組織液的超聲檢測方法

1續血糖檢測的應用透皮葡萄糖連續檢測技術是當前國際的研究熱點。通過在透皮中提取的葡萄糖濃度測定了該組的連續血糖濃度，具有重要的現實意義。利用低頻超聲和真空負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狀分布,導致對微量組織液的收集和輸運存在很大難度。為了實現對微量組織液的有效抽取、收集、輸運、體積定量和對葡萄糖濃度的檢測,本文設計了一種能夠實現血糖連續檢測的組織液透皮抽取式微創血糖檢測儀,為該技術的臨床應用奠定了基礎。2皮膚治療及傳感器設計組織液透皮抽取式微創血糖檢測儀主要包括兩部分:低頻超聲皮膚增透部分(如圖1中深灰色區域所示)和組織液透皮抽取與組織液葡萄糖濃度檢測部分(如圖1中淺灰色區域所示),共3個功能模塊: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醫療集團(SontraMedicalCorp)的SonoPrep對皮膚進行預處理,達到提高皮膚通透性的目的。這里采用了一套獨立的裝置,不在本文的設計范圍內。微葡萄糖傳感器用于測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、微腔和四電極對微流量計幾部分,其實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,其結構示意圖和實物圖如圖3所示。該傳感器通過測量聚合物溶液的粘性在聚合物吸附葡萄糖前后的變化,實現葡萄糖濃度的檢測。3完善硅樣品的功能部件和接口設計3.1氣體正壓原理微文氏管是一個將輸入正壓轉換為輸出負壓的裝置,為整個流體系統提供驅動力。本文主要對微文氏管的氣路接口進行了設計。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)通過氣管連接至調壓閥輸入端,調壓閥的輸出端連接到三通輸入端,三通的2個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過調壓閥進行穩壓后輸入到文氏管內,同時壓力傳感器可以實時測量輸入文氏管的正壓值。3.2結構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狀分布于皮膚表面,這使得傳統流量計對組織液的收集變得非常困難。為了解決這個問題本儀器采用四電極對微流量計控制生理鹽水定量注入收集腔,對微量組織液進行稀釋并測量稀釋后的組織液體積。四電極對微流量計由3部分組成:四對微電極、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電性,當液體流經電極對時會接通電極對的2個電極,這時電極對之間的阻抗較小,液體流出電極后2個極之間的阻抗會恢復到一個比較大的狀態。所以通過檢測生理鹽水和組織液流經各微電極對時微電極對的電阻跳變時間,就可以確定液體在微管路中的位置,從而實現生理鹽水定量注入的控制和微量組織液體積的測量。圖5(a)為四電極對微流量計定量注入生理鹽水的原理圖。圖5(b)為四電極對型微流量計測量樣品溶液體積的原理圖。四電極對微流量計的接口框圖如圖6所示。信號源是峰峰值為2V,頻率為100Hz的交流電壓信號。采用一級電壓跟隨電路對四電極對微流量計進行阻抗匹配,為了濾除50Hz工頻干擾,采用T型陷波器濾除50Hz信號,最后采用MSP430F149單片機內部自帶AD采集電路輸入信號。3.3薄膜型氣動微流體閥的結構原理對于解決生理鹽水的定量注入、組織液的定時抽取、樣品溶液的無損收集和精確定量的自動化問題,傳統流體閥不能滿足實驗需求。采用微流控芯片PDMS設計了一種微型閥。這種微型閥彈性高、容易加工、反應速度快并且便于與其他功能模塊集成化。薄膜型氣動微流體閥的結構示意圖如圖7所示。氣閥的直徑為2a,厚度為h,當外部壓強加載到微流體閥上時,薄膜發生彎曲變形,距離閥的圓心r處的薄膜向內變形量達到w時,氣動微流體閥的薄膜層與下層管道緊密結合,使閥層微管道與下層連接管道完全閉合,氣動微流體閥形成關閉的狀態;停止加載外部壓強,氣動微流體閥的薄膜層形變量恢復到常態,此時氣動微流體閥恢復到打開狀態,下層微管路恢復連通。薄膜型氣動微流體閥是氣控微閥,與其進行連接的是氣體正壓源,為了控制薄膜型氣動微流體閥的開關狀態,選用兩位三通電磁氣體閥門(X-Valve,Parker),通過控制電路控制電磁閥的選通狀態,達到控制薄膜型氣動微流體閥的目的。薄膜型氣動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構輸入結構,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進行可逆結合,工作電極之間的電介質常數根據形成硼酸鍵的多少發生變化,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電容信號,儀器采用微分電路把對微電容的測量轉變為對電壓的測量,并在后續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。為了實現鎖相,需要為微葡萄糖傳感器設計頻率(30kHz)相同的輸入信號源和參考信號源,以方便鎖相電路正常工作。低通濾波電路濾除干擾信號后由MSP430F149單片機的自帶AD進行信號采集。