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血细胞分析仪50年的发展历史和展望

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【转帖】血细胞分析仪50年的发展历史和展望

血细胞分析仪50年的发展历史和展望

中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院检验科张时民

1590 年荷兰人米德尔堡和詹森设计制造了最原始的显微镜(图1),1610 年伽利略使用望远镜观察小的物体并将其放大,后来被列文霍克改进成为原始的显微镜。1658 年意大利人马尔皮基应用最原始的显微镜首先观察到了红细胞,他是第一个见到红细胞的人,开始进行红细胞计数则是200 年后的事情了。而设计并生产出第一台血细胞计数仪则又过了近100 年。

自从发明了显微镜以后,人们从微观世界中了解和观察到了血液的组成,并根据他们的特点分别将它们称为红细胞和白细胞和血小板。在以后的研究中,人们发现许多疾病的发生和发展与血液中的细胞数量之间存在一定的关系。依据对疾病诊断的需求,人们开始寻求对血液中细胞的数量进行计数。1852 年就有人开始设计对红细胞的计数办法,1855 年发明了用于计数血细胞的计数板, 目前仍然使用的改良Neubauer 计数板就是应用最为广泛和持续时间最为长久的经典一种,虽然各种类型的血细胞计数仪已在广泛使用,但血细胞计数板法仍然是最为可靠和最为经典的计数技术,它不仅适用于血细胞计数, 还可用于其他细胞、动物血细胞、微小粒子及需要在显微镜下计数的各种样品,因此计数板仍然是检验工作者应该掌握的基本技能,是不应该忘记和放弃的手段。

随着对血细胞计数和分析需求的不断增加,对血细胞计数的方法进行改进,实现自动化、高速度、准确性、标准化和智能化的要求也越来越高,现代的血液细胞分析技术与50 年前的发明虽然有着本质上的相同或相似,但已经有了显著的飞跃。作者力图通过有限的资料对细胞计数和分析技术的发展进程进行回顾,并对最新的进展进行介绍和展望,期望对关注这一领域和从事血细胞分析工作的同行有所帮助。

一、血细胞计数仪的发展历史

谈到血细胞计数仪的发展史,在这个领域首开先河的人是1912 年出生在美国阿肯色州一个小城的人Wallance H. Coulter (图2a,b),他年青时对电子学非常感兴趣,最初是一位广播电台的电器工程师,后来做过X光机的销售员和维修工程师,在亚洲许多国家包括我国的上海工作过。1948 年他在芝加哥一家公司工作时,在一间地下室建立了自己的实验室,开始秘密的从事自己的实验,这项实验导致了一个重大的发明,他发现了微小粒子通过特殊的小孔时可产生电阻变化这一现象,并根 据这种电阻变化特点将其应用于微小粒子的粒度测量和计数上。科技界为表彰他的发明,将其称为库尔特原理(Coulter principle )。根据这个原理,Coulter 先生将其引入到血液细胞计数上,在1953 年获得美国发明专利,同年和他的兄弟约瑟夫(Joseph )开创了自己的公司,并成功的设计和制造出了可以计数血细胞的专用仪器,然后开始了在这一领域的商业运作。这种仪器看起来非常原始和简单,好象一个示波器另加一些管道、电极和瓶瓶罐罐( 图3) 。它的计数原理是根据血细胞的不良导电性和产生电阻抗原理来计数血液中的细胞,也就是电阻式血细胞计数原理,这种原理现在已经成为血细胞计数和分析中最为经典的原理。

最初的血细胞计数仪是一种单参数测定仪器,只能对血液中的红细胞和白细胞进行计数,并且需人工切换。最早生产的血球计数仪为Coulter A型,笔者曾经见到和使用过Coulter D型,那是一个黑色外壳的长方型仪器,它的前面有一些调节轮盘,右下方有一个可以升降的样品台,它通过U型水银管控制计数时间和计数容量,外侧安装有一个窥孔器(用于观察计数小孔是否有堵塞的放大镜),通过数码管显示结果,通过切换按键选择白细胞还是红细胞计数的简单仪器。1958 年以Coulter 命名的专门从事颗粒性测量和计数的仪器公司,库尔特电子(Coulter Electronics )公司成立。




