CN114441780A - 一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法 - Google Patents
一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114441780A CN114441780A CN202111620552.9A CN202111620552A CN114441780A CN 114441780 A CN114441780 A CN 114441780A CN 202111620552 A CN202111620552 A CN 202111620552A CN 114441780 A CN114441780 A CN 114441780A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- blood
- detection
- clot
- coagulation
- time
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 230000023555 blood coagulation Effects 0.000 title claims abstract description 41
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims abstract description 86
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims abstract description 86
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 claims abstract description 40
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 241001552669 Adonis annua Species 0.000 claims abstract description 13
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 29
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 18
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- 239000000701 coagulant Substances 0.000 claims description 10
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 claims description 9
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000003146 anticoagulant agent Substances 0.000 claims description 8
- 229940127219 anticoagulant drug Drugs 0.000 claims description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 239000001509 sodium citrate Substances 0.000 claims description 4
- NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K sodium citrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[Na+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000003708 edge detection Methods 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 claims description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 15
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 238000009736 wetting Methods 0.000 abstract description 6
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000474 nursing effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 16
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 13
- 230000035602 clotting Effects 0.000 description 12
- 108010049003 Fibrinogen Proteins 0.000 description 10
- 102000008946 Fibrinogen Human genes 0.000 description 10
- 229940012952 fibrinogen Drugs 0.000 description 10
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 description 9
