用于测量血细胞的变形性的盘式流体系统和方法

申请号 CN201280061012.4 申请日 2012-12-12 公开(公告)号 CN103988077A 公开(公告)日 2014-08-13
申请人 浦项工科大学校产学协力团; 发明人 金东成; 罗文友;
摘要 一种用来测量血细胞的 变形 性的方法,所述方法包括以下步骤:将血液供应到盘的离心式容器;转动盘以将离心式容器中的血液离心分离成血细胞和 血浆 ,并且检测离心式容器中的血细胞的每小时的实际移动距离;以及产生显示血细胞的每小时的实际移动距离的第一曲线和显示血细胞的每小时的理论移动距离的第二曲线,并通过比较第一曲线与第二曲线测量血细胞的变形性。
权利要求

1.一种用于测量血细胞的变形程度的方法,所述方法包括:
将血液供应到盘的离心式容器;
通过转动所述盘将所述离心式容器中的血液离心分离成血细胞和血浆,并每小时检测一次所述离心式容器中的血细胞的实际移动距离;以及
计算表示所述离心式容器中的血细胞的每小时的实际移动距离的第一曲线和表示所述血细胞的每小时的理论移动距离的第二曲线,并通过比较所述第一曲线和所述第二曲线测量所述血细胞的变形程度。
2.如权利要求1所述的方法,其中使用通过每小时拍摄一次所述离心式容器的内部获得的图像来检测所述血细胞的实际移动距离。
3.如权利要求2所述的方法,其中通过根据分析所述图像中的对比度计算关于暗区的质心并基于所述质心测量所述暗区的最短距离,来检测所述血细胞的实际移动距离。
4.如权利要求1所述的方法,其中通过使用下面的公式计算所述第二曲线并使用所述第一曲线与所述第二曲线之间的高度差和所述第一曲线与所述第二曲线之间的斜率差中的至少一个,来执行所述血细胞的变形程度的测量,所述公式如下:
在所述公式中,π是圆周率、pp是血液密度、dp是血细胞直径、r”p是血细胞的移动加速度、pf是血浆密度、w是盘的速度、rp是血细胞的移动距离、r’p是血细胞的移动速度、uf是血浆的粘度、而θ是血细胞与整个血液体积的体积比。
5.一种盘状流体系统,所述系统包括:
盘,其包含将被供应以血液的离心式容器并将所述离心式容器中的血液离心分离成血细胞和血浆;
摄影单元,其放置在所述盘的上侧,并且每小时拍摄一次所述离心式容器的内部;以及控制器,其与所述摄影单元连接,通过使用由所述摄影单元拍摄的图像,检测所述离心式容器中的所述血细胞的每小时的实际移动距离,检测并显示表示所述离心式容器中的所述血细胞的每小时的实际移动距离的第一曲线和表示所述血细胞的每小时的理论移动距离的第二曲线,并且通过比较所述第一曲线和所述第二曲线来测量所述血细胞的变形程度。
6.如权利要求5所述的盘状微流体系统,其中所述控制器使用下面的公式计算所述第二曲线,并使用所述第一曲线与所述第二曲线之间的高度差和所述第一曲线与所述第二曲线之间的斜率差中的至少一个来测量所述血细胞的变形程度,所述公式如下:
在所述公式中,π是圆周率、pp是血液密度、dp是血细胞直径、r”p是血细胞的移动加速度、pf是血浆密度、w是盘的角速度、rp是血细胞的移动距离、r’p是血细胞的移动速度、uf是血浆的粘度、而θ是血细胞与整个血液体积的体积比。
7.如权利要求5所述的盘状微流体系统,其中所述盘还包括:
血浆容器,其与所述离心式容器连接;以及
,其连接在所述离心式容器和所述血浆容器之间。

说明书全文

用于测量血细胞的变形性的盘式流体系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于测量血细胞的变形程度的盘状微流体系统和方法。

背景技术

[0002] 通常,血液分离、血浆提取、血液性质分析等通过适合各自目的的设备或装置来执行。血液通过比如离心分离机的装置被分离成血浆和血细胞,并且被分离出的血浆通过吸液管等提取。而且,比如血液的粘度、血液的血细胞比容等的血液性质可以通过用于测量每种性质的专用设备进行分析。
[0003] 利用专用设备的一系列过程具有更准确地执行每个过程的优点,但是存在的缺点是,为了检查血液状况,可能使用大量的血液,且对所有的血液状况的检查占用了很长的测试时间,这是不连续的过程造成的。
[0004] 在该背景部分公开的上述信息仅仅用于增强对本发明的背景的理解,因此上述信息可能包含不构成在此已被本领域的普通技术人员所知的现有技术的信息。