1楼2005-05-19 20:01回复

    6、小孔管技术的改进:小孔管是血细胞分析仪进行计数的关键部件,早期的仪器一般仅有一个直径为100μ的小孔管,多使用宝石经过激光精确打孔,然后镶嵌再玻璃支撑物上。现在多数电阻法仪器的小孔管在白细胞检测上使用直径为100 μ的小孔管,在红细胞和血小板检测上使用直径为60~ 80μ的小孔管,材料有宝石和特殊陶瓷等构成。例如经典的COULTER 外置式小孔管,当发生堵孔时可用毛刷清理或直接拆下来清洗(图10)。早期的小孔管一般暴露在外边,其主要目的是便于人工清洗,多为单管方式,进行白细胞到红细胞计数转换时最好清洗一下。后来发展为红细胞和白细胞各自独立的两个暴露在外的小孔管(图11),一般20秒即可同时完成红细胞和白细胞的计数,需人工使用加样器或定量吸管从白细胞稀释悬液中进行红细胞的二次稀释或使用配套的稀释器。目前的仪器小孔一般采用内置式,减少了污染的机会并同时提供了自动清洗功能,使得每次计数后都能提供自动冲洗,减少了交叉污染的机会同时计数的速度也有了很大提高。 


    为了更加准确的对细胞计数和防止各种干扰发生,各公司在小孔管的改进和设计上使用了不同的处理方案。这些技术有力的保证细胞计数准确,特别是血小板计数的准确性。

    (1)扫流技术(Sweep Flow): 为减少已通过计数小孔后由于液流的回流而重新返回计数区造成重复计数,在小孔后面增加一个扫流液系统,将计数过的细胞通过扫流液冲进废液管道。(图12) 


    (2)防反流装置(Von Behrens): 为防止细胞返回到计数敏感区,在小孔后面加一个带孔的当板,用负压将已经计数过的细胞阻挡后直接收集到废液管道中。(图13) 

    (3)水动力聚焦技术(Hydrodinamic Focusing): 是目前认为最为有效的方法,也叫鞘流技术。它利用流体动力学原理,即可保证细胞位于鞘液中心并排成一列通过检测孔中心或通过激光束中心,又保证它不会返回敏感区,目前许多较为高级的血液分析仪一般采用此种技术(图14)。

                            7、其他用于保证计数精确性的技术:

    (1) 脉冲编辑功能(Pulse Edit): 可防止因细胞未从小孔中心通过而产生的脉冲改变并对其进行技术性修正,以得到准确细胞计数和体积测定结果。

    (2) 三次计数技术或多段计数技术(Voting):采用同时进行三次计数取平均值的做法或将总体计数时间分为多段进行统计,如果各段之间差异不大,可直接给出准确结果,如果差异稍大则进行提示或报警,如果差异明显则不给出结果,因而保证了计数结果的质量和准确。

    (3) 重叠校正技术(Coincidence Correction):通过仪器的逻辑电路和数学计算以及按照计算公式将重叠校正公式编入仪器的测定程序中,当出现两个细胞同时通过小孔的现象时,仪器就会很容易进行判断、运算处理后将结果校正过来。

    (4) 浮动界标技术(Floating Threshold):为保证血小板计数的准确,浮动界标将根据红细胞和血小板分布曲线的交界处寻找最低点,将此点作为红细胞和血小板计数的分界线,这样可以很好的处理过多小红细胞对血小板计数的干扰问题。

    (5)拟合曲线技术(Fitting Curve): Coulter 公司设计的血小板计数范围是2~20fl, 为排除噪音干扰和小红细胞干扰, 根据正常人血小板体积分布呈对数正态分布的理论, 通过电子曲线拟合将没有被计数的大血小板计算在内,得到既无噪音干扰又无小红细胞影响的准确血小板计数结果(图15)。

