一种基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片及检测方法

1.本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片及检测方法。


背景技术：

2.在诸多医疗健康检测的应用中，出凝血功能检测是糖尿病、高血脂血症、心脑血管等疾病诊疗领域中重要的一环。由德国人hartert于1948年发明的血栓弹力图(thrombelastography,teg)是一种全血粘弹性测量方法。通过在模拟人体体内环境中全血标本的血液粘弹性变化来反映血液凝固的动态变化，用物理学原理监测从凝血因子激活到形成血小板-纤维蛋白、血小板聚集、形成稳定的血凝块再到纤维蛋白溶解的过程，以此来反映血凝块形成的速率、强度及稳定性(纤溶水平)，这是对凝血与纤溶的全过程进行功能性评估。teg可以实时连续反映除血管因素外所有血液成分参与的整个的凝血过程，以此判断患者出血及血栓的风险。血栓弹力谱图不仅能包含激活凝血时间、凝血酶原时间、活化部分凝血活酶时间、凝血酶时间、纤维蛋白原、d-二聚体等临床终点法检测所反映的所有问题，而且有20个相关参数支持凝血全过程的检测。所有这些参数基线一致，标准统一，已经得到国际学术界的充分认可。此外，teg能更敏感更全面评估凝血的异常状态，预测患者出血与死亡的风险，有利于临床医生清晰明确的制定输血策略、指导合理用药及抗血栓等临床治疗，可有效控制患者的死亡率。
3.发展至今，基于血栓弹力图测量方法的测量技术主要包括：悬垂丝法、简谐振荡式、旋转探针法、超声谐振法等。基于血栓弹力谱图测量技术开发的出凝血功能检测系统有两种主流的商业化测量设备，分别是血栓弹力图系统(两种主流的商业化测量设备，分别是血栓弹力图系统(美国)和旋转式血栓弹力系统(tem innovations，德国)。其中，系列最新产品6s(us 2007/0237677a1)通过简谐振荡和光学检测的方法，并基于微流控技术开发了4通道试剂卡盒，具有操作便捷、受振动影响小等优点，但同时具有制作成本高，结构较复杂等不足。sigma(us 2016/0091516 a1)是一款通过机械旋转与光学检测的原理实现自动化血液粘弹性测量，同样结合微流控技术实现了4通道双卡盒，具有较高的稳定性，但是采血量达到2.7ml。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种结构简单、操作方便、采血量少以及灵敏度高的基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片。
5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种结构简单、操作方便、采血量少以及灵敏度高的基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测方法。
6.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
7.一种基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片，包括主体，所述主体设有与外部连通的进样口、与外部连通的排气口、微通道流路以及腔室，所述微通道流路两端分别与所
述进样口以及排气口连通，所述微通道流路能够提供流体流动所需的毛细力使所述进样口进入的流体沿所述微通道流路流动，所述微通道流路内存储有试剂，所述流体流动时与所述试剂混合，所述腔室与所述微通道流路连通并位于所述进样口与所述排气口之间，所述腔室收集混合了所述试剂的流体，所述基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片还包括磁弹性传感器，所述磁弹性传感器位于所述腔室内。
8.进一步的，所述腔室包括反应室以及多个微柱，多个所述微柱位于所述反应室中，多个所述微柱支撑所述磁弹性传感器。
9.进一步的，多个所述微柱位于所述反应室底部并呈阵列排布，多个所述微柱作为毛细泵，驱动流体填充反应室。
10.进一步的，所述微通道流路包括相互连通的试剂室、混合通道以及收集窗，所述试剂室存储试剂，所述混合通道位于所述试剂室以及所述收集窗之间，所述试剂室与所述进样口连通，所述收集窗与所述腔室连通。
11.进一步的，所述试剂室为由微通道流路凸出形成。
12.进一步的，所述混合通道为蛇形形状。
