JP7839287B2 - Method for measuring particles in a solution and apparatus for carrying out the same. - Google Patents
Method for measuring particles in a solution and apparatus for carrying out the same.Info
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Description
本発明は、溶液中に存在する粒子を測定する方法に関する。 This invention relates to a method for measuring particles present in a solution.
微細な粒子が含まれた溶液の純度や、細胞単位の分析のために、様々な粒子計数技術が開発されている。 Various particle counting techniques have been developed for determining the purity of solutions containing fine particles and for analyzing them at the cellular level.
例えば、光散乱方式は、光が試料を直接透過した後、試料中の粒子の表面によって反射され、感知される光の量と測定しようとする粒子の大きさまたは屈折率との相互関係により、粒子の個数と大きさを算出する。ただし、粒子の表面が不規則な形をする場合には、光を反射する程度が表面に応じて異なることがあり、それに伴う誤差が発生する問題がある。 For example, in the light scattering method, light passes directly through the sample and is reflected by the surface of particles within the sample. The number and size of particles are calculated based on the relationship between the amount of light detected and the size or refractive index of the particles being measured. However, if the particle surface has an irregular shape, the degree of light reflection may vary depending on the surface, leading to errors.
一方、電気抵抗を用いる方式は、伝導性がある試料を電極間の隙間に通過させ、このとき発生する電気パルスを用いて粒子を計数する。 On the other hand, the method using electrical resistance involves passing a conductive sample through the gap between electrodes and counting the particles using the electrical pulses generated at this time.
代表的には、インピーダンスベースのフローサイトメーターは、電気抵抗法の原理を用いて、粒子の大きさおよび分布を測定する。電解質溶液に分散した粒子が、微細流路内の小さな孔を通過する時に、所定の電流が流れている二つの電極間の抵抗が増加して電位差が発生することを測定し、粒子の大きさと分布に変換する。 Typically, impedance-based flow cytometers measure particle size and distribution using the principle of electrical resistance. When particles dispersed in an electrolyte solution pass through small pores in a microchannel, the resistance between two electrodes carrying a predetermined current increases, generating a potential difference. This difference is then converted into particle size and distribution.
ただし、このようなフローサイトメトリーのためには、よく制御された微細環境で訓練された作業者が必要であり、複雑な機器のために実験室の環境以外では、使用が困難であるというデメリットがある。 However, flow cytometry requires well-controlled micro-environments and trained operators, and its complex equipment makes it difficult to use outside of a laboratory setting.
したがって、携帯用目的の分析や診断のためには、より簡素化した構造が考案される必要がある。 Therefore, for portable analysis and diagnosis purposes, a simpler structure needs to be devised.
本発明は、溶液中の粒子を測定する、より簡素化した方法を提案することを目的とする。 This invention aims to propose a simpler method for measuring particles in a solution.
より具体的には、本発明は、微細流路が形成されたチップとブリッジ回路を構成することで出力される信号をそれぞれ個別に処理し、溶液中の粒子を測定する方法を提案することを目的とする。 More specifically, the present invention aims to propose a method for measuring particles in a solution by processing the signals output by configuring a chip with microchannels and a bridge circuit separately.
より具体的には、本発明は、ホイートストンブリッジを介して感知された電気信号を用いて、微細な粒子の通過を計数する方法を提案することを目的とする。 More specifically, the present invention aims to propose a method for counting the passage of minute particles using electrical signals sensed via a Wheatstone bridge.
より具体的には、本発明は、入力された信号と出力された信号による電気的状態変化の大きさおよび時間を用いて、粒子の特性を測定する方法を提案することを目的とする。 More specifically, the present invention aims to propose a method for measuring particle characteristics using the magnitude and time of electrical state changes caused by input and output signals.
上記技術的課題を解決するための本発明による粒子の測定装置は、電圧を印加する電源部と、流体が通過する微細流路上に順に並べられた複数の電極が形成されたチップと、前記チップに形成された複数の電極と所定の電気的状態になるように、ブリッジ回路の少なくとも一部が印刷された回路部と、前記電源部は、前記回路部に電圧を印加し、前記微細流路を通過する流体内の粒子による前記ブリッジ回路の出力信号の変化を計測する計測部とを含む。 The particle measuring apparatus according to the present invention, for solving the above technical problems, includes a power supply unit for applying voltage, a chip with a plurality of electrodes formed sequentially on a microchannel through which a fluid passes, a circuit unit on which at least a portion of a bridge circuit is printed so as to be in a predetermined electrical state with respect to the plurality of electrodes formed on the chip, and a measuring unit in which the power supply unit applies voltage to the circuit unit and measures the change in the output signal of the bridge circuit due to particles in the fluid passing through the microchannel.
前記計測部は、前記粒子が前記並べられた電極と電極との間に位置することによる前記電気信号の位相変化を検出し、前記位相変化の回数で前記流体内の粒子を計数する。 The measurement unit detects the phase change of the electrical signal caused by the position of the particles between the arranged electrodes, and counts the particles in the fluid based on the number of phase changes.
前記計測部は、前記位相変化した電気信号の振幅の大きさで前記流体内の粒子の大きさを算出することが好ましい。 The measurement unit preferably calculates the size of the particles in the fluid based on the amplitude of the phase-shifted electrical signal.
前記電源部で印加された電気信号を交流信号に変換した後、前記変換された交流信号を増幅し、予め決定されたオフセットに調整する信号変換部をさらに含み、前記計測部は、前記オフセット調整された電気信号の印加の後、前記ブリッジ回路で計測される出力信号で前記電気的状態の変化を計測することが好ましい。 The system further includes a signal conversion unit that converts the electrical signal applied by the power supply unit into an AC signal, amplifies the converted AC signal, and adjusts it to a predetermined offset. Preferably, the measurement unit measures the change in the electrical state using the output signal measured by the bridge circuit after the offset-adjusted electrical signal has been applied.