    (6) 延时计数计数(Extended Count):当细胞数少于特定值时,仪器自行重复计数,以保证获取更多的细胞数,以减少统计学误差得到更加正确的结果和直方图形。

    8.各种故障处理功能的进展: 任何一台血液分析仪都会有故障,而简单的故障处理方法和程序将给用户带来方便。

    (1) 堵孔的处理: 堵孔为最常见原因,在没有处理程序前, 人们是通过毛刷来清洗小孔的。后来仪器设置了自动排堵功能,通过负压或正压,使用清洗剂对小孔的内外进行强力冲洗来排除堵孔。后来发展为燃烧电路,对小孔局部增加高电压,使得堆积在小孔周围的蛋白质等杂质变质和灼烧,然后用清洗液冲洗干净。
    


    4楼2005-05-19 20:01
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      (2) 自动报警功能:仪器可在开机或运行期间对仪器本身的温度、压力、液流系统、试剂、电子系统、光路系统等各个需要控制的部件进行监控,一但超过标准或出现故障,仪器可以显示这个故障和记录这个故障,并在手册或软件中增加排除故障的方法介绍。

      (3)远程诊断系统:更加先进的设备可以通过Internet 网络和仪器生产厂家在网络上建立联系,可以将你的故障和问题直接传送到仪器厂家的技术支持部门,由他们在网上对仪器进行诊断,提供解决方案,甚至工程师可以通过网络遥控的方式直接排除故障。

      (4) 帮助方式:许多仪器设计了很多故障自动诊断和帮助方式。早期的仪器一般是将仪器可能出现的各种故障和解决方法用用户手册的方式提供,目前更先进的方法是仪器可自动提供诊断报警,用符号表达或用文字直接表达, 或按帮助键(help) 后自动列出并提供解决故障的参考方法。而BAYER ADVIA 120 型血液分析仪更将整个操作说明和故障诊断等各项帮助程序存入系统中,可以方便的使用检索方式或链接方式找到各项目的说明和帮助,甚至提供动画方式对原理和仪器维护进行演示,提供各种散点图的模式和介绍(图16)。

      9、质控程序的进展:血液分析仪需要进行日常质量控制,以监控其测定结果的准确性。早期的血液分析仪一般没有质控程序,是依靠人工记录质控数据,人工绘制质控图。90年代以来由于微机技术的发展,使得包括质控程序在内的许多功能得以在血细胞分析仪上实现。例如浮动均值质控法,自动将符合条件的每20个样本的MCV 、MCH、 MCHC 数值求出均值并储存,最后绘制为浮动均值质控图,如Sebia 的Hemalyser 3 型就有这个功能。近年来的许多仪器都增加了多种质控程序,例如ADVIA 120型血液分析仪(图17)和SYSMEX XE-2100 型血液分析仪, 可以将日常质控的多达20组的质控数据储存在机内,或传人相连的电脑处理,甚至通过网络直接发送到厂家的服务器,设备厂商可通过网络直接了解每台设备每天的质控情况,必要时对用户进行指导和对仪器进行校正和检修。

      10、仪器校正功能的进展:任何一台血细胞分析仪都需要校正。最早人们需要通过调整设定域值的轮盘(图18, 19), 找到域值曲线最为平坦的部位。随后改进为根据靶值和测定值人工计算出校正因子, 将校正因子输入仪器,也可以在现有的校正系数上增加或减少一定的百分比。现行的校正方法更为方便,可直接将靶值输入仪器,让仪器测定该校正品后自己计算出校正系数并保存,当然这种仪器也可以通过人工直接调整的方法进行校正。

