CN101776613B - 基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测方法及装置。该装置透明的细胞培养盒位于细胞培养箱内，物镜位于透明的细胞培养盒前端，光纤传像束前端与物镜连接，后端设有目镜，光纤传像束还与位移微调装置连接；CCD摄像机位于镜后端，与第二无线收发模块连接；计算机与第一无线收发模块连接，第一无线收发模块与第二无线收发模块信号连接。本发明能够方便灵活的对培养箱内的细胞进行观测，不需要将活细胞取出培养箱采用终点法进行观测，而是能够在培养箱内进行实时观测，为细胞培养的观察和分析提供了方便快捷的方法，同时通过该装置可以实现对整个细胞培养过程的全程观测，大大提高了整个细胞培养的效率和质量。

Description

基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种细胞观测方法与装置，特别是涉及基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测方法与装置。

背景技术

由于目前细胞培养都必须放在培养箱里面进行培养，这给细胞的实时观察带来不便。但细胞培养是许多生物医学实验中的关键一环，细胞培养的质量将影响后续实验的进展。随着生物医学研究的发展和需要，人们对细胞培养的实时观察具有越来越强烈的要求，因为细胞的实时观察对生物医学研究的意义越来越重要。

现有的培养箱内细胞观测都是将被培养的细胞挪出培养箱，再拿到显微镜下对细胞的培养状态进行观察的。这种对培养细胞进行观测的终点法往往会使被观察细胞遭受污染，甚至于使细胞死亡，而给后续的生物医学实验造成了很大的不方便。

光纤传像束是将许多一定长度的光导纤维集合成束，两端纤维按一一对应关系紧密排列，经固化磨抛后而成；是一种可任意弯曲的传输图像的无源器件。通过光学物镜把目标成像于传像束的端面上，该端面上的图像可以看作是由许多亮度不等的像元所组成。它与传统的光学成像器件相比，具有柔软、重量轻、自由度大、易实现复杂空间图像传递等特点，打破了传统光学系统必须成直线或空间折线的布局。传像束光纤被广泛地应用于医学、工业检测，及科研、航天、军事等多种场合中。

中国实用新型专利200620164915.7公开了凝视型高分辨率三维成像探测器，用激光作为照明光源、用光纤传像束对三维图像进行传送。但是由于基于激光(相干光)的干涉光学的探测原理以及不能做(像显微镜那样)微小的移动，该探测器并不适合于细胞形态的观察。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于光纤图像传输的培养箱内实时观测装置，实现对培养箱内细胞进行实时观测，以满足生物医学实验中对细胞进行实时观测的需求。

发明人通过探索性研究发现，通过位移微调装置调节物镜与培养细胞的焦距，以及在传像束前头配置具有防水防雾的匹配透镜之后，将细胞图像耦合进传像束中，经由传像束把图像传送到培养箱外面，可以得到高保真的细胞培养图像，这些图像和将细胞挪出培养箱后，在显微镜上所观察到的效果是一致的。基于这种研究，并结合无线电子技术，可将采集到的实时图像传送到实验室附近的任何一台电脑上，使得任何连接网络的计算机都可以观看到被培养细胞的形态，这给实验的实时观察提供了非常大的方便。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测装置，包括物镜、位移微调装置、光纤传像束、目镜、CCD摄像机、光源扩束镜、传光束、计算机、第一无线收发模块、光源、第二无线收发模块、透明的细胞培养盒和细胞培养箱；透明的细胞培养盒位于细胞培养箱内，物镜位于透明的细胞培养盒前端，光纤传像束前端与物镜连接，后端设有目镜，光纤传像束还与位移微调装置连接；CCD摄像机位于目镜后端，与第二无线收发模块连接；计算机与第一无线收发模块连接，第一无线收发模块与第二无线收发模块信号连接；传光束前端设有光源扩束镜，后端设有光源，光源扩束镜安装在细胞培养箱上，为透明的细胞培养盒提供照明；

所述位移微调装置包括小齿轮、大齿轮、传动螺杆、滑块、导轨、固定夹具和传像束固定孔；所述小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与传动螺杆固接；两导轨与传动螺杆平行设置，滑块通过两个光滑的圆孔连接在两条圆形的导轨和传动螺杆上，传动螺杆上设有螺纹，滑块设有与传动螺杆螺纹连接的通孔，使滑块随传动螺杆转动而移动；光纤传像束位于固定夹具上的圆孔内，固定夹具与滑块连接。