- 206010053567 Coagulopathies Diseases 0.000 description 9
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 description 9
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- HTTJABKRGRZYRN-UHFFFAOYSA-N Heparin Chemical compound OC1C(NC(=O)C)C(O)OC(COS(O)(=O)=O)C1OC1C(OS(O)(=O)=O)C(O)C(OC2C(C(OS(O)(=O)=O)C(OC3C(C(O)C(O)C(O3)C(O)=O)OS(O)(=O)=O)C(CO)O2)NS(O)(=O)=O)C(C(O)=O)O1 HTTJABKRGRZYRN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229960002897 heparin Drugs 0.000 description 7
- 229920000669 heparin Polymers 0.000 description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 7
- 108010094028 Prothrombin Proteins 0.000 description 4
- 102100027378 Prothrombin Human genes 0.000 description 4
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 4
- 229940039716 prothrombin Drugs 0.000 description 4
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 102000015081 Blood Coagulation Factors Human genes 0.000 description 2
- 108010039209 Blood Coagulation Factors Proteins 0.000 description 2
- 208000032843 Hemorrhage Diseases 0.000 description 2
- 108090000190 Thrombin Proteins 0.000 description 2
- 208000007536 Thrombosis Diseases 0.000 description 2
- 208000034158 bleeding Diseases 0.000 description 2
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 2
- 239000003114 blood coagulation factor Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 2
- 239000000539 dimer Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 229960004072 thrombin Drugs 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012442 analytical experiment Methods 0.000 description 1
- 230000010100 anticoagulation Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000003759 clinical diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000007820 coagulation assay Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003366 endpoint assay Methods 0.000 description 1
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000013610 patient sample Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000003805 procoagulant Substances 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/86—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving blood coagulating time or factors, or their receptors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
- B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
- B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
- B01L2200/02—Adapting objects or devices to another
