CN113976194B - 一种基于微流控芯片的智能注射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微流控芯片的智能注射器。为了解决微流控芯片平台的移动以及倾斜观察的问题，设置了XYZ移动平台和可以独立倾斜设置的物镜，物镜可以倾斜设置从而可以保证倾斜拍摄成像；与此同时由于平台不必倾斜，保证了微流控芯片的流速不会受到倾斜的影响；设置了充气升降的平台，并且设置了大小不同的充气囊，可以保证手动精确调节，避免了机械调节的段落感，实现了无级调节；设置了根据拍摄图像自动控制的注射器，注射器的注射速率根据实际拍摄的图像的变化进行控制；注液精度更高，可以针对每一个不同的材料单独进行特定有针对性性的注射速率选择。

Description

一种基于微流控芯片的智能注射器

技术领域

本发明涉及微流控控制领域，尤其涉及基于微流控芯片的智能注射器。

背景技术

微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸为数十到数百微米）处理或操纵微小流体（体积为纳升到阿升）的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。因为具有微型化、集成化等特征，微流控装置通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室（Lab on a Chip）和微全分析系统（micro-Total Analytical System）。

目前大多数微流控芯片多数应用于生物质材料的处理，在处理过程中精细的将不同的试剂注入进行生物质材料的处理；在处理过程中，由于比较细小，需要使用显微成像装置进行观察；由于生物质材料的特殊性一般进行观察时需要进行倾斜观察，传统固定连接的物镜和成像CCD一旦倾斜角度过大，镜筒的重心就会横向移动，此时必须使用很大的固定装置才能实现稳定的固定，占用了很大的空间，同时整个系统的线缆也必须随之移动，稳定性大大降低。

此外，由于生物质材料的特性，每一个材料的反应速率都可能有微小的不同，需要针对每一个材料的具体反应情况进行单独的速率调节。

发明内容

针对上述内容，为解决上述问题，提供一种基于微流控芯片的智能注射器系统，包括支撑台部分、成像部分、微流控芯片和注射器控制模块；

支撑台部分包括XYZ移动平台和支撑架；XYZ移动平台用于放置微流控芯片，使得微流控芯片能够实现XYZ三个方向的移动；

XYZ移动平台安装在支撑架上，支撑架上方安装成像部分，成像部分用于对微流控芯片进行成像；

注射器安装到微流控芯片的注液孔上用于向微流控芯片中注入试剂，注射器控制模块控制注射器的注液速度；

成像部分包括物镜和CCD传感器，物镜和CCD传感器配合使用以对微流控芯片进行成像，并将图像发送给图像处理器，图像处理器对图像进行分析并根据分析结果控制注射器控制模块控制注射器的注液速度。

XYZ移动平台包括底座、底柱、一层平台和二层平台；底座与支撑架固定连接，底柱连接至底座上，并且可以在底座上沿着X轴移动；

一层平台安装在底柱上，一层平台与底柱之间滑动密封连接，且一层平台中心为空心结构；

底柱上设置有进气孔，进气孔向底柱内充气，气体进入一层平台的中心，使得当一层平台内部气体增多时，一层平台上升，当一层平台内部气体减少时，一层平台下降，实现了Z轴移动；二层平台安装在一层平台上方，二层平台能够相对一层平台在Y轴移动；

底柱为圆柱形，一层平台能够相对底柱沿着底柱的中轴线旋转；

底柱的进气孔连接管路，管路连接至充气泵或者充气球；充气泵能够进行电动充气放气，充气球能够对底柱内进行手动充气放气。

管路上设置有阀门，保证更换充气泵或者充气球时管路不会漏气；且充气球的规格具有大小不同的多个。

成像部分还包括暗箱，暗箱设置于物镜和CCD传感器之间，物镜、暗箱和CCD传感器的连接处都进行遮光处理；

物镜相对于暗箱可以在一个方向上移动，且可以在移动方向上摆动，即物镜的轴线和水平面的夹角可以调节；同时CCD传感器对于暗箱可以在一个方向上移动，且可以在移动方向上摆动，即CCD传感器的轴线和水平面的夹角可以调节；

暗箱的侧壁为高反射表面，从物镜入射的光能够直接被CCD传感器收集或者从物镜入射的光在暗箱的侧壁反射后能够被CCD传感器收集。

CCD传感器为自动对焦CCD传感器，CCD传感器采集的微流控芯片的图像显示在显示屏幕上；

CCD传感器采集的微流控芯片的图像发送至图像处理器，图像处理器对采集的图像进行处理，提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型，得到每个注射器的注射流速；

