五分类血液细胞分析仪的原理及应用

. 52 《中国医疗器械信息》2006年第12卷第10期 Vol.12 No.10 技术 技术 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 Technology Report 文章编号：1006-6586(2006)10-0052-05 中图分类号：R446 文献标识码：B 收稿日期：2006-09-04 作者简介：张旭凯，深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司血球系统研发部技术经理；陆海峰，深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司国 内检验市场部血球产品经理 1 五分类血液细胞分析仪开发意义 血液细胞分析仪是医院检验科、化验室的常规设 备之一，也是发展最快、应用最普及的检验仪器，当 前血液细胞分析仪分为三分群和五分类两种。国际市 场上五分类血液细胞分析仪已经成为发达国家医院血 液临床检验的主流产品，但由于五分类血液细胞分析 仪需集光学、电子、气路、液路、计算机等技术于一体， 技术含量非常高，纵观全球，也仅有美国、法国、日 本等国家的 6个厂家能够生产真正意义上的五分类血 液细胞分析仪。 在今年 4月深圳迈瑞 BC-5500(如图 1)推出之前， 由于国内没有掌握该类产品生产制造的核心技术，因 而在中国市场销售的该类产品由国外品牌所垄断，价 格都比较昂贵，导致该类产品不能在中国医院临床检 验中大范围推广应用，BC-5500的推出推动了五分类 血液细胞分析仪在国内的临床应用，提高整个国内血 液细胞检测的临床应用水平。 2 白细胞测量原理 白细胞的分类结合了流式细胞技术、激光散射技 术和化学试剂对细胞的处理技术等技术。 流式细胞术 (Flow Cytometry，FCM)是一种综合应 用光学、机械学、流体力学、电子计算机、细胞生物 学、分子免疫学等学科技术，让被测溶液流经测量区域， 并逐一检测其中每一个细胞的物理和化学特性从而对 高速流动的细胞或亚细胞进行快速定量测定和分析的 方法。它一秒钟能分析几千个细胞，并同时测定细胞 的多个参数，广泛应用于生物医学的许多领域。流式 细胞术传统上有两种测量方法：激光散射测量、荧光 测量。阻抗法也可以在流式细胞术中被采用，形成所 谓的鞘流阻抗法。 为了保证细胞单个排列地逐一通过检测区域，鞘 流技术 (Sheath Flow Technology)在流式细胞术中被广 泛应用。流体抵抗变形的能力为流体的粘性，是流体 的固有属性。粘性通常以粘性切应力来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，即流体 在运动时，如果相邻两层流体的速度不同，则在它们 的界面上产生切应力，运动快的流层对运动慢的流层 施以拖力，运动慢的流层则对运动快的流层施以阻力， 这对力称为层流之间的内摩擦力或者粘性切应力用τ 表示。按照粘性切应力和剪切应变率成正比与否将流 体分为牛顿流体如空气、水及大部分常见流体和非牛 顿流体如血液、高分子聚合物、石油、沥青等和理想 流体 (粘性力很小比影响流体微团运动的如重力、压力、 惯性力小得多，可以忽略粘性影响的流体 )。 粘性切应力可以通过下面的模型来得到 (如图 2)。 两块平板，间距为 h，其间充满粘性流体。下板不动， 上板以速度 U在自身平面内作匀速运动。为了维持上 板的匀速运动，必须在平面上施加一个拖动力 F。试验 表明，拖动力 F与板的面积 A成正比，与速度 U成正比， 与板间的距离成反比，比例系数就称为流体的粘性系 数 µ。(Newton 1687 )记作： 五分类血液细胞分析仪的原理及应用 张旭凯 陆海峰 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 (深圳 518057) 图1 BC-5500五分类血液细胞分析仪 . 