組織液的超聲檢測(cè)方法

組織液的超聲檢測(cè)方法

1續(xù)血糖檢測(cè)的應(yīng)用透皮葡萄糖連續(xù)檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際的研究熱點(diǎn)。通過(guò)在透皮中提取的葡萄糖濃度測(cè)定了該組的連續(xù)血糖濃度，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。利用低頻超聲和真空負(fù)壓透皮抽取出的組織液體積量非常小,且在皮膚表面呈散點(diǎn)狀分布,導(dǎo)致對(duì)微量組織液的收集和輸運(yùn)存在很大難度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微量組織液的有效抽取、收集、輸運(yùn)、體積定量和對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè),本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)血糖連續(xù)檢測(cè)的組織液透皮抽取式微創(chuàng)血糖檢測(cè)儀,為該技術(shù)的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2皮膚治療及傳感器設(shè)計(jì)組織液透皮抽取式微創(chuàng)血糖檢測(cè)儀主要包括兩部分:低頻超聲皮膚增透部分(如圖1中深灰色區(qū)域所示)和組織液透皮抽取與組織液葡萄糖濃度檢測(cè)部分(如圖1中淺灰色區(qū)域所示),共3個(gè)功能模塊:低頻超聲增透裝置、組織液透皮抽取裝置、微葡萄糖傳感器。低頻超聲皮膚增透部分采用Sontra醫(yī)療集團(tuán)(SontraMedicalCorp)的SonoPrep對(duì)皮膚進(jìn)行預(yù)處理,達(dá)到提高皮膚通透性的目的。這里采用了一套獨(dú)立的裝置,不在本文的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。微葡萄糖傳感器用于測(cè)量收集并稀釋后的組織液中的葡萄糖濃度。微流控芯片主要包括微文氏管、微管路、微腔和四電極對(duì)微流量計(jì)幾部分,其實(shí)物照片及各部分功能器件如圖2所示。微流控芯片用于組織液的透皮抽取、收集、體積定量和輸送。微葡萄糖濃度傳感器主要包括半透膜、微腔、聚合物、穿孔膜片和電極幾部分,其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖3所示。該傳感器通過(guò)測(cè)量聚合物溶液的粘性在聚合物吸附葡萄糖前后的變化,實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的檢測(cè)。3完善硅樣品的功能部件和接口設(shè)計(jì)3.1氣體正壓原理微文氏管是一個(gè)將輸入正壓轉(zhuǎn)換為輸出負(fù)壓的裝置,為整個(gè)流體系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力。本文主要對(duì)微文氏管的氣路接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)。如圖4所示,正壓輸入端采用Teflon管接入圓形開口處。微型正壓泵(H022C-11,Parker)通過(guò)氣管連接至調(diào)壓閥輸入端,調(diào)壓閥的輸出端連接到三通輸入端,三通的2個(gè)輸出端分別接氣體正壓傳感器(MPXH6300AC6U,Freescale)和連接文氏管的Teflon管。這樣微型氣泵輸出的壓力經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥進(jìn)行穩(wěn)壓后輸入到文氏管內(nèi),同時(shí)壓力傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量輸入文氏管的正壓值。