磁悬浮加上便携式成像与分析诊断疾病

这里，我们提出了一个技术平台，它采用加上自动成像和分析磁悬浮来分析患者的细胞的密度分布作为疾病指示器的技术。对于基于密度的术分析这种通用方法最终可应用于一系列疾病的诊断。但是，为了能与床边血糖检测兼容，而在发展中国家使用，该技术必须满足低成本，便携，和可用性要求。该设备和消耗品必须以低成本容易地获得。样品制备必须简单，分析应与用户输入或解释的最低要求是自动的，并且结果应该可以快速恢复。此外，该装置必须是紧凑和便携是在临床设置，以及发展中国家是有用的。因此，我们已开发了一种装置和方法，在点的护理兼容TECHNOL使用磁悬浮术通过耦合自动成像和图像分析来对病人的细胞群的密度分布返回结果。

点护理技术提供了显着的优势超过目前临床实验室测试程序。目前可用的技术是太昂贵的由临床医生所拥有或过于复杂，由医务人员来进行。许多这些步骤需要必须由受过训练的技术人员才能进行劳动密集型的协议。由于这些原因，患者样品如血液或尿液中的医生的办公室，然后转移到一个远程的，集中的测试实验室进行的临床试验，这可能需要几天的时间医师收到测试的结果通常收集。这可能会导致在治疗在某些情况下的过程的延误或并发症，使该试验很昂贵和低效率的（导致保险付款人财政负担），并进一步使许多诊断在低资源设置和发展中国家无法访问。

这里，我们提出加上两者具有嵌入摄像处理（ 图1）和智能电话兼容设备（ 图2）的设备自动成像和分析一个磁悬浮技术。这些磁性基于悬浮装置表示具有潜在一个广泛适用的平台技术被应用到一个范围的不同的医疗诊断应用。磁力的浮力^1，2，3:基于两种力量之间的平衡磁悬浮方法的功能。当颗粒悬浮在顺磁介质，并插入到由两个磁体彼此面对，磁力作用在朝向两MAGN之间的中心线的方向上的粒子像磁极产生的磁场 ETS。浮力是由比悬浮介质的粒子的相对密度引起的是向上的颗粒比中等密集和向下中的颗粒比周围介质致密的情况下少的情况下。基于这两种力量，颗粒将达到它平衡这两股力量领域的磁悬浮平衡位置;该位置是直接关系到颗粒的密度，以更密集的颗粒小于致密颗粒漂浮在外地较低。成像模块，无论是一个内置的智能手机摄像装置^4，5，6或配有放大镜^7,8独立的光学元件，被用于可视化粒子的位置。图像处理，或者通过智能手机应用^4,5="外部参照"> 6或嵌入处理部^7，8，然后处理所捕获的图像，以量化的空间分布，因此，人口密度分布。为了分析大样品（如那些具有每毫升兴趣只有几个颗粒，流动可以直接集成到这种颗粒悬浮在设备和当它们通过所述成像区域（ 图2）进行分析。

图1:自含磁悬浮平台。 （ 一 ）紧凑磁悬浮装置包括磁聚焦组件，成像组件（发光二极管（LED），光学透镜，和一个照相机检测器），和一个处理单元与显示屏幕。 （b）该CRO磁场强度其中，被插入所述样本磁铁之间的区域的β-部分。场强最大的在磁体的表面上，并在它们之间的中心线接近零。 （ 三 ）的粒子，如细胞，磁场经验几个部队内:一个磁力（F _M）朝向磁性之间的中心线，与大小不同而不同基于所述粒子的位置;一重力（F _G'），它依赖于相对于该悬浮介质的粒子的密度，和一拖力（F _D）抵抗粒子运动。再现时，经许可，从Yenilmez， 等。 ⁸ ，请点击此处查看该图的放大版本。

图URE 2:智能手机兼容的流辅助磁悬浮平台。 （ 一 - 三 ）前面（a）中 ，一侧（b）和背面（ 三 ）次磁悬浮装置（d）该装置的组成部分包括:1）磁悬浮模块，包括永久磁铁，放大透镜，和LED和光扩散，2）智能手机的情况下，3）电子产品，包括微控制器，泵驱动器和蓝牙接收器，4）微泵座，5）调节孔口，6）废液管夹，7）电池座，8 ）样品架，9）两用底座和盖子。 （ 五 ）流动示意图，示出了通过磁场的样品的泵送。 （ 六 ）磁悬浮模块，显示如何不同密度的颗粒将对齐，因为它们是通过现场泵的横截面;密度较小的颗粒，如颗粒1，将平衡在较高的悬浮高度t汉致密颗粒，如颗粒2转载，经许可，从阿明， 等。 ¹ ，请点击这里查看该图的放大版本。

