體內血小板即時無標記檢測系統及檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種體內血小板即時無標記檢測系統及檢測方法，檢測系統包括：信號采集單元包括設于體內的金剛石MEMS傳感器，所述金剛石MEMS傳感器包括PC金剛石薄膜以及設于PC金剛石薄膜上由導電金剛石形成的電極，信號采集單元用于采集血小板近壁時空分布的電極過程動力學信號；信號接收單元，與信號采集單元相連且設于體外，用于接收信號采集單元所采集的信號；信號處理單元，與信號接收單元相連且設于體外，用于根據信號接收單元接收的信號定量表征血小板時空分布。本發明為體內檢測，避免抽取血液體外檢測，檢測方便；無標記檢測，對血液安全無損；即時檢測，避免目前檢測方法的等待時間、以及檢測與結果獲取的非同步性。
【專利說明】
體內血小板即時無標記檢測系統及檢測方法
技術領域
[0001]本發明涉及醫用檢測設備技術領域，特別是涉及一種體內血小板即時無標記檢測系統及檢測方法。
【背景技術】
[0002]隨著醫用植入物需求的不斷增加，植入物引起的凝血問題和引發的急性血栓得到越來越多的重視，對血栓的早期預判和診斷治療具有重要意義和必要性。從植入物血栓形成機理的角度，其主要凝血風險來自于血液和植入物表面、血液和流場的相互作用。植入物表面血栓形成的原因大多是由局部流體力學因素造成的，其主要因素包括植入材料表面結構組成、幾何形狀、血液和流場以及血栓形成后對流場的反饋影響。另一方面，由于非生理性血栓的形成，對植入物表面血栓的早期預警難以通過檢測凝血因子來實現，故需要依賴于對血栓形成的直接觀測。發展植入物壁面附近血小板聚集度和時空分布的即時檢測技術有望成為監測植入物凝血趨勢的最直接和準確的途徑之一，可以為血栓的早期形成提供有效監測。
[0003]然而，目前尚沒有對植入物表面血栓早期形成的直接觀測方法。現階段的主要檢測方法均為體外檢測，主要包括對出血時間、粘附性、聚集度、釋放產物、花生四烯酸(Arachidonic acid)代謝產物、胞漿游離鈣水平測定、凝血活性、膜糖蛋白檢測、基因多態性和突變等進行檢測[Michelson AD.Platelet funct1n testing in card1vasculardiseases.Circulat1n.2004；110:e489~e93,Brass L.Understanding and evaluatingplatelet funct1n.ASH Educat1n Program Book.2010 ; 2010: 387-96]。如申請號為201410086000.8的專利申請揭示了一種血小板檢測方法，在體外利用纖維蛋白原激活劑和血小板激活劑，對血小板功能進行監測，操作簡單、檢測結果不受外界干擾，提高監測準確性。申請號為201180008579.0的專利申請揭示了一種血小板檢測用微芯片及使用該微芯片的血小板檢測裝置，通過使血液流經特制微芯片或血小板功能檢測裝置的流路，在流路分隔部和膠原蛋白涂覆部中引起血小板凝集的同時，測定所述血液流向所述流路的流入壓力，由此檢測血小板的功能。在基于不同檢測原理的方法中，血小板聚集度的測試最為常用，通常采用比濁法和電阻法分別通過透光度和阻抗的改變反應血小板的聚集情況，但是該方法操作十分繁瑣、檢測結果穩定性差。一些商品化的體外檢測分析儀器，主要包括:血小板功能分析系統(PFA-100)[(由PFA-100P測定血小板凝集能力),Thrombosis andCirculat1n, 13,p90-94,2005]，該檢測系統可用于全血檢測，但檢測過程依賴生物標記，如血管性血友病因子等，而且僅能體外使用；Plateletworks分析儀，用于監測血小板聚集反應中單個血小板的缺失，但目前無相關系統性的研究;磷酸化VASP測定，主要采用流式細胞儀，可以在短時間內分析大量的血小板樣本，是目前最具特異性的血小板活化測試方法，但需要特殊樣本制備，且價格昂貴，對技術人員的要求較高。