图像处理器将每个注射器的注射流速发送给注射器控制模块，注射器控制模块控制每一个注射器的注射流速。

微流控芯片包括注液区和反应区，注液区包括多个不同的注液孔，注液孔连接注射器；

多个注液孔均连接至反应区，反应区内存放有待显微观察的生物制品，反应区顶部由透明材料制成。

注射器系统的工作流程如下：

步骤1、将微流控芯片放置于XYZ平台上，并连接好注射器；调节XYZ平台的XYZ方向以及旋转方向，使得反应区位于一个容易观察的位置；

步骤2、调节物镜，使得物镜对准反应区的位置，并调节好物镜的角度，使得物镜对准所需的观察角度；调节CCD传感器，使得从物镜入射的光能够直接被CCD传感器收集或者从物镜入射的光在暗箱的侧壁反射后能够被CCD传感器收集，之后CCD传感器自动对焦，使得CCD传感器采集的微流控芯片的图像显示在显示屏幕上；

步骤3、开始反应，启动各个注射器开始注射试剂，CCD传感器采集的微流控芯片的图像发送至图像处理器，图像处理器对采集的图像进行处理，提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型，得到每个注射器的注射流速；

步骤4、待反应完成后关闭注射器。

提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型的过程如下：

将CCD传感器采集的微流控芯片的图像进行RGB颜色的提取，并对每个通道进行计算；

先将注射器注射最开始的RBG颜色作为基准RGB，随后采集的每一帧图像的RBG颜色中，在RGB每个通道中都减去基准RGB的值，得到一个RGB的变化值；

图像处理器建立RGB三个通道的变化值随时间的变化曲线，并将曲线进行一阶微分，得到随时间变化的RGB变化值的一阶微分，以表征RGB的变化速率；

图像处理器将RGB三个通道的RGB变化值的一阶微分输入注射模型，每一组RGB变化值对应一组每个试剂的注射流速。

本发明的有益效果为：

本发明为了解决微流控芯片平台的移动以及倾斜观察的问题，设置了XYZ移动平台和可以独立倾斜设置的物镜，物镜可以倾斜设置从而可以保证倾斜拍摄成像；与此同时由于平台不必倾斜，保证了微流控芯片的流速不会受到倾斜的影响；

同时设置物镜和CCD成像都可以单独的倾斜设置，并可以独立调节，配合暗箱的设置使得当物镜的倾斜角度较大时，光线被暗箱内壁反射后再进行成像，解决了固定连接的物镜和CCD成像模块倾斜角度大时横向空间过大的问题；

设置了充气升降的平台，并且设置了大小不同的充气囊，可以保证手动精确调节，避免了机械调节的段落感，实现了无级调节；设置了根据拍摄图像自动控制的注射器，注射器的注射速率根据实际拍摄的图像的变化进行控制；注液精度更高，可以针对每一个不同的材料单独进行特定有针对性性的注射速率选择。

附图说明

图1为本发明整体架构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的微流控芯片示意图；

图4为本发明的物镜、暗箱和CCD传感器的组合结构示意图。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

实施例1：

结合图1-4，一种基于微流控芯片的智能注射器系统，包括支撑台部分、成像部分、微流控芯片03和注射器控制模块；

支撑台部分包括XYZ移动平台01和支撑架02；XYZ移动平台01用于放置微流控芯片03，使得微流控芯片03能够实现XYZ三个方向的移动；

XYZ移动平台01安装在支撑架02上，支撑架02上方安装成像部分，成像部分用于对微流控芯片03进行成像；

注射器安装到微流控芯片03的注液孔04上用于向微流控芯片03中注入试剂，注射器控制模块控制注射器的注液速度；

成像部分包括物镜05和CCD传感器06，物镜05和CCD传感器06配合使用以对微流控芯片03进行成像，并将图像发送给图像处理器，图像处理器对图像进行分析并根据分析结果控制注射器控制模块控制注射器的注液速度。

XYZ移动平台01包括底座07、底柱08、一层平台09和二层平台10；底座07与支撑架02固定连接，底柱08连接至底座07上，并且可以在底座07上沿着X轴移动；

一层平台09安装在底柱08上，一层平台09与底柱08之间滑动密封连接，且一层平台09中心为空心结构；

底柱08上设置有进气孔，进气孔向底柱08内充气，气体进入一层平台09的中心，使得当一层平台09内部气体增多时，一层平台09上升，当一层平台09内部气体减少时，一层平台09下降，实现了Z轴移动；二层平台10安装在一层平台09上方，二层平台10能够相对一层平台09在Y轴移动；