前記計測部は、前記オフセット調整された最初の電気信号を用いて前記出力信号を乗算増幅し、増幅した出力信号内の特定の周波数信号を除去して直流化し、前記電気的状態の変化による電気的位相値信号を検出することが好ましい。 Preferably, the measurement unit multiplies and amplifies the output signal using the offset-adjusted initial electrical signal, removes specific frequency signals from the amplified output signal to convert it to DC, and detects the electrical phase value signal due to the change in the electrical state.
前記除去される周波数は、少なくとも前記最初の電気信号の周波数と類似する周波数に設定されることが好ましい。 Preferably, the frequency to be removed is set to a frequency similar to at least the frequency of the initial electrical signal.
前記計測部は、直流化した出力信号の発生周期を用いて、前記粒子の前記流路通過時間を算出することが好ましい。 The measurement unit preferably calculates the time it takes for the particles to pass through the channel using the generation period of the DC-converted output signal.
前記技術的課題を解決するための本発明による粒子の測定方法は、流体が通過する微細流路上に順に並べられた複数の電極と所定の電気的状態になるブリッジ回路に電圧を印加するステップと、前記微細流路を通過する流体内の粒子による前記ブリッジ回路の出力信号の変化を計測するステップとを含む。 The particle measurement method according to the present invention, for solving the aforementioned technical problems, includes the steps of: applying a voltage to a bridge circuit that enters a predetermined electrical state with a plurality of electrodes arranged sequentially on a microchannel through which a fluid passes; and measuring the change in the output signal of the bridge circuit due to particles in the fluid passing through the microchannel.
前記計測するステップは、前記粒子が前記並べられた電極と電極との間に位置することによる前記電気信号の位相変化を検出し、前記位相変化の回数で前記流体内の粒子を計数することが好ましい。 The measurement step preferably involves detecting the phase change of the electrical signal caused by the position of the particles between the arranged electrodes, and counting the particles in the fluid based on the number of phase changes.
前記計測するステップは、前記位相変化した電気信号の大きさにより前記流体内の粒子の大きさを算出することが好ましい。 The measurement step preferably involves calculating the size of the particles in the fluid based on the magnitude of the phase-shifted electrical signal.
前記電圧を印加するステップは、電気信号を交流信号に変換した後、前記変換された交流信号を増幅するステップと、前記増幅した電気信号を予め決定されたオフセットに調整するステップと、前記オフセット調整された電気信号を前記ブリッジ回路に印加するステップとを含む。 The step of applying the voltage includes the steps of converting the electrical signal to an AC signal, amplifying the converted AC signal, adjusting the amplified electrical signal to a predetermined offset, and applying the offset-adjusted electrical signal to the bridge circuit.
前記計測するステップは、前記ブリッジ回路から出力される出力信号間の差を算出し、差を増幅するステップと、前記オフセット調整された最初の電気信号を用いて、前記差が増幅した信号を乗算増幅するステップと、前記増幅した出力信号内の特定の周波数信号を除去して直流化するステップとを含む。 The measurement step includes calculating the difference between the output signals output from the bridge circuit and amplifying the difference; multiplying the amplified signal using the offset-adjusted initial electrical signal; and removing specific frequency signals within the amplified output signal to convert it to DC.
本発明によると、電気信号の変化を用いて、溶液中の微細な粒子を正確に測定することができる。 According to this invention, minute particles in a solution can be accurately measured using changes in electrical signals.
また、電気信号の変化の大きさと時間を用いて、微細粒子の性質をより正確に測定することができる。 Furthermore, by using the magnitude and time of changes in electrical signals, the properties of fine particles can be measured more accurately.
また、本発明は、簡単な回路構成により、比較的低い電圧でも、効率的に粒子の特性を測定する。 Furthermore, this invention allows for efficient measurement of particle characteristics even at relatively low voltages, using a simple circuit configuration.
また、本発明は、個人の基準値を用いて測定された粒子の生物学的特性を数値化することで、臨床的な診断に直接活用することができる。 Furthermore, this invention can be directly applied to clinical diagnosis by quantifying the biological characteristics of particles measured using individual reference values.
また、本発明は、測定装置の小型化による携帯用測定装置として普及が可能である。 Furthermore, this invention can be widely adopted as a portable measuring device due to its miniaturization.
以下の内容は、単に、発明の原理を例示するに過ぎない。したがって、当業者は、本明細書に明確に説明または図示されていないが、発明の原理を実現し、発明の概念と範囲に含まれる様々な装置を発明することができる。また、本明細書に挙げられているすべての条件付き用語および実施形態は、原則的に、発明の概念が理解されるようにするための目的としてのみ明白に意図され、このように特別に挙げられている実施形態および状態に限定されないものと理解すべきである。 The following content merely illustrates the principle of the invention. Therefore, those skilled in the art can invent various devices that realize the principle of the invention and fall within the concept and scope of the invention, even if not explicitly described or illustrated herein. Furthermore, all conditional terms and embodiments mentioned herein are, in principle, expressly intended solely for the purpose of enabling understanding of the concept of the invention, and should be understood as not being limited to such specifically mentioned embodiments and states.
上述の目的、特徴およびメリットは、添付の図面に関する以下の詳細な説明によってより明らかになり、これにより、発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が、発明の技術的思想を容易に実施することができる。 The aforementioned objectives, features, and benefits will become clearer from the following detailed description relating to the attached drawings, thereby enabling a person with ordinary skill in the art to easily implement the technical idea of the invention.
また、発明を説明するに際し、発明と関連する公知技術に関する具体的な説明が発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Furthermore, when describing the invention, if it is determined that a specific explanation of prior art related to the invention may obscure the gist of the invention, such detailed explanation will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
図1は、本発明による粒子数値を測定するための装置100の構造を示す図である。 Figure 1 shows the structure of the apparatus 100 for measuring particle values according to the present invention.
