CN102762713A - 细胞图像捕捉和远程监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种细胞培养数据和细胞图像捕捉和远程监控系统，该系统包括成像传感器盒，该成像传感器盒具有一个或多个相机以捕捉位于培育箱内的支撑物上和/或培养器皿中的液体中的细胞培养和细胞的多个彩色静止图像和/或运动图像。可以以不同的放大率并且持续不断地从支撑物上或器皿中的不同分离位置来捕捉图像。所捕捉的数据和图像被无线地发送到管理控制单元和/或诸如PDA之类的另一个无线连接和远程定位的数据发送设备，以便研究者复核和分析以确定细胞的健康和生存能力以及细胞培养的状态。本文教导的图像捕捉和远程监控系统减少了研究者在生物样本的物理存在位置以便可视地查明和分析样本的健康和生存能力以及细胞培养的状态的需要。

Description

细胞图像捕捉和远程监控系统

技术领域

本发明涉及一种用于远程监控细胞的健康和生存能力以及细胞培养的状态的系统。更具体地，它涉及一种细胞培养数据和细胞图像捕捉和监控系统，该细胞培养数据和细胞图像捕捉和监控系统用于使用一个或多个传感器盒（sensor pod）来远程访问细胞图像和细胞培养数据以捕捉和发送细胞图像和细胞培养数据，由此允许在不在细胞的实际现场的情况下远程目视地确定细胞的健康和生存能力。

背景技术

已经在生命科学和生物制药研究和制造中多年利用细胞培养。典型地，细胞在诸如盘或烧瓶之类的用后可弃的塑料盒中生长，并且被安置于CO2培育箱（incubator）中。常常，这些盒用于繁殖或维护细胞，和/或预备用于在培育箱外部进行试验的细胞。最后，这些细胞培养方法是十分花费劳力和耗时的，尤其是当需要执行大量的研究时。

细胞培养系统依赖用于细胞维护、生长、扩增和测试的受控环境。虽然经常采取严格的措施来避免污染等（例如真菌或细菌污染）的爆发，但是这样的爆发仍然出现，经常具有将危及研究时间并且将操作暂停多日或多周的影响。至少，由于基础细胞培养中的不一致导致的细胞生理上的无意变化可能将细胞培养试验的结果歪曲。研究者必须在下述过程中始终警惕：通过目视地观察在可能显示特定培养的问题的细胞形态、生长模式和生长速率中的细微改变来监控和评估细胞健康。

栽培哺乳动物细胞的研究者经常发现细胞培养的维护是很耗时的任务。必须小心地处理下述行为：例如，通过在显微镜下确定细胞形态来目视地评估细胞的健康，替换培养基（饲料），复苏细胞（融合），处理污染物，监控代谢物或细胞相互作用，以及其他问题。

令人遗憾的是，在现代实验室环境中，对于培养的细胞的适当监控存在许多障碍。例如，进行细胞培养的连续不断（例如，每2-4小时）的人工检查可能是不实际的和成本禁止的。另外，人工地连续不断地监控细胞培养经常对研究者造成身体上和精神上的坏影响，导致整体变差的生活质量，并且增大因为过度疲劳导致的观察误差的可能性。而且，完全自动化的细胞培养监控系统是过度笨重和复杂，并且需要大额的资金投入。

另外，细胞的简单目视检查仅提供主观评定，而没有持续的目视记录或档案。细胞和细胞培养的问题的迹象可能被错过，导致对由基于细胞的试验产生的数据的质量造成严重有害影响。供应健康的活细胞培养的能力是在当今竞争的多国生物和生物医药工业中的始终增大的问题。

因此，应当认识到，在生物处理业、研究机构和制药探索公司中，需要细胞图像捕捉和远程监控系统，该系统将允许研究者远程观察、修改和维护生物样本和细胞培养，而不要求终端用户实际地现场处于细胞培养的位置，以便目视地评估细胞的健康和生存能力。

因此，所需的是一种细胞培养数据和细胞图像捕捉和监控系统，该系统提供了从任何位置远程核查细胞的健康和生存能力以及细胞培养的状态的能力。在此教导的系统改善了研究和细胞生产的质量和效率，并且提供了一种划算的、灵活的、容易使用的和省时的远程细胞图像捕捉和监控系统，该远程细胞图像捕捉和监控系统提供关于细胞的健康和生存能力以及细胞培养的状态的实时信息，而研究者不必处于细胞的物理位置。

