CN1327209C - 流式成像颗粒测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明分开了一种流式成像颗粒测量装置和测量方法。测量装置包括由光源、第一透镜、光阑、半透半反镜、挡光板、第二透镜、反光镜、第三透镜组成光路系统，鞘流喷嘴，由光敏器、放大器、触发信号发生器、CCD摄像机、视频接口和计算机组成电路系统。测量方法包括稀释被测样本，将稀释后的样本经鞘流喷嘴喷射过观测区，光敏器拾取被测样本内颗粒产生的散射光，经放大器放大后输至触发信号发生器，触发CCD摄像机对观测区拍摄，计算机内的公知软件系统对图像进行处理识别等步骤。本发明测量装置和测量方法，在有颗粒进入观测区时，产生触发信号，CCD摄像机才对单个颗粒或细胞分别成像并通过形态辨识细胞，能够避免同一个颗粒或细胞可能会在两张或多张照片上成像的现象。

Description

流式成像颗粒测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及颗粒测量技术，具体是一种流式成像颗粒测量装置和测量方法。

背景技术

工农业生产、科学研究及科学实验、医学研究及医学临床、以及制药、化工、石油加工工业等诸多领域中都用到颗粒测量技术。例如：石油加工过程中测量成品油中的颗粒，水净化过程中测量水中颗粒，环境科学中检查海水赤潮或河水污染，医学临床上测量血液细胞的个数、大小和白细胞分类、尿液沉渣检查等等。限于现有技术所遵循的检测原理的局限，现有的测量仪器大多只能根据被测颗粒的导电性或光散射特性间接测量，颗粒的表面粗糙度、形态(形状)等等均影响测量精度。因而现有仪器只能从统计学角度检查出颗粒有无和颗粒分群，测量精度不高，受影响因素多，无法快速且大量地检出每个颗粒个体到底是什么。

现有颗粒测量技术主要有手工和自动显微镜涂片检查，库尔特电阻抗方法，和激光流式细胞仪技术。手工和自动显微镜涂片检查如图1所示，它是将一滴血液涂在特制的玻璃片上，肉眼通过显微镜观察计数。而自动显微镜涂片检查则是用机器替代手工涂片、用电子显微镜对涂片成像、电脑软件自动识别细胞。代表产品有中科恒业科技有限公司血液细胞分析系统、日本东亚公司的SP-100等。该方法的不足是标本前期处理时间长，处理速度慢，观察的血细胞数目有限，仅限于血液病检查和教学，尚不能应用于门诊检查。

库尔特电阻抗方法如图2所示，201是恒流源，202是外电极，203是样品杯，204是小孔(读数孔)，205是小孔管，206是样本悬浮液，207是内电极。1953年提出的库尔特原理是基于细胞不导直流电的特性。在液流作用下当细胞通过浸没在导电盐溶液中的微孔(约70μm孔径100μm长)时，微孔两侧的电极之间电阻就发生变化，该变化幅度与细胞体积相关。多年来，以库尔特原理制成的血细胞计数分析仪被大量地用于临床检验。虽然库尔特、Sysmex等公司在库尔特原理的基础上做了许多改进但该方法难以摆脱其尴尬局面，即对正常血标本其结果接近实际，对需要严格血液检查的异常标本其结果与实际偏差较大，临床门诊符合率只有50％，即有一半的血液标本在用库尔特血球计数仪检查后还应该做显微镜检查。

激光流式细胞仪技术如图3所示，301是流动室，302是喷嘴，303是样本，304是鞘液，305是激光器，306是前向散射光探测器，307、308是测向散射光探测器，307是光电倍增管2，308是光电倍增管。它是基于瑞利(Rayleigh)散射定律研制而成的，即散射光强与颗粒的大小相关。只要检测出颗粒经过光区时前向散射或侧向散射光强就能够测出颗粒大小。Coulter，Sysmex等多家公司把库尔特阻抗法和激光散射法结合在一起，开发出新一代的血液分析仪，通过散点图对细胞分类，精度大为提高。激光流式细胞技术根据细胞产生的散射光光强对测量细胞大小，对细胞计数是可靠的，但对体积测量和分类有不足之处。第一，从细胞体积测量上看，细胞表面的粗糙度、细胞核形状及大小、细胞质的透光性不同均影响测量精度。第二，从白细胞细胞分类上看，因同一个细胞在其生长的不同时期体积是不同的，不同种类的白细胞体积上有交叉，例如：初生的淋巴细胞可能和晚期的单核细胞体积相同或相近，流式细胞仪要将它们区分开来就需要加特殊的染色剂，靠荧光来识别，增加了仪器的复杂程度。即使这样，临床效果也不太理想。对血液病病人仍要用传统显微镜涂片用肉眼对细胞形态进行识别而最后确诊。另外，激光流式细胞仪也不能对细胞成像。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是，克服现有技术存在的不足，提供一种能够对单个颗粒分别成像并通过形态辨识颗粒的测量装置；本发明所要解决的第二个技术问题是，提供一种能够对单个颗粒分别成像并通过形态辨识颗粒的测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明的流式成像颗粒测量装置，包括光路系统、鞘流喷嘴和电路系统。所述的光路系统依次设置有光源、第一透镜、光阑、半透半反镜，半透半反镜的透射光路上依次设置有挡光板、第二透镜，半透半反镜的反射光路上依次设置有反光镜、第三透镜；所述的鞘流喷嘴用于将稀释后的被测样本喷射过光路系统内所述光阑与半透半反镜之间的光路；光源发出的单色光经第一透镜聚焦和光阑照亮被测样本液流形成观测区；所述的电路系统由光敏器、放大器、触发信号发生器、CCD摄像机、视频接口和计算机组成；当被测样本内有颗粒进入观测区时，颗粒产生散射光，散射光经第二透镜外沿聚焦到光敏器，光敏器拾取散射光信号，经放大器放大后输至触发信号发生器，产生触发信号，触发CCD摄像机对观测区拍摄，图像数据经视频接口传到计算机；当被测样本内没有颗粒进入观测区时，观测区的光被挡光板全部遮挡，不能通过第二透镜，光敏器检测不到散射光，触发信号发生器不产生触发信号，CCD摄像机处于不工作状态。

