CN114019012A - 一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种血糖测量系统，更具体的说是一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统。包括外源磁场发生装置、运动信息采集单元和PC模块，所述PC模块控制外源磁场发生装置产生磁场，从而控制微二聚体机器人运动，通过运动信息采集单元采集微二聚体机器人的运动行为信息并传送给PC模块，PC模块分析微二聚体机器人的运动姿态和运动速度，通过计算微二聚体机器人失步频率时的进动角大小，测量出血液中的葡萄糖浓度。本发明提供一种简单、快速通过计算微二聚体机器人失步频率时的进动角大小，测量出血液中的葡萄糖浓度，从而帮助医疗工作者及时评估患者情况，检测血糖时每次仅需要0.1毫升血液样本。
Description
技术领域
本发明涉及一种血糖测量系统，更具体的说是一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统。
背景技术
血糖是指血液中葡萄糖，是衡量人体健康程度的一个重要指标，异常时患者往往会出现恶心、呕吐、易疲劳以及发低烧等不良症状。如今常用的血糖检测方法是抽取患者的血浆或者血清，在全自动生化分析仪上完成血糖的测定。这种方法的检测准确性高，但是仪器操作复杂，反应时间长，样本采血量大，给患者带来极大的痛苦的同时也不利于床旁即时检测。因此设计一种自动化程度高、反应时间快速的血糖测量系统十分重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过分析磁驱微二聚体在血液中的运动而简单、快速的测量血糖的系统，从而帮助医疗工作者及时评估患者情况，减轻患者的痛苦。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
通过外源磁场控制磁性微二聚体机器人在不同血糖浓度的血液中运动，并及时采集其运动行为，分析运动速度和运动姿态与血糖逆浓度和磁场参数的关系，并寻找函数关系最强的参数作为血糖检测时使用的测量参数以实现待测血样的血糖浓度及时检测。
一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，包括外源磁场发生装置、运动信息采集单元和PC模块，所述PC模块控制外源磁场发生装置产生磁场，从而控制微二聚体机器人运动，通过运动信息采集单元采集微二聚体机器人的运动行为信息并传送给PC模块，PC模块分析微二聚体机器人的运动姿态和运动速度，通过计算微二聚体机器人失步频率时的进动角大小，测量出血液中的葡萄糖浓度。可测量的血糖浓度范围达到2000mg/mL。
进一步地，所述外源磁场发生装置产生不同强度、频率的旋转磁场控制微二聚体机器人运动。
进一步地，所述PC模块发送指令信号至外源磁场发生装置产生磁场驱动微二聚体机器人在血液中运动。
进一步地，所述外源磁场发生装置包括正交分布的三组亥姆霍兹线圈，所述三组亥姆霍兹线圈分别布置在空间坐标x、y和z三个轴向方向。
进一步地，将一个中心留空的铝板作为观察平台固定在三组亥姆霍兹线圈中间，所述三组亥姆霍兹线圈的中心与所述观察平台中心重叠。
进一步地，通过在x轴和z轴方向上施加正弦电流控制三组亥姆霍兹线圈产生xoz面内的旋转磁场，进而驱动微二聚体机器人运动。
进一步地，所述磁性微二聚体机器人是由磁性Janus微球自组装形成的微二聚体。
所述失步频率为：二聚体微纳机器人受旋转磁场的驱动而同步旋转，由于液体阻力的随着转速的增加而变大，二聚体微纳机器人的转速不会随着磁场频率的增加一直增加，当二聚体微纳机器人的转速不再和磁场转速一致时发生失步现象，这时对应的磁场频率称为失步频率。
所述动进角为二聚体微纳机器人长轴和运动方向的夹角。实验研究发现失步频率下二聚体微纳机器人动进角与血液中葡萄糖浓度为斜率较大的一次函数关系。
本发明的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统的有益效果为：
1.检测血糖时每次仅需要0.1毫升血液样本；
2.自动化程度高，可大量减少医生的工作强度，同时操作简单，便于医师用于床旁检测；
3.与传统的生化分析仪相比此检测系统所需时间大幅降低，便于医生及时采取相应的医疗措施；