为进一步实现本发明目的，所述大齿轮轮齿数是小齿轮的10倍或以上。

传动螺杆上螺纹的螺距优选为1mm。

所述光纤传像束的前端设有具有防水防雾功能的透镜。

所述光源为光纤冷光源A-1501或光纤冷光源NSEB-50/100。

一种基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测方法，包括如下步骤：

(1)将培养细胞放置在培养箱里面；

(2)光源的光通过传光束和光源扩束镜传送到细胞培养箱内；光源的强度可调，以适用于各种细胞培养对光强的要求；

(3)通过位移微调装置实现焦距的调节，以使目标能被清晰的观察到；进一步调节位移微调装置使得细胞图像能够经由传像束前端的物镜耦合进传像束；

(4)通过光纤传像束，将细胞培养盒的图像传送到细胞培养箱外，并通过目镜清晰观察细胞形态；在光纤传像束的另外一端，用CCD摄像机接收传像束传送过来的图像；

(5)经CCD摄像机的DSP处理器对图像进行采集、存储和压缩之后，由第二无线收发模块发射到第一无线收发模块上，再传送到计算机上，以备实时观测、存储或图像处理；

(6)计算机通过图像处理，还原图像，对细胞的培养状态进行分析。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明通过将传统内窥镜的传像系统、传光系统与显微镜位移微调装置进行有机的结合，从而实现对微小物体(细胞)的有效观察，进而实现对培养箱里细胞的生长形态进行实时的观测与记录，为细胞培养过程及其分析需要提供了非常方便的途径，也为其后续的生物医学实验提供了较好的基础和保证。具有视场宽、图像高保真的特点，可以满足对细胞实时观察的需要。本发明应用范围广，可应用于生物医学等细胞培养方面，也可以用于其他不能放置显微镜但又需要对物体进行细致实时观察的场合。

附图说明

图1是基于光纤图像传输的培养箱内实时观测装置原理图。

图2是位移微调装置侧视结构投影图。

图3是位移微调装置正视结构投影图。

图4是滑块正视结构投影图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1所示，基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测装置包括物镜1、位移微调装置2、光纤传像束3、目镜4、CCD摄像机5、光源扩束镜6、传光束7、计算机8、第一无线收发模块9、光源10、第二无线收发模块11、透明的细胞培养盒12和细胞培养箱13；透明的细胞培养盒12位于细胞培养箱13内，物镜1位于透明的细胞培养盒12前端，光纤传像束3前端与物镜1连接，后端设有目镜4，使得光纤传像束传送过来的图像能够被观察或采集下来。目镜4和光纤传像束3耦合成一个整体。光纤传像束3还与位移微调装置2连接；CCD摄像机5位于镜4后端，与第二无线收发模块11连接；计算机8与第一无线收发模块9连接，第一无线收发模块9与第二无线收发模块11信号连接；传光束7前端设有光源扩束镜6，后端设有光源10，光源扩束镜6安装在细胞培养箱13上，为透明的细胞培养盒12提供照明。

如图2、3、4所示：位移微调装置2包括小齿轮21、大齿轮22、传动螺杆23、滑块24、导轨25、固定夹具26和传像束固定孔27。其中，小齿轮21与大齿轮22啮合，大齿轮22与传动螺杆23固接；大齿轮22轮齿数是小齿轮21的10倍或以上，即小齿轮21每旋转10圈，大齿轮22才旋转一圈。两导轨25与传动螺杆23平行设置，滑块24通过两个光滑的圆孔连接在两条圆形的导轨25和传动螺杆23上，传动螺杆23上设有螺纹，螺距优选为1mm；滑块24设有与传动螺杆23螺纹连接的通孔，使滑块24随传动螺杆23转动而移动；或者是滑块24中心设有孔，与传动螺杆23螺纹连接的螺母焊接在该孔中。光纤传像束3位于固定夹具26上的圆孔27内，圆孔27圆周设有多个螺纹孔，可通过螺钉固定光纤传像束3；固定夹具26与滑块24通过螺钉连接，成为了一个可拆卸体。小齿轮21带动大齿轮22转动，大齿轮22带动螺杆23转动，滑块24将带着传像束沿着导轨25前后移动。滑动模块23在导轨25上进行平稳的滑动；传像束和目镜所组成的整体也都随着滑动模块平稳的滑动，从而可实现物距的粗细调节。其中轨道的主要作用是保证滑动模块在移动时的稳定性和方向。