3.2結(jié)構(gòu)組成和原理由于組織液透皮抽取的量非常小,抽取出的組織液量呈散點(diǎn)狀分布于皮膚表面,這使得傳統(tǒng)流量計(jì)對(duì)組織液的收集變得非常困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題本儀器采用四電極對(duì)微流量計(jì)控制生理鹽水定量注入收集腔,對(duì)微量組織液進(jìn)行稀釋并測(cè)量稀釋后的組織液體積。四電極對(duì)微流量計(jì)由3部分組成:四對(duì)微電極、等曲率半徑彎管和微管路。由于生理鹽水和組織液都具有導(dǎo)電性,當(dāng)液體流經(jīng)電極對(duì)時(shí)會(huì)接通電極對(duì)的2個(gè)電極,這時(shí)電極對(duì)之間的阻抗較小,液體流出電極后2個(gè)極之間的阻抗會(huì)恢復(fù)到一個(gè)比較大的狀態(tài)。所以通過(guò)檢測(cè)生理鹽水和組織液流經(jīng)各微電極對(duì)時(shí)微電極對(duì)的電阻跳變時(shí)間,就可以確定液體在微管路中的位置,從而實(shí)現(xiàn)生理鹽水定量注入的控制和微量組織液體積的測(cè)量。圖5(a)為四電極對(duì)微流量計(jì)定量注入生理鹽水的原理圖。圖5(b)為四電極對(duì)型微流量計(jì)測(cè)量樣品溶液體積的原理圖。四電極對(duì)微流量計(jì)的接口框圖如圖6所示。信號(hào)源是峰峰值為2V,頻率為100Hz的交流電壓信號(hào)。采用一級(jí)電壓跟隨電路對(duì)四電極對(duì)微流量計(jì)進(jìn)行阻抗匹配,為了濾除50Hz工頻干擾,采用T型陷波器濾除50Hz信號(hào),最后采用MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部自帶AD采集電路輸入信號(hào)。3.3薄膜型氣動(dòng)微流體閥的結(jié)構(gòu)原理對(duì)于解決生理鹽水的定量注入、組織液的定時(shí)抽取、樣品溶液的無(wú)損收集和精確定量的自動(dòng)化問(wèn)題,傳統(tǒng)流體閥不能滿足實(shí)驗(yàn)需求。采用微流控芯片PDMS設(shè)計(jì)了一種微型閥。這種微型閥彈性高、容易加工、反應(yīng)速度快并且便于與其他功能模塊集成化。薄膜型氣動(dòng)微流體閥的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。氣閥的直徑為2a,厚度為h,當(dāng)外部壓強(qiáng)加載到微流體閥上時(shí),薄膜發(fā)生彎曲變形,距離閥的圓心r處的薄膜向內(nèi)變形量達(dá)到w時(shí),氣動(dòng)微流體閥的薄膜層與下層管道緊密結(jié)合,使閥層微管道與下層連接管道完全閉合,氣動(dòng)微流體閥形成關(guān)閉的狀態(tài);停止加載外部壓強(qiáng),氣動(dòng)微流體閥的薄膜層形變量恢復(fù)到常態(tài),此時(shí)氣動(dòng)微流體閥恢復(fù)到打開狀態(tài),下層微管路恢復(fù)連通。薄膜型氣動(dòng)微流體閥是氣控微閥,與其進(jìn)行連接的是氣體正壓源,為了控制薄膜型氣動(dòng)微流體閥的開關(guān)狀態(tài),選用兩位三通電磁氣體閥門(X-Valve,Parker),通過(guò)控制電路控制電磁閥的選通狀態(tài),達(dá)到控制薄膜型氣動(dòng)微流體閥的目的。薄膜型氣動(dòng)微流體閥的外圍接口框圖如8所示。3.4微葡萄糖傳感器微葡萄糖傳感器采用差分結(jié)構(gòu)輸入結(jié)構(gòu),工作電極上綁定的是具有疏水性的聚合物PAA-ran-PAAPBA,參考電極上綁定的是具有親水性的聚合物PAA。葡萄糖可以與PAA-ran-PAAPBA進(jìn)行可逆結(jié)合,工作電極之間的電介質(zhì)常數(shù)根據(jù)形成硼酸鍵的多少發(fā)生變化,從而改變電極輸入的電容值。微葡萄糖傳感器輸出的是皮法級(jí)電容信號(hào),儀器采用微分電路把對(duì)微電容的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)電壓的測(cè)量,并在后續(xù)電路里采用了鎖相放大電路,從而在高噪聲的情況下提取出微弱的有用信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)鎖相,需要為微葡萄糖傳感器設(shè)計(jì)頻率(30kHz)相同的輸入信號(hào)源和參考信號(hào)源,以方便鎖相電路正常工作。