4.通过对磁性微二聚体机器人失步频率时进动角的测量可以精确测量血液中的血糖浓度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为血糖即时检测系统进行血糖检测流程图；
图2为进动角与葡萄糖浓度关系的函数图像。
具体实施方式
一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，包括外源磁场发生装置、运动信息采集单元和PC模块，所述外源磁场发生装置控制微二聚体机器人运动，通过运动信息采集单元采集微二聚体机器人的运动行为信息并传送给PC模块，PC模块分析微二聚体机器人的运动姿态和运动速度，通过计算微二聚体机器人失步频率时的进动角大小，测量出血液中的葡萄糖浓度。微二聚体机器人受旋转磁场的驱动而同步旋转，但是由于液体阻力的随着转速的增加而变大，所以二聚体微纳机器人的转速不会随着磁场频率的增加一直增加，当二聚体微纳机器人的转速不再和磁场转速一致时发生失步现象，这时对应的磁场频率称为失步频率。
所述PC模块发送指令信号至外源磁场发生装置产生旋转磁场驱动微二聚体机器人在血液中运动。指令信号是计算机通过labview程序发出指令控制数据板卡产生正弦电压，电压经过功率放大器放大后输入线圈组，驱动线圈产生磁场驱动二聚体微纳机器人运动。通过控制输出电压的幅值、相位和频率可以控制磁场的参数。
图1所示为血糖检测的流程，采集血液样本滴加在载玻片上，将载玻片放置在外源磁场发生装置中，加入磁性微二聚体机器人。通过外源磁场发生装置产生不同强度、频率的磁场控制微二聚体机器人运动。通过运动信息采集单元实时采集微二聚体机器人在不同强度、频率外源磁场作用下的运动行为信息并返回PC计算模块，分析微二聚体机器人的运动姿态，并计算出微二聚体机器人失步频率时的进动角大小，从而测量出血液中的葡萄糖浓度。
如图2所示，实验研究发现，二聚体微纳机器人失步时的进动角随着血糖浓度的增加而变大，通过曲线拟合发现二者存在良好的线性关系，因此实际检测中可以通过测量血液样品中二聚体微纳机器人失步时的进动角估算血糖浓度。
其中，进一步的，微二聚体机器人的失步频率下进动角和葡萄糖浓度线性相关，在5mT磁场作用下，当葡萄糖浓度从200mg/dL上升到2000mg/dL时，进动角从4.1°上升到29.2°，固可通过对微二聚体机器人失步频率下进动角的测量确定血液中葡萄糖浓度。
其中，外源磁场发生装置包括正交分布的三组亥姆霍兹线圈组成，分别布置在空间坐标x、y和z三个轴向方向，来形成三维亥姆霍兹线圈，可以产生任意平面内的多种类型磁场。将一个中心留空的铝板作为观察平台固定在所述三组亥姆霍兹线圈中间，所述三组亥姆霍兹线圈的中心与所述观察平台中心重叠。在观察平台的中心放置载玻片，将样品滴加在载玻片上，从而可以在样品区域产生均匀的旋转磁场，保证测试的准确性和稳定性。通过调节电流的大小和频率调控三组线圈产生的磁场的强度和频率，x轴和z轴施加正弦电流时会产生xoz面内的旋转磁场用于驱动微二聚体机器人运动以反馈信息。
其中，运动信息采集单元基于生物活体多模态成像技术将采集的运动行为传输回PC控制模块以便于进一步分析计算。
其中，PC模块主要包括图像分析软件和运动指令输出软件。运动指令输出软件用于向外源磁场发生装置发出指令产生强度为5mT频率不同的磁场。使用图像分析软件，采集在不同磁场作用下微二聚体机器人的运动图像，将采集到的图像使用逐差法等方法分析微二聚体机器人的运动姿态并计算失步频率时的动进角，结合标定数据测定血液中的血糖的浓度，可测量的血糖浓度范围达到2000mg/mL。
所述磁性微二聚体机器人是由磁性Janus微球自组装形成的微二聚体。
所述失步频率为：二聚体微纳机器人受旋转磁场的驱动而同步旋转，由于液体阻力的随着转速的增加而变大，二聚体微纳机器人的转速不会随着磁场频率的增加一直增加，当二聚体微纳机器人的转速不再和磁场转速一致时发生失步现象，这时对应的磁场频率称为失步频率。
所述动进角为二聚体微纳机器人长轴和运动方向的夹角。实验研究发现失步频率下二聚体微纳机器人动进角与血液中葡萄糖浓度为斜率较大的一次函数关系。
所述磁性Janus微球的制备工艺包括以下步骤：
步骤一、将二氧化硅微球单层均匀平铺于玻璃片上；
步骤二、使用离子溅射装置在二氧化硅微球上镀100nm厚的镍层；
步骤三、使用水浴声波器将的微粒从基质中释放、洗涤三次后在去离子水中分散；
步骤四、将微粒置于2mg/ml的PEI溶液，振荡20min后，用DIW清洗3次。再将微粒首先置于2mg/ml的PSS溶液中，经DIW清洗3次后，再置于2mg/ml的PAH溶液中，此过程需6次循环。
