CN102879399A - 红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，包括高速相机、光学显微镜、注射器、微量注射泵、图像采集计算机、微通道、废液收集杯和光源；微通道固定于载物台上，入口孔与出口孔通过管路分别和注射器与废液收集杯相连；注射器安装在微量注射泵上；光学显微镜设置于微通道上方，高速相机设置于光学显微镜上方并和图像采集计算机相连；光源设置于微通道的下方；所述注射器中装载红细胞悬浮液，实验时微通道内红细胞悬浮液的流动速度为0.1m/s-3m/s。本发明可对红细胞运动中，在高速碰撞条件下溶血损伤进行显微可视化研究，获得红细胞的形态变化规律，为高速碰撞条件下的溶血研究提供理论基础和参考依据。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置。
【背景技术】
心脏功能衰竭严重威胁患者生命。药物治疗和手术治疗方法都难以取得明显的效果，而器官移植治疗又面临着捐献者过少的困难。为了取得更好的治疗效果，医学工作者和研究人员期望利用人工机械性血液泵来维持患者体内的血液循环，挽救患者生命，改善生活质量。然而，由于血液泵内的叶片转速高达几千转，甚至上万转，导致血液内的红细胞在高速运动下和血液泵叶片、壁面等部件发生碰撞，进而导致溶血，即红细胞膜破裂，血红蛋白发生游离，红细胞无法正常工作，这也成为人工血液泵发展的瓶颈问题。传统研究认为血液泵内红细胞溶血是由于流动产生的剪切力导致的，而对于血液运动中红细胞与血液泵部件高速碰撞导致的溶血鲜有研究，而且目前相关研究中红细胞的流动速度较低，故而全面研究高速碰撞条件下红细胞的溶血问题，具有十分重要的工程和学术意义。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，实现红细胞—固体壁面高速碰撞的显微可视化，观测不同流速以及不同碰撞壁面条件下红细胞的运动过程以及与固体壁面发生碰撞的过程，并获取大量运动和碰撞过程中的瞬时图像，对高速碰撞条件下的溶血进行研究。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种红细胞-固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，包括高速相机、光学显微镜、注射器、微量注射泵、图像采集计算机、微通道、废液收集杯和双光源；微通道固定于载物台上，入口孔与出口孔通过管路分别和注射器与废液收集杯相连；注射器安装在微量注射泵上；光学显微镜设置于微通道上方，高速相机设置于光学显微镜上方并和图像采集计算机相连；双光源设置于微通道的下方。
本发明进一步的改进在于：所述注射器中装载红细胞悬浮液，实验时微通道内红细胞悬浮液的流动速度为0.1m/s-3m/s，流速较高，高于目前其他相关研究中的流速。
本发明进一步的改进在于：微通道选用与血液和红细胞生物相容性较好的材料。
本发明进一步的改进在于：微通道的材质为聚二甲基硅氧烷。
本发明进一步的改进在于：所述双光源为显微光源和荧光光源构成的双光源；光学显微镜中设置有滤光片。
本发明进一步的改进在于：微通道呈T或Y形，微通道包括一个入口孔和两个出口孔。
本发明进一步的改进在于：光学显微镜对细胞运动和碰撞过程进行放大和观测，高速相机用于获取碰撞过程中的瞬态图像，并在图像采集计算机中进行图像输出。
本发明进一步的改进在于：在配制红细胞悬浮液过程中，使用微米级内径过滤网对红细胞悬浮液进行多次过滤。
本发明进一步的改进在于：实验中，每隔一段时间对注射器中红细胞悬浮液进行均匀化。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明建立了一种对血液泵内红细胞和固体壁面高速碰撞过程的模拟实验系统，实现红细胞-固体壁面高速碰撞的显微可视化，观测不同流速以及不同碰撞壁面条件下红细胞的运动过程以及与固体壁面发生碰撞的过程，并获取大量运动和碰撞过程中的瞬时图像，对高速碰撞条件下的溶血进行研究；为阐明溶血机理，建立溶血模型，确定影响参数等相关研究提供理论基础和参考数据。
本发明中，在动力系统的推动下，使红细胞在实验微通道中流过，和微通道固体壁面发生高速碰撞；利用高速显微成像系统对红细胞的运动和碰撞过程进行观测和成像；实验中微通道内红细胞悬浮液的测量流动速度范围为0.1m/s-3m/s，流动速度较高，高于目前其它相关研究中的流速(mm/s或cm/s量级)。由于红细胞的尺寸在5-10μm左右，以及红细胞的运动速度较高，红细胞的流动通道选择尺寸为微米级的微通道。在选择微通道的制作材料时，要充分考虑到血液和红细胞的生物相容性。微通道分为T形微通道和Y形微通道两种结构（T形和Y形微通道分别代表着血液泵内相对平坦的和相对弯曲的碰撞面），而两种不同结构各自包含多种不同尺寸。以新鲜血液离心过滤制成的一定浓度下的红细胞悬浮液作为实验流动溶液，通过微通道。以微量注射泵推动注射器作为动力系统，注射器盛载实验红细胞悬浮液，利用微量注射泵的定常或者脉动流量推动来实现一定流速下的实验。通过改变微量注射泵的流量，实现不同流速下的实验。以光学显微镜和高速相机以及计算机作为成像系统，利用光学显微镜对细胞运动和碰撞过程进行放大和观测，利用高速相机获取过程中的瞬态图像，并在计算机中进行图像输出。此外，为了使高速运动中的成像区域更加明显，在光学显微镜中装设了滤光片，同时利用显微光路和荧光光路结合的双光路对视场进行照亮，有效增加视场亮度，改善观测和所获图像效果。
本发明可以对红细胞在微通道内高速流动和碰撞过程进行观测，并获取不同流速下的流动和碰撞图像，可进一步获得红细胞在运动过程中的形态变化规律，为高速碰撞条件下的溶血研究提供必要依据。
【附图说明】
图1是实验系统示意图；
图2是T形微通道结构整体图；
图3是T形微通道测试段局部放大图；
图4是Y形微通道结构整体图；
