偏振光流控芯片癌细胞快速检测装置与方法与流程

本发明涉及细胞检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种偏振光流控芯片癌细胞快速检测装置与方法。

背景技术：

癌症已经成为危害人类生命健康安全的重大疾病之一，随生态环境的恶化、社会心理压力增加、不良生活习惯等原因，癌症的患病率逐年增加，肺癌、乳腺癌、胃癌等多种癌症疾病发病率高、治愈率低、死亡率高。癌症的诊断与治疗已经成为医学界一直以来所面临的巨大难题，世界卫生组织已将癌症控制列为全球性卫生战略重点。癌细胞是癌症产生的病源，与正常细胞不同，癌细胞具有无限增殖、可转化和易转移三大特点，能够无限增殖并破坏正常的细胞组织。癌细胞的检测与识别，对于癌症的早期诊断与治疗具有重要意义。

我国作为癌症疾病的高发国家，据国家癌症中心发布的《2017中国癌症报告》显示，中国癌症病人占全球癌症病人总量的将近40％，与2012年相比，中国癌症的新发病例增幅高达3％。癌症的诊断与治疗对于我国科技发展、经济进步、社会发展具有重大战略意义。然而我国的癌细胞诊断与治疗水平远落后与发达国家，目前仍缺乏对于癌症诊断与治疗的先进手段，无法满足人民日益增长的生命健康成长的需求。

癌细胞的检测与识别对于癌症的诊断与治疗具有决定性作用，医疗人员应及时发现患者体内癌细胞的种类与发展情况，以便及时为患者提供有效诊疗。目前针对癌细胞的检测与识别尚无完善的技术与方案，缺乏对于癌细胞简单快速的检测与识别手段，癌症诊疗仪器价格昂贵、操作复杂，部分癌细胞的检测与识别仍主要依靠医疗人员的诊疗经验，主观性强，及时性差，由于发现时期较晚导致治疗难度剧增的情况普遍，给患者带来巨大损失。因此，癌细胞的快速检测问题亟待解决。

技术实现要素：

根据上述提出癌细胞简单快速的检测与识别手段缺乏、癌症诊疗仪器价格昂贵、操作复杂等技术问题，而提供一种偏振光流控芯片癌细胞快速检测装置，实现对癌细胞的进行快速检测与精确识别。

本发明采用的技术手段如下：

一种偏振光流控芯片癌细胞快速检测装置，其特征在于，主要包括：

偏振显微探测模块，所述偏振显微探测模块在硬件控制模块的控制下提取样品内细胞在不同偏振态下的偏振特征；

数据采集模块，所述数据采集模块采集所述偏振显微探测模块的检测结果并记录得到不同检测结果的检测模式；

数据处理模块，所述数据处理模块对检测结果进行数学计算以提取目标细胞的细胞偏振特征；

匹配识别模块，所述匹配识别模块将细胞偏振特征与细胞偏振特征数据库内的样本进行匹配，从而对癌细胞进行识别，并判断其浓度和状态；

结果存储与反馈模块，所述结果存储与反馈模块将癌细胞检测与识别结果进行存储，建立电子档案数据库；

人机交互模块，所述人机交互模块与所述硬件控制模块连接，用以选择细胞偏振特征数据采集检测模式、并显示最终的识别结果。

进一步地，所述偏振显微探测模块包括依次连接的光源组件、起偏器组件、微流控芯片、显微透镜组件、检偏器组件以及光电检测组件；其中：

所述光源组件包含发光器件、用于选择光源波长的滤光片以及用于调节光强的光源控制电路；

所述起偏器组件包括前后设置的起偏器波片与起偏器偏振片；所述检偏器包括前后设置的检偏器偏振片和检偏器波片；

所述微流控芯片上凹刻有多条供样品溶液流动、首尾分别设有样品槽和废液槽的样品通道，样品溶液在电极作用下能够实现定向流动；

所述显微透镜组件包括用于实现光路调整与显微成像的透镜组合；

所述光电检测组件包括电子倍增ccd与成像光谱仪用以探测细胞的偏振特征。

进一步地，所述硬件控制模块包括：

与光源控制电路连接、用以调节光源组件发出的光源波长与强度的光源控制端；

与步进电机连接、控制电机旋转进而控制起偏器组件与检偏器组件中偏振器件的偏振状态调制的偏振态控制端；

与分别设置于样品槽及废液槽内的电机连接、控制微流控芯片中检测区域电场强度的场强控制端；

与显微透镜组件连接、调节显微透镜组放大倍数与光学系统焦距的放大控制端；

与电子倍增ccd及成像光谱仪控制端相连、控制控制其动作的检测控制端。

进一步地，所述数据处理模块通过分析数据采集模块所采集细胞不同偏振状态下的图像并计算细胞偏振表征参数；通过参数分解及图像融合的方法得到细胞偏振特征参数，对各细胞偏振特征参数进行时域分析、频域分析得到量化后的细胞偏振特征；通过分析细胞的成像光谱图提取细胞的偏振光谱特征。