低通濾波電路濾除干擾信號(hào)后由MSP430F149單片機(jī)的自帶AD進(jìn)行信號(hào)采集。微葡萄糖傳感器的外圍接口框圖如圖9所示。4微生物血液檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)4.1處理器和實(shí)驗(yàn)?zāi)K組織液透皮抽取式微創(chuàng)血糖儀硬件系統(tǒng)分為以下功能模塊:微處理器模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、USB通信模塊、微泵微閥控制模塊、AD采集模塊、微葡萄糖傳感器采集模塊和電源模塊。整個(gè)硬件系統(tǒng)的原理框圖如圖10所示。4.2儀器初始化和測(cè)量流程微創(chuàng)血糖檢測(cè)儀的軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化程序、顯示程序、鍵盤程序、AD采集程序、微閥微泵控制程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、USB通信程序等。儀器開機(jī)后首先要完成系統(tǒng)整體功能的初始化,然后由菜單和鍵盤來(lái)確認(rèn)開始測(cè)量。儀器初始化流程序圖如圖11所示。儀器正式工作前要先向微流控芯片的生理鹽腔內(nèi)注滿生理鹽水。儀器自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量流程。利用微流控芯片對(duì)生理鹽水進(jìn)行定量注入、對(duì)組織液進(jìn)行透皮抽取和對(duì)樣品溶液進(jìn)行收集,并利用微機(jī)械葡萄糖濃度傳感器對(duì)葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量的工程流程如表1所示。表1中分別用“C”和“O”表示5個(gè)薄膜型氣動(dòng)微流體閥的開關(guān)狀態(tài),其中“C”代表關(guān),“O”代表開,通過(guò)5個(gè)不同薄膜型氣動(dòng)微液體閥的不同組合狀態(tài),使微液體在微流控芯片內(nèi)按預(yù)先設(shè)定好的狀態(tài)流動(dòng)。5微生物血糖儀的性能5.1離體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為了檢驗(yàn)微流控芯片對(duì)組織液進(jìn)行透皮抽取、收集和定量的性能,采用離體豬皮和模擬組織液(含糖生理鹽水),進(jìn)行了組織液透皮抽取、收集和定量的模擬實(shí)驗(yàn)。1)實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)豬皮進(jìn)行預(yù)處理,并測(cè)量豬皮的皮膚阻抗。這里僅選擇皮膚電阻系數(shù)大于10kΩ-cm2的豬皮進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這是為了保證所選用的豬皮的完整性。2)向玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)加入不同葡萄糖濃度的生理鹽水溶液,用該溶液模擬皮下組織液,然后將PDMS、豬皮和微流控芯片按圖12所示的試驗(yàn)系統(tǒng)放置到一起,按照表1的工作流程進(jìn)行生理鹽水的定量注入、模擬組織液(含糖生理鹽水)的透皮抽取、樣品溶液的收集和體積測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程。由于儀器使用的微葡萄糖濃度傳感器性能有待改進(jìn),試驗(yàn)中使用商業(yè)化血糖儀(FreeStyleFreedom,Abbott)對(duì)樣品溶液的葡萄糖濃度進(jìn)行精確測(cè)量。圖13是豬皮離體實(shí)驗(yàn)的實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)中微流控芯片的文氏管輸出負(fù)壓為95kPa,采用此負(fù)壓對(duì)豬皮進(jìn)行模擬組織液(糖生理鹽水)的透皮抽取并為微流控芯片中液體的輸送提供驅(qū)動(dòng)力。