CN106556561A - 一种流体粒子运动控制装置 - Google Patents

Abstract

一种流体粒子运动控制装置，包括：控制主机，其至少用于控制所述流体粒子运动控制装置内超声波的发射状态；操作机构，具有流体管和分布在所述流体管表面的两个以上的超声发射单元；以及连接线，其连接所述超声发射单元和所述控制主机；通过所述控制主机控制单个或多个位于不同位置的超声发射单元工作形成作用于流体粒子的不同的声场。该流体粒子运动控制装置既可以用于形成不同模式的声场，该声场可用于实现流体粒子的不同聚焦效果。

Description

一种流体粒子运动控制装置

技术领域

本发明涉及生物学分析技术领域，具体涉及一种用于细胞分析的超声波流体粒子运动控制装置。

背景技术

流式细胞技术是一种利用流式细胞仪对处在液流中的单个细胞或其他生物颗粒等进行快速定量分析和分选的技术。流式细胞技术能够对每个细胞进行多种定量分析，是在血液、骨髓等组织中检测稀有细胞的有力工具。但稀有细胞检测往往需要大量样本才能采集到足够的数据，这对于传统流式细胞仪是个挑战，因为大样本意味着处理时间长，若减少时间，则需要加快进样速率，提高通量，但这会造成检测灵敏度的下降。

样本溶液进入到流式细胞仪时，细胞在三维空间内随机分布。令细胞逐个穿过激光束，才能保证数据采集的准确性。目前绝大多数流式细胞仪通过流体动力聚焦实现，即通过鞘液带动细胞并将其限制在中心位置，建立起单细胞流。传统的水动力聚焦技术受到了不少限制，流速提高会增大样本流的宽度，使细胞的聚焦效果下降。细胞偏离激光中心越远，激发光强度变化就越大，CV值也越高。研究人员经常需要在分析通量和精度之间寻求平衡。

目前，现有技术中已经出现了利用超声波声场进行粒子聚焦的装置，如美国专利文献US9074977B2，公开了一种用于平行流细胞分析的粒子处理装置，其包括一组相对布置于流体管的声波发射单元用于形成声场实现细胞粒子聚焦。

然而，首先上述专利文献中的装置仅可用于粒子聚焦，其功能和用途单一；其次，上述装置由对向的一组超声发射单元进行粒子聚焦，因此仅能使粒子在单平面或平行的多个平面内聚焦，参见专利文献US9074977B2的附图1，其流体粒子均聚焦在单个的平面内，其聚焦效果单一。因此现有技术中的粒子聚焦装置功能过于简单，且聚焦效果单一，不能满足不同的流体粒子不同聚焦需求。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有细胞分析聚焦装置中的功能和效果过于单一，不能满足不同的聚焦和其他功能需求，从而提供一种可形成不同声场模式的，既可以用于模拟不同模式的声场又可用于实现流体粒子不同聚焦效果的流体粒子运动控制装置。

为此，此处依次列出权利要求书记载的全部技术方案：一种流体粒子运动控制装置，包括：控制主机，其至少用于控制超声发射单元的超声波发射；操作机构，具有流体管和分布在所述流体管表面的一个以上的超声发射单元；以及连接线，其连接所述超声发射单元和所述控制主机；通过所述控制主机控制单个或多个位于不同位置的超声发射单元工作形成作用于流体粒子的不同的声场。

