TWI522082B - 細胞運動特性感測裝置及其運作方法 - Google Patents

細胞運動特性感測裝置及其運作方法 Download PDF

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TWI522082B TW102147985A TW102147985A TWI522082B TW I522082 B TWI522082 B TW I522082B TW 102147985 A TW102147985 A TW 102147985A TW 102147985 A TW102147985 A TW 102147985A TW I522082 B TWI522082 B TW I522082B
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Description

細胞運動特性感測裝置及其運作方法
本發明係與細胞運動特性之感測有關，特別是關於一種能夠感測細胞數量、細胞運動活性及特徵速度等細胞之細胞運動特性感測裝置及其運作方法。
精子的活性(motility)是病人精子是否正常的主要指標之一，其數值代表了精子樣品中泳速大於25μm/sec的精子所占整體的百分比。舉例而言，假設精子的活性為50%，代表精子樣本整體中有50%的精子泳速大於25μm/sec。因此，精子可以做為一種量化的指標，代表病人精子品質的好壞，這也是目前生殖醫學實驗室常用的判斷依據，透過發現精子活性方面的問題，可幫助患者及早進行人工受孕的治療。
一般而言，目前醫院常根據從顯微鏡所觀察到的精子運動速度快慢，或是透過精子活性分析儀(Computer Assisted Sperm Analyzer,CASA)所輸出的精子活性數值，來判斷精子活性。然而，使用顯微鏡只能對精子進行定性的觀察，無法量化精子的活性大小，至於精子活性分析儀雖具有相當多的功能，但其操作複雜又昂貴、且體積龐大。也就是說，目前常見的顯微鏡與精子活性分析儀都不適於一般人在家使用。
因此，本發明提出一種細胞運動特性感測裝置及其運作方法，以解決先前技術所遭遇到之種種問題。
根據本發明之第一具體實施例為一種細胞運動特性感測裝置。於此實施例中，細胞運動特性感測裝置用以感測一細胞樣本中之複數個細胞之一運動特性。細胞運動特性感測裝置包含雷射光源、光感測器、分析晶片及顯示器。雷射光源用以發出一雷射光束射向細胞樣本。光感測器用以分別於複數個時間點感測細胞樣本散射雷射光束所形成之雷射散射光，以得到分別對應於複數個時間點之複數個雷射散射圖案。分析晶片耦接光感測器，用以根據對應於複數個時間點之複數個雷射散射圖案得到複數個雷射散射圖案隨複數個時間點變化之一雷射散射圖案閃爍資訊，並據以推估出細胞樣本中之複數個細胞之運動特性。顯示器耦接分析晶片，用以顯示分析晶片所推估出的細胞樣本中之複數個細胞之運動特性。
於一實施例中，該運動特性係為活性(mobility)、數量、移動速度分布或移動軌跡的直線性。
於一實施例中，雷射散射圖案閃爍資訊包含對應於複數個雷射散射圖案之複數個電壓值隨複數個時間點變化所產生之上下波動程度。
於一實施例中，若複數個電壓值隨複數個時間點變化所產生之上下波動程度愈大，分析晶片據以推估出細胞樣本中之複數個細胞具有之活性愈高。
於一實施例中，光感測器係透過光敏電阻或光電二極體取得對應於複數個雷射散射圖案之複數個電壓值。
根據本發明之第二具體實施例為一種細胞運動特性感測裝置運作方法。於此實施例中，細胞運動特性感測裝置運作方法用以感測細胞樣本中之複數個細胞之運動特性。細胞運動特性感測裝置包含雷射光源、光感測器、分析晶片及顯示器。細胞運動特性感測裝置運作方法包含下列步驟：(a)雷射光源發出一雷射光束射向細胞樣本；(b)光感測器分別於複數個時間點感測細胞樣本散射雷射光束所形成之雷射散射光，以得到分別對應於複數個時間點之複數個雷射散射圖案；(c)分析晶片根據對應於複數個時間 點之複數個雷射散射圖案得到複數個雷射散射圖案隨複數個時間點變化之雷射散射圖案閃爍資訊，並據以推估出細胞樣本中之複數個細胞之運動特性；(d)顯示器顯示分析晶片所推估出的細胞樣本中之複數個細胞之運動特性。