使用任何样品的在该系统中的最低要求的密度分布分析包括以获得悬浮细胞或颗粒大于约5微米，小于约250微米的尺寸（用于成像和图像处理）及其与相容性的能力在一个顺磁性溶液中的溶液混合，如这里使用的钆布醇。用于疾病诊断，兼容的应用包括那些，其中（i）所关注的细胞固有地具有改变的密度相比健康对照，当他们携带的疾病，（ii）一种密度变化所用的细胞通过加入试剂或部分被诱导替代治疗一个短cubation时间，或（iii）不同类型的细胞在单个样品中的被识别和固有（或通过某些治疗）具有独特特征的密度。

镰状细胞病是一种遗传性疾病引起的血红蛋白，HbS的，在一个人的红血细胞（红细胞）要生产的突变形式，其可以导致间歇性血管闭塞事件和慢性溶血性贫血^9。它是使用任一血红蛋白等电聚焦，高效液相色谱（HPLC）分离，或血红蛋白电泳是高度准确的，但必须在临床测试实验室，因为它们是与点 - - 关心设置不兼容进行诊断。溶解性和纸基测试镰状细胞病已经被提出，但一般需要用户的主观解释和确证试验。在这里，我们使用了基于密度的方式来确定镰刀红细胞，从而达到比RB更高的密度CS由人没有镰状细胞病。该机制涉及血红蛋白，HBS的突变形式，这将导致红细胞脱水的镰状细胞病的RBCs脱氧条件^{10，11，12，13}下的聚合。

这种基于密度的方法还可以应用到密度的基础上分开的不同类型的细胞:白血细胞（白细胞）和红细胞^7。白细胞通常负责在体内抵抗感染。白细胞术可用于量化这些细胞在血液中的数量，并作为一个有用的诊断工具。白细胞计数高于正常（一般认为每微升更大的超过11,000细胞）可能表明感染，免疫系统疾病，或白血病。白细胞计数低于在正常范围（约3500每μL细胞）可能由自身免疫性疾病或康迪特引起离子的损害骨髓。不像替代技术，这里提出的方法不以鉴定白细胞依赖于红细胞或污渍的裂解。这种基于细胞的试验利用了两种细胞类型的独特固有密度进行分离，作为WBC种群密度已经报道为比如先前使用密度梯度离心^2,3计算出的RBC群体的低。

相比在远程位置变质测试，这个测试是快速，简单的样品制备（ 图3），在该装置的分离单元10内- 15分钟，自动成像和分析需要不到1分钟。以这种方式，该装置可迅速地返回结果以更好地告知医疗决定，允许处理被立即施用，以减轻身体和心理痛苦，并减少并发症associ的风险ated与医疗保健的延迟。可以在现场或在临床环境，由于简单的样品制备和自动成像和分析返回以最小的用户输入或解释的结果来执行该技术。因为使用的使用试样分析永久磁铁和使用任一智慧型手机或用于成像和图像处理简单的电子部件的一个简单的方法，相对于一些复杂的测试程序的装置，以及每次测试成本是最小的。

伦理声明:所有涉及人的血液样本程序是按照制度规定执行。所有协议进行审查和机构审查委员会批准。知情同意书是由所有参与者给出。

1.样品制备镰状细胞病诊断^5,8

1. 制备的Hank氏平衡盐溶液（HBSS）一个钆布醇的50mM的溶液。
2. 溶解于钆溶液的10mM焦亚硫酸钠。
   注意:焦亚硫酸钠是吸入有毒，强烈刺激皮肤和组织。它是与水混合时的腐蚀性酸。它可能会分解时加热至高温以发射硫和钠的有毒氧化物烟雾。
3. 通过获取无论指尖或静脉穿刺血液样本。
   1. 用采血装置用干净的一次性采血针抽血。美联社穿孔位点附近帘布层压力和擦拭使用移液管收集血液之前的三至四倍形成血液的液滴;注意不要挤压组织，因为这会导致与组织液样品的污染，"毒奶粉"的手指。
   2. 另外，使用标准的静脉穿刺¹⁴抽血。
      注意:如果样本将被储存超过几个小时，收集血液与抗凝剂如EDTA的真空采血管。
4. 血少于1微升加入100微升钆 - 焦亚硫酸钠溶液中。