图5是Y形微通道测试段局部放大图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1至图5所示，首先对微通道7进行说明。微通道7结构如图2、3、4、5所示，其中T形和Y形微通道分别代表相对平坦和弯曲的碰撞壁面。微通道7的尺寸为微米级，可根据需要制作不同尺寸的微通道。在选择微通道的制作材料时，要充分考虑到血液和红细胞的生物相容性，可选择与血液和红细胞生物相容性较好的材料，优选为PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)。实验中微通道7内红细胞悬浮液的测量流动速度范围为0.1m/s-3m/s，流动速度较高，高于目前其他相关研究中的流速。
请参阅图1所示，本发明一种红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，包括高速相机1、光学显微镜2、注射器3、微量注射泵4、图像采集计算机5、微通道7、废液收集杯8和双光源9,10。微通道7固定于载物台上，含有一个入口孔71和两个出口孔72，入口孔71与出口孔72通过管路6分别和注射器3与废液收集杯8相连。工作时，红细胞悬浮液在动力作用下从入口孔71流入，经过微通道7内部，进而从出口孔72流出至废液收集杯8。
参照图1，实验装置动力系统包括微量注射泵4和注射器3。注射器3装置在微量注射泵4上，并通过管路和微通道入口孔相连。将配制好的红细胞悬浮液承载于注射器3中，在微量注射泵4的动力作用下，在微通道内形成红细胞悬浮液的定常或者脉动流动。在配制红细胞悬浮液的过程中，使用过滤网对红细胞悬浮液进行多次过滤，有效防止杂质对实验的干扰。每隔一段时间，需要对注射器3中的红细胞悬浮液进行均匀化，以防止浓度分层对实验产生的影响。可以通过改变微量注射泵4的流量设置，来实现不同流速下的实验，获得结果进行对比。
参照图1，实验装置成像系统包括光学显微镜2，高速相机1以及图像采集计算机5。光学显微镜2设置于微通道7上方，利用光学显微镜2对微通道7内红细胞流动及碰撞过程进行放大和直接观测。高速相机1和图像采集计算机5相连，高速相机1设置于光学显微镜2上方，通过高速相机1对经过光学显微镜2放大后的流动和碰撞图像进行获取，并利用图像采集计算机5进行图像输出，在一种流速工况下可获取多组图像。光学显微镜2中设置有滤光片，采用显微光源9和荧光光源10相结合的双光路对视场进行照亮，从而有效增加视场亮度，改善图像质量。从而实现红细胞—固体壁面高速碰撞实验的显微可视化。
实验装置工作时，开启微量注射泵4，设置流量，推动注射器3，红细胞悬浮液在微通道7内形成定常流动。利用光学显微镜2进行观察，高速相机1进行成像，图像采集计算机5采集数据并输出图像。
通过实验，对红细胞的运动过程和与固体壁面的高速碰撞过程进行观测，获得红细胞的运动和变化规律，实现了红细胞—固体壁面高速碰撞的显微可视化，对高速碰撞条件下的溶血进行研究；通过改变流速，对红细胞运动速度对溶血的影响进行研究；通过不同结构微通道的实验，对碰撞壁面结构特征对溶血的影响进行研究，为高速碰撞条件下的溶血研究提供理论基础和参考依据。
Claims (9)
1.一种红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：包括高速相机（1）、光学显微镜（2）、注射器（3）、微量注射泵（4）、图像采集计算机（5）、微通道（7）、废液收集杯（8）和双光源(9,10)；微通道（7）固定于载物台上，入口孔（71）与出口孔（72）通过管路分别和注射器（3）与废液收集杯（8）相连；注射器（3）安装在微量注射泵（4）上；光学显微镜（2）设置于微通道（7）上方，高速相机（1）设置于光学显微镜（2）上方并和图像采集计算机（5）相连；双光源设置于微通道（7）的下方。
2.根据权利要求1所述的一种红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：所述注射器中装载红细胞悬浮液，实验时微通道（7）内红细胞悬浮液的流动速度为0.1m/s-3m/s。
3.根据权利要求1所述的红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：微通道（7）选用与血液和红细胞具有生物相容性的材料。
4.根据权利要求1所述的红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：微通道（7）的材质为聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：所述双光源为显微光源（9）和荧光光源（10）构成的双光源；光学显微镜（2）中设置有滤光片。
6.根据权利要求1所述的红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：微通道（7）呈T或Y形，微通道（7）包括一个入口孔（71）和两个出口孔（72）。
7.根据权利要求1所述的红细胞-固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：光学显微镜（2）对细胞运动和碰撞过程进行放大和观测，高速相机（1）用于获取高速碰撞过程中的瞬态图像，并在图像采集计算机（5）中进行图像输出。
8.根据权利要求2所述的红细胞-固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：在配制红细胞悬浮液过程中，使用微米级内径过滤网对红细胞悬浮液进行多次过滤。
9.根据权利要求2所述的红细胞—固体壁面高速碰撞显微可视化实验装置，其特征在于：实验中，每隔一段时间对注射器中红细胞悬浮液进行均匀化。
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| CN108398371A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-08-14 | 浙江大学 | 一种血细胞剪应力流变观测装置及血细胞剪应力流变规律的分析和流变过程的再现方法 |
| CN112067554A (zh) * | 2020-09-30 | 2020-12-11 | 金西盟(天津)人工智能有限责任公司 | 一种用于离心机的动态观测装置和方法 |
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2012
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