基于Android的細(xì)胞分選原理展示與仿真操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡慧嫻,李 田,張 云

（皖南醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，安徽蕪湖 241002）

細(xì)胞分選技術(shù)是醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)專業(yè)不可或缺的重要內(nèi)容。但因血液分析儀和流式細(xì)胞儀價(jià)格十分昂貴不便由初學(xué)者操作，且真實(shí)儀器內(nèi)部光路易受外界強(qiáng)光干擾需要密閉封裝不便給初學(xué)者拆開講解，檢測(cè)過程以單細(xì)胞的形式進(jìn)行，過于微觀無法用肉眼觀測(cè)到，此外由于樣本采集和保存環(huán)境受限及初學(xué)者操作不夠熟練，血樣中難免有凝塊和纖維等雜質(zhì)，造成管路臟、堵等限制因素[1]，導(dǎo)致根本不可能大批量購(gòu)買檢驗(yàn)設(shè)備來幫助醫(yī)學(xué)生感性理解細(xì)胞分類技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)過程。

近年來，為了解決上述問題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者都做了大量工作：馬來西亞理工大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院和吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分別利用細(xì)胞分選微流控芯片的低成本平臺(tái)，微流控技術(shù)和基于熒光激活細(xì)胞技術(shù)的超高通量酶活性篩選方法。但是各有缺點(diǎn)：TPI（Twist Per Inch，每英寸捻度）較多，微流控環(huán)境會(huì)影響細(xì)胞活性，超高通量成本高[2?4]。

基于兼容性優(yōu)越的Android 平臺(tái)設(shè)計(jì)出細(xì)胞分選原理展示與仿真操作系統(tǒng)。它相比于基于熒光激活細(xì)胞技術(shù)的超高通量酶活性篩選方法制作成本低廉，易于隨時(shí)隨地進(jìn)行操作與展示，且分選過程直觀可見[5?6]。

1 細(xì)胞分選仿真操作系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

細(xì)胞分選是通過分離含有單細(xì)胞的液滴而實(shí)現(xiàn)的。在流動(dòng)室的噴口上配有一個(gè)超高頻電晶體，充電后振動(dòng)，使噴出的液流斷裂為均勻的液滴，待測(cè)定細(xì)胞就分散在這些液滴之中。將這些液滴充以正負(fù)不同的電荷，當(dāng)液滴流經(jīng)帶有幾千伏特的偏轉(zhuǎn)板時(shí)，在高壓電場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)，落入各自的收集容器中，不予充電的液滴落入中間的廢液容器，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分離。設(shè)計(jì)了基于Android 的細(xì)胞分選原理展示與仿真操作系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)圖1的總體結(jié)構(gòu)，我們首先搭建本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的硬件平臺(tái)，硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示：基于Android的細(xì)胞分選原理展示與仿真操作系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，主要包括支撐單元、波長(zhǎng)檢測(cè)單元、光電轉(zhuǎn)換單元、分選單元。分選單元是利用白光透過透明玻璃球后，只剩下與該種顏色相同的光線的原理。支撐單元中采用不同顏色的純色透明玻璃球代替被熒光標(biāo)記的不同類型的白細(xì)胞。波長(zhǎng)檢測(cè)單元運(yùn)用后向分光技術(shù)，當(dāng)光源發(fā)出的白光透過有色玻璃球后，利用光導(dǎo)纖維將透射光分成四路，選用485 nm、530 nm、570 nm 的長(zhǎng)通濾波片和488 nm 的短通濾波片進(jìn)行光路分選，每個(gè)濾波片的背面放置一個(gè)光敏電阻用于接收光學(xué)信號(hào)。通過這樣的組合，使每種顏色的玻璃球產(chǎn)生相應(yīng)的唯一信號(hào)。將光路檢測(cè)裝置接收到的信號(hào)傳送到分選單元，分選單元根據(jù)接收到的信號(hào)來執(zhí)行不同的命令，發(fā)出不同的指令信號(hào)，控制電機(jī)帶動(dòng)偏轉(zhuǎn)滑槽旋轉(zhuǎn)至不同方位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色小球的分選功能。

圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

2 細(xì)胞分選仿真操作系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 支撐單元

支撐單元包括1 個(gè)支撐平臺(tái)、1 個(gè)樣品架、1 個(gè)主軌槽、1 個(gè)旋轉(zhuǎn)軌槽，這幾個(gè)部件分別來模擬血液分析儀中的機(jī)架、樣品管、流動(dòng)室、分選裝置。實(shí)際的血液分析儀為了使細(xì)胞通過檢測(cè)通道而采用鞘流技術(shù)[6]，但本研究采用重力加速度原理實(shí)現(xiàn)小球的運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)單高效。