发明内容

本发明提供了一种细胞培养数据和细胞图像捕捉和远程监控系统，该系统用于远程观看、监控、分析、报告和存储细胞培养数据。在此教导的捕捉和远程监控系统使得研究者能够确定位于支撑物上和/或位于培养器皿的溶液中的细胞的健康和生存能力，而不要求研究者在现场、在细胞的物理位置，以便目视地评估细胞培养状态和细胞的健康。

在其他实施例中，根据本发明的细胞培养数据和细胞图像捕捉和远程监控系统包括一个或多个水密的成像传感器盒，该一个或多个水密成像传感器盒由可充电电池供电，并且其中具有能够捕捉多色图像的一个或多个成像传感器（诸如相机之类的成像技术）。优选的是，该成像技术捕捉从在培养器皿内或在支撑物上的至少两个分离位置处获取的两个或更多个的静止和/或运动的数字彩色图像。

在一些实施例中，根据本发明的数据和图像捕捉和远程监控系统包括：成像传感器，其具有从大约10x至大约250x的最小图像放大能力以及自动聚焦能力，该自动聚焦能力具有可选的用户手动聚焦控制。该成像传感器包括在具有驱动机构定位系统的盒上的一个或多个可移动相机和/或多个固定相机。该一个或多个成像传感器还包括与显微镜和/或倒置显微镜组合使用的一个或多个相机。

在一个实施例中，该捕捉和远程监控系统包括被耦合到位于培育箱中的培养器皿的一个或多个成像传感器盒。可替代地，该盒可以被耦合或接合到培育箱，或培育箱和培养器皿两者。该细胞培养数据和细胞图像捕捉和远程监控系统包括数据库管理系统，该数据库管理系统包括计算机和软件，该计算机和软件用于（1）寻址该盒以便上传和下载关于细胞的健康和生存能力的图像、数据和信息、以及细胞培养的状态；（2）存储和分析细胞的静止和/或运动的图像、以及细胞培养数据，（3）提供测量结果和必需的细节以便于做出决策，以及（4）自动地或在用户介入下提供对该盒、培养器皿、支撑和培育箱的操作控制以执行指令，以便执行用于保持细胞的健康和生存能力和细胞培养所需的推荐的细胞培养处理操作。

在另一个实施例中，根据本发明的捕捉和远程监控系统提供了无线连接，该无线连接用于向数据发送设备、计算机、移动通信设备或任何其他这样的设备或基于万维网的系统和/或服务器发送警告、静止的和/或运动的图像。

本发明的另一个目的是通过减小在培育箱的每次打开以便查看培养器皿时出现的培育箱状况的波动，并且减小当将培养器皿移至显微镜以查看细胞的健康和生存能力时可能出现的对细胞的不期望的干扰，来促进放置在培育箱内的培养器皿中的细胞的健康和生存能力。每次培养器皿中的细胞离开培育箱时，污染的风险增大。

在一些实施例中，根据本发明的捕捉和远程监控系统自动地：（1）确定需要采取什么行动来保持合适的细胞培养环境，并且促进其中的细胞的健康和生存能力，以及（2）自动地向授权的终端用户的数据发送设备、计算机或基于万维网的系统和/或服务器发送信息、指令和需要采取的所需行动。

在其他实施例中，根据本发明的捕捉和远程监控系统包括耦合到位于培育箱中的培养器皿或支撑物的一个或多个水密的成像传感器盒。该盒优选地以无线格式连接到计算机或其他数据发送设备，其中，该计算机或其他数据发送设备能够：（1）单独地寻址每一个盒，（2）向每个盒下载可行的命令，并且（3）从每一个盒上传静止图像、运动图像、细胞图像和/或传感器数据。该图像可以由计算机或基于万维网的软件工具例如通过下述方式来处理：利用软件询问所述图像以用于作为酸碱法（pH shifting）的指示器的颜色比较，或者利用诸如团块分析（blob analysis）和边缘检测之类的标准机器视觉工具来询问所述图像以察看作为整体生长或融合的指示器的生长状态；和/或，评估作为细胞健康的指示器的细胞的形态。

诸如团块分析和边缘检测之类的成像工具用于比较作为像素级的相对关系。团块工具以二进制格式来装运图像像素。一旦被装运，则可以对于定义的团块的形状进行分析，以获得形状、区域的形状中心等。边缘检测使用像素强度的变化来限定边界边缘。通常，使用强度的急剧变化（steepchange），但是用户可以调整用于边缘检测的增益。一旦发现边缘，则可以再一次分析形状。可以与其他所谓的形状或预期的形状或形状库进行形状比较。