13.进一步的，所述主体包括封盖层、隔膜层以及基底层，所述进样口以及所述排气口设置于所述封盖层，所述试剂室、所述混合通道以及所述收集窗为异形通孔并设置于所述隔膜层，所述腔室设置于所述基底层，所述封盖层、隔膜层以及基底层层压键合相互对准固定，所述隔膜层位于所述封盖层以及所述基底层之间，所述试剂室、所述混合通道以及所述收集窗与所述封盖层的下表面以及所述基底层的上表面构成微通道流路。
14.进一步的，所述主体包括封盖层以及基底层，所述进样口、所述排气口、所述试剂室、所述混合通道以及所述收集窗设置于所述封盖层，所述进样口、所述排气口为通孔，所述试剂室、所述混合通道以及所述收集窗为凹槽，所述封盖层以及所述基底层层压键合相互对准固定，所述试剂室、所述混合通道以及所述收集窗与所述基底层的上表面构成微通道流路。
15.进一步的，所述主体包括封盖层以及基底层，所述进样口、所述排气口设置于所述封盖层，所述进样口、所述排气口为通孔，所述试剂室、所述混合通道以及所述收集窗设置于所述基底层，所述试剂室、所述混合通道为凹槽，所述收集窗与所述腔室重叠，所述封盖层以及所述基底层层压键合相互对准固定，所述试剂室、所述混合通道以及所述收集窗与所述封盖层的下表面构成微通道流路。
16.进一步的，所述微通道流路、所述腔室、所述排气口以及所述磁弹性传感器的数量为多个，多个所述微通道流路与同一所述进样口连通，每一所述微通道流路与一所述排气口连通，每一所述微通道流路与一所述腔室连通，每一所述腔室内安装有一所述磁弹性传感器，多个所述微通道流路存储不同试剂。
17.本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
18.一种采用上述任意一种基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片进行的检测方法，包括以下步骤：
19.准备血样：使用采血针进行指尖釆血或者使用提前准备的抗凝全血；
20.加入血样：将血液滴入基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的进样口，血液会在毛细力的驱动下进入微通道流路，血液与微通道流路中的试剂混合后进入腔室，同时
浸没磁弹性传感器；
21.凝血检测：将装载血液样品的芯片立即放入相应的测量设备中，磁弹性传感器在测量设备的交变磁场的激励下产生高频振动，当磁弹性传感器工作在不断发生凝结的血液中时，随着血液的粘弹性不断增加，磁弹性传感器的谐振频率与阻抗幅值均会不断降低，通过电路检测模块以及数据处理模块可以获得磁弹性传感器的谐振频率与阻抗幅值分别随时间不断变化的关系曲线，从而用频率和阻抗幅值两种模式实现整个凝血过程的血液粘弹性测量，最终得到血栓弹力图。
22.相比现有技术，本发明基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片具有以下优点：
23.1、磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片实现了易操作，低消耗、低成本的现场快速凝血检测；
24.2、基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测方法，不同于传统的电化学、光学、悬垂丝、旋转式等手段，具有无源无线、高灵敏度、低功耗、易制备的优点；
25.3、基于微流控技术的血栓弹力图检测芯片无需泵阀、管路等外围部件，通过自驱动、自混合以及片内预装试剂的一体化功能设计，极大地简化了操作，同时具有低采血量、低成本、高效率的特点；
26.4、血栓弹力图检测芯片的多通道设计实现了多种凝血项目的同时检测，获得血栓弹力图的相关临床指标，利于未来在床旁检测中推广使用。
附图说明
27.图1为本发明第一实施例中基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的立体图；
28.图2为图1的基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的分解图；
29.图3为图2的基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的隔膜层的立体图；
30.图4为图2的基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的基底层的局部结构立体图；
31.图5为图1的基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的内部结构示意图；
