一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置及方法

本发明涉及肿瘤细胞检测芯片，特别是涉及一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置及方法。

背景技术：

1、癌症是全球主要的公共卫生问题，我国癌症的情况更加严峻，癌症发病率和死亡率逐渐上升。仅2022年，中国有约482万癌症新发病例，以及321万癌症死亡病例，癌症患者的死亡率超过65％。因此，对癌症诊治的研究具有非常重要的科学和社会意义。

2、临床数据表明，造成癌症患者临床致死的主要原因为源自原发肿瘤的肿瘤细胞的侵袭和转移。因此，通过检测人血液或胸腹水中的肿瘤细胞，可实现癌症早期诊断、实时监测、药物筛选以及有效预后评估，有助于控制癌症患者的病情、降低因病死亡率，有望成为癌症早期诊断的新型手段，具有重要的科学和社会价值。

3、生物物理特性是表征细胞结构、功能以及病理状态的一个固有指标，不同的起源和功能结构使得血细胞、正常细胞和肿瘤细胞在形态、尺寸、机械特性及电学特性等生物物理特性上存在差异。结合微流控技术、图像分析技术或阻抗分析技术，是一种能够实现单细胞机械特性表征的非标记方法。利用细胞机械特上的差异实现肿瘤细胞的检测可以成功避免生化标记方法使得细胞失去活性的困境。近年来，利用微流控变形性细胞仪对血细胞、正常细胞与肿瘤细胞进行区分的研究已取得初步进展。然而，单一形变检测技术仍存在检测精度有限的问题。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置及方法，提高肿瘤细胞的检测精度和检测通量。

2、本发明的技术方案，一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置，包括样品前处理装置、进样装置、倒置显微镜、机械特性检测芯片、高速摄像机、计算机和信号处理分析系统；

3、细胞样品经过样品前处理装置处理后经过进样装置送入放置在工作台上的机械特性检测芯片内；

4、倒置显微镜安装在工作台上，并正对着机械特性检测芯片；

5、倒置显微镜和高速摄像机对机械特性检测芯片上的细胞进行机械特性检测，并通过搭载在计算机上的信号处理分析系统进行分析学习，获得细胞鉴别模型；根据所获得的细胞鉴别模型对细胞样品进行种类鉴别。

6、优选的，机械特性检测芯片包括进样管、进液池、芯片上盖板、玻璃基底、正弦流道、形变流道、废液池、出样管；

7、玻璃基底位于底部，进液池、正弦流道、形变流道和废液池均设置在芯片上盖板的底部；芯片上盖板盖在玻璃基底上；

8、进样管与进液池的入口连接；正弦流道、形变流道依次设置在进液池和废液池之间；出样管与废液池的出口连接。

9、优选的，形变流道包括收缩结构、十字结构和t形结构；收缩结构两侧设置对称的两组流道，流道与主流道汇合形成十字结构；十字结构的出口与t形结构连接。

10、优选的，正弦流道对细胞样本进行单列聚焦。

11、优选的，经过正弦流道聚焦的细胞先流经收缩结构发生第一次剪切形变，无细胞的流体从收缩结构两侧的流道流出到十字结构汇合使细胞发生第二次形变，汇合后的流体聚焦细胞在t形结构发生拉伸形变。

12、优选的，正弦流道的内、外壁半径分别为：140μm、240μm；

13、收缩结构的长宽尺寸为：500μm、20μm；

14、十字结构的水平和垂直方向的流道宽分别为：60μm、27.6μm；

15、t形结构的水平和垂直方向的流道宽分别为：30μm、25μm；

16、机械特性检测芯片的高为：20μm。

17、一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测方法，应用上述肿瘤细胞机械特性检测装置进行检测，包括以下具体步骤：

18、s1：将正常细胞株离心、重悬处理，得到正常种类细胞样本；

19、s2：将正常细胞株样本通入机械特性检测芯片中，并使细胞样本流经机械特性检测芯片内的正弦流道进行单列聚焦；

20、s3：正常细胞株样本经正弦流道聚焦后进入形变流道的收缩结构、十字结构、t形结构，并使细胞样本进行三次形变；

21、s4：设置倒置显微镜和高速摄像机的参数，通过高速摄像机获取进入形变流道的细胞图像信息；

22、s5：利用信号处理分析系统对s4中获取细胞的图像信息进行轮廓提取，对细胞轮廓数据值进行提取，将三次形变中提取的数据信息进行耦合；

23、s6：重复s1-s5对癌细胞株分别进行检测；

24、s7：将两种细胞样本在不同形变中的机械特性输入至机器学习系统，训练产生细胞鉴别的模型；

25、s8：利用细胞鉴别模型对两种细胞样本进行细胞种类鉴别。

26、优选的，s1中重悬液为pbs。

27、优选的，s7中使用ansys机器学习的方法训练出细胞种类的鉴别模型。

28、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

29、1、本发明采用正弦流道对被测的细胞进行中心聚焦以提高机械特性的检测精度，解决了细胞在检测区域流道内位置分布杂乱导致细胞受力不均一的问题。本发明采用多次形变对细胞进行种类鉴别以提高检测精度，解决了单一形变技术检测精度低的问题。