相較於先前技術，根據本發明之細胞運動特性感測裝置及其運作方法具有下列優點：(1)裝置簡單且成本低廉；(2)能夠同時計算出細胞的活性、數量、移動速度分布及移動軌跡的直線性等參數，可應用於各種不同的細胞，故應用範圍相當廣泛；(3)由於檢測方式快速又容易操作，使得受檢者可先自行在家進行初步檢測後，一旦受檢者發現有異常，即可就近至醫院進行更詳細的檢驗。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
S10~S16‧‧‧流程步驟
1、2‧‧‧細胞運動特性感測裝置
10、20‧‧‧雷射光源
12、22‧‧‧樣本置放平台
14、24‧‧‧光感測器
16、26‧‧‧分析晶片
18、28‧‧‧顯示器
CS、CS1~CS2‧‧‧細胞樣本
CELL‧‧‧細胞
LB‧‧‧雷射光束
21‧‧‧透鏡
SL‧‧‧雷射散射光
SS1~SS3‧‧‧精子樣本
LB’‧‧‧未被散射的雷射光束
圖1係繪示根據本發明之一具體實施例中之細胞運動特性感測裝置的示意圖。
圖2係繪示另一實施例之細胞運動特性感測裝置的示意圖。
圖3A及圖3B係分別繪示具有較少細胞的第一細胞樣本與具有較多細胞的第二細胞樣本之示意圖。
圖4A及圖4B係分別繪示第一細胞樣本與第二細胞樣本之電壓值隨時間變化圖。
圖5係繪示不同的精子樣本CS1~CS4之電壓值隨時間變化圖。
圖6係繪示根據本發明之另一具體實施例之細胞運動特性 感測裝置運作方法的流程圖。
一般而言。由於精子活性之強弱攸關是否能夠成功受孕之難易程度，因此，若能有一種快速又容易操作的檢驗裝置，可讓受檢者先自行在家進行初步檢測後，一旦受檢者發現有異常，即可及早發現精子活性的問題，就近至醫院進行更詳細的檢驗，將有助於患者盡早接受人工受孕之治療。
在進行精子活性之檢測時，使用光學方式是可行的做法。假設使用一束雷射光作為光源，觀察滴在玻片上的精漿，可發現在雷射光束照射之下，其散射圖案似可反應精子的活性。舉例而言，活性較好的精子，其精漿的散射圖案會隨時間閃爍；至於活性較差的精子，其精漿的散射圖案則不太會變動。因此，透過上述散射圖案的閃爍變化程度，即可反應出精子的特徵速度與活性。
因此，本發明欲設計出由光源、低階感光晶片、微處理器所組成的細胞運動特性感測裝置，能夠由簡單的訊號了解精子的活性。由光路分析開始，了解如何從不同時間點所得到之雷射散射圖案的閃爍變化來量化精子的活性，並嘗試從散射光中得到關於精子活動的更多資訊。只要能量化上述雷射散射圖案隨時間改變的閃爍變化程度，並對比由精子活性分析儀所量得的精子活性數值，即可根據雷射散射圖案之閃爍資訊推算出精子的活性及精子密度等相關資訊。
本發明係與馬偕紀念醫院的生殖與內分泌實驗室合作，採用一套先進的電腦精子分析系統透過光追跡方式來辨別精子是否具有活性(移動速度超過25μm/sec的精子佔全體精子的百分比)，並且能夠同時計算精子數量、精子移動速度分布、移動軌跡的直線性等參數，是分析精子運動情形之一大利器。
根據本發明之一具體實施例為一種細胞運動特性感測裝 置。於此實施例中，細胞運動特性感測裝置係用以感測細胞樣本中之複數個細胞的運動特性，例如細胞的活性、數量、移動速度分布及移動軌跡的直線性等參數，但不以此為限。
請參照圖1，圖1係繪示本實施例之細胞運動特性感測裝置的示意圖。如圖1所示，細胞運動特性感測裝置1包含雷射光源10、樣本置放平台12、光感測器14、分析晶片16及顯示器18。其中，分析晶片16耦接光感測器14；顯示器18耦接分析晶片16。
樣本置放平台12係用以供細胞樣本CS設置。細胞樣本CS包含有複數個細胞CELL。於實際應用中，細胞樣本CS中之細胞CELL可以是精子(sperm)、鞭毛寄生蟲(flagellated parasites)、鞭毛藻(flagellated algae)或游動細菌(swimming bacteria)等，但不以此為限。