进一步地，所述操作机构为用于实现流体粒子聚焦的流体粒子聚焦机构，具有置于所述流体管内的聚焦管腔，所述超声发射单元产生的声场使通过聚焦管腔的流体中的粒子聚焦。

进一步地，所述流体粒子聚焦机构用于作为其他聚焦机构的辅助聚焦装置实施辅助聚焦。

进一步地，所述控制主机驱动位于所述流体管上不同位置的单个或多个超声发射单元工作以实现不同的粒子运动结果。

进一步地，所述控制主机单独驱动位于所述流体管上的任意一个超声发射单元工作；

或同时驱动位于所述流体管相邻面上的超声发射单元工作；

或同时驱动位于所述流体管同一面上的多个超声发射单元工作；

或同时驱动位于所述流体管相对面上的超声发射单元工作；或同时驱动

位于所述流体管四个侧面上的超声发射单元工作。

进一步地，所述控制主机通过分别单独调节超声波输出信号的通道使能、频率、幅值或相位，以实现不同的粒子运动结果。

进一步地，还设置有用于检测所述超声发射单元工作状态的传感器；所述传感器检测的状态信号传输至所述控制主机以监测超声发射单元的正常工作。

进一步地，所述传感器为温度传感器。

进一步地，所述控制主机至少包括用于驱动所述超声发射单元的超声驱动机构。

进一步地，所述超声驱动机构至少包含四路独立的输出，能够独立驱动至少四路所述超声发射单元。

进一步地，所述超声驱动机构至少包含信号发生器、功率放大器和输出匹配电路。

进一步地，所述控制主机还包括控制显示机构和电源信号接口，所述控制显示机构控制所述超声发射单元并显示所述流体粒子运动控制装置的工作状态。

进一步地，所述控制显示机构通过控制所述超声驱动机构的驱动信号控制所述超声发射单元的发射状态。

进一步地，所述控制显示机构对所述驱动信号的通道使能、频率、幅值和相位均可进行独立控制。

本发明技术方案，具有如下优点：本发明的超声波流体粒子运动控制装置，主要是指一种应用超声作为流体粒子聚焦方法的装置，更具体来说是通过控制主机控制多个不同位置的声波发射单元发射声波形成声场实现流体粒子的各种聚焦效果的聚焦系统。此外，该流体粒子运动控制装置不仅仅可用于实现聚焦，其还可通过控制主机控制多个不同位置的声波发射单元形成不同模式的声场。

附图说明

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

图1为本发明的流体粒子运动控制装置的结构示意图；

图2为本发明的流体粒子运动控制装置单向超声发射单元工作时的声场仿真示意图；

图3为本发明的流体粒子运动控制装置相邻侧超声发射单元同时工作时的声场仿真示意图；

图4为本发明的流体粒子运动控制装置相对侧超声发射单元同时工作时的声场仿真示意图；

图5为本发明的流体粒子运动控制装置四侧超声发射单元同时工作时的聚焦效果示意图；

附图标记说明：

1-声波发射单元；2-聚焦机构；3-流体管；4-流体粒子聚焦管腔；5-连接线；6-控制主机；7-超声驱动机构；8-控制显示机构；9-电源信号接口；10-外部信号接口；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

实施例1

如图1所示的流体粒子运动控制装置，其包括控制主机6，操作机构2以及连接操作机构2和控制主机6的连接线5。

其中操作机构2至少包含流体管3、用于发射声波的超声发射单元1、以及用于检测超声发射单元1工作状态的传感器。流体管3为管状结构，如附图1所示，超声发射单元1布置在管状结构的流体管3的四周表面，其朝向均对准流体管3的中心位置。当操作机构2用于进行流体粒子聚焦时，其还包括用于粒子聚焦的流体粒子聚焦管腔4，其中流体粒子聚焦管腔4的形状可以为方形、圆形、多面体形状或其他形状。

控制主机6至少包括超声驱动机构7、控制显示机构8、电源信号接口9和外部信号接口10。其中超声驱动机构7中至少设置有信号发生、功率放大和输出匹配电路。超声驱动机构7至少包含四路独立的输出，即能够独立驱动至少四路超声发射单元分别或者同时工作。在本实施例中，超声驱动机构7可驱动位于流体管管壁上的5个超声发射单元分别独立工作或者同时工作，但不仅限于上述形式。

控制显示机构8用于控制和显示该装置的工作功能和工作状态，该控制显示机构8的控制或显示方式可以采用按钮、旋钮、触摸屏、指示灯或其他方式。控制显示机构8通过对超声驱动机构7的输出信号进行调节，具体是对其通道使能、输出信号的频率、幅值、相位分别进行独立调节，以使超声发射单元1发射形成不同的声场或达到不同的聚焦效果。