为了解决上述技术问题，本发明的流式成像颗粒测量方法，包括以下步骤：

(1)在一个定容装置内，稀释被测样本；

(2)接通流式成像颗粒测量装置的电源；

(3)将稀释后的样本经鞘流喷嘴喷射过观测区；

(4)当被测样本内没有颗粒进入观测区时，观测区的光被挡光板全部遮挡，不能通过第二透镜，光敏器检测不到散射光，触发信号发生器不产生触发信号；当被测样本内有颗粒进入观测区时，颗粒产生散射光，散射光经第二透镜外沿聚焦到光敏器，光敏器拾取散射光信号并产生电信号，电信号经放大器放大后输至触发信号发生器，产生触发信号，触发CCD摄像机对观测区拍摄；

(5)CCD摄像机拍摄的图像数据经视频接口传到计算机；

(6)计算机内的公知软件系统对图像进行处理识别，提取出反映形态的特征参数，测算其二维尺寸，根据经验公式可估算其体积；

(7)结合一个定容装置，测出单位被测样本中颗粒个数、体积发布，并根据形态进行分类。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明测量装置和测量方法，在有颗粒进入观测区时，产生触发信号，CCD摄像机才对单个颗粒或细胞分别成像并通过形态辨识细胞，能够避免同一个颗粒或细胞可能会在两张或多张照片上成像的现象。

附图说明

图1、现有技术中的显微镜涂片；

图2、现有技术中的库尔特原理示意图；

图3、现有技术中的流式细胞仪原理示意图；

图4、血细胞发育演变；

图5、尿沉渣部分结晶；

图6、流式成像颗粒测量系统原理示意图。

附图标记

1是被测样本，2是被测颗粒，3是喷嘴，4是鞘液，5是光源，6是第一透镜，7是光阑，8是观测区，9是半透半反镜，10是挡光板，11是第二透镜，12是光敏器，13是放大器，14是触发信号发生器，15是反光镜，16是第三透镜，17是CCD摄像机，18是视频接口，19是计算机

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作详细说明。

图4给出了不同细胞在不同发育时期的图片，图5给出了尿沉渣中部分结晶图片。由图可见，细胞和尿沉渣的种类和体积差别较大，单单靠检测其体积而对其识别和分类是不可靠的，而经过训练的肉眼识别它们困难并不是太大。理想的检查方法应该是：1、对细胞逐一“肉眼”观察；2、被观察的细胞个数应该尽量多才能提高发现特异细胞的几率。如果能够用“机器眼”在短时间内代替肉眼快速大量且逐一观察细胞，并智能化对观察到的细胞进行测量和分类，则会大大提高临床检验水平。现代成像技术、图像识别技术、计算机技术的发展为这种“电子眼”的研制提供了基础。本发明的流式成像颗粒测量方法及其测量装置，就是基于这种“逐一观察、大量观察”的理念，结合技术成熟的流式细胞仪技术和最新CCD成像和图像识别技术实现的。