在其他实施例中，根据本发明的捕捉和远程监控系统包括附加的传感器，该附加的传感器包括但是不限于用于检测下列参数的传感器：培育箱的温度、压力和湿度；盒的电池水平的状态；pH水平；诸如氮气、氧气和二氧化碳之类的溶解气体的水平；葡萄糖水平；谷氨酰胺水平；乳酸水平、氨水平；代谢物的存在和数量；光谱；及其组合。可选地，由成像传感器对这些传感器进行读取或成像，由此，图像被发送到本地计算机、其他数据发送设备或基于万维网的服务器，以用于分析和存储，和/或被直接地发送到研究者或其他授权的终端用户，以用于实时的图像检索、复核和分析。

在一些实施例中，根据本发明的捕捉和远程监控系统包括一个或多个成像传感器盒，该一个或多个成像传感器盒除了包括从培育箱到本地计算机、数据发送设备或基于万维网的服务器的无线连接之外，还包含来自培育箱和/或本地计算机、数据发送设备或基于万维网的服务器的可选硬接线连接，同时保持无线能力。

在其他实施例中，根据本发明的捕捉和远程监控系统包括如下的传感器盒，该成像传感器盒具有诸如相机镜头周围的环形灯之类的自包含的光源，和/或可选地具有用于从培养器皿中或支撑物上的细胞背后照明的独立的光源。

在各个实施例中，根据本发明的捕捉和远程监控系统向研究者提供了对一个或多个图像捕捉传感器盒的远程访问能力，该远程访问能力包括远程地控制该盒以便实时地凭借静止彩色图像捕捉和/或运动彩色图像捕捉和流媒体来查明细胞培养的状态以及细胞的健康和生存能力。

在特定实施例中，根据本发明的捕捉和远程监控系统提供了如下的图像捕捉传感器盒，该图像捕捉传感器盒读取RFID芯片，以确保在使用可信的产品，例如耦合到该盒的可信和被认可的培养器皿或支撑物。当不可信的和未认可的培养器皿等耦合到该盒时，软件可以限制该系统的功能。

在下面的详细说明中将陈述本发明的另外的特征和优点。对于本领域技术人员来说显然的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下做出对本发明的许多修改和变型。应当理解，上面的一般说明和下面的详细描述两者、权利要求书以及附图仅是示例性和解释性的，并且意在提供本教导的各个实施例的解释。仅通过示例来提供在此描述的特定实施例，并且在此所述的特定实施例并未旨在以任何方式进行限定。

附图说明

通常，每一个附图提供了本发明的实施例及其部件的原理性示意图示。对象的相对位置形状和/或大小被夸大和/或简化以便于本文的讨论和陈述。

图1示出根据本发明的方面的示例性的细胞培养数据和细胞图像捕捉和远程监控系统的示意图；

图2示出根据本发明的方面的附加数据和图像捕捉和远程监控系统的示意图；

图3示出根据本发明的方面的附加数据和图像捕捉和远程监控系统的示意图；

图4示出本发明的附加实施例的透视图；

图5示出根据本发明的图像捕捉和远程监控系统的附加方面的示意图；

图6示出根据本发明的图像捕捉和远程监控系统的附加方面的示意图；

图7示出根据本发明的图像捕捉和远程监控系统的附加方面的示意图；以及

图8示出根据本发明的图像捕捉和远程监控系统的附加方面的示意图。

具体实施方式

因此，除非相反地指示，在下面的说明书和所附权利要求书中给出的数值参数是可以根据由本发明寻求获得的期望属性而变化的近似。至少，并且不作为限制与权利要求的范围的等同内容的教导的应用的尝试，应当至少按照所报告的有效数字的数量并且通过应用普通的舍入技术来解释每一个数值参数。尽管给出本发明的宽范围的数值范围和参数是近似，但是尽可能精确地报告在具体示例中给出的数值。

为了该说明书和所附的权利要求的目的，除非另外指示，通过术语“大约”将用于表达在说明书和权利要求中使用的成分的数量、材料的百分比或比例、反应条件和其他数值的所有数字理解为在所有实例中是变化的。

