具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本申请方案为了解决在细胞数量和存活率检测时，能够快速准确地判断活体单细胞，提出了活体单细胞阻抗快速检测的方案构思；方案可以采用同步相敏检测技术，通过LIA(lock-in-amplifier，锁相放大器)混频锁相处理，可以从噪声中有效地提取微弱的待测细胞阻抗信号，通过对细胞阻抗信号做进一步调理，从而获得高信噪比的细胞阻抗检测信号，提高了信号的信噪比，有利于更准确快速地自动检测细胞数量和存活率。

基于上述理论基础，在第一方面，本申请提供了一种活体单细胞阻抗快速检测系统，系统主要包括以下功能模块：

两个微流泵，用于将包含有活细胞和死细胞的细胞溶液和高渗溶液，分别注入到微流控芯片的通道中；

信号发生器，用于提供正弦交流激励和参考信号；

微流控芯片，用于通过施加正弦交流激励，从包含有活细胞和死细胞的细胞悬液和高渗溶液的混合溶液中获取细胞阻抗变化；

细胞阻抗锁相检测模块，用于接收细胞阻抗变化信号，并将细胞阻抗变化信号通过I/V转化得到第一电压信号，将第一电压信号进行选频滤波得到第二电压信号；并将第二电压信号与参考信号进行锁相处理，得到被锁相处理的细胞阻抗信号；

数据采集卡，用于采集细胞阻抗信号，并通过LabVIEW软件将细胞阻抗信号形成TDMS格式的数据文件；

MATLAB处理模块，用于获取并存储数据文件，从数据文件确定活体单细胞的数量，确定细胞的存活率并进行可视化显示。

具体地，如图1所示，本实施例所提供的基于阻抗检测技术的单细胞快速检测系统，其细胞阻抗锁相检测装置通过ITO检测电极，检测到通过微流控芯片通道检测孔的细胞阻抗变化信号，细胞阻抗锁相检测装置测得并输出经锁相处理的细胞阻抗信号数据；再依据LabVIEW设置的数据采集条件通过数据采集卡(Data Acquisition，DAQ)采集数据并传给LabVIEW软件数据采集处理单元，显示并生成TDMS数据；再通过MATLAB数据处理终端获得LabVIEW软件数据采集处理单元生成的TDMS数据，并对数据进行后期小波降噪和寻峰处理，获得活体单细胞的数量，从而确定细胞的存活率。

在一些可行的实施例中，实施例所提供的单细胞快速检测系统中，如图2所示，细胞阻抗锁相检测模块包括前置放大器单元(TIA单元)、带通滤波放大单元、锁相放大器单元(LIA单元)、低通滤波单元以及放大器；

其中，模块中的前置放大器单元为跨阻放大器(trans-impedance amplifier，TIA)单元用于将连接微流控芯片通道检测孔的ITO(氧化铟锡)检测电极获得的细胞阻抗变化信号变为电压信号。锁相放大器(Lock-in Amplifier，LIA)单元与带通滤波放大单元相连；带通滤波放大单元获得从TIA单元输出的电压值，并对其进行选频放大，从而抑制中心频率以外的噪声，再输出至LIA单元。带通滤波放大单元与同步相敏检测锁相放大器(即LIA单元)相连，LIA单元之后连接低通滤波单元。锁相放大器单元基于同步相敏检测技术，用于将微弱的阻抗检测信号从噪声中分离出来，再将信号传给低通滤波单元。模块中低通滤波单元将锁相放大器提取的细胞阻抗检测信号做低通滤波，滤除高频成分，从而获得高信噪比的信号；最后，模块中的放大器单元将经锁相放大及低通滤波单元处理后的细胞阻抗检测信号做最后的放大输出。

可以理解的是，本实施例系统还可以设置电源供电单元，用于为系统各个单元提供匹配的电源供电。具体在实施例中，电源供电单元包括依次相连的电源充电模块、电源管理模块和LDO(low dropout regulator)电源输出模块。