- B01L2200/026—Fluid interfacing between devices or objects, e.g. connectors, inlet details
- B01L2200/027—Fluid interfacing between devices or objects, e.g. connectors, inlet details for microfluidic devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
- B01L2200/10—Integrating sample preparation and analysis in single entity, e.g. lab-on-a-chip concept
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2300/00—Additional constructional details
- B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
- B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
- B01L2300/0645—Electrodes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2300/00—Additional constructional details
- B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
- B01L2300/0887—Laminated structure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2300/00—Additional constructional details
- B01L2300/12—Specific details about materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2300/00—Additional constructional details
- B01L2300/16—Surface properties and coatings
- B01L2300/161—Control and use of surface tension forces, e.g. hydrophobic, hydrophilic
- B01L2300/165—Specific details about hydrophobic, oleophobic surfaces
- B01L2300/166—Suprahydrophobic; Ultraphobic; Lotus-effect
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hematology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法。本发明所述检测系统根据介电润湿效应来驱动血液液滴，进行血液样本测试和分析。本发明首次提出一种新的用于临床上凝血功能检测的方法，通过PCB板的数字微流控技术驱动血液液滴，动态监测血液样本，分别计算液滴的速度和长度，计算血液的凝固时间和凝块的刚度，获得的实验结果与商业化标准仪器测量结果具有相关性和一致性，证明该方法具有很大的应用前景。此外，本发明检测系统具有小型化、便携式、低成本、血液样本试剂量少、检测时间短等优势，可用于围手术期护理、重症护理、创伤急救现场等即时诊断场合，在即时诊断(POCT)场合具有非常大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域。具体地，涉及一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法。
背景技术
凝血监测对于出血性和血栓性疾病的诊断、围手术期护理、急救护理等非常重要。目前，临床上凝血检测以基于时间的凝血四项为主，其主要集中在两方面进行评估。一方面是基于凝血时间的终点检测，如凝血酶原时间(prothrombin time，PT)，凝血酶时间(thrombin time，TT)，活化部分凝血酶原时间(activated partial thromboplastintime，APTT)。另一方面涉及到生化功能和测量相关蛋白质的浓度，如凝血因子(Clotingfactors)、纤维蛋白原(fibrinogen，FIB)、D-二聚体(dimer)。
尽管这些检测已经应用于常规的临床诊断，但是仍然具有一定的局限性。首先，尽管凝血过程中生成凝块的机械性能能够极大地影响凝血性能的有效性，但是在常规的凝血检测中很少对这一方面进行测量。有研究表明，由于凝块的稳定性不足，一些患者出现过多出血，但凝血正常。其次，检测使用的样本是血浆，无法检测细胞成分对凝血功能的影响。再次，现有的凝血检测大多在临床实验室进行，检测时间长(>4h)，样本消耗量大(～3mL)。在许多临床环境下，例如危重病护理、围手术期护理和儿科护理，需要在较短的时间内对患者做出应对措施。此外，由于多个检测通常都是单独进行的，对于血液消耗量可能会达到一个很高的水平。
为了弥补凝血四项的不足，研究人员提出血栓弹力图仪(TEG)进行凝血检测，虽然可以有效的评估血液的粘弹性，然而这些设备成本高、体积较大、操作较复杂等缺点。因此，开发出小型化、便携式、低成本的凝血检测装置可以弥补TEG检测的不足，同时适应于即时诊断场合(POCT)。