模擬組織液的透皮抽取時(shí)間設(shè)定為10min。所選用的血糖儀的測(cè)量測(cè)范圍有限,為了使稀釋后(定量注入的生理鹽水約為10μL,根據(jù)微流控芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定這個(gè)值,抽取出的組織液量約為1μL,這個(gè)是經(jīng)驗(yàn)值,所以稀釋的倍數(shù)約為10倍)的組織液濃度,處于血糖儀的測(cè)量范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)中選擇了1000、1500和2000mg/dL高濃度的生理鹽水模擬人體組織液。5.2透皮抽取、收集和定量的量測(cè)模型在豬皮模擬實(shí)驗(yàn)中微流控芯片成功的完成了生理鹽水的定量注入、含糖生理鹽水的透皮抽取和樣品溶液(生理鹽水稀釋后的組織液)的收集,并且通過(guò)四電極對(duì)微流量計(jì)測(cè)量了模擬組織液的體積。整個(gè)工作過(guò)程自動(dòng)完成。實(shí)驗(yàn)中所用的模擬組織液(含糖生理鹽水)的葡萄糖濃度值分別為1000mg/dL、1500mg/dL和2000mg/dL,所使用的真空負(fù)壓為95kPa,對(duì)超聲處理過(guò)的豬皮進(jìn)行抽取的時(shí)間為10min。用血糖儀測(cè)量收集到的稀釋后的模擬組織液的葡萄糖濃度為CS,設(shè)定量注入的生理鹽水體積為VNS,培養(yǎng)皿中模擬組織液中的葡萄糖濃度為CB,由四電極對(duì)微流量計(jì)測(cè)量出來(lái)的抽取出組織液的體積為VGN。透皮抽取出組織液中的葡萄糖絕對(duì)含量在定量注入生理鹽水后前后不會(huì)發(fā)生變化,發(fā)生變化的只是總體積和濃度。所以有下式:CS(VNS+VGN)=CSVGN(1)實(shí)驗(yàn)中所使用的模擬組織液是用葡萄糖和生理鹽水配置出來(lái)的,其濃度CB已知。微流控芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了微管路的結(jié)構(gòu)和四電極對(duì)微流量計(jì)定量注入的生理鹽水的體積為定值VNS,且該值可以測(cè)量出來(lái)。VGN是由四電極對(duì)微流量計(jì)測(cè)出來(lái)的,被稀釋后的模擬組織液的葡萄糖濃度CS由血糖儀可以測(cè)量得到。將CB、VNS和VGN代入式(1),可以計(jì)算得到培養(yǎng)皿中的模擬組織的葡萄糖濃度,計(jì)算公式如下:CB=CS(VNS+VGN)VGN(2)CB=CS(VΝS+VGΝ)VGΝ(2)豬皮模擬組織液透皮抽取模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。第1列為模擬組織液的真實(shí)濃度,第2列和第3列為被稀釋后的組織濃度和抽取出的組織液的體積,是測(cè)量出來(lái)的中間結(jié)果,將以上2個(gè)結(jié)果代入式(2)即可計(jì)算出模擬組織液的葡萄糖濃度(第4列),第5列是模擬組織液濃度的測(cè)量值與真實(shí)值之間的相對(duì)誤差。對(duì)離體豬皮進(jìn)行的組織液透皮抽取、收集和定量的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本血糖儀能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)、無(wú)損、精確的組織液透皮抽取、收集和定量功能。利用系統(tǒng)中的微流量計(jì)精確測(cè)量得到的含糖生理鹽水體積和樣品溶液的葡萄糖濃度計(jì)算得到的糖水濃度,與采用傳統(tǒng)的組織液葡萄糖濃度預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到的糖水濃度相比,大大提高了糖水濃度的預(yù)測(cè)精度。6組織液透皮抽取式微創(chuàng)血糖檢測(cè)算法研制在組織液透皮抽取式血糖連續(xù)檢測(cè)技術(shù)研究中,透皮抽取出的組織液量非常微小,在皮膚表面呈散點(diǎn)狀分布,導(dǎo)致對(duì)微量組織液的有效抽取、收集、