2.样品制备WBC ⁷术

1. 无论是通过指尖或静脉穿刺获得血液样本，如在第1节。
2. 可选:红细胞裂解与RBC裂解液。吸管5微升的血液进入RBC裂解缓冲液500微升，在室温下进行3孵育 - 5分钟。
   注意:这可以这样做，以确认白细胞的分离群体的悬浮范围。然而，这是没有必要执行此步骤，因为此处呈现的结果表明，红细胞悬浮在比白细胞明显较低位置。
3. 稀释全血1:1000在25mM钆在HBSS
   注意:如果进行细胞裂解，稀释裂解样品9:1裂解的样品:250mM的钆以获得含有25mM的Gd的试样。

3.样本使用磁悬浮平台^{4，5，6，7，8}分析

1. 启动磁悬浮装置:
   1. 对于独立设备，插入该设备，使其电，并将其放置在平坦的水平面上。
   2. 对于智能手机兼容的版本，推出智能手机应用，并向左滑动输入图像捕捉模式，并放置在平坦的水平面上。
2. 对于静态磁悬浮:
   1. 通过浸渍结束到溶液和使样品通过毛细管作用填充毛细管加载制备的样品成方形玻璃微毛细管。
   2. 慢慢推一端毛细管到材料与密封管密封结束。
   3. 插入磁悬浮装置的磁铁之间的毛细管，使得只有1厘米的管保持可见（请参阅图3的说明，样品制备）。
      注意:此步骤仍然是既智能电话兼容的和自包含设备相同。
   4. 等待10分钟而不干扰设备或毛细管。
3. 对于流辅助磁悬浮:
   1. 加载样品到样品管中。
   2. 连接样品容器和英里之间的进口管crocapillary并连接微细和废物容器之间的出口管道。
   3. 设置LED亮度和流量参数。
4. 确保细胞在视野中是可见的，然后按拍摄按钮来拍摄的图像（按钮3的自包含设备和屏幕在智能手机应用底部的照相机按钮上）。
   注:如果将USB用来存储图像，创建一个名为"图像"文件夹，并打开装置上之前插入USB。如果不存在驱动器，该设备将图像存储在其内部存储器和后来转移。
   注:若干图像可以被捕获并分析了或缩小移动毛细管大约图像捕获之间半厘米，以减少异常的风险。
   注意:如果单元中的视场范围内的数太高或太低（如检测和报告在用户界面上），移位毛细管在装置或出或准备另一山mple。
5. 取出样品，并根据机构或当地法规丢弃样品。毛细管应设置为尖锐。

图3:样品制备和用户界面。 （ 一 ）将样品制备过程涉及穿刺被检者的手指，形成血液的液滴，转印血滴到样品测试溶液，搅拌该样品，并通过毛细作用装载到毛细管，样品插入到磁悬浮设备。 （b）中也显示在设备的屏幕上，这些样品制备步骤，以引导样品制备。 （ 三 ）该装置包括四个按键:一键放大到样本图像，以使用调节旋钮适当调整的重点;一个按钮，以获得一个单一的米easurement（5秒的延迟实施时间让用户插入样品）;时间推移测量（6图像以5秒的间隔拍摄）;和一个按钮，使用后关闭设备。再现时，经许可，从Yenilmez， 等。 ⁸ ，请点击此处查看该图的放大版本。

4.图像分析^{4，5，6，7，8}

1. 运行包括为合适的样品（细胞分布或细胞类型分离）在设备上的图像分析软件。
   注:对于自包含设备，自动进行分析并在图形用户界面上显示。对于智能手机兼容设备，进行分析，进入画廊ND选择所需的视频文件进行分析。
2. 观察并记录显示在屏幕上的分析的输出。
   注:对于细胞分布分析（如镰状细胞病的诊断），输出将是细胞群体的禁闭的宽度。
   注:对于细胞类型的分离（如白细胞识别），输出将与所确定的WBC种群的图像。为了计算每微升的细胞数，由2,000倍乘每图像白细胞的平均数目。例如，如果观察到5的白细胞，这将表明万白细胞/μL。在正常范围内被普遍认为是3500 - 11000白细胞/μL。
3. 通过或缩小约半厘米的设备的移动的样品管和捕捉另一图像如上所述待分析重复分析。
   注:建议5重复分析 - 6次，每次采样，以避免错误。

为细胞密度分布分析，这是用于镰状细胞疾病的诊断的技术中，其目的是确定细胞群的分布的宽度。患者血细胞无镰状细胞病将在可预见的宽度内被限制。从患者的镰状细胞疾病的细胞将在整个较宽的区域分布，与小区分配一个向下偏斜（参见图4）对于任何特定的应用中，一个阈值可以控制样品的分布宽度与该健康之间设定样品为"健康的"和"积极的疾病"5,8之间的截止。