[0004]另外，不使用標記的血小板檢測技術主要是基于庫爾特原理的連續自動計數檢測方法(電阻法、電脈沖法與電感應等光電技術)設計的。但是這些技術都是有損檢測，多數是體外檢測。而且受溶血、黃疸、高血脂等個體或人為抽血技術因素影響，故不能完全反映血細胞之間的相互作用，導致檢測結果與真實生理情況有一定的差距，因此這類無標記檢測技術不適用于體內血小板聚集和血栓形成檢測。
[0005]申請號為201410188568.0的專利申請揭示了一種用于人工器官表面凝血在線檢測的裝置及檢測方法，它通過均勻設置多個光釬傳感器于人工器官表面，并在其外側涂覆一層抗凝血的金剛石涂層，根據光信號的強弱及穩定判斷具體凝血的位置，實現對人工器官表面凝血的在線檢測。申請號為201410187452.5的專利申請揭示了一種用于人工器官表面凝血檢測的裝置及檢測方法，采用在人工器官上設置電容傳感器，運用相鄰電容傳感器間的邊緣效應、使得電容的兩極板間產生靜電場，從而根據電容值的改變判斷是否發生凝血。此凝血裝置也需要在電容傳感器外側涂覆金剛石涂層。
[0006]然而，上述檢測均是體外檢測或者依賴生物標記進行檢測，不能實現實時、全時和即時的檢測。
[0007]因此，針對上述技術問題，有必要提供一種體內血小板即時無標記檢測系統及檢測方法。
【發明內容】
[0008]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種體內血小板即時無標記檢測系統及檢測方法。
[0009]為了實現上述目的，本發明一實施例提供的技術方案如下:
[0010]—種體內血小板即時無標記檢測系統，所述檢測系統包括:
[0011]信號采集單元，信號采集單元包括設于體內的金剛石MEMS傳感器，所述金剛石MEMS傳感器包括PC金剛石薄膜以及設于PC金剛石薄膜上由導電金剛石形成的電極，信號采集單元用于采集血小板近壁時空分布的電極過程動力學信號；
[0012]信號接收單元，與所述信號采集單元相連且設于體外，用于接收信號采集單元所米集的?目號；
[0013]信號處理單元，與信號接收單元相連且設于體外，用于根據信號接收單元接收的信號定量表征血小板時空分布。
[0014]作為本發明的進一步改進，所述金剛石MEMS傳感器呈陣列式分布。
[0015]作為本發明的進一步改進，所述金剛石MEMS傳感器單獨作為植入物置于體內、或將金剛石MEMS傳感器集成于醫用植入物表面置于體內。
[0016]作為本發明的進一步改進，所述PC金剛石薄膜包括相對設置的第一PC金剛石薄膜和第二PC金剛石薄膜，所述電極包括位于第一PC金剛石薄膜上的若干參照微電極、以及位于第二 PC金剛石薄膜上的若干接收微電極和激勵微電極。
[0017]本發明另一實施例提供的技術方案如下:
[0018]—種體內血小板即時無標記檢測方法，所述檢測方法包括:
[0019]S1、制備信號采集單元，在PC金剛石薄膜中嵌入或在其表面沉積由導電金剛石材質形成的電極，得到金剛石MEMS傳感器，并將金剛石MEMS傳感器植入體內；
[0020]S2、通過信號采集單元采集血小板近壁時空分布的電極過程動力學信號；
[0021]S3、信號接收單元接收信號采集單元所采集的信號，并傳送至信號處理單元；
[0022]S4、信號處理單元接收信號接收單元發出的信號，并進行處理后定量表征血小板時空分布。
[0023]作為本發明的進一步改進，所述步驟SI中在PC金剛石薄膜上沉積由導電金剛石材質形成的電極通過等離子體化學氣相沉積方法生長。
[0024]作為本發明的進一步改進，所述步驟SI中的金剛石MEMS傳感器單獨作為植入物置于體內、或將金剛石MEMS傳感器集成于醫用植入物表面置于體內。
[0025]作為本發明的進一步改進，所述步驟SI中信號采集單元采集的信號包括流場中的剪切力、雷諾數、流體穩定度、渦量、各向異性流體中的一種或多種流體力學參數。
[0026]作為本發明的進一步改進，所述步驟S4包括:
[0027]根據流體力學參數定義不同的血流場，并量化描述血流場的物理特征參數，所述血流場的流動形態包括局部層流、湍流及轉捩流中一種或多種形態
[0028]作為本發明的進一步改進，所述步驟S4中的血小板時空分布包括血小板的阻抗和介電特征譜、血小板聚集情況。