30、2、本发明通过正弦流道聚焦的细胞首先流经收缩结构发生第一次剪切形变，无细胞的流体从收缩结构两侧流出到十字结构汇合使细胞发生第二次形变，汇合后的流体进一步聚焦细胞以及产生更大的流速使细胞在t形结构发生更大的拉伸形变。形变区域设计的优点在于不需要第一次形变中添加非常规介质组分来增强细胞变形，以及不需要在第二次形变中增加鞘液输入。此外，三次形变中细胞受到了不同程度的应力，使细胞形变检测中得到的多维参数更具有统计意义。

31、3、本发明利用不同的检测结构使细胞分别在收缩结构、十字结构和t形结构处发生形变，并获取不同形变中的细胞尺寸、圆度、变形性和外接矩形尺寸等机械特性参数。将多种参数用于机器学习训练模型，再利用该细胞鉴别模型对两种细胞样本进行鉴别分析，识别准确性得到了极大的提升。

32、4、本发明采用多次形变对细胞进行机械特性检测，并使用机器学习的方法建立细胞种类识别模型用于真实样本中细胞的种类鉴别，可用于血液中各种细胞的检测，也可用于其它生物样本中生物颗粒的检测，具有重要价值和商业前景。

技术特征：

1.一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置，其特征在于，包括样品前处理装置(1)、进样装置(2)、倒置显微镜(3)、机械特性检测芯片(4)、高速摄像机(5)、计算机(6)和信号处理分析系统(7)；

2.根据权利要求1所述的一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置，其特征在于，机械特性检测芯片(4)包括进样管(40)、进液池(41)、芯片上盖板(42)、玻璃基底(43)、正弦流道(44)、形变流道、废液池(48)、出样管(49)；

3.根据权利要求2所述的一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置，其特征在于，形变流道包括收缩结构(45)、十字结构(46)和t形结构(47)；收缩结构(45)两侧设置对称的两组流道，流道与主流道汇合形成十字结构(46)；十字结构(46)的出口与t形结构(47)连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置，其特征在于，正弦流道(44)对细胞样本进行单列聚焦。

5.根据权利要求3所述的一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置，其特征在于，经过正弦流道(44)聚焦的细胞先流经收缩结构(45)发生第一次剪切形变，无细胞的流体从收缩结构两侧的流道流出到十字结构(46)汇合使细胞发生第二次形变，汇合后的流体聚焦细胞在t形结构(47)发生拉伸形变。

6.根据权利要求3所述的一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置，其特征在于，正弦流道(44)的内、外壁半径分别为：140μm、240μm；

7.一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测方法，应用如权利要求1-6任一项所述的肿瘤细胞机械特性检测装置进行检测，其特征在于，包括以下具体步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测方法，其特征在于，s1中重悬液为pbs。

9.根据权利要求7所述的一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测方法，其特征在于，s7中使用ansys机器学习的方法训练出细胞种类的鉴别模型。

技术总结
本发明涉及肿瘤细胞检测芯片技术领域，特别是涉及一种基于惯性微流控的肿瘤细胞机械特性检测装置及方法，本发明采用正弦微流道惯性聚焦细胞，采用高速摄像对流道内多次形变的细胞进行机械特性检测。悬浮于PBS中的细胞在正弦微流道中受惯性力和迪恩力共同作用，可在较广流速范围内实现细胞的单列聚焦，提高了光学检测的识别准确率。细胞在微流道受剪切力、拉伸力和撞壁作用产生三次形变，不同种类以及大小的力使细胞产生不同程度和形状的形变。提取不同形变中细胞的尺寸、圆度、变形以及外接矩形尺寸，利用机器学习的方法训练种类的分类模型，用于细胞种类的鉴别。本发明适用于血液样本中各种细胞和其它生物样本中生物颗粒的检测。

技术研发人员：项楠,陈垚,倪中华
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14