发明内容

[0005] 技术问题
[0006] 已经做出的本发明是致于提供用于测量血细胞的变形程度的盘状微流体系统和方法,其具有通过离心分离血液提取血浆并同时检查血液状况的优点。
[0007] 技术解决方案
[0008] 本发明的第一方面提供了用于测量血细胞的变形程度的方法。所述方法包括:将血液供应到盘的离心式容器中;通过转动盘,将离心式容器中的血液离心分离成血细胞和血浆,并每小时检测一次离心式容器中的血细胞的实际移动距离;以及,计算表示离心式容器中的血细胞的每小时的实际移动距离的第一曲线和表示血细胞的每小时的理论移动距离的第二曲线,并且通过比较第一曲线与第二曲线测量血细胞的变形程度。
[0009] 可以使用通过每小时拍摄一次离心式容器内部所获得的图像来检测血细胞的实际移动距离。
[0010] 可以通过根据分析图像中的对比度来计算关于暗区的质心并基于所述质心测量暗区的最短距离,来执行血细胞的实际移动距离的检测。
[0011] 可以根据通过使用下面的公式计算第二曲线,并且使用第一曲线与第二曲线之间的高度差和第一曲线与第二曲线之间的斜率差中的至少一个,执行血细胞的变形程度的测量。
[0012]
[0013] 在该公式中,π是圆周率、pp是血液密度、dp是血细胞直径、r”p是血细胞的移动加速度、pf是血浆密度、w是盘的速度、rp是血细胞的移动距离、r’p是血细胞的移动速度、uf是血浆的粘度、而θ是血细胞与整个血液体积的体积比。
[0014] 本发明的第二方面提供了盘状微流体系统,所述系统包括:盘,其包括血液被供应到并且血液在其中被离心分离成血细胞和血浆的离心式容器;摄影单元,其被放置在盘的上侧并每小时拍摄一次离心式容器的内部;以及控制器,其与所述摄影单元连接,通过使用由摄影单元拍摄的图像,每小时检测一次在离心式容器中的血细胞的实际移动距离,检测和显示表示离心容器中的血细胞的每小时的实际移动距离的第一曲线和表示血细胞的每小时的理论移动距离的第二曲线,并且通过比较第一曲线与第二曲线测量血细胞的变形程度。
[0015] 控制器可以使用下面的公式计算第二曲线,并且通过使用第一曲线与第二曲线之间的高度差和第一曲线与第二曲线之间的斜率差中的至少一个测量血细胞的变形程度。
[0016]
[0017] 在该公式中,π是圆周率、pp是血液密度、dp是血细胞直径、r”p是血细胞的移动加速度、pf是血浆密度、w是盘的角速度、rp是血细胞的移动距离、r’p是血细胞的移动速度、uf是血浆的粘度、而θ是血细胞与整个血液体积的体积比。
[0018] 盘还可以包括与离心式容器连接的血浆容器,以及连接在离心式容器和血浆容器之间的微。根据本发明的示例性实施方式,可能提供通过离心分离来提取血浆并同时检查血液状况的用于测量血细胞的程度的盘状微流体系统和方法。附图说明
[0019] 图1示出了根据本发明的第一示例性实施方式的盘状微流体系统。
[0020] 图2示出了图1中示出的盘。
[0021] 图3示出了说明使用根据本发明的示例性实施方式的盘状微流体系统的血液离心分离的照片。
[0022] 图4至图6用于提供对根据本发明的第二示例性实施方式的用于测量血细胞的变形程度的方法的说明。