図1を参照すると、本発明による粒子の測定装置100は、電源を提供する電源部110と、回路が印刷された回路部120、および回路部120から出力された電気信号を検出して計測する計測部130を含む。 Referring to Figure 1, the particle measuring device 100 according to the present invention includes a power supply unit 110 that provides power, a circuit unit 120 on which a circuit is printed, and a measuring unit 130 that detects and measures the electrical signal output from the circuit unit 120.
また、粒子の測定装置100は、基板上に外部に開放された流入口と排出口との間に形成された微細流路と流路には複数の電極が接して並べられた測定用チップ140を含んで構成することができる。 Furthermore, the particle measuring device 100 can be configured to include a microchannel formed on a substrate between an inlet and outlet that are open to the outside, and a measuring chip 140 in which multiple electrodes are arranged in contact with the channel.
チップ140は、粒子の測定装置100に脱着する構造で形成することができ、したがって、ユーザが、各測定時に、チップを交換しながら測定しようとする溶液中の粒子を測定できるようにする。 The tip 140 can be formed with a structure that allows it to be attached to and detached from the particle measuring device 100, thereby enabling the user to measure particles in the solution they intend to measure by changing the tip during each measurement.
また、挿入されたチップ140上の電極は、回路部の電極と共にブリッジ回路を構成し、これにより、より微細な電気的特性の変化を計測部130が検出できるようにする。 Furthermore, the electrodes on the inserted chip 140, together with the electrodes in the circuit section, form a bridge circuit, enabling the measurement unit 130 to detect even more minute changes in electrical characteristics.
本実施形態では、計測部130は、微細流路上を電解質溶液が通過するが、溶液中の粒子が電極の間を通過しない状態を基本状態として、ブリッジ回路から出力される電気信号を測定する。計測部130は、測定された信号に対して、溶液中の粒子が流路上の電極と電極との間を通過することによるインピーダンスなどの電気的特性の変化による電気信号の変化により粒子を検出する。 In this embodiment, the measurement unit 130 measures the electrical signal output from the bridge circuit, assuming a basic state where the electrolyte solution passes through the microchannel but particles in the solution do not pass between the electrodes. The measurement unit 130 detects particles based on the measured signal, specifically by changes in the electrical signal caused by changes in electrical characteristics such as impedance due to particles in the solution passing between the electrodes in the channel.
具体的には、溶液中の粒子が並べられた電極と電極との間に位置することによって電気信号の位相変化を検出し、位相変化した信号の発生回数により流体内の粒子を計数することができる。 Specifically, by detecting the phase change of an electrical signal caused by the position of particles in a solution between electrodes arranged in a grid, the number of particles in the fluid can be counted based on the number of occurrences of the phase-changed signal.
ここで、本実施形態による粒子の測定装置100が、乾電池のような携帯用電源装置の直流電圧の電源によっても動作可能であるように、電源部で印加される電源を交流化する前処理過程を印加の前に行うことができる。 Here, the particle measuring device 100 according to this embodiment can be operated using a DC voltage power source from a portable power supply such as a dry cell battery. Therefore, a pre-treatment process to convert the power applied by the power supply unit to AC voltage can be performed before application.
図2を参照して、入力信号の前処理過程についてより詳細に説明する。 Refer to Figure 2 for a more detailed explanation of the input signal preprocessing process.
図2は、本実施形態による電源部の細部構成を示すブロック図である。 Figure 2 is a block diagram showing the detailed configuration of the power supply unit according to this embodiment.
図2を参照すると、電源部は、電源112の他に、関数発生器114および信号変換部116をさらに含む。 Referring to Figure 2, the power supply unit further includes a function generator 114 and a signal conversion unit 116, in addition to the power supply 112.
一般的に、バッテリのような携帯用装置の電源の場合、端子が所定の極を維持することによって直流電源の形態で電気信号が出力されるため、本実施形態では、関数発生器114は、電源112から提供される電位差から、粒子による位相のような成分の変化を明確に検出するために、直流信号を交流信号の形態に変換する。 Generally, in the case of power sources for portable devices such as batteries, electrical signals are output in the form of a DC power source by maintaining predetermined pole positions at the terminals. Therefore, in this embodiment, the function generator 114 converts the DC signal into an AC signal from the potential difference provided by the power source 112 in order to clearly detect changes in components such as phase due to particles.
具体的には、関数発生器114は、印加される電圧を決定された関数の周期で連続した波形を有する周期的な信号に変換する。関数発生器114は、必要に応じて、マイクロコントロールユニット、関数発生装置など、様々な形態で実現することができる。 Specifically, the function generator 114 converts the applied voltage into a periodic signal having a continuous waveform with a predetermined function period. The function generator 114 can be implemented in various forms, such as a microcontroller unit or a function generator, as needed.
次に、信号変換部116は、連続した波形を有する交流信号を増幅し、予め決定されたオフセットに調整する。オフセットの調整により増幅した交流信号を正弦波の形態を有するように正と負の電圧値が繰り返される形態に最終変換する。周期的に正と負の電圧値が繰り返される交流信号は、電極を通じた電源による分析溶液の電気分解を防止する。 Next, the signal conversion unit 116 amplifies the AC signal having a continuous waveform and adjusts it to a predetermined offset. The amplified AC signal, after offset adjustment, is finally converted into a form where positive and negative voltage values repeat, resulting in a sinusoidal waveform. This AC signal, with its periodically repeating positive and negative voltage values, prevents electrolysis of the analytical solution by the power supply through the electrodes.
以上の信号処理過程で変換する信号については、図3を参照してより詳細に説明する。 The signals converted during the above signal processing process will be explained in more detail with reference to Figure 3.
図3aを参照すると、上述のように、携帯用装置に主に用いられるバッテリから出力される電圧は、直流形態で所定の信号を有する。周期性がない直流信号の場合、伝導される物質の特性に応じて微細な位相差を有する電気信号を検出することは困難である。 Referring to Figure 3a, as described above, the voltage output from batteries primarily used in portable devices has a predetermined signal in DC form. In the case of a DC signal without periodicity, it is difficult to detect an electrical signal with minute phase differences depending on the properties of the conductive material.
