基于Android的细胞分选原理展示与仿真操作系统的设计与实现

胡慧娴,李 田,张 云

（皖南医学院医学影像学院，安徽芜湖 241002）

细胞分选技术是医学检验技术专业不可或缺的重要内容。但因血液分析仪和流式细胞仪价格十分昂贵不便由初学者操作，且真实仪器内部光路易受外界强光干扰需要密闭封装不便给初学者拆开讲解，检测过程以单细胞的形式进行，过于微观无法用肉眼观测到，此外由于样本采集和保存环境受限及初学者操作不够熟练，血样中难免有凝块和纤维等杂质，造成管路脏、堵等限制因素[1]，导致根本不可能大批量购买检验设备来帮助医学生感性理解细胞分类技术的原理及实现过程。

近年来，为了解决上述问题，国内外的学者都做了大量工作：马来西亚理工大学、东南大学、上海交通大学生命科学技术学院和吉林大学生命科学学院分别利用细胞分选微流控芯片的低成本平台，微流控技术和基于荧光激活细胞技术的超高通量酶活性筛选方法。但是各有缺点：TPI（Twist Per Inch，每英寸捻度）较多，微流控环境会影响细胞活性，超高通量成本高[2−4]。

基于兼容性优越的Android 平台设计出细胞分选原理展示与仿真操作系统。它相比于基于荧光激活细胞技术的超高通量酶活性筛选方法制作成本低廉，易于随时随地进行操作与展示，且分选过程直观可见[5−6]。

1 细胞分选仿真操作系统总体结构

细胞分选是通过分离含有单细胞的液滴而实现的。在流动室的喷口上配有一个超高频电晶体，充电后振动，使喷出的液流断裂为均匀的液滴，待测定细胞就分散在这些液滴之中。将这些液滴充以正负不同的电荷，当液滴流经带有几千伏特的偏转板时，在高压电场的作用下偏转，落入各自的收集容器中，不予充电的液滴落入中间的废液容器，从而实现细胞的分离。设计了基于Android 的细胞分选原理展示与仿真操作系统，如图1所示。

图1 系统总体设计框图

根据图1的总体结构，我们首先搭建本项目实验平台上的硬件平台，硬件总体结构如图2 所示：基于Android的细胞分选原理展示与仿真操作系统的硬件平台，主要包括支撑单元、波长检测单元、光电转换单元、分选单元。分选单元是利用白光透过透明玻璃球后，只剩下与该种颜色相同的光线的原理。支撑单元中采用不同颜色的纯色透明玻璃球代替被荧光标记的不同类型的白细胞。波长检测单元运用后向分光技术，当光源发出的白光透过有色玻璃球后，利用光导纤维将透射光分成四路，选用485 nm、530 nm、570 nm 的长通滤波片和488 nm 的短通滤波片进行光路分选，每个滤波片的背面放置一个光敏电阻用于接收光学信号。通过这样的组合，使每种颜色的玻璃球产生相应的唯一信号。将光路检测装置接收到的信号传送到分选单元，分选单元根据接收到的信号来执行不同的命令，发出不同的指令信号，控制电机带动偏转滑槽旋转至不同方位，从而实现对不同颜色小球的分选功能。

图2 硬件总体结构图

2 细胞分选仿真操作系统的硬件设计

2.1 支撑单元

支撑单元包括1 个支撑平台、1 个样品架、1 个主轨槽、1 个旋转轨槽，这几个部件分别来模拟血液分析仪中的机架、样品管、流动室、分选装置。实际的血液分析仪为了使细胞通过检测通道而采用鞘流技术[6]，但本研究采用重力加速度原理实现小球的运动，简单高效。

2.2 波长检测单元

波长检测单元包括1 个白光发射装置、4 个光导纤维、485 nm、570 nm、530 nm 的三种长通滤波片和488 nm 的短通滤波片。光导纤维用来代替真实仪器中各种透镜组合而成的光路传导装置，克服仪器光路传导系统抗干扰度低的问题。利用长通滤波片和短通滤波片组合设计光路来区分五种单色光。在血液分析仪中光路检测单元非常复杂而精密，本研究利用光滤波技术区分五种玻璃珠的颜色达到分选样本的目的。

2.3 光电转换单元

光电转换单元采用了4个通道的光电转换模块，在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换；检测经过滤波片处理后的光信号，将经过滤波片处理后的光信号转化为电信号。

2.4 分选单元

分选单元包括MSP430 单片机、1 个步进电机、1个竖直旋转的20 mm 的轴、内径5 mm 和20 mm 的齿轮各1 个、1 个传送皮带和1 个旋转槽轨，单片机控制步进电机的转动角度，步进电机再与轴之间通过皮带传动，进而实现旋转轨槽的偏转。当玻璃球从进样模块顺着管壁滚动到激光检测模块的小孔处，将原先放置在该处的玻璃球撞离出去，同时自身停在小孔处。灯源发出的白光照射到玻璃球上，其透射光通过小孔正下方的光导纤维束传送到四个滤波片，产生一个颜色信号。同时，撞离出去的小球通过偏转滑槽的指向，落到对应的收集容器中，在它经过光电开关时，会产生一个中断信号，该中断信号使单片机进入中断执行程序，控制进样模块顶针上下运动一次，释放一个小球，进行下一轮的循环。采用红、白、黄、绿、紫等5 种不同的玻璃球分别代表中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、淋巴细胞和单核细胞并模拟真实的细胞分类操作流程。

3 细胞分选仿真操作系统的软件设计细胞分选系统的实现

开发环境有（1）开发平台：Android 手机；（2）开发工具：eclipse、sdk、adt、jre ；（3）编程语言：Java 语言。具体说明如下：①学生由登录界面进入软件平台，设置检测项目后点击开始，软件便将该命令信息通过WIFI 传送到硬件平台。当硬件平台结束工作后，硬件平台获得的信息通过WIFI 反馈给软件平台；②软件平台根据硬件平台反馈的信息方图和散点图，学生根据自己所学的知识判断样本中各成分是否正常，并写出诊断报告；③学生提交诊断报告后，软件平台自动从数据库调出对应的专家诊断报告，学生可根据专家诊断报告来检查自己诊断报告。④根据学生或者老师的需要，可以将学生诊断报告与专家诊断报告同时保存到对应数据库中；⑤在使用该软件时可点击收藏易错直方图和散点图，供学生快速有效的复习。该软件两大功能，一是能调取各类白细胞直方图和散点图，学生可就直方图和散点图编写自己的分析结果，并可与对应的专家诊断结果进行比较，二是该软件能利用手机无线与细胞分选原理展示仿真模型通信，使用简单便捷。

4 结语

本系统设计的基于Android 的细胞分选原理展示与模拟操作系统，可以全真模拟流式细胞仪、血液分析仪等细胞分选过程：硬件平台的控制器控制步进电机的转动角度来实现不同细胞的分选；软件平台实现学生模拟操作、学生诊断和专家诊断的对比等功能；无线通信平台实现Android 手机与硬件平台的通信。能够为检验医学生提供了一个高仿真的操作与诊断环境，对检验医学生快速掌握细胞分选的技术原理和操作诊断技巧起到重要作用。但本系统的功能仍待完善，硬件平台的开发还不足以实现细胞分选过程中的液流控制等功能，这些工作将在后续工作中继续完善。