32.图6为图5的基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的a处的放大图；
33.图7为本发明第二实施例中基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的立体图；
34.图8为图7的基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的内部结构示意图；
35.图9为磁弹性传感器在空气环境下的阻抗频率曲线图；
36.图10为磁弹性传感器在血液中谐振频率随时间的变化曲线图；
37.图11为磁弹性传感器在血液中阻抗幅值随时间的变化曲线图；
38.图12为现有的商用仪器teg测得的结果曲线。
39.图中：10、封盖层；11、进样口；12、排气口；20、隔膜层；21、流道；210、入口；211、试剂室；212、混合通道；213、收集窗；214、出口；30、基底层；31、腔室；310、前端部；311、反应室；312、后端部；32、微柱；40、磁弹性传感器；50、试剂。
具体实施方式
40.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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
41.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
43.实施例一
44.图1至图6为本发明基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的第一实施例，在第一实施例中，基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片包括主体以及磁弹性传感器40以及试剂50。
45.主体包括封盖层10、隔膜层20、基底层30。
46.封盖层10设有进样口11以及排气口12，进样口11用于加入流体(在本实施例中为血液)，排气口12用于排出芯片内的空气，使流体能够在芯片内流动。优选的，封盖层10的外形为矩形，材料为高分子塑料，如pet、pvc、pe、pp中的任意一种。封盖层10厚度为0.1-0.5mm。封盖层10的进样口11和排气孔12形状为圆形，直径分别是3-5mm和2-4mm。优选的，进样口11直径为4mm，排气孔12直径为3mm。封盖层10通过激光切割、模切等方式加工而成。
47.隔膜层20设有流道21，流道21包括依次连通设置的入口210、试剂室211、混合通道212、收集窗213、出口214。入口210、试剂室211、混合通道212、收集窗213以及出口214均为异形通孔。当隔膜层20与封盖层10以及基底层30固定时，流道21与隔膜层20的下表面以及封盖层10的上表面形成微通道流路，微通道流路能够提供流体流动所需的毛细力，驱动流体在设定的通道内流动。具体的，试剂室211用于存储试剂50，混合通道212为蛇形通道，蛇形通道会减慢流体的流动，同时促进血样与试剂50的充分混合。优选的，隔膜层20外形为矩形，材料为高分子塑料，如pet、pvc、pe、pp中的任意一种。隔膜层20厚度为50-200μm。隔膜层20的通道深宽比为1:10，以提供足够大的毛细力驱动血液的流动。除此之外，隔膜层20还可以通过材料的结构(如多孔结构)或亲疏水性来提供需要的毛细驱动力。隔膜层20通过激光切割、模切等方式加工实现。
48.基底层30设有腔室31以及位于腔室31内的微柱32。腔室31包括前端部310、反应室311以及后端部312，反应室311位于前端部310以及后端部312之间。前端部311和后端部312形状可以是梯形、矩形或其它不规则形状，目的是减缓微通道流路与反应室311之间几何尺寸的突变。前端部311的作用是将混合通道212流出的流体引入到基底层的反应室311，后端部312的作用是将反应室311中多余的流体引出到出口214。反应室311用于收集血液并装载磁弹性传感器40。微柱32位于腔室31底部，用于支撑磁弹性传感器40，避免磁弹性传感器40与腔室31底部的过多摩擦。微柱32均匀分布于反应室311底部并呈阵列排布。微柱32同时可
以作为毛细泵，驱动血液填充整个腔室31。