微流控技术具有体积小、样本消耗少、集成程度高等优点，为即时诊断凝血分析提供了有力的工具，但目前报道的微流控凝血装置使用液滴微流控、声波、光学、微孔阵列、机械共振等工作，其实现依赖于注射泵、声学传感器、荧光显微镜等复杂仪器，限制了它们的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种用于即时凝血功能检测的检测系统。
本发明的第二个目的在于提供所述检测系统在血液凝血功能检测中的应用。
本发明的第三个目的在于提供一种基于所述检测系统的凝血功能检测方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：
一种用于凝血功能检测的检测系统，包括单片机控制模块、高压驱动模块、数字微流控芯片及数字显微镜；所述单片机控制模块与高压驱动装置相连，用于向高压驱动模块提供驱动信号；所述高压驱动模块与数字微流控芯片相连，用于向数字微流控芯片提供对电极层电极阵列上的血液液滴进行驱动的驱动电压；所述数字微流控芯片置于数字显微镜镜头下，其由下至上包括基底、嵌在基底上的电极层、覆盖在电极层上的介电层及设在介电层上的疏水层组成；所述数字显微镜用于监测数字微流控芯片电极阵列上血液液滴的运动情况来进行凝血分析。
本发明上述包含数字微流控芯片的检测系统，根据介电润湿效应来驱动液滴，可通过高低电平转换，操控全血血液液滴在电极阵列上往复运动，使得血液液滴能够顺利在该系统中被驱动，通过监测血液液滴的运动情况来进行凝血分析，通过血液液滴的速度和长度来反映凝块的凝固时间和凝块的刚度。随着凝血过程的启动，血液液滴在运动的时候速度逐渐减慢，速度的动态曲线可反应凝血发生需要的时长；待血液液滴呈固态而停止运动之后，受到外力的拉伸，液滴仍然具有运动的趋势，其液滴拉伸的长度可用于反映形成凝块的刚度。
优选地，所述系统还包括个人计算机，其输出端连接单片机模块，用于向单片机模块发送控制命令，其输入端连接数字显微镜，用于接受数字显微镜反馈的信号并进行处理：通过血液液滴运动速度的动态曲线来反映凝血发生需要的时长，计算血液的凝固时间；通过血液液滴呈固态而停止运动后，在电极阵列上的拉伸长度来反映形成凝块的刚度，计算凝块的刚度。
优选地，所述系统还包括与高压驱动模块相连的电压放大器，用于提高高压驱动模块信号电压。
优选地，所述基底采用PCB板。
优选地，所述介电层采用封口膜。
优选地，所述疏水层采用硅油。硅油同时可以作为润滑剂，降低液滴的驱动阻尼，使驱动电压下降，而且可以减少液滴的蒸发。
优选地，所述数字微流控芯片还包括最外层的盖板。
因此本发明还提供上述任一所述检测系统在血液凝血功能检测中的应用。
本发明还提供一种基于上述任一所述检测系统的凝血功能检测方法，包括如下步骤：
S1.获取含有柠檬酸钠抗凝剂的血液，将血液样本滴加到数字微流控芯片的电极阵列上；
S2.通过个人计算机向单片机模块下发控制命令，由单片机模块控制高压驱动模块来对数字微流控芯片的电极阵列提供驱动电压，驱动血液液滴在固定的路径运动，在运动的过程中添加促凝剂，通过数字显微镜监测数字微流控芯片电极阵列上血液液滴的运动情况进行图像采集；
S3.对采集的图像进行分析，分别计算血液液滴的速度和长度，以此计算血液的凝固时间和凝块的刚度。
优选地，所述计算血液的凝固时间和凝块的刚度的方法为：选择或合成一帧空白的只有数字微流控芯片电极阵列作为背景图，并用背景减去每一帧，然后对生成的图像进行边缘检测、小对象去除、形态闭合和填充以及形状检测，得到只有血液液滴的图像，然后对血液液滴进行数据处理；使用截止频率为0.8Hz的四阶高通巴特沃斯滤波器，对测得的速度数据进行滤波分析，然后将得到的速度的数据进行Boltzamann-sigmoid函数进行拟合，其拟合函数如下公式(1)所示：
其中Vi为初始速度，Vf为最终速度，t0是速度下降周期的中心时间，τ是时间常数，将反应时间RT定义为血液液滴的速度开始减慢至0.99Vi所需要的时间，然后血液液滴逐渐静止，当速度为0.01Vi之后，开始计算凝块的长度以及凝块的变形；通过计算血液液滴长度上包络线和下包络线，并计算其差值与下包络线的比值作为瞬时应变，应变的平均值被定义为凝块变形，以指示凝块的变形能力。
优选地，所述驱动电压为230V，刷新率为1Hz。在保证检测结果的有效性的同时实现低成本、低功耗的目的。
优选地，所述促凝剂为0.1～0.2M CaCl2溶液，与血液液滴的体积比1：17。
优选地，为在室温(～25℃)下进行分析，以降低温度控制成本。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法，所述检测系统根据介电润湿效应来驱动血液液滴，进行血液样本测试。本发明首次提出一种新的用于临床上凝血功能检测的方法，通过PCB板的数字微流控技术驱动血液液滴，动态监测全血血液液滴在数字微流控上的运动信息，通过实时采集图像并进行分析，分别计算血液液滴的速度和长度，以此来反映血液的凝固时间和凝块的刚度，获得的实验结果与商业化标准仪器测量结果具有较好的相关性与一致性，反应时间RT可作为凝血检测的某些关键指标，凝块应变可以代表凝块的机械硬度，证明该方法具有很大的应用前景。此外，本发明发明检测系统具有小型化、便携式、低成本、血液样本试剂量少(仅需要17μL)、检测时间短(～15min)等优势，可用于围手术期护理、重症护理、创伤急救现场等即时诊断场合，在即时诊断(POCT)场合具有非常大的应用前景。
附图说明
图1为基于PCB板的数字微流控芯片的单板或双板结构示意图。
图2为用于凝血功能检测的检测系统示意图。
图3为凝血检测技术的示意图。(a)基于PCB板数字微流控芯片即时凝血检测技术的效果图；(b)血液液滴在电极阵列上的运动状态图，t1是凝血初期，t2是凝血中期，t3是凝血末期；(c)血液液滴速度和长度的处理过程，图中1、3是原始数据，图2、4是处理后的数据。
