تجزیه و تحلیل دقیق هماتولوژی با استفاده از هیدروفوکوسینگ

آنالیز هماتولوژی یک مرحله مهم در تشخیص های پزشکی است که اغلب تعیین کننده درمانی است که بیمار دریافت خواهد کرد. از آنجایی که زندگی بیمار در خطر است، بسیار مهم است که این تجزیه و تحلیل ها تا بالاترین درجه ممکن دقیق باشند. محققان HORIBA Medical، تامین‌کننده تجهیزات تشخیص پزشکی در سراسر جهان، برای توسعه روش‌های جدید برای بهینه‌سازی دقت دستگاه‌های آنالیز هماتولوژی خود، به شبیه‌سازی روی آوردند. تکنیک به دست آمده در حال حاضر در برخی از تجهیزات پرفروش آنها استفاده می شود.

شبیه سازی بهینه سازی طراحی را فعال می کند

در مقیاس کوچک، استفاده از آزمایش فیزیکی برای بهبود عملکرد دستگاه تقریباً غیرممکن است، جایی که اندازه‌گیری‌های واقعی ممکن است بسیار گران یا دشوار باشد. شبیه سازی روشی مقرون به صرفه و کارآمد برای غلبه بر این چالش است، زیرا راهی برای اندازه گیری و بهینه سازی عملکرد دستگاه به جای اندازه گیری های واقعی در اختیار مهندسان قرار می دهد. با استفاده از COMSOL Multiphysics، Damien Isèbe، مهندس محاسبات علمی، پروژه‌ای را در HORIBA Medical برای تعیین اینکه چگونه دقت دستگاه‌های آنالیز هماتولوژی را می‌توان بهبود بخشید، رهبری کرد.

آنالیز هماتولوژی توضیح داده شد

چگونه اندازه و غلظت گلبول های قرمز (گلبول های قرمز)، گلبول های سفید (لکوسیت ها) و پلاکت ها را اندازه گیری کنیم؟ یکی از روش‌های شناخته شده برای تجزیه و تحلیل خون، که توسط بسیاری از آنالایزرهای HORIBA به کار می‌رود، از ترکیبی از اندازه‌گیری نوری و امپدانس الکتریکی برای شمارش و اندازه سلول‌ها هنگام عبور از سیستم الکترود میکرو دیافراگم استفاده می‌کند (نشان داده شده در زیر).

شماتیک یک سیستم الکترود میکرو دیافراگم.

فرآیند تمام اتوماتیک با قرار دادن نمونه خون در یک محفظه تجزیه و تحلیل آغاز می شود، جایی که از طریق یک کانال هیدرولیک حرکت می کند و با معرف ها رقیق می شود. سپس نمونه به یک محفظه شمارش و اندازه گیری ساخته شده از یک ریز دیافراگم که بین دو الکترود پلاریزه قرار گرفته است فرستاده می شود. شمارش و اندازه گیری زمانی اتفاق می افتد که ذرات از ریز دیافراگم عبور می کنند و باعث افت ولتاژ میدان الکتریکی تولید شده توسط الکترودها می شوند. سپس این اختلاف ولتاژ را می توان اندازه گیری کرد و برای تعیین اندازه ذرات با اختلاف ولتاژ بیشتر مربوط به یک مولکول بزرگتر استفاده کرد.

فرآیند آنالیز هماتولوژی

بهبود دقت آنالیز هماتولوژی

بسیاری از فعل و انفعالات فیزیکی پیچیده در داخل چنین دستگاهی رخ می دهد که می تواند بر دقت آن تأثیر بگذارد. برای مثال، اثرات لبه – وجود گرادیان الکتریکی قوی‌تر در نزدیکی لبه‌های میدان الکتریکی نسبت به مرکز – می‌تواند اندازه پالس الکتریکی تولید شده توسط مولکول‌ها را مخدوش کند و در نتیجه اندازه یک ذره بیش از حد برآورد شود. این زمانی اتفاق می افتد که ذرات از میکرو دیافراگم در موقعیت های مختلف عبور می کنند. میدان‌های الکتریکی متفاوتی که ذرات در دو مسیر متفاوت تجربه می‌کنند در زیر مشاهده می‌شوند:

تجسم میدان های الکتریکی مختلف دو ذره با مسیرهای مختلف.