      11、用户界面的改进:所谓用户界面就是仪器的使用方式、可操作的或可看见的显示界面和程序。最早的仪器几乎没有什么复杂功能,需要用机械按键的方式选择白细胞计数还是红细胞计数,没有打印和储存,在电子数码管内显示的结果需要手工记录下来(图20), 例如Coulter ZF 型。后来有了接触式按键和小型液晶显示屏以及小荧光屏显示,使得仪器在功能上和使用程序上有了一定的改观,可以选择不同的程序来操作仪器的各种功能和存储打印结果,如Medonic CA570 和CA610,Swelab AC920 等。现在更有一些仪器采用了触摸屏控制方式,使得仪器操作界面更加人性化和更加方便,减少了面板表面的各种控制按键和附加的专用键盘,如日本光电的MEK-6108 和MEK-6318,Coulter 公司的ACT-DIFF 系列仪器,都使用了触摸式荧光屏控制技术。

      现行的仪器则使用了更加先进的操作系统化物用户界面,对仪器的整个操作可以在电脑上进行,或者直接采用WINDOWS 的操作系统。仪器的用户界面更加复杂,功能也更加完善,例如Bayer Advia 120 型。许多仪器甚至提供中文操作菜单,非常方便国内用户使用, 或连接中文操作系统支持的电脑软件例如SYMEX KX-21 、日本光电MEK-6318 型等。

      12.仪器的打印方式:早期的仪器没有打印机,需人工记录简单的测定结果。当仪器的参数越来越多时,仪器开始配备打印机。有内嵌式打印机、外接式卡片式打印机(图21)和卷纸式打印机、电脑联网打印等许多方式,并可以选择多种打印格式,可将预设的参考值和提示字符以及提示语言同时打印。许多仪器多设有标准的RS-232 接口,可将测定结果的数据传到计算机中进行处理和打印。有的仪器本身可依靠自带的硬盘存储大量的数据和图形,如江西TECOM 的TEK-2000,3000 型,更多的仪器采用了匹配的电脑系统来存储患者大量的数据和图形。
      


      5楼2005-05-19 20:01
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        13、嗜酸细胞、嗜碱细胞提示或计数功能的加入: 嗜酸细胞和嗜碱细胞提示功能是在白细胞三分类的基础上,应用软件对图形分析后得到的参数,它一般来讲只具有提示含义,例如嗜酸细胞可能高于参考值等。这类仪器的代表产品有Coulter JT-IR 型。而能够对嗜酸细胞进行计数的Swelab AC920EO 系列则采用特殊试剂将嗜酸细胞保护起来,单独进行嗜酸细胞计数,这种方法应该是较早实现仪器对嗜酸细胞直接计数的方法之一,比提示性结果更加可靠。当五分类血液分析仪进入实验室, 单独具有嗜酸细胞计数功能的仪器才无开发的必要和市场需求。

        14、其他技术的应用: 多数现行的血细胞分析仪都有标准计算机接口,可与医院信息管理系统进行连接;使用软盘或大硬盘对数据和细胞分析图形进行储存和检索;使用条码技术对标本进行分类和处理;使用全自动进样装置实现全自动化;通过磁卡或条码技术对试剂进行管理;对血细胞分析项目进行有规律的组合和选择等。这些技术的应用给当代血细胞分析仪提供了更加方便的使用方式和良好的管理方式。现代的许多仪器还增加了包括对试剂的管理,试剂消耗、试剂有效期和温度的管理。

