本發(fā)明涉及圖像識別和聲表面波，具體涉及一種基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、微流控是一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。微流控是一種自動控制流體(液體和氣體)的新型技術(shù)，它涵蓋了微米尺度上的流體流動控制。它將這種技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療儀器、分析儀器、生物傳感器、微納技術(shù)、化學反應(yīng)器和醫(yī)療信息系統(tǒng)中的流體控制任務(wù)，可以有效地提高性能、減少成本、改善可靠性、提高靈活性和可操作性。

2、聲流控是指聲學與微流體學的融合。聲流體學可以通過利用聲波與有限空間中的固體、液體和/或氣體的相互作用來對流體進行時空操縱，以進行主動和密集的混合。在各類動力與微流體學集合的例子中，聲學集成微流體(即聲流體)混合器因其能夠以高精度、可調(diào)速度和成本效益以及無接觸和非侵入性操作流體而引起了相當大的關(guān)注。

3、近年來，細胞的分離、富集技術(shù)受到廣泛關(guān)注。研究已經(jīng)證實癌細胞的分離富集技術(shù)可以為靶向藥物的開發(fā)提供細胞來源，對這些細胞進行深入的生物分子分析可以為腫瘤的發(fā)展、藥物預(yù)期的治療反應(yīng)、腫瘤轉(zhuǎn)移的診斷和病變細胞的預(yù)后評價鑒定提供見解，為更個性化的治療鋪平道路。因此，細胞分選、純化已成為關(guān)鍵的問題。微流控技術(shù)是實現(xiàn)細胞分選富集最常用且有效的技術(shù)，它可以實現(xiàn)癌細胞的高速、高回收率、高純度的回收，具有通量高、成本低、速度快及操作簡單等優(yōu)勢，聲表面駐波技術(shù)可以快速、簡單的實現(xiàn)非接觸式細胞分離，通量高，且所用聲能對細胞沒有危害，芯片生產(chǎn)相對簡單，可重復(fù)使用。

4、近年來，隨著人工智能的發(fā)展，利用熒光檢測的圖像識別對微液滴和細胞進行自動分類的方法也越來越流行。深度學習方法可以使模型自動提取隱藏在大規(guī)模數(shù)據(jù)中的知識，并根據(jù)高質(zhì)量的特征進行高速分類或預(yù)測。

5、因此，如何利用聲流控技術(shù)與熒光檢測的圖像識別處理相結(jié)合以實現(xiàn)微液滴的自動化選擇性分離從而進一步的實現(xiàn)生物細胞的檢測與分離成為了申請人亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，提供一種基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)。本發(fā)明可以實現(xiàn)液滴的高通量生成，不僅可以對液滴進行操縱，還可以對液滴進行檢測和分選，具有體積小，質(zhì)量輕，自動化等優(yōu)點。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)和液滴生成裝置，所述控制系統(tǒng)中具有圖像識別程序；還包括基底，所述基底的中部設(shè)置有流道，所述流道與液滴生成裝置連接；

3、所述基底包括壓電基底，壓電基底上且在流道兩側(cè)位置上以及流道內(nèi)部位置上鍍有多個叉指電極，所述叉指電極與控制系統(tǒng)連接。

4、上述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，所述叉指電極包括設(shè)置在流道兩側(cè)位置的具有多指的陣列叉指電極和設(shè)置在流道內(nèi)部位置的具有多指的分選叉指電極。

5、前述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，所述陣列叉指電極為等指寬電極，且兩個電極為對稱排布；所述分選叉指電極包括聚焦式叉指電極、吸附式叉指電極和推移式叉指電極；所述分選叉指電極為橫向等距排布。

6、前述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，所述流道包括油相入口、水相入口、液滴生成處、液滴分裂處、陣列電極區(qū)域、分選電極區(qū)域以及若干用來防止流道塌陷的支撐圓柱；所述油相入口與水相入口分別與液滴生成裝置連接；所述液滴生成處設(shè)置在油相入口與水相入口的連通處；所述液滴分裂處銜接于液滴生成處的下游方向；所述陣列電極區(qū)域用于設(shè)置陣列叉指電極；所述分選電極區(qū)域用于設(shè)置分選叉指電極。

7、前述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，所述壓電基底上設(shè)置有位于流道正下方的可拆卸薄膜；所述可拆卸薄膜與流道完全吻合；所述壓電基底上設(shè)置有流道定位引線；所述拆卸薄膜與壓電基底鍵合以流道邊緣與流道定位引線對齊為準。