49.基底层30的外形为矩形，由玻璃或pmma塑料等亲水性材料制成。基底层30厚度为0.4-2mm。基底层30的反应室311形状与磁弹性传感器40的形状相同，且反应室311的长和宽应匹配磁弹性传感器40的尺寸。反应室311的长和宽分别为4-20mm和1-8mm。优选的，反应室311的长和宽分别为10.1mm和4.1mm。反应室311的深度为0.1-1mm。微柱32的形状是圆柱、椭圆柱、菱形柱等，宽度为0.05-0.5mm。基底层30的反应室311中的微柱32均匀分布。微柱32间的间距为0.05-0.5mm，用于驱动血液在反应室311内的流动。另外，反应室311内还可以通过材料的结构(如多孔结构)或者亲疏水性来提供驱动血液的动力，基底层30通过激光雕刻、化学刻蚀等方式加工而成。
50.磁弹性传感器40由铁基非晶带材制备而成，常见的成分有铁、硅、硼、镍、钼等。首先，通过激光或者机械切割的方式将薄带切割成不同的形状，包括矩形、三角形、不规则三角形等，长度为4-20mm，宽度为1-8mm，厚度为22-28μm。然后，通过横磁退火处理带材，便得到可以使用的磁弹性传感器。另外，磁弹性传感器40的尺寸会影响测量的灵敏度和信噪比，一般情况下，长宽比在2:1至3:1会呈现较好的电学性能。
51.试剂50是经过冻干后的球状固体、片状固体或粉末等，在芯片制备的过程中被填装在芯片内部，位于靠近芯片入口的试剂室211内，便于待测物进入后与其混合。试剂50被预填装在芯片的试剂室211内，且每个试剂室211内只填装一种试剂。当每个芯片包含多个传感器时，可以在每个传感器连接的隔膜层20内填装不同的试剂，如与普通杯、快速teg、肝素酶检测、血小板杯检测相关的试剂50，便实现单芯片上多种凝血项目的检测。
52.组装基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片时，试剂50填装在芯片的试剂室211内，磁弹性传感器40放置于反应室311中，封盖层10、隔膜层20、基底层30通过层压法键合相互对准固定，键合方式包括但不限于层压法、等离子体键合、热压键合、冷压键合。隔膜层20的收集窗213对准基底层30的反应室311，封盖层10的进样口11和排气口12对齐隔膜层20的入口210和出口214。组装后的完整芯片即可加入血液并放入凝血设备进行测量。
53.实施例二
54.请继续参阅图7至图8，为本发明基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的第二实施例，在第二实施例中，基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的结构与第一实施例大致相同，不同点在于：微通道流路、腔室31、排气口12以及磁弹性传感器40的数量为多个，多个微通道流路与同一进样口11连通，每一微通道流路与一排气口12连通，每一微通道流路与一腔室31连通，每一腔室31内安装有一磁弹性传感器40，多个微通道流路存储不同试剂50，如与普通杯、快速teg、肝素酶检测、血小板杯检测相关的试剂，便实现单芯片上多种凝血项目的检测。
55.具体的，在第二实施例中，磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片包括4个微通道流路，即该芯片具有4个通道。4个通道的分布方式可以是2
×
2或者1
×
4，为了合理利用空间，本实施例采用2
×
2布局方式。四通道凝血检测芯片的各层的结构、功能以及加工方式均与单通道凝血检测芯片一样，此处不再赘述。每个通道为一个独立的检测单元，包含4个磁弹性传感器40。从芯片进样口11处加入血样，可以同时实现4个通道的凝血检测。当4个通道中包含不同的试剂50时，就可以同时实现普通杯、快速teg、肝素酶检测、血小板杯4项凝血检测。
56.实施例三
57.在第三实施例中，基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的结构与第一实施例大致相同，不同点在于：主体包括封盖层10以及基底层30，进样口11、排气口12设置于封盖层10，进样口11、排气口12为通孔，试剂室211、混合通道212以及收集窗213设置于基底层30，试剂室211、混合通道212为凹槽，收集窗213与腔室31重叠，封盖层10以及基底层30层压键合相互对准固定，试剂室211、混合通道212以及收集窗213与封盖层10的下表面构成微通道流路。
58.实施例四