        15、红细胞分析技术:现行的血细胞分析仪一般可对白细胞进行分群或分类,但是对红细胞的体积大小和每个红细胞内血红蛋白含量的多少进行分析和分群则是更加特殊的技术。早在上世纪80 年代开始Technicon 公司采用激光分析技术制作的血液分析仪就可以做到这些,目前BAYER ADVIA 120 也是唯一可对红细胞的体积和色素含量进行分析的仪器。在测定过程中,仪器的高角度散射光可对每个红细胞内的血红蛋白含量进行测定,低角度散射光可对每个红细胞的体积大小进行测定,通过这两个参数组成的矩阵,可以得到红细胞的九分图,并可进一步得到每个分布区域内红细胞的数量和百分比。红细胞九分图能够更好的表达患者红细胞的体积和色素分布情况,对贫血的诊断和治疗有很大帮助。(图22,23)值得一 提的还有使用UFC 板技术的BAYER ADVIA 120 血液分析仪。该板采用集成的液流系统,将多种管道、电磁阀、反应池、电极等全部集成在一个塑料板内,形成仪器的心脏部件,所有试剂、标本、混合、反应都在板中进行,省去了大量管道和体积大的电磁阀和反应杯,所以样本流动和稀释过程都可从透明板中看到,是所有血液分析仪中唯一独创的技术。该集成液流反应板被称为UFC 板,主要在ADVIA 120 和2120 仪器上应用(图24)。

        15、应用其他原理的血细胞分析仪:除了我们常见的电阻式血细胞分析仪以外,还有某些特殊原理的仪器简要介绍如下。

        (1)激光法:应用单束激光照射到经过壳流技术处理的排列成一列的单个细胞上,根据细胞阻断激光束的频率以及PMT 收集到的激光折射信号,对细胞的数量、体积进行分析的仪器,以Sebia Hemalyser 3 为代表。目前采用激光法的高档血细胞分析仪开始逐渐升温,许多采用电阻法进行血细胞计数分析的仪器同时也添加了激光分析技术,如著名的VCS 技术就是典型代表。它除了可用于细胞计数外,还适用于对白细胞的分类、红细胞分析、血小板分析和网织红细胞分析等。

        (2)离心式血液分析仪:将血液充入到含义特殊试剂的毛细管内,在专用离心机上离心,根据血细胞中各种成份的比重不同而分布在不同的细胞层内的原理,血细胞被吖啶橙染色,各细胞层会有明显的颜色差异,然后将毛细管放在特殊的判读机上对不同的细胞层进行定 量分析,可得到红细胞、中性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞、血小板、血红蛋白等的参数。该仪器适合于携带, 并且不需要液体试剂,非常方便于外出使用, 适合于仅需要对红白细胞、血小板、血红蛋白以及中性粒细胞和淋巴细胞计数等常用参数的分析,这种仪器有B-D 公司生产的QBC 型。(图25、26) 

        (3)移动光学法:早期的光学法血细胞计数仪器, 采用普通光源,血细胞在移动过程中被检测到,不能分析细胞的大小和内部结结构,因此仅可进行红细胞和白细胞的计数,本文在开始部分就做了简易介绍的英国EEL 就是典型代表,现在已经停产。
        


        6楼2005-05-19 20:01
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          结束语:

          本文介绍了血细胞分析仪自发明以来半个世纪的进展情况,介绍了最新的血液细胞分析技术和方法。对于业内从事血液细胞分析工作的同行来说,大家可能更关心它的最新进展。由于资料繁多,且不可能在有限的篇幅内对各厂家和各类型的血细胞分析仪进行详细介绍,希望读者原谅并尽可能与仪器生产厂家取得联系。文中有不实及谬误之处请读者批评指正。

          目前血细胞分析仪越来越普遍的应用于各级医院的常规作中,但是并不是说所有的结果都是准确无误的,目前在血细胞形态学方面,无论是五分类还是更多的分类,甚至是具有专门幼稚细胞分析通道的仪器,仍然不能根本解决血液细胞形态学的问题,仍然不能完全以仪器分类结果彻底取代人工分类。此外仪器一些固有的产生误差的因素还没有彻底解决,某些影响仪器计数准确性的个别因素还存在,或某些仪器具有设计上的缺陷和应用上的局限性,因此无论是细胞计数还是多种参数的分析结果仍然会有问题发生。不要总是相信仪器,要认真对待每个实验样品和结果,分析判断这个结果,检验工作者要对仪器的性能,质量控制,局限性,常出现的故障,特别对三分群的直方图和五分类的散点图有深刻的了解,善于发现问题和解决问题。这一切都有待于通过人们在熟练掌握仪器的性能和不断提高的自己的知识水平上,通过扎实的的显微镜下对血细胞形态学认知的基本功来解决问题。

