一种基于细胞电阻抗测量的多高度位置矫正方法及系统

本发明细胞电阻抗测量领域，具体涉及一种基于细胞电阻抗测量的多高度位置矫正方法及系统。

背景技术：

1、亚微米到微尺度的各种生物样品的尺寸分布研究在生物医学和临床应用中起到十分重要的作用，例如细菌的准确大小与计数在抗菌药物的敏感性实验和抗菌药物的耐药性实验中至关重要。大多数常见细菌的大小分布在亚微米到微尺度的范围内，这使得高精度测量细胞大小与数量成为关键一环。除此之外，凋亡小体在细胞之中凋亡破碎(0.1μm-5μm)已被发现与免疫调节和肿瘤发生有关，而针对上述生物样品需要精确的测量以及亚微米的精度。

2、针对细胞微粒大小和计数的方法常见为光学显微镜和基于图像的结合以及使用光散射的brownian运动检测，后者已经应用于商业纳米颗粒跟踪分析仪(ntas)可实现纳米级的高灵敏度和分辨率。此类方法可有效观察细胞个数与大小，在生物医学和临床应用中起到十分重要的作用，至今也在不断演进。但在快速检测方面利用光学显微镜和基于图像的结合需要耗费大量的时间与人力，属于劳动密集型的方法。此外，商业纳米颗粒跟踪分析仪由于其方法对物体的运动十分敏感，很难探测具有自流动性的活生物样本。近年来，基于阻抗的微流控流式细胞术已成为一种替代方法。它具有无标签、高通量等特点，已成为细胞大小测定、计数和研究细胞介电特性的有效方法。

3、作为细胞在电阻抗信号上的体现，电信号的不同反映了细胞个数检测与大小测量。细胞电阻抗测量的基本原理是：利用电流流过细胞时受到细胞膜的阻力，这种阻力会影响电流流过细胞时的幅值和大小，因此通过测量电流通过细胞时的电压便可以计算出细胞的电阻抗。电阻抗信号与细胞的大小、形态、膜电容、细胞质电导率等生物物理属性等因素相关联，对电阻抗信号的分析具有至关重要的作用。检测细胞事件通常采用共面的差分电极作为敏感单元。但由于共面电极在法向方向上电场强度随距离呈指数级衰减，电流密度的空间分布及其不均匀。这导致的后果可能有：相同的细胞流经不同高度处的通道会产生不同的电流振幅，导致被误判为不同细胞；不同细胞流经不同高度处的通道时会产生相同的信号，导致被误判为相同细胞。这种由于细胞在流道中所处位置的高度所导致的信号干扰称之为位置依赖性。jianwei zhong等人提出七电极双差分的方法，在一定程度上改善了电场的不均匀性，且双差分信号具有明显的“马鞍”型波(无源差分信号分量)、双极性高斯波峰型(有源差分信号分量)的信号特征。采用“马鞍面”的波峰与波谷的差值同细胞事件信号峰值的比值作为相对突出度，利用其进行尺寸修正，可以降低细胞在低通量时不同高度下信号产生差异性的影响。但是该方法的局限性在于：当流道高度较大时，双差分信号波形的“马鞍面”消失，导致无法计算矫正因子，从而算法失效。即：现有方法仅适用于具有“马鞍面”特征波形的浅流道的情形(流道高度在8μm以内)。而实际应用中，需要增大流道的高度来提高检测通量，这势必会导致“马鞍面”信号特征的消失，现有的算法失效。为此，本专利提出一种全波矫正算法，期望能够有效弥补现有矫正方法的不足，对具有“马鞍面”波形特征的常规波形，以及“马鞍面”消失的高通量检测信号波形同样适用。

技术实现思路

1、本发明的目的是，提出一种基于细胞电阻抗测量的多高度位置矫正方法及系统。所述矫正方法可应用于不同高度的电阻抗信号优化。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种基于细胞电阻抗测量的多高度位置矫正方法，所述矫正方法应用于不同高度的电阻抗信号优化，所述矫正方法包括以下步骤：

4、1)采用双差分七电极结构获取电阻抗信号，电阻抗信号进行实部的获取并进行高斯滤波处理；

5、2)对高斯滤波处理后的数据根据寻找极值的函数得到不同高度下所产生的特征点，所述特征点为极值点；

6、3)根据特征点数进行是否为“马鞍”型波的事件判断：根据特征点数判断波形形状，若特征点数为8，则为存在“马鞍”型波，找到“马鞍”型波波形最大极值点max和最小极值点min、第一个马鞍波的波谷b1和第二个马鞍波的波峰b2，此时根据公式(1)直接计算矫正因子；

7、若特征点数为4，则为“马鞍”型波消失型波，找到“马鞍”型波消失型波波形最大极值点max和最小极值点min，共具有四个极值点，将第一极值点记为b1、第四极值点记为b2，此时根据公式(1)计算矫正因子；