所图6所示，本发明的流式成像颗粒测量装置，包括光路系统、鞘流喷嘴和电路系统。光路系统依次设置有光源5、第一透镜6、光阑7、半透半反镜9，半透半反镜6的透射光路上依次设置有挡光板10、第二透镜11，半透半反镜6的反射光路上依次设置有反光镜15、第三透镜16。鞘流喷嘴3用于将稀释后的被测样本1喷射过光路系统内光阑7与半透半反镜9之间的光路。鞘流喷嘴3是传统流式系统。光源发出的单色光经透镜1聚焦、过方孔光阑照亮液流形成观测区8，挡光板10、第二透镜11和光敏器12组成前向散射光探测部分。同时观测区8经半透半反镜9、反光镜15和第三透镜16成像在CCD摄像机上。光源5发出的单色光经第一透镜6聚焦和光阑7照亮被测样本液流形成观测区8。电路系统由光敏器12、放大器13、触发信号发生器14、CCD摄像机17、视频接口18和计算机19组成。当被测样本1内有颗粒2进入观测区8时，颗粒2产生散射光，散射光经第二透镜11外沿聚焦到光敏器12，光敏器12拾取散射光信号，经放大器13放大后输至触发信号发生器14，产生触发信号，触发CCD摄像机17对观测区8拍摄，图像数据经视频接口18传到计算机19；当被测样本1内没有颗粒2进入观测区8时，观测区8的光被挡光板10全部遮挡，不能通过第二透镜11，光敏器12检测不到散射光，触发信号发生器14不产生触发信号，CCD摄像机17处于不工作状态。

本发明的流式成像颗粒测量方法，包括以下步骤：(1)在一个定容装置内，稀释被测样本。(2)接通流式成像颗粒测量装置的电源。(3)稀释后的样本(例如血液标本)，在压力作用下被鞘液所包裹，经微小喷嘴将细胞一个个被喷射过观测区。(4)当被测样本内没有颗粒进入观测区时，观测区的光被挡光板全部遮挡，不能通过第二透镜，因而光敏器检测不到散射光，就不会有触发信号触发CCD摄像机；当被测样本内有颗粒进入观测区时，颗粒产生散射光，散射光经第二透镜外沿聚焦到光敏器，光敏器拾取散射光信号并产生电信号，电信号经放大器放大后输至触发信号发生器，产生触发信号，触发CCD摄像机对观测区拍摄。(5)CCD摄像机拍摄的图像数据经视频接口传到计算机。(6)计算机获得到颗粒的图像后，计算机内的公知软件对图像进行处理识别，提取出反映形态的特征参数，测算其二维尺寸，根据经验公式可估算其体积。(7)结合一个定容装置(图中未画出)，测出单位被测样本中颗粒个数、体积发布，并根据形态进行分类。

采用本发明的流式成像技术，虽然颗粒是流动的，但每个图片和对图片的数据处理、图像识别却是静态的。同时，通过控制合适的稀释倍数，尽量使每个图片上只有一个颗粒，这样使图像识别的难度(算法和每张图像的数据量)相对前述的自动显微镜涂片识别大大简化，即可大大提高图像识别的速度，也可提高识别精度。对每个典型颗粒图片，还可以回放进行肉眼识别或保存打印。

Claims (2)

1、一种流式成像颗粒测量装置，包括光路系统、鞘流喷嘴和电路系统，其特征是，所述的光路系统依次设置有光源、第一透镜、光阑、半透半反镜，半透半反镜的透射光路上依次设置有挡光板、第二透镜，半透半反镜的反射光路上依次设置有反光镜、第三透镜；所述的鞘流喷嘴用于将稀释后的被测样本喷射过光路系统内所述光阑与半透半反镜之间的光路；光源发出的单色光经第一透镜聚焦和光阑照亮被测样本液流形成观测区；所述的电路系统由光敏器、放大器、触发信号发生器、CCD摄像机、视频接口和计算机组成；CCD摄像机经第三透镜、反光镜、半透半反镜聚焦于观测区。当被测样本内有颗粒进入观测区时，颗粒产生散射光，散射光经第二透镜外沿聚焦到光敏器，光敏器拾取散射光信号，经放大器放大后输至触发信号发生器，产生触发信号，触发CCD摄像机对观测区拍摄，图像数据经视频接口传到计算机；当被测样本内没有颗粒进入观测区时，观测区的光被挡光板全部遮挡，不能通过第二透镜，光敏器检测不到散射光，触发信号发生器不产生触发信号，CCD摄像机处于不工作状态。

2、一种使用权利1所述的流式成像颗粒测量装置的流式成像颗粒测量方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)在一个定容装置内，稀释被测样本；

(2)接通所述流式成像颗粒测量装置的电源；

(3)将稀释后的样本经鞘流喷嘴喷射过观测区；

(4)当被测样本内没有颗粒进入观测区时，观测区的光被挡光板全部遮挡，不能通过第二透镜，光敏器检测不到散射光，触发信号发生器不产生触发信号；当被测样本内有颗粒进入观测区时，颗粒产生散射光，散射光经第二透镜外沿聚焦到光敏器，光敏器拾取散射光信号并产生电信号，电信号经放大器放大后输至触发信号发生器，产生触发信号，触发CCD摄像机对观测区拍摄；

(5)CCD摄像机拍摄的图像数据经视频接口传到计算机；

(6)由计算机内的公知软件系统对图像进行处理识别，提取出反映形态的特征参数，测算其二维尺寸，根据经验公式可估算其体积；

(7)结合一个定容装置，测出单位被测样本中颗粒个数、体积分布，并根据形态进行分类。

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