控制主机6通过控制显示机构8对超声驱动机构7的输出信号调节，由此实现对流体管3四周的声波发射单元1发射声波信号的通道、幅值、频率、相位的调节。

控制主机6通过连接线5与声波发射装置相连，具体地，连接线5可连接控制主机6的超声驱动机构7与操作机构2中的声波发射单元1，连接线5将超声驱动机构7发出的驱动信号传输至超声发射单元1，同时将传感器检测到的超声发射单元1的工作状态检测信号传输至控制主机6以实时监测超声发射单元1是否正常工作。具体地检测超声发射单元1工作状态的传感器可以选择为温度传感器。

当将该装置用作声场发射装置时，其最终形成的声场通过控制超声发射单元1的驱动个数和驱动位置，或者通过改变超声发射单元的超声波驱动信号的幅值、相位、发射角度而改变。

当将该装置用作流体粒子聚焦装置时，其最终实际粒子汇聚效果同样可通过控制超声发射单元1的驱动个数和驱动位置，或者通过改变超声发射单元的超声波驱动信号的幅值、相位、发射角度而改变。

进一步地，该声波流体粒子聚焦装置中的聚焦机构既可以用于单独进行流体粒子的聚焦，也可以作为辅助装置在流体粒子聚焦中辅助其他聚焦装置以增强流体粒子的聚焦效果。

其次，该流体粒子运动控制装置可用于进行流体粒子聚焦，但不限于用作流体粒子聚焦，流体粒子聚焦只是该装置其中一个典型用途。

本发明的流体粒子运动控制装置的工作原理及过程：

(1)作为流体粒子聚焦装置时：

该装置通过驱动声波发射单元发射声波，利用声波声辐射力形成声场并产生势阱，在声场作用下，原本随机分散的粒子在势阱区域汇集形成聚焦效果。

工作时，需要进行聚焦的粒子流体通过流体管3的流体粒子聚焦管腔4。其中超声发射单元1的工作模式由控制显示机构8进行控制，使能不同的超声驱动机构7来驱动不同的超声发射单元1，实现不同的流体粒子聚焦模式和聚焦效果。

而由于驱动超声发射单元的位置不同导致驱动模式不同会形成不同的声场，以及由驱动发射单元1产生的声波驱动信号的通道使能、频率、幅值、相位差可变，也可以产生不同的声场，最终流体在经过不同的声场时，流体中的粒子由于不同声场的作用会产生不同的聚焦效果。

首先，可通过调节声波驱动信号的频率、幅值和相位实现不同的聚焦效果；具体地，本实施例中驱动信号的频率调节范围可设为200K～10MHz，幅值调节范围可设为5V～100V，相位调节范围可设为为0～360度。