位移微调装置2设置在物镜一端，以使物镜能够在转动传动螺杆时实现平稳的收缩，从而实现物距的可靠性粗细调节。目镜1和光纤传像束3耦合成一体，物镜的移动带动传像束的同时性等距离移动。滑块24移动的目的就是为了调节目镜1与透明的细胞培养盒12之间有合适的距离(即物距)，也即实现物距的调节，从而使得被观察细胞所成的像能够清晰地在目镜一端被观察到。真核细胞直径一般在10至100微米之间，因此要使细胞能够被10倍以上放大倍数的镜头观察到，还必须有合适的物距，才能使细胞在物镜的另外一侧呈现清晰的实像，若没有通过位移微调装置来实现物距的精确调准，即使实验中所使用的物镜和目镜达到所要求的光学倍数，也很难观察到清晰的细胞图像。

光纤传像束3的前端优选具有防水防雾功能的透镜，该透镜与物镜1中较靠近传像束一端的另一透镜匹配，以保证被观察物体的图像总能清晰的被送入传像束。该匹配是指能够保证通过透镜与物镜1的光的正常传输，使得图像清晰、不失真。

由于培养箱一般都是暗的(当然，现在也有可提供照明的培养箱)，光源10选用光纤冷光源A-1501或光纤冷光源NSEB-50/100等光纤冷光源，为细胞观察时提供照明。光源10通过传光束7将光传送到培养箱里面，实现观测；光源10有选用对光的亮度进行实时调控的光源。若考虑降低光源的热效应，优选采用蓝色光作为光源。光源10可根据实际需要而进行自由的装卸。

光源扩束镜6和传光束7是耦合成一体，传光束7是可以自由活动的，并不局限于只放在传像束的下端，使用时通过更换不同的传光束及其耦合的不同的扩束镜，可以用于不同的照明需要；扩束镜是用于将照明光源的光束扩大，使得明亮的视场比较大；光源扩束镜6可为环形形状，这样的照明装置具有医院使用的无影灯的效果。光源扩束镜6的前端的照明方式可以是环形，或同心圆等形状，便于覆盖整个培养盒12。一般的光源本身已经配备了传光束和光源扩束镜。若选用环形状的光源，则可以将圆形的细胞培养盒包围起来，从而成了细胞培养盒的无影灯照明光源。

CCD摄像机5选用佳能SX200IS型摄像机，该摄像机具有12倍光学变焦和近距拍摄功能，实验时将摄像机安装在目镜外侧，选择近距拍摄功能，在距目镜10cm距离左右即可采集到传像束传送过来的图像。用于将目镜里面呈现的图像采集下来，CCD摄像机5与第二无线收发模块11信号连接；用于图像存储和处理的计算机8与第一无线收发模块9信号连接。第二无线收发模块11与第一无线收发模块9之间进行无线通信。第二无线收发模块11与第一无线收发模块9都包括处理器和射频模块，处理器选用msp430型处理器，射频模块选用TR-1001型射频模块。

透明的细胞培养盒12平放在细胞培养箱13内。细胞培养盒是一个有盖子可以密封的、圆形塑料盒，也可以用透明玻璃和石英做成的透明盒子，形状也可以是圆形的，或者其他的形状。细胞培养箱13选用IB200W型或IB174A型精密培养箱，这些培养箱的温度均匀性为0.25摄氏度，温度精确宽为0.1摄氏度，从而可以为细胞培养提供一个恒温的环境。细胞培养箱是生物医学实验中常用的实验设备，生物医学实验时所需要的细胞一般都是在培养箱里面进行培养的。培养箱具有精确的温度控制，甚至兼有湿度控制，从而使得其内部环境温度的变化一般在0.5摄氏度以内，更精确的则在0.1摄氏度以内。

用于图像存储和处理的计算机8涉及的图像处理包括：去除传像束中由于断丝等原因而出现的黑点；图像处理软件对细胞的活动状态进行了分析和判断，如细胞的成长状态的分析判断、细胞成长与时间的关系曲线等，并在一些被认为较重要的关键状态处，软件会发出警告信号，以提醒实验人员对培养箱里面的细胞进行关注。

在物镜和目镜放大倍数足够大的前提下，微微的调节位移微调装置，使得物镜将培养箱里的细胞图像缩小成光斑后耦合进传像束，经由传像束传送到培养箱外的目镜上，直到通过目镜可以清晰的看到细胞的形态为止。然后通过CCD或者摄像机将目镜中所成的细胞实像进行实时的光电转换，从而实现对细胞的培养状态进行了实时观察和实时记录或保存。可将摄像机所获取的图像经由第二无线收发模块11，将图像信号发送到较远处(如另外一间实验室里面)的第一无线收发模块9上，最后将所接收到的细胞活动图像存储到计算机上并做相应的图像处理。