进一步地，所述细胞偏振表征参数包括针对细胞图像提取的琼斯向量、穆勒矩阵；所述细胞偏振特征参数包括偏振度及偏振差；所述偏振特征包括偏振图像纹理变化、偏振图像频率变化以及偏振光强度分布。

本发明的另一目的是要提供一种基于上述任意一项所述装置的癌细胞快速检测方法，步骤包括：

步骤1、装置安装，按照要求依次安装各功能模块，并按照使用需求并按要求配置数据采集模块、数据处理模块、匹配识别模块、细胞偏振特征数据库、结果存储与反馈模块以及人机交互模块的软件系统；

步骤2、系统校准，将偏振显微模块中的起偏器组件与检偏器组件均调整至零偏振状态，数据采集模块与数据处理模块进行初始化；

步骤3、偏振显微检测，通过人机交互模块选择所需偏振参数采集模式，通过硬件控制模块控制偏振显微探测模块中的光源、起偏器组件与检偏器组件的偏振调制状态、显微透镜组的显微倍率与焦距以及控制微流控芯片中电极的电场，然后通过光电检测组件中的电子倍增ccd连续采集不同偏振状态下细胞的偏振图像，通过成像光谱仪采集细胞的光谱图像；

步骤4、数据处理，通过数据采集模块采集细胞的光电检测结果，计算细胞偏振表征参数，通过参数分解及图像融合的手段得到细胞偏振特征参数，对各细胞偏振特征参数进行时域分析、频域分析得到量化后的细胞偏振特征；通过分析细胞的成像光谱图提取细胞的偏振光谱特征；

步骤5、癌细胞检测识别，将得到的细胞偏振特征参数与细胞偏振特征数据库进行匹配识别从而检测样品细胞，得到检测结果；

步骤6、偏振检测反馈，将所检测细胞的偏振图像以及其偏振特征分析参数保存，建立电子档案，并将检测结果显示至人机交互界面，所述检测结果包括当前样品中所含有细胞种类、状态、浓度，是否含有癌细胞以及癌细胞种类、状态和浓度。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明结合微流控芯片控制细胞以实现精密的光电探测，装置系统集成化高、自动化高，测量精度高，测量速度快，探测信息丰富，其主要探测对象为细胞的偏振图像特征与偏振光谱特征，对于癌细胞所存在的血液等高散射介质中进行无损探测具有重大优势。

3、本发明充分利用深度学习等数学方法对细胞的偏振特征进行分类训练以实现对细胞的自动检测与识别，建立细胞偏振特征数据库，并引入数据反馈机制，实现细胞偏振特征数据库的实时更新与自我优化，持续提高检测与识别精度。

综上，应用本发明的技术方案能够实现癌细胞看快速识别，并且使检验效率得到了巨大提升。基于上述理由本发明可在病理分析、细胞种类识别等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明微流控芯片结构示意图。