基于第一方面中所提供的活体单细胞阻抗快速检测系统，在第二方面，如图3所示，本申请的技术方案还提供了一种活体单细胞阻抗快速检测方法，方法包括步骤S100-S400：

S100、施加正弦交流激励，通过氧化铟锡电极从包含有活细胞和死细胞的细胞悬液与高渗溶液的混合溶液中获取细胞阻抗变化信号；

具体地，实施例系统通过微流泵将含有活细胞和死细胞的细胞溶液与高渗溶液混合，由于活细胞在高渗溶液的作用下，会发生缩水，体积变小；而同时，死细胞因已失去活性，体积不发生改变。通过检测细胞的体积大小，可有效区分活细胞和死细胞的数量。并且，在实施例系统中微流控芯片通道上有检测孔，其两侧设置连接ITO(氧化铟锡)检测电极，细胞在经过电极间的检测孔时，电极间的阻抗发生变化。对检测电极施加一个正弦(f＝450kHz)交流激励而产生细胞阻抗变化的脉冲信号。系统通过ITO检测电极连接微流控芯片的通道检测孔两端，当细胞通过微流控芯片通道的检测孔时，通过射频接口传给细胞阻抗锁相检测模块。通过后续的处理步骤对检测电极之间的阻抗变化状况进行数据采集处理，从而确定活体单细胞的数量和细胞存活率。

S200、将细胞阻抗变化信号通过I/V转化(电流信号转换为电压信号)得到第一中间信号，将第一中间信号进行选频滤波得到第二中间信号；

具体地，实施例中的细胞阻抗锁相检测模块通过低噪声前置放大器将电流信号转换为电压信号，降低信号噪声，提高信号的信噪比，将经ITO检测电极检测到的，通过微流控芯片通道检测孔的细胞阻抗变化信号转换为电压值，即为第一中间信号；再通过带通滤波放大单元获得从TIA单元输出的细胞阻抗信号，并对其进行选频滤波放大，从而抑制中心频率以外的噪声，滤波去噪后的信号数据即第二中间信号，输出给LIA单元。

S300、将第二中间信号与参考信号进行锁相处理，得到被锁相处理的细胞阻抗信号；

具体地，由于细胞体积非常小，检测电路又极易受到周围环境的干扰，造成很大的噪声，甚至超过细胞本身的信号，很难有效分辨出真正细胞的信息。因此，实施例系统基于同步相敏检测技术的锁相放大处理细胞阻抗信号，可以从干扰极大的噪声中有效提取微弱的细胞阻抗检测信号。

实施例在步骤S200中获得细胞阻抗变化的脉冲信号数据，经过ITA转换成电压信号，通过带通滤波选频滤波放大，去除中心频率以外的噪声后；再经由锁相放大器与参考信号进行锁相放大处理，获得与穿过检测电极的细胞体积大小相关的电压脉冲直流分量。最后，通过放大器进一步放大信号，再将细胞阻抗信号输出给数据采集卡(DAQ)。

S400、根据细胞阻抗信号形成数据文件，根据数据文件获得活体单细胞的数量，确定细胞的存活率；

具体地，实施例系统中的数据处理模块可以包括LabVIEW软件数据采集处理单元和MATLAB数据处理终端。实施例系统依据LabVIEW设置的数据采集要求参数，细胞阻抗信号的数据通过DAQ采集并传给LabVIEW软件数据采集处理单元，获得细胞阻抗变化信号数据，并生成TDMS数据文件。MATLAB数据处理终端获得LabVIEW软件数据采集处理单元生成的TDMS数据文件，对细胞阻抗信号数据进行后期降噪寻峰等数据处理，获得活体单细胞的数量，从而确定细胞的存活率。

在一些可行的实施例中，将细胞阻抗变化信号通过I/V转化得到第一中间信号，将第一中间信号进行选频滤波得到第二中间信号这一步骤S200，其可以包括步骤S210、通过跨阻放大器将细胞阻抗变化信号转变为电压信号，得到第一中间信号。

