CN102289066A - 一种多细胞培养过程自动显微成像系统 - Google Patents

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樊尚春
夏伟强
邢维巍
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一种多细胞培养过程自动显微成像系统，用于长时间细胞培养过程自动成像及分析。系统具有自动观察目标切换功能、自动低功耗光源照明功能、自动对焦及图像融合功能、实现细胞生长状态智能在线分析功能，并且可以实现感兴趣的成像区域和运动细胞的追踪成像功能。包括光源系统、光学机构、楼房式多层细胞培养观察机构、多轴伺服系统、自动培养成像系统控制机构等，可以实现长时间无人参与的多种细胞同时培养成像。

Description

一种多细胞培养过程自动显微成像系统
技术领域
本发明涉及一种自动细胞成像系统，属于生物医学中的显微成像技术领域，具体地说，涉及细胞培养过程中的自动成像及对于培养过程中的细胞状态实时测量分析。
背景技术
细胞构成生命体的基本单位，反映着生命的本质规律。所以细胞生物学的研究为其他生物学研究提供支柱，包括发生生物学；肌肉、骨骼、矿物新陈代谢；心肺以及其他适应性系统；免疫学；运动感觉协调。每个领域的组织和机体层面的研究最终决定于独立细胞的正常功能以及细胞融合所成的生理网络。先进的细胞培养技术使得我们在细胞层面单独研究某些细胞成为可能。近年，细胞培养技术取得了的瞩目成就，一方面是细胞层面上对基本生物学过程的认识，另一方面是细胞生物学应用全层面扩展到生理学上。以往大量的研究证明许多细胞品种的干细胞，包括骨骼、肌肉、器官等，可以在可控制分化的环境下培养生长。随着微质量培养、微球体培养和生物反应器等细胞培养技术的研究，使得离解细胞培养技术日益提高，同时，分离块培养，切片培养，重新聚集培养为解离的细胞群和完整的组织间提供中间步骤。作为信息科学与生物医学高度交叉融合学科，随着生命科学、生物技术与医学的飞速发展和工程技术的进步，各种形式、结构、尺寸和用途的实现细胞生长环境控制的自动培养装置或生物反应器已相当普及，细胞培养已经发展成为一个新的工程学科。但是，细胞的培养观测分析往往需要人的参与，并且需要复杂专业的操作，这无疑大大增加了人力成本，并且培养过程中的某些关键信息可能丢失。特别是对于某些特殊培养环境，例如空间细胞培养、模拟失重状态、辐射状态培养、高低温等极端环境下培养，人员根本无法参与培养过程，造成培养过程的完全缺失。本发明提出了一种显微成像系统，用于细胞培养过程的细胞自动成像与细胞生长状态自动分析，尤其适用于人无法参与的细胞培养实验。
本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种自动显微成像系统，考虑了成像过程中的低功耗、自动对焦及追踪成像问题，并且实现细胞培养过程中的自动实时成像及细胞生长状态分析，可用于某些无人参与的特殊细胞培养环境。
发明内容
本发明的技术方案：一种多细胞培养过程自动显微成像系统，用于实现无人操作的，多个细胞培养器的长时间细胞培养的自动成像，并自动进行细胞生长状态分析：其包括光源系统1、光学机构2、楼房式多层细胞培养观察机构3、多轴伺服系统4、自动培养成像系统控制机构5，共同构成细胞自动培养成像系统；
其中，光源系统1包括：可编程的发光二极管LED阵列101，能够自动选择LED点亮区域，提供视场内可选择的照亮区域及照亮强度；大面积的静止光学部件103，其改善准直光的空间均匀性；静止的准直器102，其在所述大面积的静止光学部件之前，将源光转换成准直光，所述准直光具有适合于耦合进所述大面积静止光学部件的直径；聚焦透镜104和配合透镜组105，在所述大面积静止光学部件之后，缩小所述准直光的直径以使所述准直光耦合进物镜201；
光学机构2包括：自动的多物镜切换装置，其实现多种放大倍数的自动切换及物镜在显微视场上聚焦；