[0029]本發明的有益效果是:
[0030]采用金剛石MEMS傳感器，避免再次涂覆金剛石涂層；
[0031 ]體內檢測，避免抽取血液體外檢測，檢測方便；
[0032]無標記檢測，對血液安全無損；
[0033]即時檢測，避免目前檢測方法的等待時間、以及檢測與結果獲取的非同步性。
【附圖說明】
[0034]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0035]圖1為本發明一實施方式中體內血小板即時無標記檢測系統的模塊示意圖；
[0036]圖2為金剛石MEMS傳感器的設計原理圖，其中血流場中未示意血小板以外的細胞組分；
[0037 ]圖3a、3b分別為金剛石MEMS傳感器中PC金剛石薄膜和導電金剛石的掃描電鏡照片;
[0038]圖4為本發明另一實施方式中體內血小板即時無標記檢測方法的步驟流程圖；
[0039]圖5為本發明實施例一種體內血栓形成過程的電極過程動力學曲線示意圖，其中，圖5a為血細胞顆粒的電學信號與時間的曲線圖，圖5b為不同血細胞顆粒的電學信號與交流阻抗頻率的曲線圖；
[0040]圖6為本發明實施例二中體內血栓形成過程的電流密度動力學曲線圖。
【具體實施方式】
[0041]為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。
[0042]參圖1所示，本發明一【具體實施方式】中公開了一種體內血小板即時無標記檢測系統，包括:
[0043]信號采集單元I，用于采集血小板近壁時空分布的電極過程動力學信號；
[0044]信號接收單元2，與所述信號采集單元I相連且設于體外，用于接收信號采集單元所采集的信號；
[0045]信號處理單元3，與信號接收單元2相連且設于體外，用于根據信號接收單元接收的信號定量表征血小板時空分布。
[0046]其中，本實施方式中信號采集單元包括設于體內的若干金剛石MEMS(微機電系統，Micro-Electro-Mechanical System)傳感器，且金剛石MEMS傳感器呈陣列式分布。結合圖2所示，金剛石MEMS傳感器包括PC金剛石薄膜以及設于PC金剛石薄膜上由導電金剛石形成的電極。具體地，PC金剛石薄膜包括相對設置的第一 PC金剛石薄膜111和第二 PC金剛石薄膜112，電極包括位于第一PC金剛石薄膜111上的若干參照微電極121、以及位于第二PC金剛石薄膜112上的若干接收微電極122和激勵微電極123。
[0047]首先，對于器件的制備，主要采用等離子體化學氣相沉積(CVD)方法及模塊組裝等集成技術來構筑所需的金剛石MEMS傳感器陣列結構，實現簡單結構的自下而上的制造;對于復雜結構，將采用激光刻蝕等手段獲得特定結構及花樣的生長模板，再利用CVD生長等手段在模板中實現傳感器結構的可控生長與組裝，最后通過氣體等離子體處理實現對微納結構和器件的修整和表面改造。
[0048]基于MEMS工藝研究自上而下的微納制造技術，實現了微納制造技術的融合，通過生長或組裝構建具有敏感功能的傳感器結構，并實現了敏感部件或區域的成形。同時，研究微納米結構的其他力學、熱學、電學等效應，最終提高傳感器件的靈敏度。
[0049]鈦基生物醫用合金(T1-Nb、Ti_Mo系合金)是目前常用的植入物材料，為了利用此新型金剛石MEMS傳感器測試合金材料植入后其表面流經血液中血小板的情況，需要建立金剛石MEMS傳感器在生物醫用合金表面的集成理論和方法。主要采用脈沖電弧離子鍍技術、等離子浸沒離子注入和沉積技術在新型鈦基生物醫用合金表面鍍制金剛石薄膜器件，結合Raman光譜分析薄膜的化學精細結構，利用掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察膜層的表面形貌特征和表面粗糙度(如圖3a、3b所示)，使用納米壓痕硬度計測定鍍膜前后鈦基生物醫用合金表面的硬度，并對鍍膜前后鈦基生物醫用合金進行電位極化測試。
[0050]本實施方式中的金剛石MEMS傳感器單獨作為植入物置于體內、或將金剛石MEMS傳感器集成于鈦基生物醫用植入物表面置于體內。