图4: 磁悬浮到DENSIT分析实例Ÿ分布在血液样本镰状细胞病的指标。在左边，红血细胞是公一个狭窄的区域内密闭。在右边，红血细胞的子集实现更大的密度，因此，较低的悬浮高度，向下偏斜的分布和增加限制的宽度。比例尺= 200微米。 请点击此处查看该图的放大版本。

分析样品的密度分布，计算算法在设备内实现。首先，沿垂直和水平轴的像素亮度梯度计算。磁铁边缘和毛细管边缘被检测为在垂直像素梯度轮廓的峰。的内毛细管边缘之间的距离，以像素为单位，已知为0.7毫米，因此被用作斯卡利纳克因素的距离从像素转换成毫米。沿着水平轴的像素亮度梯度是最大的，其中细胞的位置。此梯度分布进行了分析和拟合高斯曲线。该曲线的值的4倍的标准偏差被报告为约束宽度。

结果在图5显示了控制和镰状细胞病样坐月子宽度。这里，具有更大的限制宽度（超过50微米）的样品将被认为是镰状细胞病阳性和那些低于阈将被认为是负面的疾病。应当指出的是，镰状细胞分布分析的其它方法进行了调查和由Yenilmez报道， 等。 8

数字5:坐月子宽度镰状细胞病诊断的量化。实验结果为对照组（n = 48的图像超过400例）和镰状细胞病（N = 93的图像超过10例）红细胞禁闭宽度。结果根据曼-惠特尼秩双侧检验（正常近似值，N 1 = 3，N 2 = 10，Z = -2.6764，P = 0.0074），有统计学显著。晶须表示从样品中的最小和最大限制宽度测试和星号代表异常值。再现时，经许可，从Yenilmez， 等。 8 ，请点击此处查看该图的放大版本。

用于颗粒分离，其可用于识别血液样品中的白细胞，其目的是确定两个不同波波尔ations。如果种群具有不同的密度，它们将被在不同的区域中的视场观察。因此，具有不同密度的两种或更多种颗粒的均一群体可悬浮，一经分离，所述多个群可以在图像中可以观察到，并使用图像分析算法4检测（ 见图6）。

分析两种不同类型的细胞的分离，一个算法被实现其中在平衡状态下区分两个分开的人口。以类似的方法，使对镰状细胞疾病的分析说明，两个高斯分布是配合到样本，而不是单一的曲线。在像素的亮度梯度的每个峰代表不同的细胞群。高斯曲线拟合到这些数据得到两个平均悬浮高度（相对于底磁铁的位置），为高斯曲线的平均值和禁闭宽度为曲线7的标准偏差。

图6:微粒与密度鲜明混居的磁悬浮的例子。 （ 一 ）的校正曲线，在五个不同的Gd浓度悬浮高度范围从12.5至200mM微球体密度相关。斜率是最大的钆的浓度最低，从而提供更大的分辨率（ 即小的密度差异的敏感性）。斜率对于较高浓度的Gd，表明检测的增加范围，但以较低的分辨率是最低的。 （b）与在两分钟的过程中两种不同密度的均匀样本微球体的时间相关的分离。在平衡时（右），两个不同的频带被图像肛门检测ysis算法。再现时，经许可，从Yenilmez， 等。 7 ，请点击此处查看该图的放大版本。

为了识别各个细胞类型的任何给定的应用程序不同的密度，最好是在一个时间进行量化的预期悬浮高度的第一悬浮一种细胞类型。 图7a示出了从其中红细胞已被溶解的血样的白细胞的悬浮高度。这定义作进一步的分析白细胞约束的区域。结果表明，红细胞悬浮比白细胞，因此，白细胞可以基于悬浮位置血样来区分低。视任何领域内的体积为0.5μL。在其中稀释1样品:1000，白细胞的数量/μl可以通过计数来计算在视和乘法场白细胞由2,000 7倍的数量。

图7:WBC 流式细胞术全血。 （ 一 ）以下RBC裂解从血液白细胞悬浮。这定义了白细胞在在25mM钆磁场悬浮的范围内。 （ 二 ）白细胞计数的示例（白细胞标记为蓝色箭头）。顶框镶嵌显示白细胞和底框和底框镶嵌显示RBC群体。再现时，经许可，从Yenilmez， 等。 7 ，请点击此处查看该图的放大版本。

作者 Stephanie Knowlton 和 Savas Tasoglu 是 mBiotics 的创始人并拥有 mBiotics 的股权，这是一家初创公司，致力于将本文描述的用于护理点诊断解决方案的磁悬浮平台商业化。一项名为“用于基于密度的分离、识别和测量的机载光学成像和图像分析的磁悬浮”的临时专利已向康涅狄格大学案件编号 16-027 提交，该专利涉及此处描述的技术。