图4为电压大小和刷新率的刷新对分析实验的影响。(a)当电压设置为200、230、260、290V时，血液液滴的运动速度和反应时间；(b)不同电压下反应时间条形图；(c)凝块变形随电压大小变化的条形图，数据表示平均值±标准差，n＝3；(d)刷新率设置为0.1、1、2、4Hz时，血液液滴的运动速度大小；(e)不同刷新率下反应时间条形图；(f)凝块变形随刷新率变化的条形图，数据表示平均值和标准差，n＝3。
图5为CaCl2浓度和温度对测定结果的影响。(a)添加0、0.1、0.2M CaCl2之后血液液滴的时间速度大小；(b)反应时间随CaCl2浓度变化的条形图；(c)凝块的变形随CaCl2浓度变化的条形图，数据表示平均值±标准差，n＝3；(d)在25℃和37℃下测量血液液滴的时间速度大小；(e)在25℃和37℃下反应时间的条形图；(f)凝块的变形随温度变化的条形图，数据表示平均值±标准差，n＝3。
图6为促凝剂和抗凝剂对凝血结果的影响。(a)使用促凝剂Kaolin和抗凝剂Heparin治疗的血液液滴的时间速度大小；(b)使用促凝剂Kaolin和抗凝剂Heparin治疗的血液液滴的反应时间；(c)使用促凝剂Kaolin和抗凝剂Heparin治疗的血液液滴的凝块变形。
图7为实验数据与凝血四项指标相关性分析。(a)RT(反应时间)与PT(凝血酶原时间)相关性分析，Pearsom’s相关系数为0.89；(b)应变(Stain)与FIB相关性分析，Pearsom’s相关系数为-0.89。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1基于PCB板的数字微流控芯片的制备
如图1所示，一种基于PCB板的数字微流控芯片，采用单板或双板结构；所述单板结构由下至上，包括基底、嵌在基底上的电极层、覆盖在电极层上的介电层、设在介电层上的疏水层及疏水层中的零电极组成；所述双板结构由上下极板组成，上下极板之间有间隙；下极板由下至上，包括基底、嵌在基底上的电极层、覆盖在电极层上的介电层、设在介电层上的疏水层及疏水层中的零电极组成；上极板由下至上，包括疏水层和ITO玻璃。使用PCB板用作基底、沉金制作电极层、封口膜用作介电层、硅油用作疏水层。所述数字微流控芯片在PCB板基底上设置电极层，在电极层表面涂覆一层具有较好疏水性能的介电材料来防止电极与导电液滴直接接触，避免电极与液滴之间产生电化学反应，再设置一层疏水层可以保证液滴运动过程的平滑和稳定。所述基于PCB板的数字微流控芯片根据介电润湿效应来驱动液滴，通过对嵌在介电层下的电极层的电极阵列施加电压来改变介电层与附着于其表面导电液滴间的润湿特性，使液-固接触角发生变化，造成液滴两端不对称形变，促使液滴内部产生压强差，从而实现对液滴的运动。
实施例2用于凝血功能检测的检测系统与检测方法
将上述实施例1的基于PCB板的数字微流控芯片与图像收集和处理平台结合起来搭建一套用于凝血功能检测的检测系统，通过电压驱动血液液滴在电极阵列上来回运动，同时监测血液的运动情况来进行凝血分析，通过MATLAB 2020a、ORIGIN 2020等软件进行图像处理和数据输出。
所述用于凝血功能检测的检测系统如图2所示，包括人计算机、单片机控制模块、高压驱动模块、高压放大器、基于PCB板的数字微流控芯片及数字显微镜。所述个人计算机的输出端连接单片机模块，用于向单片机发送控制命令，所述个人计算机的输入端连接数字显微镜，用于接受数字显微镜反馈的信号进行处理；所述单片机连接高压驱动模块，用于向高压驱动模块提供驱动信号；所述高压驱动模块连接数字微流控芯片，用于向数字微流控芯片提供对电极阵列上的血液液滴进行驱动的驱动电压；所述信号放大器连接高压驱动模块，用于提高高压驱动模块信号电压；所述基于PCB板的数字微流控芯片置于数字显微镜镜头下；所述数字显微镜用于监测数字微流控芯片上血液液滴的运动情况来进行凝血分析。
所述根据检测系统介电润湿效应，通过电压驱动血液液滴在数字微流控芯片的电极阵列上来回运动，同时监测血液的运动情况来进行凝血分析，如图3(a)所示。血液液滴在运动过程中有三个不同的阶段，如图3(b)所示，分为流动阶段、过渡阶段、稳定阶段。在流动阶段，此时刚刚加入凝血试剂CaCl2，启动凝血过程，血液液滴的粘性较小，血液液滴能够平稳的移动，经过几分钟的运动之后，血液液滴的粘性增加，速度逐渐降低，直到血液液滴变成凝块并停止运动，这个阶段称之为过渡阶段。血液液滴停止运动之后，虽然血液液滴基本上没有位移，但是仍然受到电场力的拉伸运动，这个阶段称之为稳定阶段。速度的动态曲线可反应凝血发生需要的时长；血液液滴受电场力拉伸的长度可用于反应形成凝块的刚度。
具体地，采用所述检测系统进行检测的步骤具体如下所示：
S1.从医院取得的含有柠檬酸钠抗凝剂的血液，先将血液样本滴加到数字微流控芯片的电极阵列上；
S2.通过个人计算机向单片机模块下发控制命令，由单片机模块控制高压驱动模块来对数字微流控芯片的电极阵列提供驱动电压，然后驱动血液液滴在固定的路径运动，在运动的过程中添加促凝剂，通过数字显微镜监测数字微流控芯片电极阵列上血液液滴的运动情况进行图像采集；
S3.对采集的图像进行分析，使用MATLAB编写的程序和DMV软件对实验视频进行分析，分别计算液滴的速度和长度，以此计算血液的凝固时间和凝块的刚度：在DMV软件中，选择或合成一帧空白的只有数字微流控芯片电极阵列作为背景图，并用背景减去每一帧，然后对生成的图像进行边缘检测、小对象去除、形态闭合和填充以及形状检测，得到只有血液液滴的图像，然后对血液液滴进行数据处理；为了获得运动速度的大小，使用截止频率为0.8Hz的四阶高通巴特沃斯滤波器，将DMV中测得的速度数据进行滤波分析，图3(c)所示，然后将得到的速度的数据进行Boltzamann-sigmoid函数进行拟合，其拟合函数如下公式(1)所示：
