摘要分析了血细胞计数分类技术，提出了静止悬浮液激光散射法血细胞计数分类的新方法，依据这种新方法设计了静止悬浮液激光散射法血球计数分类仪测量系统，着重介绍了系统的设计思想以及光路和数据采集系统。利用该系统对血液样品进行了测量并获得了较好的实验结果。

A Measuring System of an Instrument for Blood Cell Counting and Classification Using Stationary Suspension Fluid

Yang Xinhui, Yang Ye, Zhang Zhenxi, Jiang Dazong

(Institute of Biomedical Engineering,Xi'an Jiaotong University, 710049)

Abstract

In the paper is analysed the technolgical development of automatic blood cell counter,and is put for a new method to coun and classify blood cells using stationary suspension fluid and laser scattering.The measuring system of blood cells counting and classification is designed based on this method.The design idea of the light route and data acquisition system is provided in the paper as a key point,and satisfactory experimental results obtained are provided as well.

Key words:Blood cell counting and classification, Laser scattering,Data acquisition

0引言

血细胞计数及分类技术是医学诊断最常用的基本方法，血细胞的自动计数和分类对减轻医生的劳动强度及诊断准确度都具有十分重要的意义。根据其原理结构，大致可分为：光学型、电阻抗型、光散射型三大类。光学型是利用细胞和稀释液对光的吸收强度的不同，来进行计数。由于此类型分析仪极易受外界环境干扰以及测试的不敏感而已被淘汰；电阻抗型是利用细胞通过微孔时电阻变化产生电流脉冲而计数。光散射型是指激光散射法血细胞计数分类仪，此类血细胞计数分类仪是利用细胞通过激光测定点时根据激光束射到被检物体后，被检物体内含量的不同其光散射不同的原理而计数，其中测出的红细胞内血红蛋白的差异如低色素、高色素等指标是用电阻法无法获得的，但此类型计数仪价格相当昂贵。

目前，国内大多数中小型医院由于经费限制仍然采用人工计数的最原始方法，即利用细胞计数板在显微镜下用人工的方法进行计数、分类、染色、辩形等。这种方法的工作量大，易使操作者疲劳而影响计数的准确。另外，电阻抗型和光散射型血球计数分类仪均采用流式结构，导致结构复杂而且测量速度受到一定限制。针对以上问题，我们在大量的实验基础上提出了静止悬浮快速血细胞计数分类测定的新方法。这种方法利用Mie散射理论通过测量静止悬浮的血细胞的散射光强，来一次得出细胞群的分布来。大量的实验结果表明，这种方法是行之有效的。

1系统原理

利用均匀球模型^［1］，可以说明细胞边缘的衍射和细胞表面的反射和折射，这种三维模型除了描述细胞的大小外，还可以反映细胞的平均折射率。在一定的边界条件下依据Mie理论^［2］可对在平面单色光照射下的均匀球体求得严格数学解，适于任何直径和折射率大小的颗粒。依据Mie散射理论，在不相关单散射情况下，对细胞数目频率尺寸分布为f(D)的弥散细胞群体系，其散射光强是各单个细胞散射光强的线形迭加，即：

(1)

又因为细胞体积频率尺寸分布W(D)与f(D)存在以下关系：

将其代入(1)式得：

(2)

上式是一个第一类Fredholm积分方程，是它的核函数。所求的细胞分布W(D)即为该方程的解函数。

假定细胞尺寸在［D_min,D_max］范围内，此外，径向散射光强也是在一定范围［θ_min,θ_max］内测量的。它取决于CCD光电探测阵列的径向测量范围［r_min,r_max］。其中θ_min=r_min/f，θ_max=r_max/f。式(2)中积分式可转换为求和形式：

(3)

式中W_j为直径为D_j的细胞所占的体积，M为细胞尺寸带的数目。L=(r_max-rmin)/Δr为光电探测器上探测单元的数目，Δr为光电探测器上各取样单元间的距离。上述表达式中，I₀为一常数。由于对散射光强的实测值和计算值均采用归一化处理，且所求的尺寸分布用百分率表示，因此可令I₀=1。这样式(3)可简单写作矩阵形式，即：

I=TW

式中I=(I₁,I₂,…,I_L)^T为光强分布列向量，W=(W₁,W₂,…,W_M)^T为尺寸分布列向量，而

矩阵中T的各元素为

(4)

式(4)的物理意义为，直径为D_j的细胞所产生散射光落在CCD光电探测器距光轴r_i处的单元上的光强。式(3)即为Mie散射理论计算细胞散射光强在CCD光电探测器上分布的计算公式。因此，只要光强分布系数矩阵T一旦求出，利用CCD光电探测器测出被测细胞产生的散射光的径向光强分布I，通过对线性方程组I=TW的合理求解就可求得细胞群的尺寸分布W。由这个原理就可进行各种血细胞的分类计数。

2光路的设计

为了准确获得血细胞的径向散射光强分布，以便能从血细胞的散射光场信息中得出细胞的尺寸分布，需对整个系统精心设计以满足实验系统对光路严格的要求。测量装置如图1所示。

图1静止悬浮式激光散射法血球分类计数技术实验测量装置示意图

本实验装置光源采用波长0.6328nm的He-Ne激光器，输出功率为262mW。由扩束镜、针孔滤波器和准直镜构成的扩束—准直装置。样品池由石英玻璃制成，厚度应保证在实验中满足单散射条件。

对于血细胞，前向散射光强，尤其是中心光斑光强最强，沿中心向外光强减弱，并呈现明暗相间的条纹，因此CCD光电探测器接收的散射光强分布是不均匀的，测量中需对CCD光电探测阵列先进行光学对中(即使CCD光电探测阵列的像敏单元中心线与系统光轴在傅立叶变换物镜的后焦点处垂直相交。由于在CCD的动态范围内不能完整接收散射光强分布，而且光敏阵列的有效长度一定，从而不能同时实现对红细胞、白细胞和血小板的测量。为了解决上述问题，经过分析计算，我们采用了双孔对中板和CCD光电探测阵列组成的双探测器结构，即在CCD光电探测阵列上贴置一对中针孔板，在对中针孔板上开两个小孔，小孔中心分别距CCD第一有效像元1.456mm和9.456mm，分别对应测量红细胞、白细胞和血小板时的光学对中。在小孔后分别放置一硅光电池来接收散射光强分布的中心光强，当硅光电池接收到的光强最大时，则认为聚焦光斑在孔的中心，光学对中已完成。对中针孔板的两小孔的直径为400μm。小孔中心与CCD光电探测器阵列像敏元中心线对齐，误差在±10μm，如图2所示。

图2CCD+对中针孔板

的双探测器组件示意图

3数据采集系统

该数据采集系统由探测头和数据采集卡两部分组成，结构框图如图3所示。鉴于CCD的光敏阵列具有恒定的几何尺寸和间隔及高的空间分辨率，适合于精确测量血细胞的径向散射光强，所以选用1024像元的线阵CCD与对中针孔板组成的双探测器来完成径向散射光场的扫描和光学对中。

图3硬件的原理框图

3.1探测头的设计

探测头由CCD及其驱动电路，对中放大电路，视频放<