步骤五、全血在4℃下离心，用4℃1×PBS冰水冲洗3次，洗涤后的红细胞在0.25×PBS溶液中冰浴20min，离心，收集底部粉红色物质。随后使用挤出器，是红细胞膜分别经过5μm、3μm、1μm、800nm、600m、400nm、200nm及100nm聚碳酸酯多孔膜。
步骤六、将上述处理好的花粉与红细胞膜混合，并超声2h、再继续振荡24h。
步骤七、施加外源磁场，使微球自组装形成微二聚体。
使用此工艺将红细胞膜包覆在微纳机器人表面可以有效防止微纳机器人在血液中的团聚现象。
Claims (10)
1.一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，包括外源磁场发生装置、运动信息采集单元和PC模块，其特征在于：所述外源磁场发生装置控制微二聚体机器人运动，通过运动信息采集单元采集微二聚体机器人的运动行为信息并传送给PC模块，PC模块分析微二聚体机器人的运动姿态和运动速度，通过计算微二聚体机器人失步频率时的进动角大小，测量出血液中的葡萄糖浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：所述外源磁场发生装置产生不同强度、频率的磁场控制微二聚体机器人运动。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：所述PC模块发送指令信号至外源磁场发生装置产生强度相同频率递增的旋转磁场驱动微二聚体机器人在血液中运动。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：所述外源磁场发生装置包括正交分布的三组亥姆霍兹线圈，所述三组亥姆霍兹线圈分别布置在空间坐标x、y和z三个轴向方向。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：将一个中心留空的铝板作为观察平台固定在所述三组亥姆霍兹线圈中间，所述三组亥姆霍兹线圈的中心与所述观察平台中心重叠。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：通过在x轴和z轴方向上施加正弦电流控制三组亥姆霍兹线圈产生xoz面内的旋转磁场，进而驱动微二聚体机器人运动。
7.根据权利要求6所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：所述磁性微二聚体机器人是由磁性Janus微球自组装形成的微二聚体。
8.根据权利要求7所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：所述磁性Janus微球的制备工艺包括以下步骤：
步骤一、将二氧化硅微球单层均匀平铺于玻璃片上；
步骤二、使用离子溅射装置在二氧化硅微球上镀100nm厚的镍层；
步骤三、使用水浴声波器将微粒从基质中释放、洗涤三次后在去离子水中分散；
步骤四、将微粒置于2mg/ml的PEI溶液，振荡20min后，用DIW清洗3次。再将微粒首先置于2mg/ml的PSS溶液中，经DIW清洗3次后，再置于2mg/ml的PAH溶液中，此过程需6次循环。
步骤五、全血在4℃下离心，用4℃1×PBS冰水冲洗3次，洗涤后的红细胞在0.25×PBS溶液中冰浴20min，离心，收集底部粉红色物质。随后使用挤出器，是红细胞膜分别经过5μm、3μm、1μm、800nm、600m、400nm、200nm及100nm聚碳酸酯多孔膜。
步骤六、将上述处理好的花粉与红细胞膜混合，并超声2h、再继续振荡24h。
步骤七、施加外源磁场，使微球自组装形成微二聚体。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：所述失步频率为：二聚体微纳机器人受旋转磁场的驱动而同步旋转，由于液体阻力的随着转速的增加而变大，二聚体微纳机器人的转速不会随着磁场频率的增加一直增加，当二聚体微纳机器人的转速不再和磁场转速一致时发生失步现象，这时对应的磁场频率称为失步频率。
10.根据权利要求1所述的一种基于磁性微二聚体机器人的血糖即时检测系统，其特征在于：所述动进角为二聚体微纳机器人长轴和运动方向的夹角。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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