          由于笔者手头的图片和文字资料有限以及相关知识的不足,文章中难免有遗漏或错误,希望各位专家和有关人士提出补充和建议。

          作者及单位:张时民,副主任检验技师;北京协和医院检验科(100730) 

          E-Mail:zhshmin@sohu.com, zhshmin2003@yahoo.com 

          参考文献

          1. 丛玉隆,当代血液分析技术与临床,第一版,北京,人民卫生出版社,1997 年出版

          1.                    2. John A.koepke,MD, Automation in hematology: Cell analysis, Journal of Medical Techinology,1985.2(4) 

          2.                    3. Gulati GL, Hyun BH, Ashton JK: Hematology instruments for clinical laboratories, Lab Med 1984,15:395 

          3.                    4. Coulter WH: Means for counting particles suspended in a fluid. USP No.2656508 

          4.                    5. Tatsumi N,et al.: Princeple of blood cell counter development of electric impedance method.Sysmex J Int, 1999,9(1) 

          5.                    6. Gulati GL, Hyun BH, The automated CBC, Hemat/Onc Clin North Am, 1994,8(4) 

          6.                    7. Krause JR. The automated white blood cell differential. Hemat/Onc Clin North Am, 1994,8(4) 

          7.                 8. 其他参考资料:作者多年收集的各公司仪器介绍资料和技术资料。

          8.                    9. 各公司互联网站
          http://www.beckmancoulter.com
          http://www.bayerdiag.com
          http://www.sysmex.co.jp/en/
          http://www.abbott.com
          http://www.nihonkohden.com/
          http://www.swelab.com/
          http://www.abx.com/
          http://www.tecom-cn.com/
          http://www.clarkson.edu/coulter/index.php 和http://www.clarkson.edu/coulter/about.php

          此文章刊登于【临床检验及实验室设备】杂志 2004 年第4 期

          


          11楼2005-05-19 20:01
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            本帖本人转自http://www.labcn.com
            图片无法帖出,有兴趣的朋友可以到以上网站直接查看或下载本人提供的附件,附件内包括完整的图片。附件地址如下
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            http://iiyi.bbs.asiaec.com/bbs/viewthread.php?tid=35575&fpage=1


            12楼2005-05-19 20:04
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              相信楼主的说,非常支持你


              14楼2007-01-21 18:05
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                • 222.169.133.*
                感谢lz


                15楼2007-12-07 19:18
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                  • 123.113.230.*
                  谢谢楼主,你没贴上精彩的图


                  16楼2008-12-05 21:49
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                    • 124.234.35.*
                    谢谢 很好


                    17楼2009-04-18 04:42
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                      • 222.90.94.*
                      离心式血液分析仪:将血液充入到含义特殊试剂的毛细管内,在专用离心机上离心,根据血细胞中各种成份的比重不同而分布在不同的细胞层内的原理,血细胞被吖啶橙染色,各细胞层会有明显的颜色差异,然后将毛细管放在特殊的判读机上对不同的细胞层进行定 量分析,可得到红细胞、中性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞、血小板、血红蛋白等的参数。该仪器适合于携带, 并且不需要液体试剂,非常方便于外出使用, 适合于仅需要对红白细胞、血小板、血红蛋白以及中性粒细胞和淋巴细胞计数等常用参数的分析。
                      联系电话:13609122708


                      18楼2009-04-20 12:39
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                        • 58.242.64.*
                        谢谢楼主说的非常好


                        19楼2009-06-07 22:10
                        回复
                          • 58.18.115.*
                          我 家孩子九个月了这些化验是否正常wbc2.4*10/l  Lymph#0.8*10L  Mid#0.2*10/L  mid%9.8%


                          20楼2009-10-25 07:51
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