具体地，实施例中，如图4所示，细胞阻抗锁相检测模块的前置放大器是采用低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)OPA656作为前置放大器，反馈电阻设为200kΩ；输入阻抗大，可降低信号噪声，提高信号的信噪比，并将经ITO检测电极检测到的并通过微流控芯片通道检测孔的细胞阻抗变化信号转换为电压值。OPA656芯片作为低噪声放大器，其采用FET输入功放，具有输入阻抗高，噪声低，且超低偏置电流等特点，提高微弱的输入信号的信噪比，将细胞阻抗输入信号转化为电压信号，很好地解决了微流控芯片输出阻抗高的负载效应问题。

在一些可行的实施例中，将细胞阻抗变化信号通过I/V转化得到电压值的第一中间信号，将第一中间信号进行选频滤波得到第二中间信号这一步骤S200，其还可以包括步骤S220、通过带通滤波器对第一中间信号进行选频滤波得到第二中间信号。

具体地，如图5所示，实施例细胞阻抗锁相检测模块中的带通滤波放大单元是以带通滤波放大器为主，对TIA过来的细胞阻抗信号进行选频放大，先通过带通滤波器抑制中心频率(450kHz)以外的噪声，再通过功放芯片LT1224将滤波后的信号放大驱动输出传给LIA单元。

在一些可选的实施例中，将第二中间信号与参考信号进行锁相放大处理，得到被锁相处理的细胞阻抗信号这一步骤S300，其可以包括步骤S310-S320；

S310、基于同步相敏检测，将第二中间信号与参考信号进行锁相放大，将第二中间信号锁定在参考频率范围；

S320、通过低通滤波滤除锁相处理后信号中的与参考信号不同频的信号分量，得到与参考信号同频的细胞阻抗信号。

实施例中LIA单元选用宽频带高精度模拟乘法器芯片MPY634，基于同步相敏检测技术，将微弱的细胞阻抗检测信号通过与参考信号混频，锁相放大，将待测信号从噪声中分离出来，再将检测信号传给低通滤波单元，低通滤波单元将LIA处理后的信号做低通滤波，从而获得高信噪比的细胞阻抗检测信号。

具体地，如图6所示，LIA单元是基于同步相敏检测技术的模拟乘法器作为混频器，将微弱的阻抗检测信号通过与参考信号在LIA进行乘法运算，通过信号发生器给LIA一个与待测信号同频(450kHz)的正弦信号作为参考信号，同时接入待测细胞阻抗信号。由于待测信号非常微弱，又极易受到外界噪声干扰，待测信号A sin(ω₁t+α)与参考信号B sin(ω₂t+β)根据正弦函数乘法公式：A sin(ω₁t+α)×B sin(ω₂t+β)＝1/2AB{cos[(ω₁-ω₂)t+(α-β)]-cos[(ω₁+ω₂)t+(α+β)]}，当频率相同时，也即是ω₁＝ω₂＝ω；则结果为1/2AB{cos(α-β)-cos[2ωt+(α+β)]}。锁相放大器后接低通滤波器，滤除掉cos[2ωt+(α+β)]部分，剩下与参考信号同频的1/2ABcos(α-β)直流部分，从而获得高信噪比的信号。

此外，实施例中放大器单元是一高增益反向放大器，反馈阻值为20kΩ，增益为20。将经锁相放大及低通滤波处理后的细胞阻抗检测信号做最后的放大处理后输出。

在一些可选的实施例中，根据细胞阻抗信号形成数据文件，根据数据文件获得活体单细胞的数量，确定细胞的存活率这一步骤S400，其可以进一步具体为：对数据文件中的细胞阻抗信号进行小波分析去噪和多尺度峰位检测，提取得到脉冲峰位，根据脉冲峰位的脉冲峰值确定单体活细胞的个数和细胞存活率。