2.2 波長(zhǎng)檢測(cè)單元

波長(zhǎng)檢測(cè)單元包括1 個(gè)白光發(fā)射裝置、4 個(gè)光導(dǎo)纖維、485 nm、570 nm、530 nm 的三種長(zhǎng)通濾波片和488 nm 的短通濾波片。光導(dǎo)纖維用來代替真實(shí)儀器中各種透鏡組合而成的光路傳導(dǎo)裝置，克服儀器光路傳導(dǎo)系統(tǒng)抗干擾度低的問題。利用長(zhǎng)通濾波片和短通濾波片組合設(shè)計(jì)光路來區(qū)分五種單色光。在血液分析儀中光路檢測(cè)單元非常復(fù)雜而精密，本研究利用光濾波技術(shù)區(qū)分五種玻璃珠的顏色達(dá)到分選樣本的目的。

2.3 光電轉(zhuǎn)換單元

光電轉(zhuǎn)換單元采用了4個(gè)通道的光電轉(zhuǎn)換模塊，在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增加而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；檢測(cè)經(jīng)過濾波片處理后的光信號(hào)，將經(jīng)過濾波片處理后的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

2.4 分選單元

分選單元包括MSP430 單片機(jī)、1 個(gè)步進(jìn)電機(jī)、1個(gè)豎直旋轉(zhuǎn)的20 mm 的軸、內(nèi)徑5 mm 和20 mm 的齒輪各1 個(gè)、1 個(gè)傳送皮帶和1 個(gè)旋轉(zhuǎn)槽軌，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，步進(jìn)電機(jī)再與軸之間通過皮帶傳動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軌槽的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)玻璃球從進(jìn)樣模塊順著管壁滾動(dòng)到激光檢測(cè)模塊的小孔處，將原先放置在該處的玻璃球撞離出去，同時(shí)自身停在小孔處。燈源發(fā)出的白光照射到玻璃球上，其透射光通過小孔正下方的光導(dǎo)纖維束傳送到四個(gè)濾波片，產(chǎn)生一個(gè)顏色信號(hào)。同時(shí)，撞離出去的小球通過偏轉(zhuǎn)滑槽的指向，落到對(duì)應(yīng)的收集容器中，在它經(jīng)過光電開關(guān)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，該中斷信號(hào)使單片機(jī)進(jìn)入中斷執(zhí)行程序，控制進(jìn)樣模塊頂針上下運(yùn)動(dòng)一次，釋放一個(gè)小球，進(jìn)行下一輪的循環(huán)。采用紅、白、黃、綠、紫等5 種不同的玻璃球分別代表中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞并模擬真實(shí)的細(xì)胞分類操作流程。

3 細(xì)胞分選仿真操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)細(xì)胞分選系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

開發(fā)環(huán)境有（1）開發(fā)平臺(tái)：Android 手機(jī)；（2）開發(fā)工具：eclipse、sdk、adt、jre ；（3）編程語言：Java 語言。具體說明如下：①學(xué)生由登錄界面進(jìn)入軟件平臺(tái)，設(shè)置檢測(cè)項(xiàng)目后點(diǎn)擊開始，軟件便將該命令信息通過WIFI 傳送到硬件平臺(tái)。當(dāng)硬件平臺(tái)結(jié)束工作后，硬件平臺(tái)獲得的信息通過WIFI 反饋給軟件平臺(tái)；②軟件平臺(tái)根據(jù)硬件平臺(tái)反饋的信息方圖和散點(diǎn)圖，學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的知識(shí)判斷樣本中各成分是否正常，并寫出診斷報(bào)告；③學(xué)生提交診斷報(bào)告后，軟件平臺(tái)自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫調(diào)出對(duì)應(yīng)的專家診斷報(bào)告，學(xué)生可根據(jù)專家診斷報(bào)告來檢查自己診斷報(bào)告。④根據(jù)學(xué)生或者老師的需要，可以將學(xué)生診斷報(bào)告與專家診斷報(bào)告同時(shí)保存到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫中；⑤在使用該軟件時(shí)可點(diǎn)擊收藏易錯(cuò)直方圖和散點(diǎn)圖，供學(xué)生快速有效的復(fù)習(xí)。該軟件兩大功能，一是能調(diào)取各類白細(xì)胞直方圖和散點(diǎn)圖，學(xué)生可就直方圖和散點(diǎn)圖編寫自己的分析結(jié)果，并可與對(duì)應(yīng)的專家診斷結(jié)果進(jìn)行比較，二是該軟件能利用手機(jī)無線與細(xì)胞分選原理展示仿真模型通信，使用簡(jiǎn)單便捷。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于Android 的細(xì)胞分選原理展示與模擬操作系統(tǒng)，可以全真模擬流式細(xì)胞儀、血液分析儀等細(xì)胞分選過程：硬件平臺(tái)的控制器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來實(shí)現(xiàn)不同細(xì)胞的分選；軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生模擬操作、學(xué)生診斷和專家診斷的對(duì)比等功能；無線通信平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Android 手機(jī)與硬件平臺(tái)的通信。能夠?yàn)闄z驗(yàn)醫(yī)學(xué)生提供了一個(gè)高仿真的操作與診斷環(huán)境，對(duì)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)生快速掌握細(xì)胞分選的技術(shù)原理和操作診斷技巧起到重要作用。但本系統(tǒng)的功能仍待完善，硬件平臺(tái)的開發(fā)還不足以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分選過程中的液流控制等功能，這些工作將在后續(xù)工作中繼續(xù)完善。