CN113607609B - 基于指压式微流控平台的智能手机成像分析系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于指压式微流控平台的智能手机成像分析系统及其应用，其特征在于：包括一种基于水凝胶弹性变形的指压式微流体，用于监测血细胞结构强度的变化；指压式微流体与智能手机成像/分析集成，依靠智能手机和指压操作，实现红细胞计数、圆度、变形性监测。

Description

基于指压式微流控平台的智能手机成像分析系统及其应用

技术领域

本发明涉及医疗检测技术领域，具体涉及一种基于指压式微流控平台的智能手机成像分析系统及其应用。

背景技术

当前临床医学对血液的要求很高，血液短缺给血液供应和公共卫生带来了严重的挑战。成分输血是解决未来血液短缺的有效方法。可根据患者病情提供所需血液成分，避免患者因输血产生不良反应，节约血液资源。红细胞(RBCs)是输血中使用最广泛的成分。但红细胞在贮存过程中会发生形态、结构、功能的改变，可能引起临床并发症，对患者的死亡率产生不利影响。红细胞的变形性是评价红细胞生理活性和功能的重要参数，引起了医务人员的广泛关注。目前已有各种红细胞变形性监测仪器的报道。他们的结果提供了在实验室中精确的RBCs变形监测。然而，复杂的操作流程和专业的数据分析并不能使细胞变形检测得到广泛的应用，对于血液质量和疾病预测的高要求、个性化的细胞形态监测已经成为当前更加迫切的需求。智能和流行的细胞形态和结构监测检测器仍然是一个挑战。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是制作一种智能和流行的细胞形态和结构监测检测器。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案涉及三个方面：一，开发了一种指压式微流控平台用于血细胞结构强度监测；二，将智能手机成像与指压式微流控平台结合，并且仅仅只依靠智能手机和指压操作就能完成检测；三，通过成像分析系统(像素点分析)，实现了红细胞计数、圆度、圆度分布、变形度监测。

第一方面，本发明提供一种指压式微流控平台，其特征在于：包括包装壳微流控芯片、芯片中的微水凝胶柱和力学传输系统；

所述包装壳部包含光学镜头嵌套部、微流控芯片固定微柱部、指压式通道部、微流控芯片入口部、微流控芯片出口部；

所述微流控芯片部包括微流控芯片入口部、微流控芯片出口部和芯片腔室；

所述芯片中在微流控沟道里通过蓝光手电筒，菲林胶片掩模构造微水凝胶柱；

所述力学传输系统部包含圆形按钮部、弹簧部和玻璃垫片；

血细胞与水凝胶前驱液从微流控芯片入口部通入，并通过蓝光手电筒的蓝光曝光将血细胞固定在微水凝胶柱中，通过手指按压，记录血细胞变形前后图形。

作为优选方案，所述圆形按钮部为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，直径＝1.3cm；所述弹簧部的劲度系数＝5N/cm；所述玻璃垫片直径＝1cm。

进一步地，所述微流控芯片的模版由紫外光刻技术制成。

更进一步地，所述芯片由聚二甲基硅氧烷材料制成。

第二方面，本发明提供一种基于上述指压式微流控平台的智能手机成像分析系统，其特征在于：所述指压式微流控平台用于血细胞结构强度监测，将智能手机成像部与指压式微流控平台结合，仅仅只依靠智能手机和指压操作就能完成检测，通过成像分析系统实现了红细胞计数、圆度、圆度分布和变形度监测：

所述智能手机成像部包括光学透镜部、贴片式LED光源部和电源：

所述贴片式LED光源部提供成像所需的光源；智能手机通过集成光学透镜部采集360微米×360微米的微水凝胶柱视场，将图像转换为8位的灰度图像；在软件自动调整光强和对比度后，通过阈值运算将RBCs图像转换为二值图像；阈值设置用于清除细胞碎片和堆叠；然后采用填充孔操作对轮廓进行填充，提高了计算精度；最后通过软件像素分析计算出面积和周长；

所述成像分析系统部通过采集血细胞变形前后的像素面积和周长变化，计算出血细胞变形性，最终实现血细胞的计数，圆度，圆度分布监测。

第三方面，本发明提供一种上述基于指压式微流控平台的智能手机成像分析系统在血细胞形态监测中的作用。

最优选的具体方案中，上述指压式微流控平台部包括微流控芯片，微水凝胶柱，力学传输系统。微流控芯片部包括入口部和出口部、芯片腔室。微水凝胶柱部包括微水凝胶柱。力学传输系统部包括圆形按钮部(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，直径＝1.3cm)；弹簧部(劲度系数＝5N/cm)；玻璃垫片(直径＝1cm)。