雷射光源10係用以發出一雷射光束LB射向設置於樣本置放平台12上的細胞樣本CS。光感測器14係用以分別於複數個時間點(例如第一時間~第四時間，但不以此為限)感測細胞樣本CS散射雷射光束LB所形成之雷射散射光SL及未被散射的雷射光束LB’，以得到分別對應於複數個時間點t1~t4之複數個雷射散射圖案。需說明的是，光感測器14可包含複數個光感測單元，其數量可視實際需求而定。光感測器14除了包含設置於細胞樣本CS之下方的光感測單元之外，亦可包含設置於細胞樣本CS兩側及左上方及右上方的光感測單元，以感測被細胞樣本CS所散射之雷射散射光SL。
分析晶片16係用以根據對應於複數個時間點之複數個雷射散射圖案得到複數個雷射散射圖案隨複數個時間點變化之雷射散射圖案閃爍資訊，並據以推估出細胞樣本CS中之複數個細胞CELL之運動特性，例如細胞的活性、數量、移動速度分布及移動軌跡的直線性等參數。顯示器18係用以顯示分析晶片16所推估出的細胞樣本CS中之複數個細胞CELL之運動特性。
於實際應用中，光感測器14係透過光敏電阻或光電二極體取得對應於複數個雷射散射圖案之複數個電壓值。分析晶片16所得到之雷射散 射圖案閃爍資訊可包含對應於複數個雷射散射圖案之複數個電壓值隨複數個時間點變化所產生之上下波動程度。
若複數個電壓值隨複數個時間點變化所產生之上下波動程度愈大，代表在不同時間點所得到之雷射散射圖案有較大的變化，亦即細胞樣本CS中之複數個細胞CELL的活動情形較為明顯，故分析晶片16將會據以推估出細胞樣本CS中之複數個細胞CELL具有之活性愈高。
相反地，若複數個電壓值隨複數個時間點變化所產生之上下波動程度愈小，代表在不同時間點所得到之雷射散射圖案幾乎沒有變化，亦即細胞樣本CS中之複數個細胞CELL並無明顯的活動情形，故分析晶片16將會據以推估出細胞樣本CS中之複數個細胞CELL具有之活性愈低。
此外，分析晶片16亦可根據光感測器14於不同時間點所測得之複數個電壓值的平均電壓值大小判斷細胞的數量多寡。若光感測器14所測得之平均電壓值愈高，代表設置於樣本置放平台12上的細胞樣本CS所包含的細胞CELL之數量愈少，所以雷射光源10所發出之雷射光束LB被該些細胞CELL散射之情況愈輕微，使得光感測器14能夠接收到的雷射光束LB變多，所以透過光敏電阻或光電二極體所得到之電壓值自然也愈高。
相反地，若光感測器14所測得之平均電壓值愈低，代表設置於樣本置放平台12上的細胞樣本CS所包含的細胞CELL之數量愈多，所以雷射光源10所發出之雷射光束LB被該些細胞CELL散射之情況愈嚴重，使得光感測器14接收到的雷射光束LB變少，所以透過光敏電阻或光電二極體所得到之電壓值自然也愈低。
請參照圖2，圖2係繪示另一實施例之細胞運動特性感測裝置的示意圖。如圖2所示，細胞運動特性感測裝置2包含雷射光源20、透鏡21、樣本置放平台22、光感測器24、分析晶片26及顯示器28。其中，分析晶片26耦接光感測器24；顯示器28耦接分析晶片26。
樣本置放平台22係用以供細胞樣本CS設置。細胞樣本CS包含有複數個細胞CELL。於實際應用中，細胞樣本CS中之細胞CELL可以是 精子、鞭毛寄生蟲、鞭毛藻或游動細菌等，但不以此為限。
雷射光源20係用以發出一雷射光束LB透過透鏡21聚焦至設置於樣本置放平台22上的細胞樣本CS。光感測器24係用以分別於複數個時間點(例如第一時間~第四時間，但不以此為限)感測細胞樣本CS散射雷射光束LB所形成之雷射散射光SL，以得到分別對應於複數個時間點之複數個雷射散射圖案。
分析晶片26係用以根據對應於複數個時間點之複數個雷射散射圖案得到複數個雷射散射圖案隨複數個時間點變化之雷射散射圖案閃爍資訊，並據以推估出細胞樣本CS中之複數個細胞CELL之運動特性，例如細胞的活性、數量、移動速度分布及移動軌跡的直線性等參數。顯示器28係用以顯示分析晶片26所推估出的細胞樣本CS中之複數個細胞CELL之運動特性。其餘與上述實施例類似，於此不另行贅述。