楼房式多层细胞培养观察机构3包括：由多个细胞培养机构301组成的类似于楼房的多层结构设计，每层提供多个标准尺寸及位置的细胞培养器302放置位置，其能够实现多种标准尺寸细胞培养器内多种细胞的同时培养观察；楼式结构预留中空豁口位置303，其俯视面积不小于最大细胞培养器面积；
多轴伺服系统4包括：多层式定角度伺服旋转机构401与楼房式多层细胞培养观察机构3的每层相连，构成观察切换机构，其实现每层旋转一定角度，使得楼式结构内任意一个细胞培养器302旋转至预留中空豁口位置303；X/Y轴伺服系统402和403、与楼房式多层细胞培养观察机构3整体相连，构成细胞定位机构，其实现楼式结构沿X/Y轴平稳高精度移动；Z轴伺服机构404，与光学机构2相连，构成对焦机构，实现光学机构沿Z轴平稳高精度移动；
自动培养成像系统控制机构5包括：带不易失存储单元的微处理单元及数据库系统，执行整个多细胞培养过程自动显微成像系统的自动控制功能；
在自动培养成像系统控制机构5的控制下，观察切换机构将待观察的某个细胞培养器302旋转至预留中空豁口位置303，选择合适的光源照明方式对成像对象进行照明，摄像机系统获取显微图像，通过对焦机构调整光学机构2沿z轴移动，在不同位置获取多幅显微图像，通过比较图像的特征值找到极大值点，伺服机构控制光学机构2运动到极大值点图像对应的位置即实现对焦；记录对焦位置之前之后对称的两幅图像或多幅图像，与对焦的图像进行像素级融合，改进大景深物体成像清晰度，提高显微成像质量；获取清晰图像后，经过实时图像处理获取细胞的尺寸、边缘、灰度、数量特征，对所获取的特征信息进行存储，并且通过细胞定位机构对感兴趣的区域或运动目标进行追踪成像。
所述的光源系统1进一步包括能自动控制开关及功率的荧光激发光源，所述荧光激发光源为激光器、汞灯或半导体激光二极管，其产生具有不均匀空间分布的源光；及光学组件，其将所述源光转成直径扩大的准直光，空间均匀化所述直径扩大的准直光以及将所述均匀化的直径扩大的准直光耦合进所述物镜以提供所述视场的均匀的荧光激发照明。
所述光学机构2进一步包括各种型号的显微摄像系统，其通过所述物镜实现数字成像。
所述楼房式多层细胞培养观察机构3包括的培养器可以是多种形状的、多种尺寸的，每层包括的培养器可以是不同个数的。
所述多轴伺服系统4包括X/Y/Z轴的高精度光栅尺，其实现伺服系统的闭环控制定位。
所述自动培养成像系统控制机构5包括：实时远程通信及遥控机构，实现显微图像的远程传输及对整个系统的远程遥控。
所述自动培养成像系统控制机构5包括数据库系统，存储细胞生长信息，通过与图像处理结果比较得出细胞生长状态。
所述自动培养成像系统控制机构5通过对荧光光源自动控制，实现对染色细胞对象进行自动荧光成像。
所述自动培养成像系统控制机构5包括控制温度、湿度、二氧化碳、PH值的细胞培养的控制系统，用于提供适于细胞培养的环境；同时包括自动进/排液控制系统，用于细胞培养的培养液自动更新。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)本发明能够实现细胞培养过程中的实时智能成像。实现细胞培养装置的自动切换，光源的低功耗设计，显微自动对焦，对焦过程中的图像融合，通过数字图像处理，实时得到细胞的灰度、数量统计、细胞面积、细胞定位、细胞变化趋势等信息，通过与数据库中的信息比较，得到实时的细胞生长状态。
(2)本发明针对以往大景深的成像对象成像局部模糊问题，采用自动对焦过程中的图像融合方法，提高成像质量。
(3)本发明不仅具有以上自动功能，还具有远程遥控功能，实现虚拟显微技术，可以用于例如空间细胞培养、高辐射环境培养等人无法参与的特殊培养环境，突破以往此类实验智能在试验后进行实验分析的局限，实时得到细胞培养过程信息。
(4)本发明通过实时图像处理及X/Y轴伺服机构设计，可以实现成像视场的遥控移动或自动移动，实现运动细胞或感兴趣特殊细胞的追踪成像。
(5)本发明针对细胞培养机构的多层化设计及自动切换设计可以实现大量不同种类细胞的同时培养成像，可以大大提高实验效率，降低试验成本。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明光源系统结构与工作示意图；