其中Vi为初始速度，Vf为最终速度，t0是速度下降周期的中心时间，τ是时间常数，将反应时间(RT)定义为血液液滴的速度开始减慢至0.99Vi所需要的时间，然后血液液滴逐渐静止，当速度为0.01Vi之后，开始计算凝块的长度以及凝块的变形；通过计算血液液滴长度上包络线和下包络线，并计算其差值与下包络线的比值作为瞬时应变，应变的平均值被定义为凝块变形，以指示凝块的变形能力。
实施例3凝血功能检验方法的优化与验证
基于上述实施例2所述用于凝血功能检测的检测系统及检测方法。对该检测系统的硬件部分和分析实验的生化参数进行优化，探究了驱动电压、刷新率、温度、促凝剂和抗凝剂等对凝血实验的影响。
1、试验参数优化
(1)关于PCB板数字微流控芯片的硬件设置，电极的电压大小和电压信号的刷新率是影响测量的主要参数。电压的大小会影响电场强度，从而影响血液液滴运动的驱动力，这可能会对凝血实验产生一定的影响。系统地调整了电压大小，并进行了凝血实验。结果表明，当电压低于200V时，由于驱动力不足，血液液滴无法正常在电极阵列上运动。当电压高于200V时，液滴速度随着电压地升高而增大(如图4a所示)，这可能是因为电压越高，介电润湿效应越明显。然而，根据反应时间(RT)和凝块变形，电压值对凝血实验的进展和生成凝块的变形没有显著的影响，这在每个电压下没有显著差异(如图4b，4c所示)。
(2)电极电压的刷新率决定了每个电压信号的持续时间，从而决定了每个血滴位移的持续时间。在较高的刷新率下，血滴可能会移动得更快，从而经历更高的剪切速率，这可能会影响凝血反应的进展和产生的凝块的硬度。将刷新率设置为0.5、1、2和4Hz，并进行凝血试验。随着电压切换速度的加快，看到了预期的速度幅度的增加(图4d)。根据每个刷新率计算的反应时间没有显著差异，表明凝血趋势可能没有显著影响(图4e)。然而，随着刷新率的增加，观察到凝块变形的增加(图4f)。例如，当刷新率为0.5Hz时，凝块变形为(3.9±0.9)％显著小于4Hz时的(5.6±0.6)％。这些结果表明，分析结果可能对电压设置和电压刷新率的依赖性较弱。出于低成本、低功耗的角度出发，选择230V的驱动电压，1Hz的刷新率进行后续的实验。
(3)关于分析的生化设置，CaCl2的浓度和实验温度是直接影响测量的参数。通过添加0，0.1，0.2M CaCl2溶液来检验CaCl2溶液对血液液滴凝固的影响，按照体积比1：17将CaCl2加入到血液液滴中并进行分析。当不存在CaCl2时，含有柠檬酸钠的血液液滴在电极阵列上持续运动而不会凝固(如图5a所示)。当加入0.1M CaCl2之后，在实验开始170s后速度开始下降，这表明血液液滴运动的中断是由血液凝固引起的。相比之下，添加0.2M CaCl2随后触发速度的下降，反应时间约为230s，这与之前报告的工作一致(如图5b，5c所示)。就可变形性而言，0.1M和0.2M都显示约5％的凝块变形，无显著的差异。这些结果表明，在之后的实验中应该将CaCl2标准化，以保证可重复测量。
(4)温度影响酶的活性，从而对凝血反应产生很大影响。在25℃和37℃温度下进行分析，分别代表室温和体温。正如预期的那样，37℃下的凝固过程比25℃快得多，测得的反应时间为41.3±10.1s，显著小于239.7±21(如图5e所示)。然而，速度量级的追踪显示出类似的动力学，表明低温只延迟了反应时间而不改变趋势。相比之下，凝块变形能力没有显著差异(如图5f所示)，37℃时计算的凝块变形为(5.0±0.7)％，25℃时计算的凝块变形为(4.6±0.7)％。这些结果表明，在延长分析时间的权衡下，可以在25℃下进行分析，以降低温度控制成本。
2、试验结果验证
为了验证实施例2所述用于凝血功能检测的检测系统及检测方法能否区分高凝和低凝血样的能力，使用促凝剂高岭土(Kaolin，5mg/mL)或抗凝剂肝素(Heparin，8U/mL)预处理血液样本，作为模拟临床样本。结果表明，用高岭土预处理的血液样本显示出加速凝血过程(如图6a，，6b所示)，其反应时间53.7±28.0s，显著大于对照组171.5±51.6s。尽管Kaolin处理导致凝血过程发生改变，但生成的凝块显示出相似的变形能力(如图6c所示)，Kaolin实验组和对照组的凝块变形分别为(7.0±1.2)％和(9.0±4.8)％。虽然Kaolin加速了凝块的形成，但是对凝块的稳定性几乎没有影响，这与报道的结果一致。相反，在Heparin处理的样本中，血液在整个分析过程中持续移动，没有显示减速和形成凝块，这与Heparin的强抗凝作用一致。
为了进一步验证实施例2所述用于凝血功能检测的检测系统及检测方法的临床相关性，在设置好的参数下面进行凝血实验，将实验中测得的反应时间(RT)和应变(Strain)与临床上凝血四项中的PT(凝血酶原时间)、FIB(纤维蛋白原浓度)等进行相关性分析，PT评估血液样本的凝血趋势，它应该与本发明实验当中的RT(反应时间)相关，FIB测量的是血液中纤维蛋白原的浓度，并影响所产生血栓的稳定性，它应该与本发明实验中测得的Strain(应变)有关，其分析结果如图7所示。
通过使用实施例2的检测系统和检测方法检测了11例患者样本，同时使用商业化标准仪器测量凝血酶时间(PT)和纤维蛋白原浓度(FIB)。通过相关性分析发现，实验中的RT值与临床上凝血四项中的PT具有很强的相关性，皮尔森(pearson)相关系数为0.89019，说明这两者之间有着很强的正相关性(如图7a所示)，这表明本发明测得的RT可以作为凝血检测的某些关键指标。同时测得的应变与临床上凝血四项中的FIB具有很强的相关性，皮尔森(pearson’s)相关系数为-0.89652，说明这两者之间有很强的负相关性(如图7b所示)，在本发明的分析中测得的凝块应变确实可以代表凝块的机械硬度，表明本发明成功开发了一种新的用于临床即时凝血诊断技术，具有低成本、便携式、检测时间迅速等优势，可用于围手术期护理、重症护理、创伤急救现场等即时诊断场合。