53《中国医疗器械信息》2006年第12卷第10期 Vol.12 No.10 技术 技术报告 Technology Report 区。在设计中将其分为整流区、加速区和测量区。整 流区目的是建立一个层流的环境，此时压力驱动液体 进入流动室形成稳定的鞘液；加速区的目的是缩小鞘 液和样本液之间的速度差，尽可能低的降低粘性力的 影响使样本液更加平稳的通过测量区；在测量区细胞 被鞘液包裹，以单个顺序逐个通过测量区域。在流动 室中样品溶液被注入到鞘液 (Sheath Fluid)当中 ,两者 汇聚成为细胞悬液 (Cell Suspension)一同通过检测区。 功能上由样本入口、鞘液入口、整流区、加速区、检 测区和废液出口组成。 流动室一般由石英晶体加工而成。光学测量区横 截面可测量段长度必须远大于检测光斑短轴的尺寸； 流动室的光学测量区内外表面尽可能平整，无明显缺陷。 白细胞测量采用光学法，使用激光和流式细胞术 技术实现，通过收集散射光信号获得白细胞分类信息。 光散射法的理论基础是 MIE散射理论，MIE散射理 论描述了当光照射到匀质球上产生的散射场。MIE散 射理论指导了对于白细胞体积信息和内部复杂度的测 量。根据MIE理论，当激光照射到流动室内流过的每 一个细胞时，由于细胞的物理特性，部分光线从细胞 上经不同的角度散射。从低角度 (相对入射光方向 1~6˚) 方向散射的光称为前向小角度散射光 (Forward small angle scatter)。从中高角度 (相对入射光方向 >8˚)方向 散射的光称为大角度散射光 (Large angle scatter)。从与 入射光方向垂直的方向散射的光称为侧向散射光 (Side scatter)。前向小角度散射光的光强可以反应细胞体积； 图2 粘性切应力模型 图3 流动室示意图 F=µA ·U/h 显然，单位面积的拖力 (粘性切应力 ) τ=F/A=µ·U/h 牛顿内摩擦定律告诉我们流体的粘性切应力大小 与粘性系数及速度梯度成正比。 流动存在两种流态：紊流 (湍流 )和层流。流动无 序，并有大大小小的漩涡形成的流态叫做紊流，又称 湍流。而以一种规律相同、互不混杂的形式作分层流动， 称为层流。鞘流属于层流的一种，是在医学上对层流 应用在流式细胞技术上的特殊称谓，意思是一种液体 象刀鞘一样包裹着细胞的流动。对于起包裹作用的液 体被称为鞘液，以与样本液区别。介于层流和紊流之 间的流态是一种极不稳定的过渡流。通常用雷诺数来 表征流体运动惯性力和粘性力之比值： Re=ρVd/µ 这里 ρ——流体的密度 V ——流体的速度 d ——管径 (或者水力直径 ) µ ——粘性系数 紊流层流的临界速度称下临界速度，相对稳定， 约为 2320；层流紊流的临界速度称上临界速度，不稳 定，约 12000~14000。以上就是实现鞘流技术的基本原 理，也是进行整流结构设计的理论依据。根据层流理论， 由于两种液体的流速和压力不一样，在一定的条件下 样品溶液与包裹它的鞘液在流动中可以保持相互分离 并且同轴。同时鞘液流可以加速样品溶液中颗粒的流 动并迫使他们的流动轨迹保持在液流的中轴线上，使 细胞单排列地逐一通过检测区域，这便是所谓的液流 聚焦原理 (Hydrodynamic Focusing)。 流动室 (如图 3)组件是光学和液路的接口，使一 定压力下的鞘液流体聚焦，形成对被测细胞液的挤压 和约束，迫使细胞排成一条直线逐个通过流动室检测 . 54 《中国医疗器械信息》2006年第12卷第10期 Vol.12 No.10 技术 技术报告 Technology Report 大角度散射光的光强可以反应细胞核 /浆复杂度和细胞 颗粒的信息；侧向散射光的光强可以反应细胞膜、核膜、 细胞质的变化。 激光光源为高斯光束，如图 4所示。 