したがって、関数発生器114は、電源112の直流信号を連続した波形に変更し、図3bのような形態の周期的な信号に変換することができる。 Therefore, the function generator 114 can convert the DC signal from the power supply 112 into a continuous waveform, and then into a periodic signal in the form shown in Figure 3b.
次いで、信号変換部116は、関数発生器114の出力を電気信号の変化量を増加させるために、入力信号を増幅すると同時に、正弦波の形態を有するようにオフセットを調整することで、図3cのような最終入力信号を生成することができる。 Next, the signal conversion unit 116 amplifies the input signal to increase the amount of change in the electrical signal from the output of the function generator 114, and at the same time adjusts the offset so that it has a sinusoidal shape, thereby generating the final input signal as shown in Figure 3c.
すなわち、本発明による電源部110は、交流信号の変換により、携帯用装置に一般的に用いられるバッテリの単一方向性の電気信号で電解質内のイオンが極端に偏り、溶液が電気分解され、抵抗が高くなる問題を解決し、且つ正弦波の周期的な信号の周期成分を用いて、電解質溶液中の粒子の流れを検出できるようにする。 In other words, the power supply unit 110 according to the present invention solves the problem of extreme ion imbalance in the electrolyte due to the unidirectional electrical signal of batteries commonly used in portable devices, leading to electrolysis of the solution and increased resistance, by converting the AC signal. Furthermore, it enables detection of particle flow in the electrolyte solution using the periodic component of a sinusoidal periodic signal.
以上の過程を経て生成された周期的な信号が回路部120に印加された後、計測部130は、ブリッジ回路から出力される電気信号として、好ましくは時間による電圧の大きさの変化を検出する。 After the periodic signal generated through the above process is applied to the circuit unit 120, the measurement unit 130 detects, preferably, the change in voltage magnitude over time as an electrical signal output from the bridge circuit.
本実施形態では、ブリッジ回路は、ホイートストンブリッジで複数の抵抗と電極とのインピーダンスが互いにバランスした状態になるように設計することができる。したがって、絶対的な信号値の検出と比較してブリッジ回路内の状態変化によって発生する電気信号により、より敏感に検出することができる。 In this embodiment, the bridge circuit can be designed such that the impedances of the multiple resistors and electrodes are balanced relative to each other in a Wheatstone bridge. Therefore, detection can be more sensitive to electrical signals generated by state changes within the bridge circuit compared to detecting absolute signal values.
ただし、ブリッジ回路から検出される電気信号の場合、ノイズに対しても共に敏感に反応することにより、本実施形態による計測部130は、信号の変化のうち検出しようとする特定の粒子による成分の変化を正確に区分する必要がある。 However, in the case of electrical signals detected from a bridge circuit, since they are also sensitive to noise, the measurement unit 130 in this embodiment needs to accurately distinguish the changes in the signal components caused by the specific particles to be detected.
したがって、本発明による計測部130は、正確な検出のための構成を含む。 Therefore, the measurement unit 130 according to the present invention includes a configuration for accurate detection.
図4を参照すると、計測部130は、バッファ132、増幅器134、乗算器136およびフィルタ138を含む。 Referring to Figure 4, the measurement unit 130 includes a buffer 132, an amplifier 134, a multiplier 136, and a filter 138.
バッファ132は、入力インピーダンスが無限に近いという特徴を用いて、ブリッジ回路から出力される出力信号を計測部130の他の回路の構成要素から影響を受けず、ほぼそのままの信号を増幅器134に入力されるようにする。 Buffer 132 utilizes its characteristic of having a near-infinite input impedance to ensure that the output signal from the bridge circuit is not affected by other circuit components of the measurement unit 130, and that the signal is input to the amplifier 134 almost unchanged.
増幅器134は、入力信号間の差を算出し、差の値を増幅する役割をする。入力信号は、溶液からの様々なノイズを有することがあり、差の値の増幅によりノイズを一次的に除去し、粒子から発生する非対称な信号の値のみを抽出する。抽出された信号は、乗算器136に入力されるようにする。 Amplifier 134 calculates the difference between the input signals and amplifies the difference value. The input signals may contain various noises from the solution; by amplifying the difference value, the noise is temporarily removed, and only the asymmetric signal values generated from the particles are extracted. The extracted signals are then fed into multiplier 136.
次に、乗算器136は、増幅器134の出力信号を乗算増幅する。具体的には、オフセット調整された正弦波形態の最初の電気信号を用いて、出力信号を互いに乗算することで増幅することができる。最初の信号は、出力信号と同じ信号周波数を有するために使用され、必要に応じて、最初の信号以外の同じ周波数を有する他の信号も使用が可能である。 Next, the multiplier 136 multiplies and amplifies the output signal of the amplifier 134. Specifically, it can be amplified by multiplying the output signals together using the first electrical signal in the form of an offset-adjusted sinusoidal wave. The first signal is used because it has the same signal frequency as the output signal, and other signals with the same frequency as the first signal can be used as needed.
溶液中の粒子が、流路を通過する間に、流路上の電極と電極との間に位置する場合、粒子による電極と電極との間のインピーダンスが瞬間的に増加することができ、さらに、粒子のキャパシタの役割による電位差が発生し得る。これにより、電圧信号の振幅と位相に変化が発生し得る。 When particles in a solution are positioned between electrodes in a channel while passing through it, the impedance between the electrodes due to the particles can instantaneously increase, and furthermore, a potential difference can be generated due to the capacitor-like action of the particles. This can cause changes in the amplitude and phase of the voltage signal.
