Background :
In 1980, it was discovered that deformability and aggregation of red blood cells (RBCs) are decisive factors of blood viscosity. Since then, many studies have reported that increase of blood viscosity has been found in most of the patients who have blood vessel diseases such as diabetes, stroke, myocardial infarction or malaria. In hemorheology, method applying chemical experiments, image processing, flow cytometry with capillary, and electrical measurement with microchannel device have been studied for measuring RBCs deformability. In such studies, the main issues are accuracy and throughput, as well as simplicity of measuring method.
Methods :
Microchamber with electrode pair is designed for measuring the impedance every single RBC. Measurement is done by dropping the blood and combining the device with PDMS block and jig, which is very simple when compared with those of the other conventional methods. Impedance of normal RBCs and RBCs fixed in glutaraldehyde (GA) is measured using LCR meter (E4980A, Agilent) at the frequency between 200 HZ and 2 MHz. Opacity is the ratio of the impedance at two different frequencies. It is obtained to identify the deformability of the RBCs. The opacity value increases as the deformability of RBCs decreases. Applicable integrated circuit (IC) system is designed using CMOS technology.
Results :
The microchamber needs no more than 5 ul of blood sample. The opacity of RBCs appears to reach maximum at the frequency of 200 KHz and 2 MHz. And its value ranges from 0.3 to 0.75. The IC system can analyze single RBC in less than 100 us. In other words, its throughput is larger than 10,000 per second. Counted numbers of chambers with different cell conditions are the output from the IC. Opacity measurable frequency for the IC ranges from 200 KHz to 20 MHz.
Conclusion :
This thesis presents 1) the microchamber design to analyze electrical characteristic of individual RBCs, and 2) the electrical system using CMOS IC design to detect deformability. By measuring impedance at two different frequencies, the system processes the opacity and outputs the counted numbers of chambers with different cell conditions. The throughput is higher than 10,000 per second. The proposed CMOS IC system, fused with microchamber, can be applied to a variety of applications and would contribute to further implementation of System on a Chip (SoC) capable of RBCs deformability measurement.
배경 :
1980년에 적혈구의 변형성과 응집능이 혈액의 점도에 결정적인 요인임이 발견되었다. 이어 당뇨병, 뇌졸중, 심근경색, 말라리아 등 대부분의 혈관질환자에서 혈액 점도의 증가가 발견된다는 연구결과들이 보고되었다. 혈액유변학에서 적혈구 변형성 측정을 위해 화학적 실험, 이미지 분석, 유동 세포 분석법, 전기적 측정 방법 등이 연구되었다. 이러한 연구에서 중요한 이슈는 정확도, 처리량, 측정방법의 단순함이다.
방법 :
전극 쌍을 가지고 있는 마이크로 챔버 디바이스는 단 하나의 cell을 측정할 수 있도록 제작되었다. 측정 방법은 혈액을 떨어뜨리고 PDMS 블록을 덮는 방식으로 아주 간단하다. 이 디바이스와 LCR Meter를 이용해 RBCs, GA로 하드닝 한 rigidified RBCs을 200 Hz에서 2MHz 까지의 주파수 범위에서 임피던스를 측정했다. cell의 임피던스는 주파수가 높아질수록 작아진다. 작아지는 정도는 cell의 특성에 따라 달라진다. 측정을 통해 200 KHz와 2 MHz에서 cell의 임피던스 크기의 비(opacity)가 cell의 상태에 따라 가장 큰 차이가 있음을 알아냈다. 이 feasibility test를 통해서 CMOS 기반의 Integrated Circuit (IC) 시스템을 디자인했다.
결과 :
측정을 위한 혈액은 5 ul 이하이다. RBCs, GA로 하드닝 한 rigidified RBCs를 구분하여 각 상태에 따른 cell의 개수를 결과 값으로 출력한다. 적혈구의 변형성이 작을수록 더 큰 opacity를 가진다. 한 개의 cell을 측정하는 데 100 us 이하의 시간이 걸린다. 다시 말하면, 이 시스템은 초당 10,000 이상의 throughput을 갖는다. 최종적으로 각 상태에 따른 챔버 숫자를 출력한다. 측정할 수 있는 주파수 범위는 200 KHz에서 20 MHz 이다. 개별적으로 주파수를 선택해서 opacity를 얻을 수 있다.
결론 :
이 연구에서는 마이크로 챔버를 이용하여 CMOS IC를 임피던스 분석법을 통해 적혈구의 변형성을 측정할 수 있는 system을 디자인했다. 기존의 방식과 다르게 static 한 상태에서 측정을 한다. 초당 10,000 이상의 높은 throughput을 가진다. 측정 방식도 간단하다. 이 연구는 적혈구 경화도 측정을 위한 System on a Chip(SoC)을 구현하는 데 기여할 것이다.