3 BC-5500的技术特点 白细胞的分类结合了液流聚焦技术、激光散射技 术和化学试剂对细胞的处理技术等技术。 BC-5500五分类血液细胞分析仪，由图 6所示的五 大部分组成：传感器结构 (特指进行血液分析的特定结 图4 高斯光束示意图 采用光散射法实现白细胞测量的具体过程 (图 5)是：全血样本首先按照一定的比例稀释成细胞悬 液，经过试剂进行处理后，在鞘液的作用下形成细胞流。 细胞被排成单列快速通过光学检测区，当液流中的细 胞逐一通过光学检测区时，引起光散射场变化，从而 在光接收系统形成脉冲信号。 图5 采用光散射法进行白细胞测量过程示意图 构，如电阻抗法的反应池与宝石孔、白细胞检测的光 学系统 )和化学试剂共同决定了血液分析的算法核心； 硬件电路系统、气 /液路系统和软件系统是算法实现的 辅助系统，是算法具体实现的一部分。 (1) 光学检测系统 BC-5500的光源采用半导体激光系统，使用寿命 更长，而且激光信号更为稳定，通过多角度的激光散射， 可以提供细胞的大小、细胞核、细胞颗粒大小及复杂 性的信息，并结合试剂对嗜酸性细胞和嗜减性细胞的 特异处理，增强分类效果，准确的把嗜酸性细胞和嗜 碱性细胞区分开来，同时筛选出各类异常细胞，从而 实现更精确的五分类检测结果。系统组成如图 7所示： a.前光学系统 (图 8) 根据激光光束的特点，通过前光学系统的准直、 聚焦等处理，将激光检测光斑投射到流动室的检测小 孔，为了保证良好的检测结果，聚焦的激光光斑长轴 和短轴要满足一定的尺寸和比例要求。 图6 BC-5500五分类血液细胞分析仪组成结构图 图8 BC-5500的前光学系统示意图 图7 BC-5500的光学检测系统结构图 b.后光学系统 (图 9) 根据收集角度不同，低角度散射光信号表现出细 胞的体积信息，高角度散射光信号表现出细胞的内部 复杂度信息，根据这 2个信息，可以绘制出白细胞分 布的散点图，白细胞按照种类在散点图上有特异性聚 集，从而实现白细胞 5分类。 . 55《中国医疗器械信息》2006年第12卷第10期 Vol.12 No.10 技术 技术报告 Technology Report 图9 BC-5500后光学系统示意图 速的测量。 为了满足快速自动测量的要求，要求在不到 1min 的时间内完成单个样本的测量，通过精确的时序设计 和压力平衡控制，快速地形成 20um左右的鞘流，并结 合节流技术的应用在短时间内产生较大的压力降，帮 助实现流量的平衡控制，从而快速地得到稳定的鞘流， 有力地缩短了样本检测的时间。 (4) 二个独立的白细胞检测通道 (图 11) 淋巴细胞、单核细胞、嗜酸性细胞和中性细胞 + 嗜碱性细胞可以在散点图上单独显示，独立的嗜碱性 细胞检测通道通过专用试剂实现溶血和嗜碱细胞处理， 保证嗜碱细胞的精确检测，同时获得WBC总数，可以 有效排除难溶性红细胞、巨大血小板、血小板聚集及 其非细胞颗粒对白细胞计数的影响。 WBC/BASO检测通道：专用的溶血剂使嗜碱性粒 在 BC-5500产品设计中，为了更好的测量嗜酸性 粒细胞和嗜碱性粒细胞，设计了 2个白细胞测量通道， 在 2个通道中对血液样本加入不同的试剂，使嗜酸性 粒细胞和嗜碱性粒细胞分别得到特异处理，从而更好 地对它们进行测量，确保白细胞五分类测量达到临床 使用的需要。 (2) 细胞化学染色技术 稀释液 (Diluent)用来稀释血样和做为鞘液。稀释 液在稀释血液样本的同时为血细胞提供与血浆性质相 似的环境，以保证在一定的时间内维持血细胞的体积 不发生变化，并为血细胞计数提供一个导电环境。其 主要功能有提供计数脉冲的基线，对细胞进行修饰并 维持细胞形态，稳定细胞并使细胞 (粒子 )分散在液体 中形成细胞悬液，并有抗血液凝集作用。 溶血剂能迅速破坏红细胞膜，并完全溶解红细胞 使红细胞碎片体积减小以至不干扰白细胞的分析。