Claims (10)
1.一种用于凝血功能检测的检测系统，其特征在于，包括单片机控制模块、高压驱动模块、数字微流控芯片及数字显微镜；所述单片机控制模块与高压驱动模块相连，用于向高压驱动模块提供驱动信号；所述高压驱动模块与数字微流控芯片相连，用于向数字微流控芯片提供对电极层电极阵列上的血液液滴进行驱动的驱动电压；所述数字微流控芯片置于数字显微镜镜头下，其由下至上包括基底、嵌在基底上的电极层、覆盖在电极层上的介电层及设在介电层上的疏水层组成；所述数字显微镜用于监测数字微流控芯片电极阵列上血液液滴的运动情况来进行凝血分析。
2.根据权利要求1所述检测系统，其特征在于，还包括个人计算机，其输出端连接单片机模块，用于向单片机模块发送控制命令，其输入端连接数字显微镜，用于接受数字显微镜反馈的信号并进行处理。
3.根据权利要求1所述检测系统，其特征在于，所述基底采用PCB板。
4.根据权利要求1所述检测系统，其特征在于，所述介电层采用封口膜。
5.根据权利要求1所述检测系统，其特征在于，所述疏水层采用硅油。
6.权利要求1～5任一所述检测系统在血液凝血功能检测中的应用。
7.一种基于权利要求1～5任一所述检测系统的凝血功能检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.获取含有柠檬酸钠抗凝剂的血液，将血液样本滴加到数字微流控芯片的电极阵列上；
S2.通过个人计算机向单片机模块下发控制命令，由单片机模块控制高压驱动模块来对数字微流控芯片的电极阵列提供驱动电压，驱动血液液滴在固定的路径运动，在运动的过程中添加促凝剂，通过数字显微镜监测数字微流控芯片电极阵列上血液液滴的运动情况进行图像采集；
S3.对采集的图像进行分析，分别计算血液液滴的速度和长度，以此计算血液的凝固时间和凝块的刚度。
8.根据权利要求7所述凝血功能检测方法，其特征在于，所述计算血液的凝固时间和凝块的刚度的方法为：选择或合成一帧空白的只有数字微流控芯片电极阵列作为背景图，并用背景减去每一帧，然后对生成的图像进行边缘检测、小对象去除、形态闭合和填充以及形状检测，得到只有血液液滴的图像，然后对血液液滴进行数据处理；使用截止频率为0.8Hz的四阶高通巴特沃斯滤波器，对测得的速度数据进行滤波分析，然后将得到的速度的数据进行Boltzamann-sigmoid函数进行拟合，其拟合函数如下公式(1)所示：
其中Vi为初始速度，Vf为最终速度，t0是速度下降周期的中心时间，τ是时间常数，将反应时间RT定义为血液液滴的速度开始减慢至0.99Vi所需要的时间，然后血液液滴逐渐静止，当速度为0.01Vi之后，开始计算凝块的长度以及凝块的变形；通过计算血液液滴长度上包络线和下包络线，并计算其差值与下包络线的比值作为瞬时应变，应变的平均值被定义为凝块变形，以指示凝块的变形能力。
9.根据权利要求7所述凝血功能检测方法，其特征在于，所述驱动电压为230V，刷新率为1Hz。
10.根据权利要求7所述凝血功能检测方法，其特征在于，所述促凝剂为0.1～0.2MCaCl2溶液，与血液液滴的体积比1：17。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111620552.9A CN114441780A (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111620552.9A CN114441780A (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114441780A true CN114441780A (zh) | 2022-05-06 |
Family
ID=81366297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111620552.9A Pending CN114441780A (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114441780A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105903064A (zh) * | 2016-04-12 | 2016-08-31 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种壳聚糖微球及其制备方法和应用 |
| CN107923927A (zh) * | 2015-08-28 | 2018-04-17 | 夏普生命科学（欧洲）有限公司 | 液滴微流控设备及感测其中的测定结果的方法 |
| CN109557149A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-04-02 | 大连大学 | 基于pcb板的数字微流控芯片及病原体免疫检测方法 |
| CN110665554A (zh) * | 2019-09-30 | 2020-01-10 | 浙江大学 | 基于聚合物复合薄膜快速制备双层dmf芯片及制备方法 |
-
2021
- 2021-12-27 CN CN202111620552.9A patent/CN114441780A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107923927A (zh) * | 2015-08-28 | 2018-04-17 | 夏普生命科学（欧洲）有限公司 | 液滴微流控设备及感测其中的测定结果的方法 |
| CN105903064A (zh) * | 2016-04-12 | 2016-08-31 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种壳聚糖微球及其制备方法和应用 |