8、前述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括第一信號發(fā)生器、第二信號發(fā)生器、第一功率放大器、第二功率放大器、顯微鏡、計算機、單片機和繼電器；所述計算機分別與顯微鏡和單片機、第一信號發(fā)生器連接；所述第一信號發(fā)生器與第一功率放大器連接；所述繼電器分別與第一功率放大器和單片機連接；所述第二功率放大器與第二功率放大器連接。

9、前述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，還包括控制基板，所述基底設(shè)置于所述控制基板上，所述控制基板上設(shè)置有多個接口；所述陣列叉指電極經(jīng)對應(yīng)的接口與第二功率放大器連接；所述分選叉指電極經(jīng)對應(yīng)的接口與繼電器連接；所述控制基板上的基底設(shè)置在顯微鏡的觀察處。

10、前述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，所述液滴生成裝置包括油泵和水泵；所述油泵與所述流道的油相入口連接；所述水泵與所述水相入口連接。

11、前述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，所述壓電基底由y切128°鈮酸鋰制成；所述流道與可拆卸薄膜的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷；所述叉指電極的厚度為200±20nm；所述叉指電極的材質(zhì)為鋁、金和銀中的一種或多種材料的組合。

12、前述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)的方法，由液滴生成裝置生成含熒光顆粒的初始液滴，初始液滴經(jīng)過流道等比例分裂形成多個小液滴，實現(xiàn)小液滴的高通量生成；通過控制系統(tǒng)控制叉指電極生成聲表面波驅(qū)動小液滴在流道內(nèi)陣列和/或移動，實現(xiàn)小液滴的操縱；同時將基底放置在顯微鏡下，利用控制系統(tǒng)進行熒光顆粒的圖像識別，以控制小液滴所在流道的叉指電極的開或關(guān)，實現(xiàn)小液滴的檢測和分選。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過流道使液滴在生成之后通過兩次(或三次)等比例分裂一分為四(或八)個小液滴進入后續(xù)流道，從而實現(xiàn)了高通量生成微液滴或小液滴，進而可以一次性盡可能多的檢測和操控液滴，并且初始液滴內(nèi)含有熒光顆粒，在分裂多次之后，部分微液滴內(nèi)已無熒光顆粒，另一部分仍然含有熒光顆粒，這為后期分選做好準備。同時，本發(fā)明通過控制基板與叉指電極電極相連，用于控制叉指電極生成聲表面波驅(qū)動液滴在流道內(nèi)陣列和/或移動，實現(xiàn)小液滴的操縱；進一步地，將本發(fā)明的基底放置在顯微鏡下，顯微鏡與計算機連接，計算機內(nèi)有圖像識別軟件以及對第一信號發(fā)生器輸出信號(頻率、幅值、相位)的編程控制，且分選叉指電極連接有繼電器，繼電器與單片機連接，單片機與計算機連接，從而可以實時進行熒光檢測的圖像識別，控制其所在流道的分選叉指電極開或關(guān)，因此實現(xiàn)自動化檢測和分選。由此，本發(fā)明不僅可以解決傳統(tǒng)液滴分選的問題，具有體積小，質(zhì)量輕的優(yōu)點，還可以在圖像識別的控制系統(tǒng)下實現(xiàn)微液滴和細胞高通量、選擇性、自動化的檢測與分選，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)和液滴生成裝置，所述控制系統(tǒng)中具有圖像識別程序；其特征在于：還包括基底，所述基底的中部設(shè)置有流道(3)，所述流道(3)與液滴生成裝置連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，其特征在于：所述叉指電極(2)包括設(shè)置在流道(3)兩側(cè)位置的具有多指的陣列叉指電極(201)和設(shè)置在流道(3)內(nèi)部位置的具有多指的分選叉指電極(202)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，其特征在于：所述陣列叉指電極(201)為等指寬電極，且兩個電極為對稱排布；所述分選叉指電極(202)包括聚焦式叉指電極、吸附式叉指電極和推移式叉指電極；所述分選叉指電極(202)為橫向等距排布。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，其特征在于：所述流道(3)包括油相入口(301)、水相入口(302)、液滴生成處(303)、液滴分裂處(304)、陣列電極區(qū)域(305)、分選電極區(qū)域(306)以及若干用來防止流道(3)塌陷的支撐圓柱(307)；所述油相入口(301)與水相入口(302)分別與液滴生成裝置連接；所述液滴生成處(303)設(shè)置在油相入口(301)與水相入口(302)的連通處；所述液滴分裂處(304)銜接于液滴生成處(303)的下游方向；所述陣列電極區(qū)域(305)用于設(shè)置陣列叉指電極(201)；所述分選電極區(qū)域(306)用于設(shè)置分選叉指電極(202)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，其特征在于：所述壓電基底(1)上設(shè)置有位于流道(3)正下方的可拆卸薄膜(4)；所述可拆卸薄膜(4)與流道(3)完全吻合；所述壓電基底(1)上設(shè)置有流道定位引線(203)；所述拆卸薄膜(4)與壓電基底(1)鍵合以流道(3)邊緣與流道定位引線(203)對齊為準。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，其特征在于：所述控制系統(tǒng)包括第一信號發(fā)生器(601)、第二信號發(fā)生器(607)、第一功率放大器(602)、第二功率放大器(608)、顯微鏡(603)、計算機(604)、單片機(605)和繼電器(606)；所述計算機(604)分別與顯微鏡(603)和單片機(605)、第一信號發(fā)生器(601)連接；所述第一信號發(fā)生器(601)與第一功率放大器(602)連接；所述繼電器(606)分別與第一功率放大器(602)和單片機(605)連接；所述第二功率放大器(608)與第二功率放大器(608)連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，其特征在于：還包括控制基板(5)，所述基底設(shè)置于所述控制基板(5)上，所述控制基板(5)上設(shè)置有多個接口(501)；所述陣列叉指電極(201)經(jīng)對應(yīng)的接口(501)與第二功率放大器(608)連接；所述分選叉指電極(202)經(jīng)對應(yīng)的接口(501)與繼電器(606)連接；所述控制基板(5)上的基底設(shè)置在顯微鏡(603)的觀察處。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，其特征在于：所述液滴生成裝置包括油泵(8)和水泵(9)；所述油泵(8)與所述流道(3)的油相入口(301)連接；所述水泵(9)與所述水相入口(302)連接。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)，其特征在于：所述壓電基底(1)由y切128°鈮酸鋰制成；所述流道(3)與可拆卸薄膜(4)的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷；所述叉指電極(2)的厚度為200±20nm；所述叉指電極(2)的材質(zhì)為鋁、金和銀中的一種或多種材料的組合。