其次，可通过控制声波发射单元的驱动模式实现不同的聚焦效果；具体地，超声发射单元1的驱动模式可以分为：

①同时驱动分布在流体管3任意相对两个面上的超声发射单元；此时流体粒子可在单个平面或平行的多个平面内聚焦，如图4所示；

②同时驱动流体管3四个侧面上环绕布置的四个超声发射单元；此时流体粒子可实现单束或者多束聚焦，如图5所示；

(2)作为流体粒子其他运动控制装置时：

首先，可通过调节声波驱动信号的频率、幅值和相位实现不同的声场；

其次，可通过控制声波发射单元的驱动模式实现不同的声场；具体地，超声发射单元1的驱动模式可以分为：

①只驱动其中任意一个面上的单个超声发射单元；此时，在声场的作用下，流体粒子单向地向一面运动，如图2所示；

②驱动任意一个面上沿一条直线布置的几个超声发射单元；此时，流体粒子也是单向地向同一面方向运动，但由于超声发射单元的工作长度变长，可使声场的作用时间延长；

③同时驱动分布在流体管3任意相邻两个侧面上的超声发射单元；流体粒子运动的空间相对第一种进一步缩小，单向地向一个角落运动，如图3所示。

本发明的声波形成装置与传统流体动力聚焦不同的是，声波聚焦技术可利用超声波将细胞紧密聚集在样本流中间，汇聚成一条直线。这种技术基本不受进样速率的影响，能使细胞强聚焦于激光检测点，与样本-鞘液的比率无关，不论样本流与鞘液流的比例如何，都能使细胞紧密地聚集于激光检测焦点，避免分散。这样可以采集更多光子，在极高的样本通量下保证高精度分析，且声波聚焦流式细胞仪处理全血样本可省去样本制备的步骤，既没有样本损失，也不会影响数据质量。因此在不同声场的作用下，原本随机分散的粒子在势阱区域汇集形成聚焦效果。包括但不限于粒子聚集在单个平面内、多个平面内、单束、多束进行汇聚，装置也可以根据实际应用的需要进行调整。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种流体粒子运动控制装置，包括：

控制主机(6)，其至少用于控制超声发射单元(1)的超声波发射；

操作机构(2)，具有流体管(3)和分布在所述流体管表面的一个以上的所述超声发射单元(1)；

以及连接线(5)，其连接所述超声发射单元(1)和所述控制主机(6)；

其特征在于：

通过所述控制主机(6)控制单个或多个位于不同位置的超声发射单元(1)工作形成作用于流体粒子的不同的声场。

2.根据权利要求1所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：

所述操作机构(2)为用于实现流体粒子聚焦的流体粒子聚焦机构，具有置于所述流体管(3)内的聚焦管腔(4)，所述超声发射单元(1)产生的声场使通过聚焦管腔的流体中的粒子聚焦。

3.根据权利要求2所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述流体粒子聚焦机构用于作为其他聚焦机构的辅助聚焦装置实施辅助聚焦。

4.根据权利要求1-3任一项所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述控制主机(6)驱动位于所述流体管(3)上不同位置的单个或多个超声发射单元(1)工作以实现不同的粒子运动结果。

5.根据权利要求4所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述控制主机(6)单独驱动位于所述流体管(3)上的任意一个超声发射单元(1)工作；

或同时驱动位于所述流体管(3)相邻面上的超声发射单元(1)工作；

或同时驱动位于所述流体管(3)同一面上的多个超声发射单元(1)工作；

或同时驱动位于所述流体管(3)相对面上的超声发射单元(1)工作；

或同时驱动位于所述流体管(3)四个侧面上的超声发射单元(1)工作。

6.根据权利要求1-5任一项所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述控制主机(6)通过分别单独调节超声波输出信号的通道使能、频率、幅值或相位，以实现不同的粒子运动结果。

7.根据权利要求1-6任一项所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：还设置有用于检测所述超声发射单元(1)工作状态的传感器；所述传感器检测的状态信号传输至所述控制主机(6)以监测超声发射单元(1)的正常工作。

8.根据权利要求7所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述传感器为温度传感器。

9.根据权利要求1-8任一项所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述控制主机至少包括用于驱动所述超声发射单元(1)的超声驱动机构(7)。

10.根据权利要求9所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述超声驱动机构(7)至少包含四路独立的输出，能够独立驱动至少四路所述超声发射单元(1)。

11.根据权利要求9或10所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述超声驱动机构(7)至少包含信号发生器、功率放大器和输出匹配电路。

12.根据权利要求9-11任一项所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述控制主机(6)还包括控制显示机构(8)和电源信号接口(9)，所述控制显示机构(8)控制所述超声发射单元(1)并显示所述流体粒子运动控制装置的工作状态。

13.根据权利要求12所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述控制显示机构(8)通过控制所述超声驱动机构(7)的驱动信号控制所述超声发射单元(1)的发射状态。

14.根据权利要求13所述的流体粒子运动控制装置，其特征在于：所述控制显示机构(8)对所述驱动信号的通道使能、频率、幅值和相位均可进行独立控制。