图3为本发明方法流程图。

图中：1、偏振显微模块；2、数据采集模块；3、硬件控制模块；4、数据处理模块；5、匹配识别模块；6、结果存储与反馈模块；7、细胞偏振特征数据库；8、人机交互模块；9、光源组件；10、起偏器组件；11、微流控芯片；12、显微透镜组；13、检偏器组件；14、光电检测组件；15-1、起偏器波片；15-2、检偏器波片；16-1、起偏器偏振片；16-2、检偏器偏振片；17、电子倍增ccd；18、成像光谱仪。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，本发明提供了一种偏振光流控芯片癌细胞快速检测装置，其特征在于，装置包括：偏振显微探测模块1、硬件控制模块3、数据采集模块2、数据处理模块4、匹配识别模块5、细胞偏振特征数据库7、结果存储与反馈模块6、人机交互模块8等。其中偏振显微探测模块1包括光源组件9，起偏器组件10，微流控芯片11，显微透镜组12，检偏器组件13，光电检测组件14等；所述硬件控制模块3通过电子电路系统控制偏振显微探测模块1中可调光源组件9的光源波长与强度的选择、起偏器组件10与检偏器组件13中偏振器件的偏振状态的调制、微流控芯片11中通道电场强度的控制，显微透镜组12放大倍数与光学系统焦距的调整、以及光电检测组件14的硬件控制。所述数据采集模块2采集偏振显微探测模块1中光电检测组件14中各个光电探测器如电子倍增ccd17、成像光谱仪18等的探测结果，并记录不同状态下探测结果的检测条件；所述数据处理模块4对所数据采集模块2中探测数据进行数学计算，提取目标的偏振参数图像、偏振特征参数等有效特征；所述匹配识别模块5通过本装置对不同癌细胞及正常细胞的偏振特征图像及参数进行数据挖掘与深度学习等方法进行分类训练，建立细胞偏振特征数据库7；癌细胞检测中，将数据处理模块所计算细胞偏振特征图像参数与细胞偏振特征数据库进行匹配识别，对该癌细胞进行检测与识别，并判断其浓度、状态等信息。所述结果存储与反馈模块6将癌细胞检测与识别结果进行存储，建立电子档案数据库；另一方面，将细胞检测识别的数据反馈至细胞偏振特征数据库7，以丰富细胞偏振特征数据库7的信息量，优化数据分类训练效果；所述人机交互模块8通过人机交互选择控制硬件控制系统，选择细胞偏振特征数据采集模式，以及显示最终检测识别结果，包括当前样品中所含有细胞种类、状态、浓度，是否含有癌细胞以及癌细胞种类、状态、浓度等信息。并将检测结果进行数据存储、分享等常规操作。

下面通过具体应用实例对本发明的技术方案做进一步说明：

本实例以血液中某种癌细胞检测为例。装置包括偏振显微探测模块1、硬件控制模块3、数据采集模块2、数据处理模块4、匹配识别模块5、结果存储与反馈模块6、人机交互模块8等。由硬件控制模块3接收人机交互模块8命令对偏振显微探测模块1中的各个组件进行硬件控制以探测细胞的偏振信息，偏振显微探测模块1与数据采集模块2相连，数据处理模块4分析计算由数据采集模块2所采集细胞光电探测信息，将分析结果交由匹配识别模块5进行细胞的检测识别，检测结果由结果存储由于反馈模块6进行存储，并将细胞的探测数据反馈至细胞偏振特征数据库7，最终由人机交互模块8显示探测结果并对结果进行常规数据操作。

针对偏振显微探测模块1，其中的光源组件9包含led、lcd等发光器件，不同波长的滤光片用于选择光源波长，光源控制电路用于选择光强；其中起偏器组件10与检偏器组件13均包含波片15、偏振片16等偏振调制器件，以及控制电机电路用于调整偏振器件不同偏振方向角度以对入射光进行不同的偏振态调制；其中微流控芯片11包含通道与电极用于细胞的控制；其中显微透镜组12包含用于实现光路调整与显微成像的透镜组合；其中光电检测组件14包含电子倍增ccd17与成像光谱仪18等光电检测器件用于探测细胞的偏振特征。

硬件控制模块3通过电子电路系统控制偏振显微探测模块1中可调光源组件的光源波长与强度的选择，控制电机旋转用于起偏器组件10与检偏器组件13中偏振器件的偏振状态的调制，微流控芯片11中通道电场强度的控制，显微透镜组12放大倍数与光学系统焦距的调整，以及光电检测组件14的硬件控制。

数据处理模块4，通过分析数据采集模块2所采集细胞不同偏振状态下的图像，计算琼斯向量、穆勒矩阵等细胞的偏振表征参数，并进一步对其进行参数分解、图像融合等操作计算能有效表征细胞的包括偏振度、偏振差等一系列偏振特征参数，进一步地，对各个特征参数进行时域分析、频域分析等计算以量化细胞的偏振特征，包括偏振图像纹理变化、偏振图像频率变化、偏振光强度分布等特征参数；并通过分析细胞的成像光谱图提取细胞的偏振光谱特征。