底柱08为圆柱形，一层平台09能够相对底柱08沿着底柱08的中轴线旋转；

底柱08的进气孔连接管路，管路连接至充气泵或者充气球11；充气泵能够进行电动充气放气，充气球11能够对底柱08内进行手动充气放气。

管路上设置有阀门12，保证更换充气泵或者充气球11时管路不会漏气；且充气球11的规格具有大小不同的多个。

成像部分还包括暗箱13，暗箱13设置于物镜05和CCD传感器06之间，物镜05、暗箱13和CCD传感器06的连接处都进行遮光处理；

物镜05相对于暗箱13可以在一个方向上移动，且可以在移动方向上摆动，即物镜05的轴线和水平面的夹角可以调节；同时CCD传感器06对于暗箱13可以在一个方向上移动，且可以在移动方向上摆动，即CCD传感器06的轴线和水平面的夹角可以调节；

暗箱13的侧壁为高反射表面，从物镜05入射的光能够直接被CCD传感器06收集或者从物镜05入射的光在暗箱13的侧壁反射后能够被CCD传感器06收集。

CCD传感器06为自动对焦CCD传感器06，CCD传感器06采集的微流控芯片03的图像显示在显示屏幕上；

CCD传感器06采集的微流控芯片03的图像发送至图像处理器，图像处理器对采集的图像进行处理，提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型，得到每个注射器的注射流速；

图像处理器将每个注射器的注射流速发送给注射器控制模块，注射器控制模块控制每一个注射器的注射流速。

微流控芯片03包括注液区和反应区14，注液区包括多个不同的注液孔04，注液孔04连接注射器；

多个注液孔04均连接至反应区14，反应区14内存放有待显微观察的生物制品，反应区14顶部由透明材料制成。

实施例2：

注射器系统的工作流程如下：

步骤1、将微流控芯片03放置于XYZ平台上，并连接好注射器；调节XYZ平台的XYZ方向以及旋转方向，使得反应区14位于一个容易观察的位置；

步骤2、调节物镜05，使得物镜05对准反应区14的位置，并调节好物镜05的角度，使得物镜05对准所需的观察角度；调节CCD传感器06，使得从物镜05入射的光能够直接被CCD传感器06收集或者从物镜05入射的光在暗箱13的侧壁反射后能够被CCD传感器06收集，之后CCD传感器06自动对焦，使得CCD传感器06采集的微流控芯片03的图像显示在显示屏幕上；

步骤3、开始反应，启动各个注射器开始注射试剂，CCD传感器06采集的微流控芯片03的图像发送至图像处理器，图像处理器对采集的图像进行处理，提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型，得到每个注射器的注射流速；

步骤4、待反应完成后关闭注射器。

提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型的过程如下：

将CCD传感器06采集的微流控芯片03的图像进行RGB颜色的提取，并对每个通道进行计算；

先将注射器注射最开始的RBG颜色作为基准RGB，随后采集的每一帧图像的RBG颜色中，在RGB每个通道中都减去基准RGB的值，得到一个RGB的变化值；

图像处理器建立RGB三个通道的变化值随时间的变化曲线，并将曲线进行一阶微分，得到随时间变化的RGB变化值的一阶微分，以表征RGB的变化速率；

图像处理器将RGB三个通道的RGB变化值的一阶微分输入注射模型，每一组RGB变化值对应一组每个试剂的注射流速。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于微流控芯片的智能注射器系统，其特征在于包括支撑台部分、成像部分、微流控芯片（03）和注射器控制模块；

支撑台部分包括XYZ移动平台（01）和支撑架（02）；XYZ移动平台（01）用于放置微流控芯片（03），使得微流控芯片（03）能够实现XYZ三个方向的移动；

XYZ移动平台（01）安装在支撑架（02）上，支撑架（02）上方安装成像部分，成像部分用于对微流控芯片（03）进行成像；

注射器安装到微流控芯片（03）的注液孔（04）上用于向微流控芯片（03）中注入试剂，注射器控制模块控制注射器的注液速度；

成像部分包括物镜（05）和CCD传感器（06），物镜（05）和CCD传感器（06）配合使用以对微流控芯片（03）进行成像，并将图像发送给图像处理器，图像处理器对图像进行分析并根据分析结果控制注射器控制模块控制注射器的注液速度；