微葡萄糖傳感器的外圍接口框圖如圖9所示。4微生物血液檢測軟件的設計4.1處理器和實驗模塊組織液透皮抽取式微創血糖儀硬件系統分為以下功能模塊:微處理器模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、數據存儲模塊、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。整個硬件系統的原理框圖如圖10所示。4.2儀器初始化和測量流程微創血糖檢測儀的軟件系統主要包括系統初始化程序、顯示程序、鍵盤程序、AD采集程序、微閥微泵控制程序、數據存儲程序、USB通信程序等。儀器開機后首先要完成系統整體功能的初始化,然后由菜單和鍵盤來確認開始測量。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注滿生理鹽水。儀器自動進行測量流程。利用微流控芯片對生理鹽水進行定量注入、對組織液進行透皮抽取和對樣品溶液進行收集,并利用微機械葡萄糖濃度傳感器對葡萄糖濃度進行測量的工程流程如表1所示。表1中分別用“C”和“O”表示5個薄膜型氣動微流體閥的開關狀態,其中“C”代表關,“O”代表開,通過5個不同薄膜型氣動微液體閥的不同組合狀態,使微液體在微流控芯片內按預先設定好的狀態流動。5微生物血糖儀的性能5.1離體實驗設計為了檢驗微流控芯片對組織液進行透皮抽取、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),進行了組織液透皮抽取、收集和定量的模擬實驗。1)實驗前首先對豬皮進行預處理,并測量豬皮的皮膚阻抗。這里僅選擇皮膚電阻系數大于10kΩ-cm2的豬皮進行實驗,這是為了保證所選用的豬皮的完整性。2)向玻璃培養皿內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所示的試驗系統放置到一起,按照表1的工作流程進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量實驗過程。由于儀器使用的微葡萄糖濃度傳感器性能有待改進,試驗中使用商業化血糖儀(FreeStyleFreedom,Abbott)對樣品溶液的葡萄糖濃度進行精確測量。圖13是豬皮離體實驗的實物圖。實驗中微流控芯片的文氏管輸出負壓為95kPa,采用此負壓對豬皮進行模擬組織液(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動力。模擬組織液的透皮抽取時間設定為10min。所選用的血糖儀的測量測范圍有限,為了使稀釋后(定量注入的生理鹽水約為10μL,根據微流控芯片的結構參數確定這個值,抽取出的組織液量約為1μL,這個是經驗值,所以稀釋的倍數約為10倍)的組織液濃度,處于血糖儀的測量范圍內,實驗中選擇了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、收集和定量的量測模型在豬皮模擬實驗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,并且通過四電極對微流量計測量了模擬組織液的體積。整個工作過程自動完成。實驗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,所使用的真空負壓為95kPa,對超聲處理過的豬皮進行抽取的時間為10min。用血糖儀測量收集到的稀釋后的模擬組織液的葡萄糖濃度為CS,設定量注入的生理鹽水體積為VNS,培養皿中模擬組織液中的葡萄糖濃度為CB,由四電極對微流量計測量出來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含量在定量注入生理鹽水后前后不會發生變化,發生變化的只是總體積和濃度。所以有下式:CS(VNS+VGN)=CSVGN(1)實驗中所使用的模擬組織液是用葡萄糖和生理鹽水配置出來的,其濃度CB已知。微流控芯片的結構參數決定了微管路的結構和四電極對微流量計定量注入的生理鹽水的體積為定值VNS,且該值可以測量出來。VGN是由四電極對微流量計測出來的,被稀釋后的模擬組織液的葡萄糖濃度CS由血糖儀可以測量得到。將CB、VNS和VGN代入式(1),可以計算得到培養皿中的模擬組織的葡萄糖濃度,計算公式如下: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驗的實驗結果如表2所示。第1列為模擬組織液的真實濃度,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,是測量出來的中間結果,將以上2個結果代入式(2)即可計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量值與真實值之間的相對誤差。對離體豬皮進行的組織液透皮抽取、收集和定量的模擬實驗結果表明,本血糖儀能夠實現連續、自動、無損、精確的組織液透皮抽取、收集和定量功能。利用系統中的微流量計精確測量得到的含糖生理鹽水體積和樣品溶液的葡萄糖濃度計算得到的糖水濃度,與采用傳統的組織液葡萄糖濃度預測模型計算得到的糖水濃度相比,大大提高了糖水濃度的預測精度。6組織液透皮抽取式微創血糖檢測算法研制在組織液透皮抽取式血糖連續檢測技術研究中,透皮抽取出的組織液量非常微小,在皮膚表面呈散點狀分布,導致對微量組織液的有效抽取、收集、