8、

9、其中β为矫正因子，b1、b2、min、max为波形的极值点纵坐标；

10、4)进行是否为“马鞍”型波的事件判断之后，获得不同高度下的波形的矫正因子，将不同高度的波形数据根据标准因子与对应高度的矫正因子进行放缩，得到矫正后的全波图像；

11、所述标准因子β0的计算过程是：选取不同高度中存在“马鞍”型波的波形，以所有存在“马鞍”型波波形的细胞流经流道高度的中间值为标准高度，以标准高度下所对应的矫正因子作为标准因子β0。

12、进一步地，根据矫正后的全波图像中信号最大峰的出现频率进行细胞个数的事件判断。

13、进一步地，所述标准因子的计算过程为：按照公式(2)选取流道高度中间值h0为标准高度，以标准高度下所对应的矫正因子作为标准因子，

14、(hmax+hmin)/2＝h0  (2)

15、其中hmax、hmin分别为流道的对应高度的最大坐标值与最小坐标值，hmax的取值范围为20-60μm。

16、进一步地，细胞从入口流到出口的整段波形中每个点的数据除以对应高度下的矫正因子进行归一化处理，之后再除以标准因子，将所有高度的波形全部标准归一化到标准高度下的流入的数据。

17、第二方面，本发明提供一种基于细胞电阻抗测量的多高度位置矫正系统，包括：

18、comsol软件，用于进行不同流入高度的电信号模拟，由细胞流经不同高度的流道进行模拟信号获取；

19、comsol with matlab，用于实时数据处理，进行模拟信号的阻抗信号数据提取，提取阻抗信号数据的实部；

20、matlab软件，用于对comsol with matlab传输的数据进行数字滤波、特征点获取、事件判断、矫正因子计算以及全波矫正消除高度依赖性；

21、所述矫正因子计算的公式为：

22、

23、其中β为矫正因子，min、max为波形最大极值点和最小极值点的纵坐标；在波形为存在“马鞍”型波时，b1、b2分别为第一个马鞍波的波谷、第二个马鞍波的波峰的纵坐标；在波形为“马鞍”型波消失型波时，b1、b2分别为波形中第一极值点、第四极值点的纵坐标。

24、所述全波矫正具体为：得到不同高度所对应的波形数据之后按照矫正因子进行倍数放缩得到归一化的数据，之后将不同高度的归一化的数据再归一化至标准因子所对应的高度数据，实现标准归一化操作，从而消除高度依赖。

25、所述全波矫正的过程是：选取不同高度中存在“马鞍”型波的波形，以所有存在“马鞍”型波波形的细胞流经流道高度的中间值为标准高度，标准高度下所对应的矫正因子作为标准因子β0，

26、将整段波形中每个点的数据除以对应高度下的矫正因子得到归一化的数据，之后再除以标准因子，将所有高度的波形全部标准归一化到标准高度下的流入的数据，消除高度依赖性。

27、所述comsol软件中微流控芯片结构建模采用双差分七电极设计，采用高频率的正弦交流输入电压，利用双差分信号进行噪声弱化；当细胞流经流道时，电流受到细胞的阻碍产生形变，测量的阻抗幅度将与细胞的生物阻抗大小呈线性关系；信号最大峰的个数与流经细胞的个数成正比，计算细胞个数；根据细胞进入检测通道的信号进行细胞位置特性与电学特性的分析；

28、采用双差分七电极结构，利用细胞流经左侧与右侧电极时的电流差值获取电阻抗信号，得到细胞的阻抗特性与高度信号信息。

29、所述双差分七电极结构采用电极宽度为10-200μm，间隔为10-50μm的结构，流道尺寸为高20-2000μm，长100-2000μm；

30、所述双差分七电极接线选择分别为负激励电压、浮动电极、接地电极、正激励电压、接地电极、浮动电极、负激励电压组成，具体信号为接地电极差值获取，激励电压采用频率选择为100k-40mhz，初始相位为0的正弦交流电输入。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、本发明在电阻抗流式细胞分析数据处理的基础上，提出来针对多高度算法失效的情况下的全波矫正，通过采集数据的特征点经由波形事件判断得到矫正因子，根据标准因子与矫正因子进行多高度的全波(全波指利用无源差分、有源差分的全部波形特征，对不管是否为马鞍波都能适用)优化，实现全波矫正，明显有益于现有的半波矫正(仅利用无源差分信号的“马鞍面”信号波形)方法。

33、本发明在七电极双差分的基础上进行全波矫正，使得七电极双差分不仅仅局限于低流道，也可以进行高流道应用，提高通量。细胞计数的实现是通过事件发生次数进行判断，细胞大小的检测是根据全波矫正后波形的峰值大小进行判断。