图3(a)为本发明楼房式多层细胞培养观察机构结构与工作示意图；
图3(b)为本发明楼房式多层细胞培养观察机构的其中一层结构的俯视图；
图4为本发明自动对焦及融合过程框图；
图5为本发明图像智能处理及分析框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明测量装置包括光源系统1、光学机构2、楼房式多层细胞培养观察机构3、多轴伺服系统4、自动培养成像系统控制机构5。其中，如图3(a)所示，光源系统的中心与光学组件的中心安装在Z轴同轴位置，如图2所示的为光源系统1的设计与照明方式，可分区编程LED阵列101提供视场内可选择的照亮区域及照亮强度，实现照明的低功耗，经静止的准直器102将源光转换成准直光，所述准直光具有适合于耦合大面积的静止光学部件103的直径；其后通过大面积的静止光学部件103，包括小角度漫射器或光束均匀器，改善准直光的空间均匀性；多个光学部件包括聚焦透镜104和配合透镜组105，缩小所述准直光的直径以使所述准直光照射到细胞培养器302中的成像目标，从而耦合进所述物镜201，提供显微镜视场实质上均匀的静态透视照明，使得摄像机构202可以获得清晰的显微照片。Z轴伺服机构404与光学机构2相连，实现光学成像机构沿Z轴移动，构成系统的自动对焦机构。多层式定角度伺服旋转机构401与图3(a)中的楼房式多层细胞培养观察机构3中的每个细胞培养机构301相连，实现如图3(b)中细胞培养机构301旋转固定角度，将目标培养器旋转至预留中空豁口处303，处于光源与物镜之间的空位，实现培养细胞培养器观察切换。X/Y轴伺服机构402和403与楼房式多层细胞培养观察机构3总体相连，实现观察目标沿X轴和Y轴移动，构成系统的细胞追踪机构。自动培养成像系统控制机构5实现整个系统的控制功能。
本发明优选的工作过程：自动培养成像系统控制机构5实现整个系统的控制功能，多层式定角度伺服旋转机构401，将楼房式多层细胞培养观察机构3中的待观察的细胞培养器302旋转至预留的成像空位；点亮全部光源1照亮全部样品，物镜自动切换至小放大倍数；Z轴伺服机构404使物镜沿Z轴移动，实现如图4所示的自动对焦及自动图像融合，得到清晰图像；X/Y轴伺服机构402和403控制细胞样本沿X轴Y轴移动，实现细胞样本的扫描成像；根据程序预设信息选择感兴趣的成像区域，控制光源系统1只照亮该区域，实现低功耗照明，自动切换物镜至大放大倍数，重复如图4所示自动对焦及融合过程，获得细节图像。接下来针对不同的细胞特征采用相应的图像处理算法，首先选择合适的滤波器对图像进行滤波降噪，对降噪结果进行有形成分分割，形态学重构，获取细胞的数量、区域、形态、纹理、灰度等信息，一方面获得的信息与数据库中预设信息进行比对，获得细胞生长状态的实时自动分析，图像及相关结果存入存储器；另一方面，获得的图像及相关信息可以实现远处通信传输，远方的专家可以根据相关信息对实验进行远程遥控，并且可以实时远程更新数据库系统，整个过程如图5所示。另外，系统根据预设，多层式定角度伺服旋转机构401定时自动切换指定的细胞培养器302依次至成像位置，重复以上成像及自动分析过程，实现对整个楼房式多层细胞培养观察机构3的多种细胞实时自动分析。

Claims (9)

1.一种多细胞培养过程自动显微成像系统，用于实现无人操作的，多个细胞培养器的长时间细胞培养的自动成像，并自动进行细胞生长状态分析；其特征在于：包括光源系统(1)、光学机构(2)、楼房式多层细胞培养观察机构(3)、多轴伺服系统(4)、自动培养成像系统控制机构(5)，共同构成细胞自动培养成像系统；
其中，光源系统(1)包括：可编程的发光二极管LED阵列(101)，能够自动选择LED点亮区域，提供视场内可选择的照亮区域及照亮强度；大面积的静止光学部件(103)，其改善准直光的空间均匀性；静止的准直器(102)，其在所述大面积的静止光学部件之前，将源光转换成准直光，所述准直光具有适合于耦合进所述大面积静止光学部件的直径；聚焦透镜(104)和配合透镜组(105)，在所述大面积的静止光学部件之后，缩小所述准直光的直径以使所述准直光耦合进物镜(201)；