具体实施方式

[0023] 此后将参照附图对本发明进行更全面地描述,在附图中示出了发明的示例性实施方式。正如本领域的那些技术人员将认识到的,所描述的实施方式可以用许多不同的方式修改,但是都没有背离本发明的精神或范围。
[0024] 附图和说明书本质上被视为说明性的而不是限制性的。在整个说明书中,相同的参考数字代表相同的元件。
[0025] 此外,在附图中示出的每种配置的尺寸和厚度是为了更好地理解和简化说明而任意示出的,但是本发明不限于此。
[0026] 在附图中,为了更好地理解和简化说明,一些层和区域的厚度被放大了。需要了解的是,当提到比如层、薄膜、区域、或基底的元件位于另一个元件“之上”时,其可以是直接在另一元件之上或还可能存在中间元件。
[0027] 另外,除非明确表明相反的意思,否则词语“包括”和比如“包括了”或“包含有”的词语变化将被理解为意指包含所说明的元件但并不排除任何其他的元件。而且,在说明书中,词语“在…之上”是指放置在物体部分的上面或下面,而不是在实质上意味着放置在物体部分相对于重力方向的向上的一面上。
[0028] 在下文中,将参照附图1和附图2对本发明的第一示例性实施方式进行描述。
[0029] 图1示出了根据本发明的第一示例性实施方式的盘状微流体系统。
[0030] 如在图1中示出的,根据本发明的第一示例性实施方式的盘状微流体系统离心分离血液并同时确定血液状况,并且盘状微流体系统包含盘100、驱动器200、传感器300、调节器400、照明器500、反光镜600、摄影单元700、以及控制器800。
[0031] 图2示出了图1的盘。
[0032] 如图2中示出的,盘100被制作成圆盘形状,并通过基于中轴C转动自身,将外部供应的血液离心分离成血细胞和血浆。在盘100中,可以由凹版(intaglio)通过大规模生产方法形成注入口110、离心式容器120、废物流通道130、废物接收容器140、微阀150、血浆容器160、以及空气排出口170,比如使用MEMS技术的注塑成型,所述MEMS技术比如具有相反形状的插入成型或光刻法、热压花、UV成型、以及铸塑。盘100可以由金属材料、陶瓷材料、以及比如环烯共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚酸酯(PC)、聚二甲烷(PDMS)、聚四氟乙烯(特氟隆)、以及聚氯乙烯(PVC)的聚合物材料制成。
[0033] 注入口110靠近将被布置在盘100中的中轴C,并且是血液供应的通道。
[0034] 离心式容器120连接到注入口110,并且离心式容器120是其中放置了从注入口110供应的血液的容器。当盘100转动时,血液通过离心作用在离心式容器120中被分离成血细胞和血浆。
[0035] 废物流通道130是位于离心式容器120和注入口110之间的通道,并且从离心式容器120溢出的血液在转动盘100的同时通过该通道移动到废物接收容器140。
[0036] 废物接收容器140是通过废物流通道130与离心式容器120连接的容器,并且在转动盘100的同时接收从离心式容器120流出的血液。
[0037] 微阀150是连接在离心式容器120和血浆容器160之间的通道,其位置通过考虑血液的血细胞比容确定,并且只有离心式容器120中的离心分离的血浆通过确定其位置而从其通过。更详细地,考虑到30%到60%是血细胞比容的一般范围,微阀150可以布置成对应离心式容器120的整个宽度WD的30%到60%的一个宽度D。根据盘100的角速度,微阀150可以调整为打开和关闭。详细地,由于由根据盘100的转动的离心力环绕微阀150形成的第一压力和由微阀150中的表面张力形成的第二压力之间的差异,微阀150的打开和关闭被调整。例如,当第一压力大于第二压力时,微阀150打开,并且血浆从离心式容器120通过微阀150移动到血浆容器160,而当第二压力大于第一压力时,微阀150关闭,并且血浆不从离心式容器120通过微阀150移动到血浆容器160。由于第一压力正比于盘100的角速度,所以,通过调整盘100的角速度,当对血液进行离心分离时,将第二压力调整为大于第一压力,以及,当提取血浆时,将第一压力调整为大于第二压力,并且因此,微阀150的关闭和打开中的每个都可以通过调整盘100的角速度来响应于离心分离和血浆提取中的每个来进行调整。
[0038] 血浆容器160是通过微阀150与离心式容器120连接以接收来自离心式容器120中的血液的容器。血浆容器160中所接收的血浆可以通过与血浆容器160连接的一个通道移动到另外的容器以进行存储。
[0039] 空气排放口170连接到离心式容器120、废物接收容器140、以及血浆容器160中的每一个以及通道,在比如血液或血浆的液体被供应到每个容器时,通过通道排出每个容器中占据的空气。