上述微流控芯片的模版由紫外光刻技术制成，芯片由聚二甲基硅氧烷(PDMS，折射率为 1.406)材料制成。血细胞与水凝胶前驱液从入口部通入，并通过蓝光曝光将血细胞固定在微水凝胶柱中。通过手指按压，记录血细胞变形前后图形。通过成像分析系统分析图像，实现血细胞的计数，圆度，圆度分布监测。通过成像分析系统分析前后图像，计算出血细胞的可变形性。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明实现了血液存储过程中红细胞数量，圆度和变形性的监控。以后的研究将集中于软件分析，集成光学系统，并有望实现多组织器官芯片(卵母、卵巢组织)和全血血细胞的实时监测。目前国际主流的便携式细胞平台主要基于图像识别，然而由于细胞形态转变的不均匀性和不一致性，导致无法实现细胞的精准识别。阻碍了后期的进一步应用于疾病的辅助诊断，本发明基于形态学和细胞力学的双标定使得更精准的细胞识别，实现了微型化设备中的精准细胞识别，具有突破性意义。

附图说明

图1为血细胞监测盒的结构组成；

图2为智能指压式微流体/智能手机成像系统细胞用于血细胞形态监测概念图；

图3为微水凝胶柱的形变；

图4为血细胞的可变形性监测；

图5为智能手机图像采集、成像、与分析。

图中：1、入口部；2、出口部；3、芯片腔室；4、微水凝胶柱；5、圆形按钮部；6、弹簧部；7、玻璃垫片；8、光学镜头部；9、贴片式LED光源；10、电源；11、光学镜头嵌套部； 12、微流控芯片固定微柱部；13、指压式通道部；14、微流控芯片入口部；15、微流控芯片出口部。

具体实施方式

以下参照附图和具体实施例对本发明所涉及的基于智能指压式微流体/智能手机成像系统细胞用于血细胞形态监测作进一步地详细阐述。

实施例1

如图1所示，基于智能指压式微流体/智能手机成像系统细胞用于血细胞形态监测包括：入口部1(芯片的血流入口)、出口部2(芯片的血流出口)、芯片腔室3，微水凝胶柱4、圆形按钮部5、弹簧部6、玻璃垫片7、光学镜头部8、贴片式LED光源9、电源10、光学镜头嵌套部11、微流控芯片固定微柱部12、指压式通道部13、微流控芯片入口部14(3d打印外壳的入口)、微流控芯片出口部15(3d打印外壳的出口)。图2显示了血细胞形态监测的原理图。手指压力通过弹性变形水凝胶与红细胞耦合，使红细胞规律变形。通过集成光学镜头和贴片式LED，智能收集采集图片像素并进行分析。

本发明的微流控芯片，是通过标准的紫外光刻技术制作的。首先，按照所设计的芯片结构将模版图样画出来。然后在刻画在掩膜版上，通过紫外光刻技术，对应于由SU8-2050光刻胶涂抹均匀的硅片，经过紫外曝光后，再由显影液冲洗硅片便可得到PDMS的模具。在将未凝固的PDMS浇筑在模版上，经烤箱75摄氏度烘烤一个小时后，再取下PDMS。如此，在将所获得的PDMS沟道层与涂有一层PDMS的载玻片用等离子清洗机键合。如此便得到微流控芯片。

系统构造：该便携式装置分为封装外壳、光学透镜组件、微流控芯片、内置光源、压力传输装置5个模块。包装外壳采用ABS材料(丙烯腈丁二烯苯乙烯)3D打印(Freeformer300-3X)，分为两部分。下部分别提供光学透镜组件(凹槽结构)和微流控芯片模块(夹钳结构，3.4cm×2.4 cm)。上半部分包括指压传递装置(孔结构，R＝0.6cm)和贴片电源(Angjie聚合物锂电池， 12mm×10mm×3mm,40mah)。集成光学透镜组件(分辨率：2μm，H×V：1.81毫米×1.02 毫米，工作距离：0.75毫米，由KENWEIJIESI设计)。内置光源包含两个贴片式led(白色 460nm)，在高倍放大下提供足够的光强。压力传递装置由圆形按钮(R＝0.65cm)、弹簧(K＝ 5N/cm)和圆形垫片(R＝0.5cm)组成，上部压力驱动装置将手的压力转化为弹簧的应变能 (K＝5N/cm)。然后通过弹簧将其引入水凝胶中，使红细胞有规律地变形。

水凝胶：将10ml的PBS加入含有引发剂标准溶液的棕色瓶中，在40-50℃黑暗中加热30 分钟，在此期间摇晃几次(大于5次)，得到引发剂溶液。在引发剂溶液中加入10％质量的格尔玛材料(GelMA:引发剂溶液＝1:10)，在40-50℃黑暗中加热30分钟，期间摇动数次(大于 5次)。使用0.22微米的无菌注射器过滤器，热时立即对水凝胶前驱液进行过滤灭菌，制备水凝胶前驱液。

血样本：经武汉大学中南医院机构审查委员会批准，获得健康献血者知情同意。取献血者全血10ml，装于4ml凝血血管(真空器、肝素钠)内。血液以2500rpm离心10分钟，红细胞悬浮于盐-腺-葡萄糖甘露醇(SAGM)中。储存在冰箱4摄氏度。每次试验，用水凝胶前体稀释(RBCs样品:水凝胶前驱液＝1:100)。

