4之后还包括血液样本粘度检测结果的验证过程，为：
取正常的血液样本，分别利用基于微流控技术的血液粘度检测装置和血栓弹力图仪进行凝血检验，验证基于微流控技术的血液粘度检测装置的检测结果的正确性，检测结果正确的验证标准为：基于微流控技术的血液粘度检测装置的检测结果与血栓弹力图仪所测得的从激活凝血功能开始到纤维蛋白开始形成时所用的时间值R、从R时间终点至描记幅度达20mm所需时间值K、检测结果曲线形成时上下最大距离值MA、K值和MA值的斜率角度α参数一致或强相关；其中，一致表示基于微流控技术的血液粘度检测装置所测得检测结果曲线的变化时间与血栓弹力图仪的变化时间一样，且幅度变化趋势一样，强相关表示在进行皮尔森相关性分析时，皮尔森系数大于0.5。
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