[0040] 在下文中,将参照图3讨论根据本发明的第一示例性实施方式的盘状微流体系统的盘中的血液的离心分离。
[0041] 图3示出了说明根据本发明的第一示例性实施方式的盘状微流体系统的盘中的血液的离心分离的照片。
[0042] 图3(a)至图3(d)是说明通过使用实际生产的盘状微流体系统的盘100执行的少量血液的离心分离的随时间推移的实验过程的照片。如在图3(a)至图3(d)中示出的,通过执行盘100的转动产生的离心力离心分离注入到离心式容器120中的血液BL。在这个过程中,如在图3(b)中示出的,血液BL被正确分成血细胞B和血浆L,并且血细胞被积聚在转动中心的外围方向,以及如图3(d)中所示出的,在预定的时间之后不再积聚。此外,在执行血液BL的离心分离的同时,通过微阀150阻止了血液或血浆的移动。
[0043] 在此之后,通过提高盘100的角速度来打开微阀150,以产生离心分离的血浆L的提取。被分离在离心式容器120的上部部分上的血浆L通过微阀150移动到血浆容器160。因此,可以验证使用根据本发明的第一示例性实施方式的盘状微流体系统的盘100,通过方便和有效的方法,可以离心分离少量的血液,并且可以提取血浆。
[0044] 回头参照图1,驱动器200支撑盘100,并且包含达及其类似物的驱动装置,以转动盘100。
[0045] 传感器300被放置成靠近盘100并且用来感知盘100的多种变化。
[0046] 调节器400与传感器300和驱动器200连接,并且用来接收来自感知盘100的多种变化的传感器300的信号,以通过驱动器200调节盘100的转动。可以通过调节器400调节盘100的角速度。
[0047] 照明器500与调节器400连接,并且与盘100的多种变化同步地以闪光形式向反光镜600发射光线。
[0048] 反光镜600放置在盘100的较低侧,并且在盘100的方向上反射从照明器500发射出的光线。
[0049] 摄影单元700放置在盘100的较高侧,以对应盘100的离心式容器120和反光镜600,并且通过与盘100的多种变化同步地使用光线每小时拍摄一次离心式容器120的内部。摄影单元700每小时拍摄一次离心式容器120的内部。
[0050] 控制器800与摄影单元700连接,通过使用由摄影单元700所拍摄的图像,检测在离心式容器120中的血细胞的每小时的实际移动距离,计算示出血细胞每小时的实际移动距离的第一曲线和示出血细胞每小时的理论移动距离的第二曲线,并且通过比较第一曲线与第二曲线,计算血液的血细胞比容和血浆的粘度。也就是说,控制器800通过测量从盘100中的血液离心分离出的血细胞的变形程度来检查血液状况。
[0051] 控制器800使用下面的公式计算第二曲线,并且使用第一曲线与第二曲线之间的高度差和第一曲线与第二曲线之间的斜率差中的至少一个测量血细胞的变形程度。
[0052] [公式]
[0053]
[0054] 在该公式中,π是圆周率、pp是血液密度、dp是血细胞直径、r”p是血细胞的移动加速度、pf是血浆密度、w是盘的角速度、rp是血细胞的移动距离、r’p是血细胞的移动速度、uf是血浆的粘度、而θ是血细胞与整个血液体积的体积比。
[0055] 在下文中,将参照图4至图6描述根据本发明的第二示例性实施方式的测量血细胞的变形程度的方法,其使用上面描述的根据本发明的第一示例性实施方式的盘状微流体系统。
[0056] 图4至图6是描述根据本发明的第二示例性实施方式的用于测量血细胞的变形程度的方法的框图
[0057] 首先,血液被供应到盘100的离心式容器120。
[0058] 接着,离心式容器120中的血液通过转动盘100被离心分离成血细胞和血浆,并且每小时检测一次离心式容器120中的血细胞的实际移动距离。
[0059] 图4示出了说明每小时的离心式容器的内部图像的照片。
[0060] 详细地,如图4中示出的,通过分析对比度,最初的每小时的离心式容器120的内部照片(左侧的每个图像(a)、(b)和(c))被校正成处理后的图像(右侧的每个图像(a)、(b)和(c))。在这种情况下,在处理后的图像中,血细胞的积聚被改变成白色,而背景被改变成黑色。此后,计算处理后图像的血细胞的积聚的暗区(DA)的质心,并且根据质心测量暗区(DA)的最短距离(SL),以检测离心式容器120中的血细胞的每小时的实际移动距离。该过程对于整个图像进行,并且因此可以获得示出随时间积聚的血细胞高度的数据。检测可以由控制器800执行。
[0061] 接着,测量血细胞的变形程度。
[0062] 详细地,计算出显示血细胞每小时的实际移动距离的第一曲线和显示血细胞每小时的理论移动距离的第二曲线,并且通过比较第一曲线与第二曲线测量血细胞的变形程度。