59.在第四实施例中，基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的结构与第一实施例大致相同，不同点在于：主体包括封盖层10以及基底层30，进样口11、排气口12、试剂室211、混合通道212以及收集窗213设置于封盖层10，进样口11、排气口12为通孔，试剂室211、混合通道212以及收集窗213为凹槽，封盖层10以及基底层30层压键合相互对准固定，试剂室211、混合通道212以及收集窗213与基底层30的上表面构成微通道流路。
60.使用本发明基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片时，使用采血针进行指尖釆血，或者使用提前准备的抗凝全血，将血液滴入芯片的进样口11处，血液会在毛细力的驱动下进入流道。首先，血液与试剂室211内的干式化学试剂混合，并进入蛇形混合通道212充分混合；然后，血液继续流动至基底层30的腔室前端部310，接着反应室311内产生的毛细力驱动血液不断流动直至充满，血液会浸没磁弹性传感器40；最后，反应室311中的血液经过后端部312的微通道流出，多余的血液从出口214排出。由此可见，该芯片的操作十分简单，只需手动加样这一步，之后将装载血液样品的芯片立即放入相应的测量设备中，便可以开始凝血检测。
61.本发明还涉及一种采用基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片实施的血栓弹力图检测方法，包括以下步骤：
62.准备血样：使用采血针进行指尖釆血或者使用提前准备的抗凝全血；
63.加入血样：将血液滴入基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测芯片的进样口11，血液会在毛细力的驱动下进入微通道流路，血液与微通道流路中的试剂50混合后进入腔室31，同时浸没磁弹性传感器40；
64.凝血检测：将装载血液样品的芯片立即放入相应的测量设备中，磁弹性传感器40在测量设备的交变磁场的激励下产生高频振动，当磁弹性传感器40工作在不断发生凝结的血液中时，随着血液的粘弹性不断增加，磁弹性传感器40的谐振频率与阻抗幅值均会不断降低，通过电路检测模块以及数据处理模块可以获得磁弹性传感器40的谐振频率与阻抗幅值分别随时间不断变化的关系曲线，从而用频率和阻抗幅值两种模式实现整个凝血过程的血液粘弹性测量，最终获得血栓弹力图。
65.磁弹性传感器40在空气环境下的阻抗频率曲线如图9中实线所示，在某一频率点处，阻抗幅值达到最大，该频率即为传感器的谐振频率。当磁弹性传感器40工作在液体环境中时，液体的粘弹性会对磁弹性传感器的谐振产生阻尼作用，从而传感器内部产生的磁通量也会发生变化。当液体的粘度不断增加，传感器的振动频率会降低，即阻抗-频率曲线会发生平移；而当液体的弹性模量增加时，传感器的振动幅值会降低，即阻抗-频率曲线的峰值变小。磁弹性传感器40在液体环境下的阻抗频率曲线如图9中虚线所示。因此，当磁弹性
传感器40工作在不断发生凝结的血液中时，随着血液的粘弹性不断增加，磁弹性传感器40的谐振频率与阻抗幅值均会不断降低。通过外部电路检测模块以及数据处理模块可以获得磁弹性传感器40的谐振频率与阻抗幅值分别随时间不断变化的关系曲线，从而用频率和阻抗幅值两种模式实现整个凝血过程的血液粘弹性测量，最终获得血栓弹力图。本发明以谐振频率与阻抗幅值两个电学参数作为血栓弹力图的表征参数。以普通杯凝血测量为例，其测量结果如图10至图11所示，其中图10为谐振频率随时间变化的结果曲线，图11为阻抗幅值随时间变化的结果曲线。对比现有的商用仪器teg测得的结果曲线，如图12，可以看出，磁弹性传感器40获得的阻抗幅值测量结果与teg中的一半曲线十分相似，当把磁弹性传感器40的测量结果进行归一化处理，并镜像数据曲线便可以得到与teg一样的曲线效果，由此便可以进行相关参数分析，如血凝时间r、血块成型时间k、血凝速率α、血块强度ma、凝血指数ci等参数。
66.本发明中的血栓弹力图检测芯片实现了易操作，低消耗、低成本的现场快速凝血检测。首先，基于磁弹性传感器的血栓弹力图检测方法，不同于传统的电化学、光学、悬垂丝、旋转式等手段，具有无源无线、高灵敏度、低功耗、易制备的优点；其次，基于微流控技术的凝血检测芯片无需泵阀、管路等外围部件，通过自驱动、自混合以及片内预装试剂的一体化功能设计，极大地简化了操作，同时具有低采血量、低成本、高效率的特点；最后，血栓弹力图检测芯片的多通道设计实现了多种凝血项目的同时检测，获得血栓弹力图的相关临床指标，利于未来在床旁检测中推广使用。
67.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。