具体地，在本实施例中以基于智能指压式微流体/智能手机成像系统细胞用于血细胞形态监测操作方法进行说明：

1、将含有红细胞的水凝胶前驱液泵入入口部1中，红细胞流入沟道，静置5分钟，待细胞沉底，并通过在掩模版下蓝光手电筒曝光被水凝胶部4固定。

2、如图2所示，将载玻片固定在夹具部15上，盖上上盖部。通过光学透镜部8和智能手机采集初始图片，然后按压按键部5，指压由弹簧部6转移到玻璃垫圈部7，由弹簧压力转化为平面压力。继而力学传导至水凝胶部4，使水凝胶网格发生收缩，从而使红细胞规则性变形。再次采集图片。

3、不同强度的应力会使水凝胶柱部4发生弹性变形或塑性变形，如图3所示，本发明中分别在水凝胶柱部4上施加0-10KPa应力。结果发现在0-6KPa时水凝胶发生弹性变形，当压力超过6KPa时水凝胶柱部4发生塑性变形。

4、如图4所示，本发明中对在不同应力条件下水凝胶柱部4中红细胞变形进行了研究，通过施加不同应力，结果发现红细胞在XY平面上成像变大。光强分布图直接证明了这点。本发明随后对健康红细胞样本进行了模型库建立。

3、智能手机的数据收集和分析过程。通过像素点分析，本发明实现了5分钟内对RBC计数、变形率、圆度、及其分布宽度(Dr＝1.186和σ＝0.048，平均圆度＝0.506和σ＝0.083)的监测。这与大量样本统计数据的结果一致(Dr的误差<5％)。先前的研究表明，红细胞在储存过程中会发生形态和膜变形性的变化。基于这种集成的微流控设备，本发明中研究了储存1 周和3周的相同血液样本的形态和膜可变形性。发现在储存了1周和3周的相同血液样本中， RBC的圆度在统计上是不同的。1周的RBC圆度变异系数(CV)为15.85％(平均值＝0.511，σ＝0.081)，3周的CV为18.62％(平均值＝0.521，σ＝0.097)。这与RBC形态分布是一致的。有趣的是，在储存1周和3周后，RBC的变形存在统计差异。1周红细胞变形率的CV为3.888％ (Dr＝1.185，σ＝0.046)，3周CV为5.813％(Dr＝1.177，σ＝0.068)。

基于这种智能设备，本发明实现了血液存储过程中红细胞数量，圆度和变形性的监控。以后的研究将集中于软件分析，集成光学系统，并有望实现多组织器官芯片(卵母、卵巢组织)和全血血细胞的实时监测。

以上仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于不同交联程度的水凝胶卵母体外三维培养并不仅仅限定于在以上中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种指压式微流控平台，其特征在于：包括包装壳微流控芯片、芯片中的微水凝胶柱(4)和力学传输系统；

所述包装壳部包含光学镜头嵌套部(11)、微流控芯片固定微柱部(12)、指压式通道部(13)、微流控芯片入口部(14)、微流控芯片出口部(15)；

所述微流控芯片部包括微流控芯片入口部(14)、微流控芯片出口部(15)和芯片腔室(3)；

所述芯片中在微流控沟道里通过蓝光手电筒，菲林胶片掩模构造微水凝胶柱(4)；

所述力学传输系统部包含圆形按钮部(5)、弹簧部(6)和玻璃垫片(7)；所述圆形按钮部(5)为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，直径＝1.3cm；所述弹簧部(6)的劲度系数＝5N/cm；所述玻璃垫片(7)直径＝1cm；

血细胞与水凝胶前驱液从微流控芯片入口部(14)通入，并通过蓝光手电筒的蓝光曝光将血细胞固定在微水凝胶柱(4)中，通过手指按压，记录血细胞变形前后图形。

2.根据权利要求1所述指压式微流控平台，其特征在于：所述微流控芯片的模版由紫外光刻技术制成。

3.根据权利要求1所述指压式微流控平台，其特征在于：所述芯片由聚二甲基硅氧烷材料制成。

4.根据权利要求3所述指压式微流控平台，其特征在于：所述芯片由聚二甲基硅氧烷材料制成。

5.一种基于如权利要求1或4所述指压式微流控平台的智能手机成像分析系统，其特征在于：所述指压式微流控平台用于血细胞结构强度监测，将智能手机成像部与指压式微流控平台结合，仅仅只依靠智能手机和指压操作就能完成检测，通过成像分析系统实现了红细胞计数、圆度、圆度分布和变形度监测：

所述智能手机成像部包括光学透镜部、贴片式LED光源(9)和电源(10)：

所述贴片式LED光源(9)提供成像所需的光源；智能手机通过集成光学透镜部采集360微米×360微米的微水凝胶柱(4)视场，将图像转换为8位的灰度图像；在软件自动调整光强和对比度后，通过阈值运算将RBCs图像转换为二值图像；阈值设置用于清除细胞碎片和堆叠；然后采用填充孔操作对轮廓进行填充，提高了计算精度；最后通过软件像素分析计算出面积和周长；

所述成像分析系统部通过采集血细胞变形前后的像素面积和周长变化，计算出血细胞变形性，最终实现血细胞的计数，圆度，圆度分布监测。

6.一种如权利要求5所述基于指压式微流控平台的智能手机成像分析系统在血细胞形态监测中的作用。

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