接著，請參照圖3A及圖3B，圖3A及圖3B係分別繪示具有較少細胞的第一細胞樣本與具有較多細胞的第二細胞樣本之示意圖。假設第一細胞樣本CS1與第二細胞樣本CS2具有同一種細胞CELL，如圖3A及圖3B所示，第一細胞樣本CS1具有較少數量的細胞CELL，而第二細胞樣本CS2則具有較多數量的細胞CELL，亦即第一細胞樣本CS1之細胞密度小於第二細胞樣本CS2之細胞密度。
接著，透過細胞運動特性感測裝置1分別對第一細胞樣本CS1與第二細胞樣本CS2進行上述的感測分析操作後，可得到於不同時間點所測得之複數個電壓值。請參照圖4A及圖4B，圖4A及圖4B係分別繪示第一細胞樣本CS1與第二細胞樣本CS2之電壓值隨時間變化圖。如圖4A及圖4B所示，具有較少細胞CELL的第一細胞樣本CS1之電壓值(圖4A)明顯較具有較多細胞CELL的第二細胞樣本CS2之電壓值(圖4B)來得高。
此外，由於第二細胞樣本CS2所包含的細胞數量遠大於第一細胞樣本CS1所包含的細胞數量，所以第二細胞樣本CS2所包含具有較強活性之細胞數量通常也會大於第一細胞樣本CS1所包含具有較強 活性之細胞數量，所以對應於第二細胞樣本CS2之電壓值隨時間變化所產生之上下波動程度(圖4B)明顯較對應於第一細胞樣本CS1之電壓值隨時間變化所產生之上下波動程度(圖4A)來得大。
請參照圖5，圖5係繪示不同的精子樣本SS1~SS3之電壓值隨時間變化圖。由圖5可知：若以各精子樣本SS1~SS3所包含的精子數量來相比，由於第一精子樣本SS1的平均電壓值<第二精子樣本SS2的平均電壓值<第三精子樣本SS3的平均電壓值，所以根據上述可推得：第一精子樣本SS1所包含的精子數量>第二精子樣本SS2所包含的精子數量>第三精子樣本SS3所包含的精子數量。
若以各精子樣本SS1~SS3所包含之活性夠大(亦即移動速度超過25μm/sec)的精子佔全體精子的百分比來相比，由於第一精子樣本SS1的電壓值上下波動程度>第二精子樣本SS2的電壓值上下波動程度>第三精子樣本SS3的電壓值上下波動程度，所以根據上述可推得：第一精子樣本SS1所包含活性夠大的精子百分比>第二精子樣本SS2所包含活性夠大的精子百分比>第三精子樣本SS3所包含活性夠大的精子百分比。
綜上所述，於此實施例中，第一精子樣本SS1不但包含有數量最多的精子，其所包含活性夠大的精子百分比亦為最高；第三精子樣本SS3所包含的精子數量最少，並且其所包含活性夠大的精子百分比最低。因此，經過上述初步檢測後，第三精子樣本SS3的受檢者應就近至醫院進行更詳細的檢驗，有助於患者盡早接受人工受孕之治療。
根據本發明之另一具體實施例為一種細胞運動特性感測裝置運作方法。於此實施例中，細胞運動特性感測裝置運作方法用以感測細胞樣本中之複數個細胞之運動特性。細胞運動特性感測裝置包含雷射光源、光感測器、分析晶片及顯示器。
請參照圖6，圖6係繪示本實施例之細胞運動特性感測裝置運作方法的流程圖。如圖6所示，於步驟S10中，雷射光源發出一雷射光束射向細胞樣本。於步驟S12中，光感測器分別於複數個時間點感測細胞樣 本散射雷射光束所形成之雷射散射光，以得到分別對應於複數個時間點之複數個雷射散射圖案。於步驟514中，分析晶片根據對應於複數個時間點之複數個雷射散射圖案得到複數個雷射散射圖案隨複數個時間點變化之雷射散射圖案閃爍資訊，並據以推估出細胞樣本中之複數個細胞之運動特性。於步驟S16中，顯示器顯示分析晶片所推估出的細胞樣本中之複數個細胞之運動特性。
於實際應用中，運動特性可以是活性(mobility)、數量、移動速度分布或移動軌跡的直線性。光感測器係透過光敏電阻或光電二極體取得對應於複數個雷射散射圖案之複數個電壓值。雷射散射圖案閃爍資訊包含對應於複數個雷射散射圖案之複數個電壓值隨複數個時間點變化所產生之上下波動程度。若複數個電壓值隨複數個時間點變化所產生之上下波動程度愈大，分析晶片據以推估出細胞樣本中之複數個細胞具有之活性愈高。