10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)的方法，其特征在于：由液滴生成裝置生成含熒光顆粒的初始液滴，初始液滴經(jīng)過流道等比例分裂形成多個小液滴，實現(xiàn)小液滴的高通量生成；通過控制系統(tǒng)控制叉指電極生成聲表面波驅(qū)動小液滴在流道內(nèi)陣列和/或移動，實現(xiàn)小液滴的操縱；同時將基底放置在顯微鏡下，利用控制系統(tǒng)進行熒光顆粒的圖像識別，以控制小液滴所在流道的叉指電極的開或關(guān)，實現(xiàn)小液滴的檢測和分選。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于圖像識別的自動化聲鑷操縱與檢測集成系統(tǒng)及方法，包括控制系統(tǒng)和液滴生成裝置，控制系統(tǒng)中具有圖像識別程序；還包括基底，基底的中部設(shè)置有流道，流道與液滴生成裝置連接；所述基底包括壓電基底，壓電基底上且在流道兩側(cè)以及流道內(nèi)部鍍有多個叉指電極，叉指電極與控制系統(tǒng)連接。由液滴生成裝置生成含熒光顆粒的初始液滴，初始液滴經(jīng)過流道分裂形成多個小液滴，實現(xiàn)小液滴的高通量生成；通過控制系統(tǒng)控制叉指電極生成聲表面波驅(qū)動小液滴在流道內(nèi)陣列和/或移動，實現(xiàn)小液滴的操縱；同時將基底放置在顯微鏡下，利用控制系統(tǒng)進行熒光顆粒的圖像識別，以控制小液滴所在流道的叉指電極的開或關(guān)，實現(xiàn)小液滴的檢測和分選。

技術(shù)研發(fā)人員：錢金貴,徐連政,王凱歌,鄧申昊,唐淑霜,許業(yè)誠
受保護的技術(shù)使用者：合肥工業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23