[0051]應當理解的是，本實施方式中醫用植入物的材料以鈦基生物醫用合金為例進行說明，但醫用植入物的材料并不限于鈦基生物醫用合金，在其他實施方式中可以選用其他醫用合金，此處不再一一舉例進行說明。
[0052 ]參圖4所示，本實施方式中體內血小板即時無標記檢測方法，包括:
[0053]S1、制備信號采集單元，在PC金剛石薄膜中嵌入或在其表面沉積由導電金剛石材質形成的電極，得到金剛石MEMS傳感器，并將金剛石MEMS傳感器植入體內；
[0054]S2、通過信號采集單元采集血小板近壁時空分布的電極過程動力學信號；
[0055]S3、信號接收單元接收信號采集單元所采集的信號，并傳送至信號處理單元；
[0056]S4、信號處理單元接收信號接收單元發出的信號，并進行處理后定量表征血小板時空分布。
[0057]金剛石MEMS傳感器檢測血小板的工作原理是，針對血小板與電極金剛石薄膜材料所組成的復合電介質層的電化學特性，首先建立血小板空間分布與復合介質層的介電、阻抗時間特征關系，分析復合介電層結構特性、厚度對介電和阻抗特性的影響規律，最終得到用于定量表征血小板時空分布特性的阻抗和介電特征譜。
[0058]如圖5a、5b所示為體內血栓形成過程的電極過程動力學曲線示意圖，圖5a中大概包含3個階段:(I)Activat1n time正常血小板激活；(2)Clot time血小板開始聚集，達到一定程度后，形成階段(3)Plateau time，血小板大量聚集，形成凝結；圖5b為不同血細胞顆粒的電學信號與交流阻抗頻率的關系。
[0059]本實施方式中，首先將金剛石MEMS傳感器植入物與動態血流模擬器連接，構建植入物周圍血流場情況。分別使用HAES溶液、人血和羊血，其中HAES溶液通過溶質比例調節黏度等流體性質，血液可根據不同的華法林(Warfarin)或合并其他抗凝/血小板藥物使用，調整血小板凝血機制的敏感度和血液粘度。通過這一系列實驗分析非定常全血流場的物理特性，根據流場中的剪切力、雷諾數、流體穩定度、渦量、各向異性等流體力學特征物理量定義不同的血流場，包括血流流動形態如局部層流、湍流及之間的轉捩流，量化描述血流場的物理特征參數，并得到其在MEMS器件信號轉化和分析器上得到和輸出結果。
[0060]本實施方式中金剛石MEMS傳感器可以集成制備在植入物表面、或者單獨制備，植入人體后，可以檢測體內血液血小板聚集情況，并即時采集、分析轉化并輸出結果，實現對體內血小板的實時監測。
[0061 ]以下結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0062]實施例一:
[0063]以鈦基合金制備的人工心臟輔助裝置表面為例，在其表面采用金剛石薄膜沉積工藝，形成鈦基合金表面的金剛石MEMS傳感器，并優化其在人工心臟表面的幾何分布設計。
[0064]然后進行體外模擬實驗，將人工心臟與動態血流模擬器連接，模擬人工心臟介入后的流場情況。實驗使用捐獻者的血液進行測試，輸出結果分兩階段進行比較，第一是與帶有血栓預測模塊的計算流體力學模擬結果作比較，第二是將不同時間點的監測結果與熒光顯微鏡方法觀測到的表面微血栓分布作比較。由此校核傳感器件表面的靈敏度以及控制器算法的準確度。
[0065]本實施例中傳感器件感測靈敏度能夠達到lms，意即最短觀測時間間隔，能夠達到表面微血栓形成的動態觀測或預防需求；同時具有數據儲存與比較的功能，可以對比較長時間間隔的表面圖譜。此外，控制器算法可信度能夠達到95%，意即接收到傳感器信號后對血栓形成與否的判斷準確度。同時，對血栓面積和形狀(形態)的測量準確誤差低于5%。
[0066]實施例二:
[0067]本實施例中金剛石MEMS傳感器制備在血管支架或是人工血管表面，用來檢測表面血液流速。
[0068]MEMS電極在金剛石表面形成電場，在不同血液流速條件下，表面電場也會有所改變，將反饋回金剛石MEMS傳感器上，得到電信號的改變。如圖6所示為體內血栓形成過程的電流密度動力學曲線(圓點所示為數據點)，可以看出，隨時間的推進，血小板逐漸聚集形成凝血，電流密度逐漸增強。