光学机构(2)包括：自动的多物镜切换装置，其实现多种放大倍数的自动切换及物镜在显微视场上聚焦；
楼房式多层细胞培养观察机构(3)包括：由多个细胞培养机构(301)组成的类似于楼房的多层结构设计，每层提供多个标准尺寸及位置的细胞培养器(302)放置位置，其能够实现多种标准尺寸细胞培养器内多种细胞的同时培养观察；楼式结构预留中空豁口位置(303)，其俯视面积不小于最大细胞培养器面积；
多轴伺服系统(4)包括：多层式定角度伺服旋转机构(401)与楼房式多层细胞培养观察机构(3)的每层相连，构成观察切换机构，其实现每层旋转一定角度，使得楼式结构内任意一个细胞培养器(302)旋转至预留中空豁口位置(303)；X/Y轴伺服系统(402)和(403)、与楼房式多层细胞培养观察机构(3)整体相连，构成细胞定位机构，其实现楼式结构沿X/Y轴平稳高精度移动；Z轴伺服机构(404)，与光学机构(2)相连，构成对焦机构，实现光学机构沿Z轴平稳高精度移动；
自动培养成像系统控制机构(5)包括：带不易失存储单元的微处理单元及数据库系统，执行整个多细胞培养过程自动显微成像系统的自动控制功能；
在自动培养成像系统控制机构(5)的控制下，观察切换机构将待观察的某个细胞培养器(302)旋转至预留中空豁口位置(303)，控制光源系统(1)局部或者全部照亮细胞培养器(302)中的成像对象，摄像机系统获取显微图像，通过对焦机构调整光学机构(2)沿z轴移动，在不同位置获取多幅显微图像，通过比较图像的特征值找到极大值点，伺服机构控制光学机构(2)运动到极大值点图像对应的位置即实现对焦；记录对焦位置之前之后对称的两幅图像或多幅图像，与对焦的图像进行像素级融合，改进大景深物体成像清晰度，提高显微成像质量；获取清晰图像后，经过实时图像处理获取细胞的尺寸、边缘、灰度、数量特征，对所获取的特征信息进行存储，并且通过细胞定位机构对感兴趣的区域或运动目标进行追踪成像。
2.如权利要求1所述的多细胞培养过程自动显微成像系统，其特征在于，所述的光源系统(1)进一步包括能自动控制开关及功率的荧光激发光源，所述荧光激发光源为激光器、汞灯或半导体激光二极管，其产生具有不均匀空间分布的源光；及光学组件，其将所述源光转成直径扩大的准直光，空间均匀化所述直径扩大的准直光以及将所述均匀化的直径扩大的准直光耦合进所述物镜以提供所述视场的均匀的荧光激发照明。
3.如权利要求1所述的多细胞培养过程自动显微成像系统，其特征在于，光学机构(2)进一步包括各种型号的显微摄像系统，其通过所述物镜实现数字成像。
4.如权利要求1所述的多细胞培养过程自动显微成像系统，其特征在于，楼房式多层细胞培养观察机构(3)包括的培养器是多种形状的、多种尺寸的，每层包括的培养器是不同个数的。
5.如权利要求1所述的多细胞培养过程自动显微成像系统，其特征在于，多轴伺服系统(4)包括X/Y/Z轴的高精度光栅尺，其实现伺服系统的闭环控制定位。
6.如权利要求1所述的多细胞培养过程自动显微成像系统，其特征在于，自动培养成像系统控制机构(5)包括：实时远程通信及遥控机构，实现显微图像的远程传输及对整个系统的远程遥控。
7.如权利要求1所述的多细胞培养过程自动显微成像系统，其特征在于，自动培养成像系统控制机构(5)包括数据库系统，存储细胞生长信息，通过与图像处理结果比较得出细胞生长状态。
8.如权利要求1所述的多细胞培养过程自动显微成像系统，其特征在于，自动培养成像系统控制机构(5)通过对荧光光源自动控制，实现对染色细胞对象进行自动荧光成像。
9.权利要求1所述的多细胞培养过程自动显微成像系统，其特征在于，自动培养成像系统控制机构(5)还包括同时进行温度控制、湿度控制、二氧化碳控制、氧气控制的环境控制子机构，用于提供适于细胞培养的环境；同时包括自动进/排液控制系统，用于细胞培养的培养液自动更新。
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