| CN109557149A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-04-02 | 大连大学 | 基于pcb板的数字微流控芯片及病原体免疫检测方法 |
| CN110665554A (zh) * | 2019-09-30 | 2020-01-10 | 浙江大学 | 基于聚合物复合薄膜快速制备双层dmf芯片及制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DANIEL BRUCE ET AL.: "How to Stabilize Protein: Stability Screens for Thermal Shift Assays and Nano Differential Scanning Fluorimetry in the Virus-X Project", 《JOURNAL OF VISUALIZED EXPERIMENTS》, 11 February 2019 (2019-02-11), pages 1 - 11 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11293848B2 (en) | Methods, devices, and systems for measuring physical properties of fluid | |
| US7857761B2 (en) | Acoustic blood analyzer for assessing blood properties | |
| JP3392871B2 (ja) | 流体試料の粘性変化を分析するための装置およびその分析方法 | |
| Yeom et al. | Microfluidic-based speckle analysis for sensitive measurement of erythrocyte aggregation: A comparison of four methods for detection of elevated erythrocyte aggregation in diabetic rat blood | |
| JP2010217190A (ja) | 流体サンプルの凝固を分析するシステム、方法およびコンピュータ実施プロセス | |
| WO2011049601A2 (en) | Piezoelectric coagulation sensors | |
| CN111551701B (zh) | 一种用于检测凝块收缩力的柔性微柱环阵列及其制备方法和应用 | |
| Chen et al. | Point-of-care blood coagulation assay based on dynamic monitoring of blood viscosity using droplet microfluidics | |
| Li et al. | Point-of-care blood coagulation assay enabled by printed circuit board-based digital microfluidics | |
| JP2024112856A (ja) | 流体の性質を測定するデバイスおよび方法 | |
| EP2981818A1 (en) | Apparatus for analyzing the process of formation of aggregates in a biological fluid and corresponding method of analysis | |
| US11815506B2 (en) | Apparatus, systems and methods for integrative photo-optical/mechanical test for noncontact measurement of polymerization | |
| WO2011101815A1 (en) | An apparatus and a method for the measurement of erythrocyte aggregation using disposable capillary tubes | |
| CN114441780A (zh) | 一种用于即时凝血功能检测的检测系统及检测方法 | |
| US5783447A (en) | Hypercoagulability comparative determinants obtained using detection systems with variable force-induced energy inputs | |
| CN114137042A (zh) | 一种基于电激励振动获取血栓弹力图的方法 | |
| CN117907391A (zh) | 微流控单面无极压电石英晶体凝血传感器 | |
| Ramaswamy et al. | Microfluidic device to perform impedometric detection of Activated Partial Thromboplastin Time of blood | |
| Lakshmanan et al. | Novel Smartphone-Based Optical Point-of-Care Method for Blood Coagulation Monitoring |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |