智能光微流成像及檢測系統的制作方法

智能光微流成像及檢測系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種智能光微流成像及檢測系統，包括：光源子系統、液流子系統、微流控圖像采集芯片子系統、智能圖像分析子系統，其中光源子系統提供光源，其發出的光照射在微流控圖像采集芯片子系統上；液流子系統由樣品輸入口、微流控管道、樣品輸出口組成；微流控圖像采集芯片子系統由接合有微流控芯片的圖像傳感器芯片組成，其中微流控芯片與圖像傳感器芯片直接相鄰，無需物鏡，并且微流控管道設置在微流控芯片上；圖像采集芯片子系統采集到的圖像被輸入到智能圖像子分析系統進行分析。本實用新型的智能光微流成像及檢測系統消除了光學透鏡，抑制了拖尾問題。
【專利說明】智能光微流成像及檢測系統

【技術領域】
[0001]本實用新型是基于集成電路芯片、微機電系統、光學成像和生物科學多領域交叉開發的一種智能光微流檢測系統，主要適用于液態微小(微米量級)物體(例如細胞)的檢測。

【背景技術】
[0002]細胞計數在生物學基礎研究和臨床檢測應用中都具有非常重要的意義。例如藥物開發研究中，常需考察藥物對目標細胞的作用效果，需定量對細胞進行計數；醫院內為確認癌癥病人是否存在癌細胞擴散，也需對其血液內癌細胞進行計數。因此，對各類細胞，尤其是某些特定的稀少細胞的快速準確的定量計數顯得異常重要。目前一般采用流式細胞計數儀作為主要的檢測工具。傳統的流式細胞計數儀(題為“便攜式在體流式細胞儀”的中國專利申請N0.200810038044.8，以及題為“一種流式細胞儀”的中國專利申請N0.201020613651.5)主要是通過光譜識別方法，利用不同細胞對特定波長的光源透射及反射信號的不同，來進行區分與計數。但該系統需要集成光源及精準的光學探測器，因此體積龐大而且造價昂貴，過程復雜，而且需要專業人員操作，不適用于現場操作。
[0003]另外也可以通過成像方法，即用細胞在顯微鏡下成像的方法區分不同細胞。目前常用的細胞檢測技術采用表面化學技術的微流通道捕獲細胞，其計數仍然在傳統顯微鏡下實現，無法適應高通量的需求。例如，題為“血細胞分析儀及分析方法”的中國專利申請N0.200810179322.1，以及題為“一種基于圖像識別的細胞計數方法”的中國專利申請N0.201010282484.5的公開文件中就記載了一種需要用到傳統顯微鏡的細胞分析計數裝置。
[0004]像流式細胞儀需要對快速流動的細胞進行顯微成像，通常需要克服兩個主要問題:1)顯微鏡的焦深調整。為了使細胞成像清晰，必須將流動的細胞約束在顯微鏡的焦深范圍內。焦深主要取決于顯微物鏡的數值孔徑，對于數值孔徑很大的成像物鏡，焦深非常小，很難將樣品約束在焦深范圍內。當待測細胞的大小大于焦深時，系統只能對細胞的局部成清晰像，處在焦深外的部分將得到離焦模糊像。2)對流動的細胞成像。由于細胞與相機之間存在相對運動，會造成圖像拖尾問題。通常可以通過減小曝光時間，使得細胞在曝光時間范圍內運動的距離小于成像的空間分辨率，細胞近似為靜止，從而克服拖尾問題，但是較短的曝光時間將降低系統的靈敏度。如果采用特殊的時間延時積分相機(TDI相機)對流動的細胞進行拍攝，細胞像的流動方向與相機的行掃描方向相同并且同步，相對于相機，整個過程中細胞處于靜止狀態，從而克服拖尾問題。然而TDI相機價格昂貴，體積龐大，采用TDI相機探測將會使得系統的成本增加，而且如果細胞的流速與TDI相機的行掃描稍微不同步，亦會造成拖尾。
[0005]因此，目前已有的這些細胞計數儀技術難以滿足當下各領域特別是臨床檢測領域的需求。實用新型內容
[0006]鑒于上述提到的主要問題，本實用新型中闡述的智能光微流成像及檢測系統采用先進的無透鏡顯微成像系統裝置，包括光源子系統、液流子系統、微流控圖像采集芯片子系統、智能圖像分析子系統。
[0007]光源子系統提供光源，其發出的光照射在微流控圖像采集芯片子系統上。
[0008]液流子系統由樣品輸入口、微流控管道、樣品輸出口組成。
[0009]微流控圖像采集芯片子系統由接合有微流控芯片的圖像傳感器芯片組成，其中微流控芯片與圖像傳感器芯片直接相鄰，無需物鏡，并且微流控管道設置在微流控芯片上。
[0010]圖像采集芯片子系統采集到的圖像輸入到智能圖像分析子系統進行分析，諸如細胞檢測、識別、分類計數等。
[0011]在本實用新型的一個實施例中，圖像傳感器芯片是CMOS圖像傳感器芯片。除此之夕卜，還可采用CXD圖像傳感器芯片。
[0012]在本實用新型的一個實施例中，微流控芯片是透明的PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基娃氧燒)微流控芯片。
[0013]在本實用新型的一個實施例中，微流控芯片直接貼合在圖像傳感器芯片上。
[0014]在本實用新型的一個實施例中，光源子系統采用LED燈。此外還可采用如鹵素燈、單色光源、激光束等。
[0015]在本實用新型的一個實施例中，樣品輸入口裝有微量注射泵。
[0016]在本實用新型的一個實施例中，樣品輸出口裝有收集廢液的容器。
[0017]由于消除了光學透鏡，該檢測裝置不僅能有效地克服顯微成像時焦深小的局限性，并且不同于其它成像流式細胞儀的側向成像方式，系統的成像方向與細胞的流動方向平行，從而可以抑制拖尾問題，成像質量更清晰。相對于傳統的流式細胞計數儀，本實用新型的智能光微流成像及檢測系統有著更大的優勢，能夠對細胞進行顯微成像，獲得細胞的形態及內部結構信息。依靠集成的智能圖像分析系統，可以同時對不同細胞進行區分、檢測，提高檢測速度，實現高通量的特點。
[0018]本實用新型中闡述的智能光微流成像及檢測系統還具有低成本、攜帶輕便、分析快速、高通量且易操作的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是根據本實用新型一實施例的智能光微流成像及檢測系統的總體框圖，其中示出了微流控圖像采集芯片子系統的剖面圖。
[0020]圖2是根據本實用新型一實施例的微流控圖像采集芯片子系統的俯視圖。
[0021]圖3是根據本實用新型一實施例的微流控圖像采集芯片子系統的三維示意圖。
[0022]圖4是根據本實用新型一實施例的圖像分析系統的具體框圖。

【具體實施方式】
[0023]為了更好地理解本實用新型，下面結合附圖對本實用新型的實施例作詳細說明。但本實用新型的保護范圍不僅僅局限于下面的實施例。本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣在所附權利要求書限定的范圍之內。
[0024]圖1是根據本實用新型一實施例的智能光微流成像及檢測系統100的總體框圖，其中示出了微流控圖像采集芯片子系統的剖面圖。
[0025]根據本實用新型一實施例的智能光微流成像及檢測系統100包括:光源子系統、液流子系統、微流控圖像采集芯片子系統以及智能圖像分析子系統。
[0026]液流子系統包括:構成樣品流體路徑的樣品輸入口 101、微流控管道102以及樣品輸出口 103 ;裝在樣品輸入口 101的用來驅動樣品試劑載入微流控管道102以及控制樣品流速的樣品輸入裝置，諸如微量注射泵104 ;以及裝在樣品輸出口 103的收集廢液的容器
105。
[0027]微流控圖像采集芯片子系統集成有液流子系統中承載樣品的PDMS微流控芯片106和CMOS圖像傳感器芯片201。
[0028]微流控芯片的材料可采用除PDMS之外的其他材料，例如但不限于PC(polycarbonate,聚碳酸酯)、PMMA (poly-methylmethacrylate,聚酸甲酯)、PS(polystyrene,聚苯乙烯)、PET (polyethylene terephthalate,聚對苯二甲酸乙二酯)、PVC (polyvinyl chloride,聚氯乙烯)、PFA (perfIuoroalkoxy,全氟燒氧基樹脂)、FEP(fluorinated ethylenepropylene,聚全氟乙丙烯)、C0C(Cyclic Olefin Copolymer,環烯經共聚物)、TPE (Thermoset Polyester,熱固性聚酯)、PUMA (Polyurethane Methacrylate,聚氨酯甲基丙烯酸酯)等。
[0029]除CMOS圖像傳感器芯片之外，圖像傳感器芯片還可以采用CXD圖像傳感器芯片坐寸ο
[0030]微流控芯片106的底面刻有微流控管道，其入口和出口設置在PDMS微流控芯片106的表面并分布在其兩端，與微流控芯片106外的微流控管道102相連，該微流控管道102的尺寸取決于樣品的大小。例如在應用于樣品中紅細胞以及HepG2細胞的濃度檢測時該管道102的尺寸可為例如100^111(寬度)、3(^111(高度)。
[0031]在樣品流體路徑中，微流控管道102分別與樣品輸入口 101和樣品輸出口 103相連。樣品輸入口 101和樣品輸出口 103可以是樣品輸入/輸出軟管。
[0032]現在結合圖2對本實用新型的智能光微流成像及檢測系統100中的圖像采集芯片子系統進行描述。本實用新型的智能光微流成像及檢測系統100中的圖像采集芯片子系統移除了物鏡，使得用PDMS材料制作的微流控芯片與CMOS圖像傳感器芯片(以下簡稱為“CMOS芯片”)直接相鄰，從而可直接投影成像。傳統的生物樣品觀測系統采用顯微鏡或數碼相機拍攝，在相機與物體載玻片之間需要設置物鏡，可以起到放大待測物體細節的作用，但該方法造價昂貴，系統體積較大，不宜攜帶。一般微流控管道與CMOS芯片的感光面(即像素陣列202)距離越近越好，如果CMOS芯片與微流控管道相距太大，衍射效應會降低影像對比度，所以在本實用新型的智能光微流成像及檢測系統的一個實施例中，先移除通常存在于CMOS傳感器封裝203上方起隔離保護作用的玻璃層，以暴露出CMOS傳感器裸片204，再將傳感器裸片204的感光面與PDMS微流控芯片的底面直接貼合在一起。
[0033]在本實用新型的智能光微流成像及檢測系統的該實施例中，為保證CMOS芯片與PDMS微流控芯片的緊密貼合，先通過旋壓覆蓋一層極薄的PDMS薄膜205在傳感器裸片204的表面上。之后將已經做好的微流控芯片的底面與覆蓋了 PDMS薄膜205的CMOS芯片感光面用氧電漿處理，然后將二者直接壓緊貼合。由于移除保護玻璃后連接傳感器封裝203和傳感器裸片204的封裝接合線206被直接暴露在外，因此貼合完成后，還需要取配制好的PDMS涂覆于微流控芯片106周圍，以將其四周的傳感器封裝203與傳感器裸片204間的凹槽填滿封閉，從而形成完整的PDMS密封207。
[0034]為了完全利用像素感光區域，微流控管道長度設計為近似CMOS圖像傳感器的像素陣列的對角線長度，通道的寬度設計為100 μ m，這樣樣品可以在此通道內以相對筆直和穩定的方式流動。另外，通道的高度為30 μ m,比正常的樣品尺寸略高，從而保證樣品貼近傳感器表面流動，保證更好的投射圖像對比度。
[0035]根據本實用新型一實施例的智能光微流成像及檢測系統100中的光源子系統通常設置在上述CMOS芯片上方。當光源發出的光入射在微流控管道上，通道中流動的樣品將投影在底部的CMOS芯片像素陣列上并感光成像。為了避免通道內的折射帶來的不良影響，本領域技術人員可以理解，可將光源發出的光調整為垂直或近乎垂直地入射在微流控管道上。
[0036]光源子系統可采用LED燈。此外還可采用如鹵素燈、單色光源、激光束等。
[0037]液流子系統中的微量注射泵通過輸入軟管與芯片中的微流控管道聯通，由注射泵注入的生物微流樣品流經通道時，通過圖像傳感器來記錄流體運動視頻，然后經過數據線將該視頻傳輸至智能圖像分析子系統實時觀察微流體流動的情況并進行圖像的處理與保存，測量后的樣品通過輸出軟管聯通廢液池收集。
[0038]現在參照圖3中圖像采集芯片子系統的一個實施例的三維示意圖對其進行具體描述。不同種類的流動細胞301在寬度為W、高度為H的微流控管道302內流動，在白光光源303的照射下，這些流動細胞投影到CMOS圖像傳感器的像素陣列304，圖像傳感器采集到所投影的低像素細胞圖305。
[0039]智能圖像分析子系統基于實時的圖像分析，得到樣品的形態、大小等圖像信息，進而達到對樣品進行識別和計數。以下參照圖4對智能圖像分析子系統進行描述。
[0040]圖4是根據本實用新型一實施例的圖像分析系統400的具體框圖。該圖像分析系統400包括細胞圖像運動檢測單元401、細胞分類識別單元402以及圖像結構相似度計數單元 403。
[0041]細胞圖像運動檢測單元401對流動的細胞輪廓進行分析,檢測出細胞的原始圖像。
[0042]細胞分類識別單元402將檢測出的細胞原始圖像與線下存儲的樣本進行比較。
[0043]圖像結構相似度計數單元403將結構相似度在閾值內的細胞劃分到相應類別中，并對相應類別的細胞計數。
[0044]本實用新型提供了一種無透鏡的智能光微流成像及檢測系統。和傳統光學顯微鏡的觀測系統相比，本發明的裝置不需要透鏡即可對大視場的大量細胞監測計數。另外，基于智能圖像分析子系統，可以減小由于人為判斷而造成的誤差，同時節省勞動力。由于在圖像傳感器芯片上集成有微流體樣品通道，被測樣品通過流動的方式連續經過被測區域，因此可以實時監測成千上萬個不同濃度的物體，在不影響成像測量數據的質量(精準度)的情況下顯著地提高了通量率、從而大大縮短了測量時間。
[0045]這種智能光微流成像及檢測系統結合了數字成像芯片和微流控芯片的優勢，顯示了許多吸引人的特性，例如:成本低、小型化、自動化，易于操作和易于系統集成。這些性質和優勢使得高精度的智能光微流成像及檢測系統非常適合作為現場檢測設備。
【權利要求】
1.一種智能光微流成像及檢測系統，包括: 光源子系統、液流子系統、微流控圖像采集芯片子系統、智能圖像分析子系統， 其中所述光源子系統提供光源，其發出的光照射在所述微流控圖像采集芯片子系統上； 所述液流子系統由樣品輸入口、微流控管道、樣品輸出口組成； 所述微流控圖像采集芯片子系統由接合有微流控芯片的圖像傳感器芯片組成，其中所述微流控芯片與所述圖像傳感器芯片直接相鄰，無需物鏡，并且所述微流控管道設置在所述微流控芯片上； 所述圖像采集芯片子系統采集到的圖像被輸入到所述智能圖像分析子系統進行分析。
2.如權利要求1所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述圖像傳感器芯片是CMOS圖像傳感器芯片。
3.如權利要求1所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述微流控芯片是透明的PDMS微流控芯片。
4.如權利要求3所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述PDMS微流控芯片直接貼合在所述圖像傳感器芯片上。
5.如權利要求1所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述光源子系統采用LED燈作為光源。
6.如權利要求1所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述微流控管道設置在所述微流控芯片的底面上。
7.如權利要求1所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述樣品輸入口裝有微量注射泵。
8.如權利要求1所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述樣品輸出口裝有收集廢液的容器。
9.如權利要求1所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述圖像分析系統包括細胞圖像運動檢測單元、細胞分類識別單元以及圖像結構相似度計數單元。
10.如權利要求2所述的智能光微流成像及檢測系統，其特征在于，所述微流控管道的長度設計為近似CMOS圖像傳感器的像素陣列的對角線長度。
【文檔編號】G01N15/14GK204116189SQ201420114285
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年3月13日 優先權日:2014年3月13日
【發明者】嚴媚, 王飛, 黃汐威 申請人:嚴媚