具体地，如图7所示，实施例中数据采集卡(DAQ)采用USB-6361多功能I/O设备对细胞阻抗信号进行数据采集，用于接收细胞阻抗锁相检测装置检测到的细胞阻抗信号；LabVIEW软件单元可设置数据采集功能参数，根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少是待测频率的两倍。该DAQ数据采集卡的采样频率可达2MS/s，实际采样率取1.5～2MS/s。接线端配置并通过图像显示单元实时显示细胞阻抗检测数据，然后将检测数据转换成TDMS形式大容量数据；MATLAB数据处理终端包括TDMS数据读取，TDMS数据打开，对细胞阻抗检测数据进行小波分析去噪和多尺度峰位检测算法；MATLAB数据处理终端用于将LabVIEW采集的细胞阻抗检测信号的数据进行数据处理，小波去噪，并检出脉冲峰位，提取脉冲峰值，从而确定细胞的大小和个数，实现细胞检测及存活率的确定。

除此之外，实施例中，LabVIEW软件单元可设置数据采集功能参数，并通过图像显示单元实时显示细胞阻抗检测数据。

第三方面，本申请的技术方案还提供一种活体单细胞阻抗快速检测装置，其包括至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器运行如第一方面中的一种活体单细胞阻抗快速检测方法。

具体地，实施例装置包括细胞阻抗锁相检测装置、数据采集及LabVIEW软件数据采集处理单元和MATLAB数据处理终端；细胞阻抗锁相检测装置通过ITO检测电极，检测到通过微流控芯片通道检测孔的细胞阻抗变化信号，细胞阻抗锁相检测装置测得并输出经锁相处理的细胞阻抗信号数据；再依据LabVIEW设置的数据采集条件通过数据采集卡(DAQ)采集数据并传给LabVIEW软件数据采集处理单元，显示并生成TDMS数据；MATLAB数据处理终端获得LabVIEW软件数据采集处理单元生成的TDMS数据，并对数据进行后期小波降噪和寻峰处理。从而确定细胞的大小和个数，并实现活体单细胞检测及确定存活率等结果。

本发明实施例还提供了一种存储介质内存储程序，程序被处理器执行，实现如第一方面中的方法。

综上所述，从前述具体的实施例以及实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

(1)本申请的技术方案通过对高渗溶液作用下单细胞体积的改变导致细胞阻抗的变化，间接确认细胞溶液里活细胞和死细胞的个数，从而确定细胞的存活率等参数；

(2)本申请的技术方案采用单细胞阻抗锁相检测装置，结合同步相敏锁相检测技术，可以从噪声中检测所需的微弱的细胞阻抗信号，能够很大程度地提高细胞阻抗信号检测的准确度和高效性；

(3)本申请的技术方案基于锁相技术的单细胞活体阻抗快速检测系统，细胞阻抗锁相检测装置的前置放大器是采用TI公司的OPA656芯片作为低噪声放大器，其采用FET输入功放，具有输入阻抗高，噪声低，且超低偏置电流等特点，提高微弱的输入信号的信噪比，将细胞阻抗输入信号转化为电压信号，很好地解决了微流控芯片输出阻抗高的负载效应问题；

(4)本申请的技术方案采用的四象限模拟乘法器芯片MPY634，对待测的细胞阻抗信号与参考信号进行混频，锁相滤波后，将与参考信号同频的细胞阻抗信号分量转换为直流，通过后接的低通滤波器的低通滤波处理，滤除其它高频噪声。一般商用的锁相放大器设备价格昂贵，体积大。采用该乘法器芯片可以简化检测装置硬件设计，大大降低系统设计成本；

(5)本申请技术方案中LabVIEW数据采集系统根据采集功能参数采集到细胞阻抗信号数据，并存储为TDMS形式大容量数据文件。对于采样率高的情况，该存储形式可获得更长时间段大数据量数据资料，适合存储海量级数据，且高速、方便和易存取；

(6)本申请技术方案通过MATLAB软件对单细胞阻抗信号进行小波分析降噪和寻峰算法，有效区分信号和高频噪声，去除暂态信号和瞬态信号噪声，通过峰值的确定得出细胞的数量，从而确定单细胞数量和存活率并做进一步分析。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。