相較於先前技術，根據本發明之細胞運動特性感測裝置及其運作方法具有下列優點：(1)裝置簡單且成本低廉；(2)能夠同時計算出細胞的活性、數量、移動速度分布及移動軌跡的直線性等參數，可應用於各種不同的細胞，故應用範圍相當廣泛；(3)由於檢測方式快速又容易操作，使得受檢者可先自行在家進行初步檢測後，一旦受檢者發現有異常，即可就近至醫院進行更詳細的檢驗。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請 之專利範圍的範疇內。
1‧‧‧細胞運動特性感測裝置
10‧‧‧雷射光源
12‧‧‧樣本置放平台
14‧‧‧光感測器
16‧‧‧分析晶片
18‧‧‧顯示器
CS(CELL)‧‧‧細胞樣本(細胞)
LB‧‧‧雷射光束
SL‧‧‧雷射散射光
LB’‧‧‧未被散射的雷射光束

Claims (6)

  1. 一種細胞運動特性感測裝置，用以感測一細胞樣本中之複數個細胞之一運動特性，該細胞運動特性感測裝置包含：一雷射光源，用以發出一雷射光束射向該細胞樣本；一光感測器，用以分別於複數個時間點感測該細胞樣本散射該雷射光束所形成之雷射散射光，以得到分別對應於該複數個時間點之複數個雷射散射圖案；一分析晶片，耦接該光感測器，用以根據對應於該複數個時間點之該複數個雷射散射圖案得到該複數個雷射散射圖案隨該複數個時間點變化之一雷射散射圖案閃爍資訊，並據以推估出該細胞樣本中之該複數個細胞之該運動特性；以及一顯示器，耦接該分析晶片，用以顯示該分析晶片所推估出的該細胞樣本中之該複數個細胞之該運動特性；其中，該雷射散射圖案閃爍資訊係包含對應於該複數個雷射散射圖案之複數個電壓值隨該複數個時間點變化所產生之一上下波動程度，若該複數個電壓值隨該複數個時間點變化所產生之該上下波動程度愈大，該分析晶片據以推估出該細胞樣本中之該複數個細胞具有之活性愈高。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之細胞運動特性感測裝置，其中該運動特性係為活性(mobility)、數量、移動速度分布或移動軌跡的直線性。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之細胞運動特性感測裝置，其中該光感測器係透過一光敏電阻或一光電二極體取得對應於該複數個雷射散射圖案之該複數個電壓值。
  4. 一種運作一細胞運動特性感測裝置的方法，以感測一細胞樣本中之複數個細胞之一運動特性，該細胞運動特性感測裝置包含一雷射光源、 一光感測器、一分析晶片及一顯示器，該方法包含下列步驟：(a)該雷射光源發出一雷射光束射向該細胞樣本；(b)該光感測器分別於複數個時間點感測該細胞樣本散射該雷射光束所形成之雷射散射光，以得到分別對應於該複數個時間點之複數個雷射散射圖案；(c)該分析晶片根據對應於該複數個時間點之該複數個雷射散射圖案得到該複數個雷射散射圖案隨該複數個時間點變化之一雷射散射圖案閃爍資訊，並據以推估出該細胞樣本中之該複數個細胞之該運動特性；以及(d)該顯示器顯示該分析晶片所推估出的該細胞樣本中之該複數個細胞之該運動特性；其中，該雷射散射圖案閃爍資訊係包含對應於該複數個雷射散射圖案之複數個電壓值隨該複數個時間點變化所產生之一上下波動程度，若該複數個電壓值隨該複數個時間點變化所產生之該上下波動程度愈大，該分析晶片據以推估出該細胞樣本中之該複數個細胞具有之活性愈高。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該運動特性係為活性、數量、移動速度分布或移動軌跡的直線性。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該光感測器係透過一光敏電阻或一光電二極體取得對應於該複數個雷射散射圖案之該複數個電壓值。
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