[0069]通過固定的算法分析電信號的改變，以及血紅細胞和血漿的區域濃度信息，可以實時得到器件表面的血液流速，從而得到發生凝血區域的空間、凝血時間及凝血程度。血液流速檢測另一個應用是預測心梗以及血液成分改變相關的疾病，并可以預防冠心病中，因血管堵塞、血流停滯弓I起的大規模心肌壞死。
[0070]由以上技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0071]采用金剛石MEMS傳感器，避免再次涂覆金剛石涂層；
[0072]體內檢測，避免抽取血液體外檢測，檢測方便；
[0073]無標記檢測，對血液安全無損；
[0074]即時檢測，避免目前檢測方法的等待時間、以及檢測與結果獲取的非同步性。
[0075]對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0076]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1.一種體內血小板即時無標記檢測系統，其特征在于，所述檢測系統包括: 信號采集單元，信號采集單元包括設于體內的金剛石MEMS傳感器，所述金剛石MEMS傳感器包括PC金剛石薄膜以及設于PC金剛石薄膜上由導電金剛石形成的電極，信號采集單元用于采集血小板近壁時空分布的電極過程動力學信號； 信號接收單元，與所述信號采集單元相連且設于體外，用于接收信號采集單元所采集的信號； 信號處理單元，與信號接收單元相連且設于體外，用于根據信號接收單元接收的信號定量表征血小板時空分布。2.根據權利要求1所述的體內血小板即時無標記檢測系統，其特征在于，所述金剛石MEMS傳感器呈陣列式分布。3.根據權利要求1所述的體內血小板即時無標記檢測系統，其特征在于，所述金剛石MEMS傳感器單獨作為植入物置于體內、或將金剛石MEMS傳感器集成于醫用植入物表面置于體內。4.根據權利要求1所述的體內血小板即時無標記檢測系統，其特征在于，所述PC金剛石薄膜包括相對設置的第一 PC金剛石薄膜和第二 PC金剛石薄膜，所述電極包括位于第一 PC金剛石薄膜上的若干參照微電極、以及位于第二 PC金剛石薄膜上的若干接收微電極和激勵微電極。5.一種體內血小板即時無標記檢測方法，其特征在于，所述檢測方法包括: 51、制備信號采集單元，在PC金剛石薄膜中嵌入或在其表面沉積由導電金剛石材質形成的電極，得到金剛石MEMS傳感器，并將金剛石MEMS傳感器植入體內； 52、通過信號采集單元采集血小板近壁時空分布的電極過程動力學信號;S3、信號接收單元接收信號采集單元所采集的信號，并傳送至信號處理單元； S4、信號處理單元接收信號接收單元發出的信號，并進行處理后定量表征血小板時空分布O6.根據權利要求5所述的體內血小板即時無標記檢測方法，其特征在于，所述步驟SI中在PC金剛石薄膜上沉積由導電金剛石材質形成的電極通過等離子體化學氣相沉積方法生長。7.根據權利要求5所述的體內血小板即時無標記檢測方法，其特征在于，所述步驟SI中的金剛石MEMS傳感器單獨作為植入物置于體內、或將金剛石MEMS傳感器集成于醫用植入物表面置于體內。8.根據權利要求5所述的體內血小板即時無標記檢測方法，其特征在于，所述步驟SI中信號采集單元采集的信號包括流場中的剪切力、雷諾數、流體穩定度、渦量、各向異性流體中的一種或多種流體力學參數。9.根據權利要求8所述的體內血小板即時無標記檢測方法，其特征在于，所述步驟S4包括: 根據流體力學參數定義不同的血流場，并量化描述血流場的物理特征參數，所述血流場的流動形態包括局部層流、湍流及轉捩流中一種或多種形態10.根據權利要求5所述的體內血小板即時無標記檢測方法，其特征在于，所述步驟S4中的血小板時空分布包括血小板的阻抗和介電特征譜、血小板聚集情況。
【文檔編號】A61B5/00GK106037757SQ201610547268
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】楊磊, 徐博翎, 陳濤, 賴躍坤, 王魯寧, 劉慧玲
【申請人】蘇州大學