微流控芯片11包含多个通道，每个通道两侧均布有电极，一方面产生变化电场控制细胞溶液的流体运动，用以选择探测区域，另一方产生电场固定细胞用以高质量探测成像。

光电检测组件14包含电子倍增ccd17与成像光谱仪18等有益于提取细胞偏振特征的光电检测器件。

匹配识别模块5通过所建立偏振特征数据库7对样本进行匹配识别，并引入数据反馈机制，每次实验的探测信息及结果由数据存储与反馈模块6反馈至细胞偏振特征数据库7，实现数据库中数据的自我更新、自我优化，以持续提高癌细胞偏振检测的精度。

本实施例的另一方面还提供了一种基于偏振光流控芯片的癌细胞的快速检测方法，使得癌细胞的检测与识别得以在高集成化的系统上进行，减少人工干预。通过偏振显微探测与光流控方法对细胞进行偏振探测，通过数据分析计算细胞的偏振特征参数，通过深度学习的方法分类训练所检测细胞的各种偏振特征，并建立细胞偏振特征数据库。癌细胞检测时，通过偏振显微探测癌细胞偏振信息，计算偏振特征参数，并与细胞偏振特征数据库进行匹配以检测识别，最终将癌细胞的偏振探测信息与结果反馈至细胞偏振特征数据库以实现数据库的持续更新。本装置系统集成化高，充分利用细胞的偏振特性对细胞进行无损探测，检测速度快，精度高，且检测精度随检测数据的增加能持续增长。

具体包括如下步骤：

1)装置安装，按照要求依次安装偏振显微探测模块中各个组件、硬件控制电路模块等，并按要求配置数据采集模块、数据处理模块、匹配识别模块、细胞偏振特征数据库、结果存储与反馈模块、人机交互模块等软件系统。

2)校准检测系统，将偏振显微模块中的起偏器组件与检偏器组件均调整至零偏振状态，数据采集模块与数据处理模块进行初始化。

3)偏振显微检测，通过人机交互模块选择所需偏振参数采集模式，通过硬件控制模块控制偏振显微探测模块中的光源、起偏器组件与检偏器组件的偏振调制状态、以及显微透镜组的显微倍率与焦距，通过控制微流控芯片中电极的电场控制细胞流体流动确定探测区域后改变电场固定细胞，通过光电检测组件中的电子倍增ccd连续采集不同偏振状态下细胞的偏振图像，通过成像光谱仪采集细胞的光谱图像。

4)数据处理，通过数据采集模块采集细胞的光电检测结果，计算细胞的穆勒矩阵等偏振表征参数，进一步的，通过穆勒矩阵等偏振参数的分解变换等操作计算细胞的包括偏振度、偏振差等一系列偏振特征参数，并采用数字图像处理包括空间域图像分析与频域图像分析等方法量化特征参数，计算包括偏振图像纹理变化、偏振图像频率变化、偏振光强度分布等一系列偏振特征参数；并分析计算细胞的偏振光谱特征。

5)偏振特征数据库建立，通过上述实验及数据处理方法对各种癌细胞及正常细胞进行偏振检测实验，通过机器学习等数据挖掘方法对所检测偏振特征参数进行分类训练，建立细胞偏振特征数据库。

6)癌细胞检测识别，通过上述1)-4)实验方法采集细胞样品的偏振特征图像及偏振光谱图像等信息，并计算其偏振特征参数，通过与细胞偏振特征数据库进行匹配识别对样品进行检测，若存在癌细胞则进行进一步识别。

7)偏振检测反馈，将所检测细胞的偏振图像以及其偏振特征分析参数保存，建立电子档案，进一步的，将其所有信息反馈至细胞偏振特征数据库，丰富数据库信息，优化数据分类训练效果，以不断提高细胞的偏振检测识别精度。

8)将当前样品的偏振检测识别结果显示至人机交互界面，包括当前样品中所含有细胞种类、状态、浓度，是否含有癌细胞以及癌细胞种类、状态、浓度等信息。

本发明通过建立系统化癌细胞偏振光流控装置，通过微流控芯片技术对细胞进行控制，通过偏振显微技术对细胞进行无损探测，通过光电信息分析与深度学习相结合的方法对所探测癌细胞进行特征分析，并建立具有反馈机制的细胞偏振特征数据库，能够快速检测癌细胞的种类、状态、浓度等信息，适用于在高散射介质中对癌细胞进行快速探测、精确识别。其可以根据需求自动化检测癌细胞的种类、状态、浓度等信息，以辅助医疗人员对患者病情进行诊断。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。