[0063] 此后,将更详细地描述用于测量血细胞的变形程度的方法。
[0064] 图5示出了血液的离心作用过程中的血细胞的变形。
[0065] 图5(a)示出了在血液BL中的血浆L中均匀散布的血细胞B。在血液BL中存在的除了血细胞B外的物质的量小到可以忽略,或物质的尺寸非常小并且因而允许其被当作是血浆L的一部分。
[0066] 图5(a)至图5(d)示出了在由于盘状微流体系统中的盘的转动产生离心力时的血细胞B的积聚。如在图5(b)中示出的,在初始阶段血细胞B的单元细胞彼此距离很远,并且因而使血细胞B的积聚速度变快。当经过了预定的时间时,血细胞B的单元细胞如图5(c)中示出的变得彼此靠近,并且因而使积聚速度变慢。在血细胞B的单元细胞完全布置在底部表面中之后,血细胞B的单元细胞变形并因此填充每个相邻的血细胞B之间的间隙,从而使得积聚层的高度缓慢降低。也就是说,根据本发明的第二示例性实施方式的用于测量血细胞的变形程度的方法,基于积聚层高度的降低速度与血细胞的变形程度密切相关的事实,测量血细胞的变形程度。
[0067] 图6是示出显示血细胞每小时的实际移动距离的第一曲线和显示血细胞每小时的理论移动距离的第二曲线的图。在图6中,x轴表示时间(秒)而y轴表示血细胞的移动距离(mm)。
[0068] 如在图5中示出的,通过分析通过如上面所述的盘状微流体系统的摄影单元700获得的图像,检测作为示出血细胞每小时的实际移动距离的实验曲线的第一曲线G1。
[0069] 通过下面的公式计算出作为示出血细胞每小时的理论移动距离的理论曲线的第二曲线G2。
[0070] [公式]
[0071]
[0072] 在该公式中,π是圆周率、pp是血液密度、dp是血细胞直径、r”p是血细胞的移动加速度、pf是血浆密度、w是盘的角速度、rp是血细胞的移动距离、r’p是血细胞的移动速度、uf是血浆的粘度、而θ是血细胞与整个血液体积的体积比。
[0073] 该公式根据在特定液体中存在的球状粒子通过离心力积聚时由多个球状粒子产生的动态力平衡进行配置。首先,当一个球状粒子通过特定液体中的离心力积聚时,粒子的移动产生了离心力、浮力、以及阻力的动态力平衡,并且在血细胞被假定为刚体时,也就是没有变形的粒子时,由于考虑到多个粒子积聚的情况,采用了包含多个粒子的流体的粘度值而不是流体的粘度值,并且因此,通过数学化上述情况而推导出该公式。
[0074] 根据公式执行迭代,以计算第二曲线G2。当计算第二曲线G2时,通过对π,pp,dp,pf,w,uf和θ采用预定的理论值计算r”p,r’p和rp。
[0075] 通过比较第一曲线G1和第二曲线G2,测量血细胞的变形程度。
[0076] 在作为理论曲线的第二曲线G2中,血细胞被假定成刚体,并且因而可以观察到在经过了预定时间之后,不再执行进一步的积聚。这是因为在血细胞粒子排列在底部表面中之后,由于刚体的特性,血细胞并没有填充间隙,从而使得血细胞能够保持恒定的距离而没有进一步积聚。在另一方面,可以观察到在作为实际曲线的第一曲线G1中,即使在经过了恒定时间之后,在实际血细胞中仍持续进行积聚。这也是由于血细胞的变形程度引起的。因此,第一曲线G1和第二曲线G2之间的差异表示血细胞的变形程度。
[0077] 也就是说,根据本发明的第二示例性实施方式的用于测量血细胞的变形程度的方法使用第一曲线G1与第二曲线G2之间的高度H差(即,y轴上的血细胞的移动距离的差)和第一曲线G1与第二曲线G2之间的斜率差中的至少一个测量血细胞的变形程度。在这里,高度差是作为理论曲线的第二曲线G2和作为实验曲线的第一曲线G1之间的积聚高度的差,而斜率差是积聚速度的差(即,血细胞的移动速度差)。
[0078] 因此,通过比较第一曲线G1和第二曲线G2,可以测量作为血液的重要性质的血细胞的变形程度,并且所测量出的血细胞的变形程度可以被用作估计血液状况的准则,其中第一曲线G1是示出血液离心作用的演变的实验图,而第二曲线G2是理论曲线。
[0079] 如上面所述,通过根据本发明的第一示例性实施方式的盘状微流体系统,以及根据本发明的第二示例性实施方式的用于测量血细胞的变形程度的方法,对血液进行离心分离以提取血浆,并同时检查血液状况,并且因此不需要用于检查血液状况的另外的设备,而且同时不需要用于检查血液状况的另外的时间。
[0080] 尽管已经结合目前被认为是实际的示例性实施方式对本发明进行了描述,但是应当理解的是,本发明不限于所公开的实施方式,而是相反地,其旨在覆盖包含在所附的权利要求的精神和范围内的各种修改和等价布置。
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