したがって、乗算器136は、位相差を有する信号を抽出するために、最初の電気信号と出力信号を乗算することで、波形信号を増幅すると同時に、位相値を定数化する。乗算器136の出力は、周波数を変数として有する交流波と位相差から影響を受ける直流波の和として算出される。したがって、最終的に粒子によって発生した位相差のみを抽出するために、フィルタ138は、乗算器136の出力信号で交流波をフィルタリングする。 Therefore, the multiplier 136 amplifies the waveform signal by multiplying the initial electrical signal and the output signal to extract the signal with a phase difference, while simultaneously constantizing the phase value. The output of the multiplier 136 is calculated as the sum of an AC wave with frequency as a variable and a DC wave affected by the phase difference. Therefore, in order to finally extract only the phase difference generated by the particle, the filter 138 filters the AC wave with the output signal of the multiplier 136.
すなわち、上述の計測部130で検出された出力信号から粒子によって発生した純粋なターゲット信号を抽出するための処理過程については、図5を参照してより詳細に説明する。 In other words, the processing steps for extracting the pure target signal generated by the particles from the output signal detected by the measurement unit 130 described above will be explained in more detail with reference to Figure 5.
図5aを参照すると、最初のホイートストンブリッジで出力される電気信号は、溶液と粒子の電気的特性の差によって解釈が不可能な形態の複雑な波形を有することができる。 Referring to Figure 5a, the electrical signal output from the first Wheatstone bridge can have a complex waveform that is uninterpretable due to the difference in electrical properties between the solution and the particles.
したがって、バッファ132は、出力信号の中で信号が跳ねる量を補償することで、解釈可能な形態の波形信号に変換する。変換された信号は、図5bのような形態であり、全信号の様相は、正弦波に近い形態を有することができる。 Therefore, buffer 132 compensates for the amount of signal bouncing in the output signal, converting it into an interpretable waveform signal. The converted signal has the form shown in Figure 5b, and the overall signal can have a form close to a sine wave.
ここで、バッファ132は、入力インピーダンスが無限に近いという特徴を用いて、互いに異なる回路を連結しながら計測する信号の値に損失がないようにする。バッファを通過した信号値は、増幅器134を介して信号の差の値を増幅し、ノイズを一次的に除去する。信号に含まれる粒子による電気的な成分変化は、乗算器136を用いて信号を増幅および抽出する。信号の増幅および抽出のために、本実施形態では、入力信号として、電源部110のオフセット調整された正弦波形態の入力信号と出力信号を乗算することができる。図5cのような形態の増幅した信号は、乗算器136から出力することができる。 Here, buffer 132 utilizes its characteristic of having a near-infinite input impedance to ensure no loss in the signal values measured while connecting different circuits. The signal values that have passed through the buffer are amplified via amplifier 134 to remove the signal difference and temporarily eliminate noise. Electrical component changes due to particles in the signal are amplified and extracted using multiplier 136. For signal amplification and extraction, in this embodiment, the input signal can be multiplied by the offset-adjusted sinusoidal input signal and output signal of the power supply unit 110. The amplified signal in the form shown in Figure 5c can be output from multiplier 136.
バッファを介して補償した後、増幅した信号は、乗算回路を通過すると、周波数成分と位相差に該当する定数形態の直流波形が混ざるようになる。フィルタ138は、周波数成分の信号を除去することで、粒子の影響によって発生した微細な位相差信号を検出する。 After compensation via a buffer, the amplified signal, upon passing through the multiplication circuit, becomes a mixture of frequency components and constant-form DC waveforms corresponding to the phase difference. Filter 138 detects the minute phase difference signals generated by the particle's influence by removing the frequency component signal.
すなわち、周波数成分の信号を除去して残った信号には、位相差を有する信号が、図5dのような形態で残る。 In other words, after removing the frequency component signal, the remaining signal contains a signal with a phase difference, in the form shown in Figure 5d.
入力信号の周波数に該当する成分が除去された出力信号は、電源で最初印加される信号のような形態で直流化し、したがって、計測部130は、より明確に信号内の粒子による変化成分を抽出することができる。 The output signal, from which the component corresponding to the input signal frequency has been removed, is converted to DC in a form similar to the signal initially applied by the power supply. Therefore, the measurement unit 130 can more clearly extract the particle-induced change component within the signal.
以上、フィルタ138から出力された信号は、粒子が瞬間的に電極上に位置してから消えることによって特定の波形を有するようになり、これにより、粒子の通過有無を判断する。 As described above, the signal output from filter 138 acquires a specific waveform because the particle momentarily positions itself on the electrode and then disappears. This allows for the determination of whether or not a particle has passed through.
以下、本実施形態では、粒子の通過によって検出された位相変化した特定の波形信号の生成過程について、図6を参照してより詳細に説明する。 In this embodiment, the process of generating a specific waveform signal with a phase shift detected by the passage of particles will be described in more detail below with reference to Figure 6.
最初に図6aを参照すると、粒子が電極を通過する前の状態で、ブリッジ回路内の電圧信号は、互いに平衡状態で入力電気信号の位相と同一である。したがって、フィルタ138から出力された信号は直流波形をそのまま有するようになる。 Referring first to Figure 6a, before the particles pass through the electrodes, the voltage signals in the bridge circuit are in equilibrium and have the same phase as the input electrical signals. Therefore, the signal output from filter 138 retains its DC waveform.
次いで、粒子がより進行し、最初の電極と二番目の電極との間に位置する場合には、当該電極と電極との間に粒子が抵抗またはキャパシタとして作用することによる電圧降下が発生し、これに伴い、電圧V1の位相θ1が、電圧V2の位相θ2と比較して減少する効果が発生する。したがって、位相の変化による電気信号は、フィルタ138を介して入力信号と同周波数信号が除去された波形の一部形態で、図6bのように検出することができる。または、入力信号と予め決定された範囲内の類似周波数信号を除去することで波形を検出することも可能である。 Next, when the particle travels further and is located between the first and second electrodes, a voltage drop occurs due to the particle acting as a resistor or capacitor between the electrodes. Consequently, the phase θ1 of voltage V1 decreases compared to the phase θ2 of voltage V2. Therefore, the electrical signal due to the phase change can be detected as a partial waveform, as shown in Figure 6b, after the input signal and signals of the same frequency have been removed via filter 138. Alternatively, the waveform can be detected by removing the input signal and similar frequency signals within a predetermined range.