基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测方法包括如下步骤：

(1)将培养细胞放置在培养箱里面；

(2)光源10的光通过传光束7和光源扩束镜6传送到细胞培养箱13内；光源10的强度可调，以适用于各种细胞培养对光强的要求。

(3)通过位移微调装置2实现焦距的调节，以使目标能被清晰的观察到；进一步调节位移微调装置2使得细胞图像能够经由传像束前端的物镜耦合进传像束；

(4)通过光纤传像束3，将细胞培养盒12的图像传送到细胞培养箱13外，并通过目镜4可清晰观察到细胞形态；在光纤传像束3的另外一端，用CCD摄像机5接收传像束传送过来的图像；

(5)经CCD摄像机5的DSP处理器对图像进行采集和存储之后，由第二无线收发模块11发射到第一无线收发模块9上，再传送到计算机8上，以备实时观测、存储或图像处理；

(6)计算机8通过图像处理，还原图像的真实性，对细胞的培养状态进行分析，并对某些关键阶段进行提示，使得工作在电脑旁边的工作人员能够及时地在特定的时间点上观察、分析细胞的状态

本发明能够方便灵活的对培养箱内的细胞进行实时观测，不需要将活细胞取出培养箱采用终点法进行观测，为细胞培养的观察和分析提供了方便快捷的方法，同时通过该装置可以实现对整个细胞培养过程的全程观测，大大提高了整个细胞培养的效率和质量，为后续的生物医学实验打下良好的基础。同时，采用本装置可以实现对细胞培养状态的远程观察，即实验人员无须进到实验室取样之后才能观察到被培养细胞的状态，而是可在任意一台连接网络的电脑上观察到被培养细胞的状态，这将给实验人员带来非常多的便利。

Claims (6)

1.一种基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测装置，其特征在于，包括物镜、位移微调装置、光纤传像束、目镜、CCD摄像机、光源扩束镜、传光束、计算机、第一无线收发模块、光源、第二无线收发模块、透明的细胞培养盒和细胞培养箱；透明的细胞培养盒位于细胞培养箱内，物镜位于透明的细胞培养盒前端，光纤传像束前端与物镜连接，后端设有目镜，光纤传像束还与位移微调装置连接；CCD摄像机位于目镜后端，与第二无线收发模块连接；计算机与第一无线收发模块连接，第一无线收发模块与第二无线收发模块信号连接；传光束前端设有光源扩束镜，后端设有光源，光源扩束镜安装在细胞培养箱上，为透明的细胞培养盒提供照明；

所述位移微调装置包括小齿轮、大齿轮、传动螺杆、滑块、导轨、固定夹具和传像束固定孔；所述小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与传动螺杆固接；两导轨与传动螺杆平行设置，滑块通过两个光滑的圆孔连接在两条圆形的导轨和传动螺杆上，传动螺杆上设有螺纹，滑块设有与传动螺杆螺纹连接的通孔，使滑块随传动螺杆转动而移动；光纤传像束位于固定夹具上的圆孔内，固定夹具与滑块连接；

位移微调装置设置在物镜一端，以使物镜能够在转动传动螺杆时实现平稳的收缩，从而实现物距的可靠性粗细调节；目镜和光纤传像束耦合成一体，物镜的移动带动传像束的同时等距离移动。

2.根据权利要求1所述的基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测装置，其特征在于，所述大齿轮轮齿数是小齿轮的10倍或以上。

3.根据权利要求1所述的基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测装置，其特征在于，传动螺杆上螺纹的螺距为1mm。

4.根据权利要求1所述的基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测装置，其特征在于，所述光纤传像束的前端设有具有防水防雾功能的透镜。

5.根据权利要求1所述的基于光纤图像传输的培养箱内细胞实时观测装置，其特征在于，所述光源为光纤冷光源A-1501或光纤冷光源NSEB-50/100。

6.一种应用权利要求1所述装置的培养箱内细胞实时观测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将培养细胞放置在培养箱里面；

(2)光源的光通过传光束和光源扩束镜传送到细胞培养箱内；光源的强度可调，以适用与各种细胞培养对光强的要求；

(3)通过位移微调装置实现焦距的调节，以使目标能被清晰的观察到；进一步调节位移微调装置使得细胞图像能够经由传像束前端的物镜耦合进传像束；

(4)通过光纤传像束，将细胞培养盒的图像传送到细胞培养箱外，并通过目镜清晰观察细胞形态；在光纤传像束的另外一端，用CCD摄像机接收传像束传送过来的图像；

(5)经CCD摄像机的DSP处理器对图像进行采集、存储和压缩之后，由第二无线收发模块发射到第一无线收发模块上，再传送到计算机上，以备实时观测、存储或图像处理；

(6)计算机通过图像处理，还原图像，对细胞的培养状态进行分析。

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