同 时白细胞大小发生变化，部分细胞胞浆流失，造成细 胞大小信息改变。此外特异的细胞化学染料和细胞核 或细胞内颗粒不同程度结合，导致细胞内部信息发生 改变。溶血剂处理是血液样本白细胞五个子群分类的 必要准备条件。 (3) 二次加速流式细胞技术 BC-5500采用独特的二次加速流式细胞装置 (图 10)，加快细胞流通过检测部的速度，提高检测细胞数 量，同时使细胞流的直径稳定在与白细胞相接近的宽 度，确保细胞在流体动力学作用下呈单个排列接受激 光散射的检测，保证对大量细胞进行逐个、准确、快 图10 BC-5500 的二次加速流式细胞装置图 图11 二个独立的白细胞检测通道示意图 . 56 《中国医疗器械信息》2006年第12卷第10期 Vol.12 No.10 技术 技术报告 Technology Report 细胞保持原来的形态，其他细胞溶解或萎缩，经半导 体激光流式细胞检测，得到WBC/BASO散点图。 由于试剂具有强烈的溶血作用，可排除血小板凝 集、难溶性红细胞对WBC检测的影响，因此可获得准 确的WBC总数和 BASO的检测结果。 (5) 螺旋式试剂恒温系统 众所周知，化学反应的条件如温度等对结果的准 确性起着重要的作用。BC-5500通过螺旋式恒温系统 实现试剂的预加温功能，使温度保持在 35摄氏度，确 保检测样本与试剂总是在同一温度下进行反应，完全 避免外界环境温度的变化对检测结果的影响。 (6) 双向立体后旋流阻抗法检测红细胞 /血小板 BC-5500采用双向立体后漩流阻抗法检测 RBC/ PLT，通过双向立体后漩流和粒子导向技术，使细胞逐 个通过检测部，完全避免细胞回流和重叠现象对检测 的干扰，并且通过细胞信号二维鉴定技术 (CSD)技术， 对细胞信号进行二维鉴定，提高检测灵敏度和准确度， 实现可靠的红细胞 /血小板检测。 (7) 精确的分血阀定量系统 (图 12) 采用精密陶瓷工艺，实现三片式分血阀装置，通 过定容的微细管道来截取定量流体，保证采集血样的 精确重复定量，提高整机测量系统的准确性和真实性。 而且方便拆装设计的分血阀光滑耐磨，容易清洗，易 于保养。 以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质 的气动系统。低压、小流量、高精度、低噪音的气动 系统具有结构简单、轻便、安装维护简单，压力低， 使用安全；压力、速度调节方便，速度快；环保，无 污染；元件可靠性高，使用寿命长，动作次数数百万次； 适应过载和冲击载荷能力强；完全气动控制可以防火、 防爆、耐潮等优点。 (8) 检测速度达到 80样本 /h(配自动进样器 ) 除了开放进样外，BC-5500还可选配封闭穿刺进 样装置和自动穿刺进样装置。采用封闭穿刺进样，可 避免接触有生物感染可能性的标本，使实验室的生物 安全性得以保证。可供选择的全自动进样系统能一次 性容纳 50支样本，并可不断添加，检测速度最大达到 80样本 /h，从而全面提高仪器的样本处理能力，使实 验室工作效率明显提高。 (9) 全中文操作系统 BC-5500拥有全中文的操作界面 (如图 13)，操作 过程一目了然，并可由主机直接输入中文信息，进行 数据管理，打印全中文报告单。 图12 BC-5500的分血阀定量系统 图13 BC-5500的全中文操作界面 (10) 大型彩色 TFT触摸屏 BC-5500采用大型触摸式彩色 TFT液晶显示屏和 图形化的界面按钮，不仅同屏显示所有检测信息，还 可以直接进行触摸式操作，简单方便。 (11) 具备急诊随时插入功能 在自动进样装置工作的任何时候都可以随时插入 急诊样本，优先检测，时刻满足临床的各种要求。 综上所述，BC-5500全自动五分类血液细胞分析仪， 是多学科相互交叉、渗透、综合的产物，涉及技术领 域包括电子技术、计算机技术、传感器技术、信号处 理技术、生物化学、临床医学、精密机械、光学、自 动控制、流体力学等领域。 ■