次に、粒子が再び最初の電極を通過し、二番目の電極と三番目の電極との間に位置する場合には、逆に、二番目の電極と三番目の電極との間で電圧降下が発生し、電圧V2の位相θ2と電圧V1の位相θ1との間に差が発生する。これによって再び位相差が発生し、V1の位相はV2の位相と比較して大きくなることによる信号が、図6cの形態で検出される。 Next, when the particle passes the first electrode again and lies between the second and third electrodes, a voltage drop occurs between the second and third electrodes, creating a difference between the phase θ2 of voltage V2 and the phase θ1 of voltage V1. This again creates a phase difference, and the signal resulting from the phase of V1 becoming larger than the phase of V2 is detected in the form shown in Figure 6c.
最終粒子が電極をすべて通過すると、再び、基本状態に戻り、図6dのような形態の信号が検出される。 Once the final particle has passed through all the electrodes, the system returns to its basic state, and a signal in the form shown in Figure 6d is detected.
さらに、粒子が細胞である場合、細胞の特性上、電極と電極との間に位置する場合、キャパシタの役割を果たすことができ、したがって、粒子の大きさや特性がキャパシタンスに影響を及ぼす可能性があり、信号に当該特徴が反映されることがある。 Furthermore, if the particles are cells, due to their characteristics, they can act as capacitors when positioned between electrodes. Therefore, the size and characteristics of the particles may influence the capacitance, and these characteristics may be reflected in the signal.
したがって、本実施形態では、連続した粒子の波形を検出することで、粒子の数を計数し、且つ波形の大きさを用いて、粒子の大きさを算出することも可能である。 Therefore, in this embodiment, it is also possible to count the number of particles by detecting the waveform of continuous particles, and to calculate the size of the particles using the magnitude of the waveform.
図7を参照すると、信号の波長の長さは、粒子の通過時間により算出することができる。また、信号の大きさは、上述のように、粒子がキャパシタの役割を果たすことによる電圧の変化と比例するため、粒子の大きさにより算出することも可能である。 Referring to Figure 7, the wavelength of the signal can be calculated from the particle's transit time. Furthermore, the magnitude of the signal can also be calculated from the particle's size, as it is proportional to the voltage change caused by the particle acting as a capacitor, as described above.
また、以上の信号は、粒子が電極の通過開始時点から通過完了時点まで発生するため、当該信号の時間的な特性または粒子の通過速度に変換し、さらなる粒子の特性を算出することも可能である。 Furthermore, since the above signals are generated from the start to the completion of particle passage through the electrode, it is possible to convert these signals into temporal characteristics or particle passage velocities to calculate further particle characteristics.
例えば、溶液中の粒子が細胞のように弾性を有する場合、本来の剛性(Stiffness)に応じて形態と大きさを変更することができ、本来の大きさより小さい幅の通路も本体の直径を低減することで通過が可能である。しかし、人体内の細胞が様々な物質と結合するか、または老化によって物理的剛性が高くなる場合には、弾性が減少し、より硬くなる。 For example, if particles in a solution possess elasticity like cells, they can change their shape and size according to their inherent stiffness, and can pass through narrower passages by reducing the diameter of the particle itself. However, when cells in the human body bind with various substances or increase in physical stiffness due to aging, their elasticity decreases, and they become harder.
剛性が高くなった細胞は、同じ幅の通路でも通過するのにより長い時間がかかり、本実施形態による粒子の測定装置は、通過時間(波長の長さ)と剛性に影響を及ぼす要素との比例関係を用いて、細胞の特性を把握し、診断などの生物学的判断を行うことも可能である。 Cells with increased rigidity take longer to pass through a passage of the same width. The particle measuring device according to this embodiment utilizes the proportional relationship between the passage time (wavelength) and factors affecting rigidity to understand the characteristics of cells and enable biological judgments such as diagnosis.
例えば、糖化した血色素の影響で剛性が高くなった血液中の赤血球は、同じ幅の通路であっても、通過するのにより長い時間がかかり、本実施形態による粒子の測定装置は、通過時間と糖化血色素数値(HbA1C Level)との比例関係を用いて、個別赤血球の糖化の程度を判断することも可能である。 For example, red blood cells in blood that have become more rigid due to glycated hemoglobin take longer to pass through a passage of the same width. The particle measuring device according to this embodiment can determine the degree of glycation of individual red blood cells using the proportional relationship between the passage time and the glycated hemoglobin level (HbA1c Level).
また、図7と図8を参照すると、流体は、微細な電極のパターンで形成されているが、電極と電極との間隔dは、予め算出することができるため、波形の波長の長さbにより電極の通過速度を算出することも可能である。 Furthermore, referring to Figures 7 and 8, the fluid is formed by a pattern of fine electrodes. Since the distance d between electrodes can be calculated in advance, it is also possible to calculate the electrode passage velocity based on the wavelength b of the waveform.
以上、本実施形態による計測部130は、フィルタ138から出力された直流信号の特徴を用いて、粒子の個数を計数することができ、信号の大きさや長さを用いて、粒子固有の特性により粒子を区分することも可能である。 As described above, the measurement unit 130 according to this embodiment can count the number of particles using the characteristics of the DC signal output from the filter 138, and can also classify particles based on their unique characteristics using the magnitude and length of the signal.
以下、図9を参照して、本実施形態による粒子の測定方法について説明する。 The particle measurement method according to this embodiment will be described below with reference to Figure 9.