XYZ移动平台（01）包括底座（07）、底柱（08）、一层平台（09）和二层平台（10）；底座（07）与支撑架（02）固定连接，底柱（08）连接至底座（07）上，并且可以在底座（07）上沿着X轴移动；

一层平台（09）安装在底柱（08）上，一层平台（09）与底柱（08）之间滑动密封连接，且一层平台（09）中心为空心结构；

底柱（08）上设置有进气孔，进气孔向底柱（08）内充气，气体进入一层平台（09）的中心，使得当一层平台（09）内部气体增多时，一层平台（09）上升，当一层平台（09）内部气体减少时，一层平台（09）下降，实现了Z轴移动；二层平台（10）安装在一层平台（09）上方，二层平台（10）能够相对一层平台（09）在Y轴移动；

底柱（08）为圆柱形，一层平台（09）能够相对底柱（08）沿着底柱（08）的中轴线旋转；

底柱（08）的进气孔连接管路，管路连接至充气泵或者充气球（11）；充气泵能够进行电动充气放气，充气球（11）能够对底柱（08）内进行手动充气放气；

管路上设置有阀门（12），保证更换充气泵或者充气球（11）时管路不会漏气；且充气球（11）的规格具有大小不同的多个；

成像部分还包括暗箱（13），暗箱（13）设置于物镜（05）和CCD传感器（06）之间，物镜（05）、暗箱（13）和CCD传感器（06）的连接处都进行遮光处理；

物镜（05）相对于暗箱（13）可以在一个方向上移动，且可以在移动方向上摆动，即物镜（05）的轴线和水平面的夹角可以调节；同时CCD传感器（06）对于暗箱（13）可以在一个方向上移动，且可以在移动方向上摆动，即CCD传感器（06）的轴线和水平面的夹角可以调节；

暗箱（13）的侧壁为高反射表面，从物镜（05）入射的光能够直接被CCD传感器（06）收集或者从物镜（05）入射的光在暗箱（13）的侧壁反射后能够被CCD传感器（06）收集；

CCD传感器（06）为自动对焦CCD传感器（06），CCD传感器（06）采集的微流控芯片（03）的图像显示在显示屏幕上；

CCD传感器（06）采集的微流控芯片（03）的图像发送至图像处理器，图像处理器对采集的图像进行处理，提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型，得到每个注射器的注射流速；

图像处理器将每个注射器的注射流速发送给注射器控制模块，注射器控制模块控制每一个注射器的注射流速；

微流控芯片（03）包括注液区和反应区（14），注液区包括多个不同的注液孔（04），注液孔（04）连接注射器；

多个注液孔（04）均连接至反应区（14），反应区（14）内存放有待显微观察的生物制品，反应区（14）顶部由透明材料制成。

2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的智能注射器系统，其特征在于：

注射器系统的工作流程如下：

步骤1、将微流控芯片（03）放置于XYZ平台上，并连接好注射器；调节XYZ平台的XYZ方向以及旋转方向，使得反应区（14）位于一个容易观察的位置；

步骤2、调节物镜（05），使得物镜（05）对准反应区（14）的位置，并调节好物镜（05）的角度，使得物镜（05）对准所需的观察角度；调节CCD传感器（06），使得从物镜（05）入射的光能够直接被CCD传感器（06）收集或者从物镜（05）入射的光在暗箱（13）的侧壁反射后能够被CCD传感器（06）收集，之后CCD传感器（06）自动对焦，使得CCD传感器（06）采集的微流控芯片（03）的图像显示在显示屏幕上；

步骤3、开始反应，启动各个注射器开始注射试剂，CCD传感器（06）采集的微流控芯片（03）的图像发送至图像处理器，图像处理器对采集的图像进行处理，提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型，得到每个注射器的注射流速；

步骤4、待反应完成后关闭注射器。

3.根据权利要求2所述的基于微流控芯片的智能注射器系统，其特征在于：

提取颜色特征，并将颜色特征输入注射模型的过程如下：

将CCD传感器（06）采集的微流控芯片（03）的图像进行RGB颜色的提取，并对每个通道进行计算；

先将注射器注射最开始的RBG颜色作为基准RGB，随后采集的每一帧图像的RBG颜色中，在RGB每个通道中都减去基准RGB的值，得到一个RGB的变化值；

图像处理器建立RGB三个通道的变化值随时间的变化曲线，并将曲线进行一阶微分，得到随时间变化的RGB变化值的一阶微分，以表征RGB的变化速率；

图像处理器将RGB三个通道的RGB变化值的一阶微分输入注射模型，每一组RGB变化值对应一组每个试剂的注射流速。

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