جهت گیری یک ذره از طریق دیافراگم نیز می تواند منجر به خوانش نادرست شود. توزیع میدان الکتریکی از طریق دیافراگم بسته به جهت متفاوت است، که می تواند دوباره به تخمین بیش از حد اندازه ذره منجر شود. این در تصویر زیر نشان داده شده است، جایی که تغییر ولتاژ حاصل برای ذره ای که هم به صورت افقی و هم عمودی از میدان الکتریکی عبور می کند اندازه گیری می شود.

نموداری که توزیع میدان الکتریکی را از طریق دیافراگم نشان می دهد.

Hydrofocusing دقت دستگاه را بهبود می بخشد

با استفاده از COMSOL Multiphysics، Isèbe راه‌هایی را برای بهبود دقت دستگاه بررسی کرد. از شبیه‌سازی عددی برای ایجاد یک مدل چندفیزیکی استفاده شد که پالس‌های الکتریکی حاصل از اندازه‌گیری امپدانس و همچنین تحلیل جریان سیال ذرات را تجزیه و تحلیل می‌کرد. فرضیه Isèbe این بود که تمرکز هیدرودینامیکی را می توان با استفاده از شبیه سازی عددی بهبود بخشید.

در مقاله « بهینه‌سازی تجزیه و تحلیل هماتولوژی: وقتی نمونه‌های اولیه فیزیکی شکست می‌خورند، شبیه‌سازی پاسخ‌ها را ارائه می‌دهد » از COMSOL News 2014 ، Isèbe نحوه عملکرد این روش را توضیح می‌دهد. او می‌گوید: «فوکوس هیدرودینامیکی از جریان غلاف برای کنترل نرخ نمونه در داخل دیافراگم و هدایت جریان نمونه در امتداد محور مرکزی دیافراگم استفاده می‌کند.» این مانع از تغییر نتایج لبه‌ها می‌شود و به تراز کردن ذرات با جهت یکسان کمک می‌کند.

برای مشاهده شبیه سازی جریان غلاف، ویدئوی زیر را تماشا کنید:

شبیه‌سازی تمرکز هیدرودینامیکی نشان می‌دهد که چگونه جریان غلاف برای هدایت نمونه در امتداد محور مرکزی دیافراگم الکترود استفاده می‌شود (جریان نمونه به رنگ قرمز و جریان غلاف به رنگ آبی ).

Isèbe از شبیه‌سازی‌ها برای محاسبه میدان سرعت و شتاب ذرات درون دستگاه استفاده کرد و تعیین کرد که کدام پیکربندی دقیق‌ترین نتایج را ایجاد می‌کند. سپس آنالیزها با نتایج تجربی مقایسه شدند، جایی که نشان داده شد که دستگاه هیدروفوکوس تقریباً دو برابر دستگاه غیر هیدروفوکوس متمرکز است.

این فناوری در حال حاضر در سری ABX Pentra، یکی از دقیق‌ترین آنالایزرهای هماتولوژی تمام اتوماتیک موجود در بازار، استفاده می‌شود. همانطور که Isèbe در مقاله نتیجه می گیرد، “با استفاده از شبیه سازی، من توانستم این تکنیک را به منظور بهبود آنالیز هماتولوژی در تجهیزات تشخیصی در HORIBA بهینه کنم.” او ادامه می‌دهد: «با توجه به پیشرفت‌ها در تجزیه و تحلیل محاسباتی و قابلیت‌های ابر محاسباتی، شبیه‌سازی عددی به ستون سوم علم در کنار تئوری و آزمایش تبدیل شده است… این یک ابزار حیاتی برای تحقیق و توسعه در HORIBA Medical است و یک منبع کلیدی مورد استفاده است. برای تصمیم گیری در نوآوری های تکنولوژیکی.

در آزمایشگاه: دیدیه کرمین و دیمین ایزبه از HORIBA Medical.
سمت چپ: دیدیه کرمین، مدیر پروژه مکانیک. سمت راست: Damien Isèbe، مهندس محاسبات علمی.