図9を参照すると、先に流体が通過する微細流路上に順に並べられた複数の電極と所定の電気的状態になるブリッジ回路に電圧を印加するために、優先して電気信号を交流信号に変換した後、前記変換された交流信号を増幅する。 Referring to Figure 9, in order to apply a voltage to a bridge circuit that has multiple electrodes arranged sequentially in a microchannel through which the fluid passes and is in a predetermined electrical state, the electrical signal is first converted to an AC signal, and then the converted AC signal is amplified.
次に、増幅した電気信号を正弦波のような形態に変形するために、予め決定されたオフセットに調整する(S200)。 Next, the amplified electrical signal is adjusted to a predetermined offset (S200) to transform it into a sinusoidal wave-like form.
以上の前処理された入力信号をブリッジ回路に印加する(S300)。 The pre-processed input signal is then applied to the bridge circuit (S300).
次に、微細流路を通過する流体中の粒子によるブリッジ回路の電気的状態の変化を出力される電気信号から計測する(S400)。具体的には、計測のために、ブリッジ回路から出力される出力信号の一部のうち粒子と溶液の特性の差による跳ねる信号のみを抽出し、増幅することができる。 Next, the change in the electrical state of the bridge circuit due to particles in the fluid passing through the microchannel is measured from the output electrical signal (S400). Specifically, for measurement purposes, only the bouncing signals resulting from the difference in properties between the particles and the solution can be extracted and amplified from a portion of the output signal from the bridge circuit.
増幅した出力信号内の特定の周波数信号を除去し、最終直流化することで、粒子が流路中に並べられた電極と電極との間に位置することにより発生する微細信号を検出し、検出した信号の発生回数で流体中の粒子を計数することができる。 By removing specific frequency signals from the amplified output signal and converting it to DC, it is possible to detect minute signals generated by the position of particles between electrodes arranged in the flow path, and count the particles in the fluid by the number of times these signals are detected.
また、位相変化した電気信号の大きさにより前記流体中の粒子の大きさを算出すると共に、電気信号の振幅により通過時間を算出することも可能である。 Furthermore, it is possible to calculate the size of the particles in the fluid based on the magnitude of the phase-shifted electrical signal, and to calculate the transit time based on the amplitude of the electrical signal.
以上、本発明によると、電気信号の変化を用いて、溶液中の微細な粒子を正確に測定することができる。 In summary, according to the present invention, it is possible to accurately measure fine particles in a solution using changes in electrical signals.
また、電気信号の変化の大きさと時間を用いて、微細粒子の性質をより正確に測定することができる。 Furthermore, by using the magnitude and time of changes in electrical signals, the properties of fine particles can be measured more accurately.
また、本発明は、簡単な回路構成により、比較的低い電圧でも、効率的に粒子の特性を測定することを可能にする。 Furthermore, this invention enables efficient measurement of particle characteristics even at relatively low voltages, using a simple circuit configuration.
粒子の糖化による粒子の物理的性質の変化を用いて、糖化の程度を容易に測定することができる。 The degree of glycation can be easily measured by using the changes in the physical properties of particles caused by glycation.
また、それぞれの個別粒子の硬度を微細な流路を通過する時間により算出することで、生化学的技法の測定装備と比較して、外部的、人的要因により安定的に糖化の程度を測定することができる。 Furthermore, by calculating the hardness of each individual particle based on the time it takes for them to pass through a fine channel, the degree of glycation can be measured stably, regardless of external and human factors, compared to measurement equipment using biochemical techniques.
また、本発明は、簡単な回路構成により、粒子の通過によって発生する微細な電気的変化を認識し、これにより、粒子の糖化の程度を測定できるようにする。 Furthermore, this invention enables the detection of minute electrical changes caused by the passage of particles using a simple circuit configuration, thereby allowing for the measurement of the degree of glycation of the particles.
また、本発明は、個人の基準値を用いて測定された粒子数値を補正することで、臨床的な診断に直接活用することができる。 Furthermore, this invention can be directly applied to clinical diagnosis by correcting particle values measured using individual reference values.
さらに、ここで説明する様々な実施形態は、例えば、ソフトウェア、ハードウェアまたはこれらの組み合わせを用いて、コンピュータまたはこれと類似する装置で読み取り可能な記録媒体内で実現することができる。 Furthermore, the various embodiments described herein can be implemented, for example, using software, hardware, or a combination thereof, within a recording medium readable by a computer or similar device.
ハードウェア的な実現によると、ここで説明される実施形態は、ASICs(application specific integrated circuits)、DSPs(digital signal processors)、DSPDs(digital signal processing devices)、PLDs(programmable logic devices)、FPGAs(field programmable gate arrays)、プロセッサ(processors)、制御装置(controllers)、マイクロコントローラ(micro-controllers)、マイクロプロセッサ(microprocessors)、その他の機能遂行のための電気的なユニットのうち少なくとも一つを用いて実現することができる。場合によっては、本明細書で説明される実施形態は、制御モジュール自体として実現することができる。 In terms of hardware implementation, the embodiments described herein can be implemented using at least one of the following: ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, and other electrical units for performing functions. In some cases, the embodiments described herein can be implemented as the control module itself.
ソフトウェア的な実現によると、本明細書で説明される手続きおよび機能のような実施形態は、別のソフトウェアモジュールで実現することができる。前記ソフトウェアモジュールのそれぞれは、本明細書で説明される一つ以上の機能および作動を行うことができる。適切なプログラム言語で書き込まれたソフトウェアアプリケーションでソフトウェアコードを実現することができる。前記ソフトウェアコードは、メモリーモジュールに格納され、制御モジュールによって実行することができる。 In software implementation, embodiments such as the procedures and functions described herein can be implemented in separate software modules. Each of these software modules can perform one or more of the functions and operations described herein. Software code can be implemented in a software application written in a suitable programming language. This software code can be stored in a memory module and executed by a control module.
以上の説明は、本発明の技術的思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で様々な修正、変形および置換が可能である。 The above description is merely illustrative of the technical concept of the present invention, and any person with ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications, alterations, and substitutions without departing from the essential characteristics of the present invention.
したがって、本発明に開示されている実施形態および添付の図面は、本発明の技術的思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであって、このような実施形態および添付の図面によって本発明の技術的思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、下記の特許請求の範囲によって解釈されなければならず、それと同等な範囲内にあるすべての技術的思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈すべきである。 Therefore, the embodiments and accompanying drawings disclosed herein are for illustrative purposes only, and not to limit the technical idea of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by such embodiments and accompanying drawings. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the following claims, and all technical ideas within an equivalent scope should be interpreted as being included within the scope of the rights of the present invention.
Claims (12)
流体が通過する微細流路上に順に並べられた複数の電極が形成されたチップと、
前記チップで間隔をあけて形成された複数の電極とブリッジ回路を構成するように、前記複数の電極と連結された回路要素、
を含む回路部であって、前記電源部から電圧を印加される回路部と、
前記微細流路を通過する流体中の粒子による前記ブリッジ回路の出力信号の変化を計測する計測部と、
を含み、
前記計測部は、順に並べられた前記複数の電極のうち、前記流体の通過の順を基準として順次に前記流体内の前記粒子が、第1電極と第2電極との間に位置する場合における前記出力信号の第1変化と、前記第2電極と第3電極との間に位置する場合における前記出力信号の第2変化とのペアにより、前記粒子の特性を計測する、
ことを特徴とする、溶液中の粒子の測定装置。 A power supply unit that applies voltage,
A chip in which multiple electrodes are formed in sequence on a microchannel through which a fluid passes,
Circuit elements connected to the multiple electrodes, such that a bridge circuit is formed with multiple electrodes formed at intervals on the chip,
A circuit section including a circuit section to which voltage is applied from the power supply section,
A measuring unit that measures changes in the output signal of the bridge circuit due to particles in the fluid passing through the microchannel ,
Includes ,
The measuring unit measures the characteristics of the particles by determining, based on the order in which the fluid passes through the plurality of electrodes arranged in sequence, the first change in the output signal when the particles are located between the first electrode and the second electrode , and the second change in the output signal when the particles are located between the second electrode and the third electrode.
A device for measuring particles in a solution, characterized by the following features.
前記計測部は、前記信号変換部によりオフセットに調整された電気信号の印加の後、前記ブリッジ回路で計測される出力信号で電気的状態の変化を計測することを特徴とする、請求項1に記載の溶液中の粒子の測定装置。 The system further includes a signal conversion unit that converts the electrical signal applied by the power supply unit into an AC signal, then amplifies the converted AC signal and adjusts it to a predetermined offset,
The apparatus for measuring particles in a solution according to claim 1, characterized in that the measuring unit measures the change in electrical state using the output signal measured by the bridge circuit after the application of an electrical signal adjusted to an offset by the signal conversion unit.
を含む回路部、に電圧を印加するステップと、
前記微細流路を通過する流体内の粒子による前記ブリッジ回路の出力信号の変化を計測するステップと、
を含み、
前記計測するステップは、順に並べられた前記複数の電極のうち、前記流体の通過の順を基準として順次に前記流体内の前記粒子が、第1電極と第2電極との間に位置する場合における前記出力信号の第1変化と、前記第2電極と第3電極との間に位置する場合における前記出力信号の第2変化とのペアにより、前記粒子の特性を計測する、
溶液中の粒子の測定方法。 A circuit element connected to a plurality of electrodes is formed to form a bridge circuit with a plurality of electrodes formed at intervals in a microchannel through which a fluid on the chip passes.
The steps include applying a voltage to the circuit section,
The steps include measuring the change in the output signal of the bridge circuit due to particles in the fluid passing through the microchannel ,
Includes ,
The measurement step involves measuring the characteristics of the particles by determining, based on the order in which the fluid passes through the plurality of electrodes arranged in sequence, the first change in the output signal when the particles are located between the first electrode and the second electrode , and the second change in the output signal when the particles are located between the second electrode and the third electrode.
A method for measuring particles in a solution.
前記位相変化の回数で前記流体内の粒子を計数することを特徴とする、請求項8に記載の溶液中の粒子の測定方法。 The measurement step involves detecting a phase change in the electrical signal caused by the position of the particles between the arranged electrodes.
The method for measuring particles in a solution according to claim 8, characterized in that the number of phase changes is used to count the particles in the fluid.
電気信号を交流信号に変換した後、前記変換した交流信号を増幅するステップと、
前記増幅した電気信号を予め決定されたオフセットに調整するステップと、
前記オフセットに調整するステップにおいてオフセットに調整された電気信号を、前記ブリッジ回路に印加するステップとを含むことを特徴とする、請求項8に記載の溶液中の粒子の測定方法。 The step of applying the aforementioned voltage is:
The steps include: converting an electrical signal into an AC signal, and then amplifying the converted AC signal;
The steps include adjusting the amplified electrical signal to a predetermined offset,
The method for measuring particles in a solution according to claim 8, characterized in that the step of adjusting to the offset includes the step of applying the offset-adjusted electrical signal to the bridge circuit.
前記ブリッジ回路から出力される出力信号間の差を算出し、差を増幅するステップと、
前記オフセットに調整するステップにおいてオフセットに調整された最初の電気信号を用いて、前記差が増幅した信号を乗算増幅するステップと、
前記乗算増幅した信号内の特定の周波数信号を除去して直流化するステップとを含むことを特徴とする、請求項11に記載の溶液中の粒子の測定方法。 The aforementioned measurement step is,
The steps include: calculating the difference between the output signals output from the aforementioned bridge circuit and amplifying the difference;
The step of adjusting to the offset involves multiplying and amplifying the signal amplified by the difference using the first electrical signal that has been adjusted to the offset,
The method for measuring particles in a solution according to claim 11, characterized by comprising the step of removing a specific frequency signal in the multiplied and amplified signal and converting it to DC.
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