在更详细地描述本发明之前，将定义多个术语。这些术语的使用不限制本发明的范围，但是仅用于便于本发明的描述。

如本文所使用的，单数形式“一个”“一种”和“该”包括复数个指示物，除非上下文另外清楚地指示。

如本文所使用的，短语“生物样本”表示但是不限于：从一个或多个器官、细胞和/或病毒得到的或与一个或多个器官、细胞和/或病毒对应的任何颗粒、物质、提取物、混合物和/或组装（assembly）。对本领域内的技术人员来说显然的是，可以在自动化的细胞管理系统中培养的细胞包括一个或多个细胞类型，该细胞类型包括但是不限于动物细胞、昆虫细胞、哺乳动物细胞、人类细胞、转基因细胞、基因工程细胞、转化细胞、细胞株、植物细胞、依赖贴壁细胞、不依赖贴壁细胞和本领域中已知的能够在试管中培养的其他细胞。生物样本也可以包括用于便于分析的附加成分，例如液体（例如，水）、缓冲剂、培养营养物、盐、其他试剂、染料等。因此，生物样本可以包括在培养基（culture medium）和/或另一种适当的液体培养基(fluid medium)中布置的一个或多个细胞。

本文使用的表达式“融合（confluence）”指的是覆盖细胞培养器皿、盘或烧瓶的细胞的数量（即，百分比）的测量结果。可以通过下面的关系式来确定融合的百分比（%）：

%融合=[(被细胞覆盖的成像面积)/(成像的总的面积)]x 100

本文使用的短语“培养器皿”或“容器”表示但是不限于任何培养皿（petri-dish）、多孔板、微量滴定板、滚瓶、槽、生物反应器、袋和烧瓶，烧瓶包括螺盖烧瓶，例如在名为“Layered Flask Cell Culture System”的美国专利申请公开文本No.2010/0129900中教导的具有一个或多个细胞生长表面的层的烧瓶，通过引用将该专利申请公开文本全部并入本文。典型地，这样的培养器皿是用于单次使用的，并且由聚合材料制造，该聚合材料例如是典型地无菌地供应并且用后可弃的含氟聚合物、高密度聚丙烯（HDPE）和特殊处理的聚苯乙烯塑料。

本文使用的短语“细胞培养”表示但是不限于细胞、组织或它们的产物的生长、维护、转染或繁殖。

本文使用的短语“培养基”表示液体溶液，该液体溶液用于提供营养物（例如，维生素、氨基酸、必需营养素和盐等）和属性（例如，类似性、缓冲）以维持活细胞（或组织中的活细胞）并且支持它们的生长。市场上可获得的组织培养基对于本领域技术人员来说是已知的。本文使用的短语“细胞培养基”表示在形成细胞培养时已经与培养的细胞一起培育的组织培养基；并且更优选地指的是进一步包括由培养的细胞分泌、排泄或释放的物质或在存在组织培养基的情况下从培养细胞导致的在培养基中出现的其他成分变化和/或物理变化的组织培养基。

本文使用的短语“细胞培养处理操作”包括但是不限于基于从获取的图像和/或数据对细胞的培养状态的确定来对细胞培养执行的操作。这样的操作的示例包括：i）控制在培养设备中的培养基和营养物的量、浓度和成分水平，ii）采样、提升(lifting)和复苏（recovering）来自培养设备的细胞，以及iii）将细胞划分和植板（plating）到附加的培养设备内。

本文使用的术语“提升（lifting）”指的是从培养设备表面分离细胞并且采集细胞的过程。常见的提升方法包括使用酶来消化吸附蛋白，由此将细胞从该细胞生长和吸附到的表面解放。

本文使用的术语“划分（splitting）”是获取从培养设备采集的细胞、稀释细胞并且将稀释的细胞转移到不同的烧瓶或器皿内的过程。细胞的接种密度（seeding density）通常导致5%至50%的融合，并且大多时候，初始融合更接近10X。

本文使用的短语“数据库管理和控制系统”表示但是不限于基于计算机软件的管理系统，该基于计算机软件的管理系统用于接收、处理、分析和存储每一个盒的传感器数据和图像，以确定所检测的细胞和细胞培养的参数是否在期望的规范内，检测在所检测的参数中的偏差或异常，确定对对所检测的参数的分析或者对在细胞和细胞培养的评估时必需的数据的任何其他分析和处理进行响应的行为的模式。可以通过例如在CD、DVD、磁带或平坦纸张上的物理硬拷贝或无线、硬接线或基于计算机的通信装置、万维网或其他系统装置，将响应于所处理的数据的适当控制指令发送回盒、培育箱、培养器皿、授权的个人数据发送设备、基于计算机和/或万维网的系统。数据库管理和控制系统能够经由无线发送和/或由硬接线连接承载的发送来发送和/或接收通信。

本文使用的短语“数据发送设备”表示但是不限于个人数字助理（PDA）、蜂窝电话、寻呼机、具有无线和/或硬接线能力的计算机或能够无线和/或硬接线数据发送或接收信息或指令的任何其他设备。

本文使用的短语“数据和图像捕捉系统”表示但是不限于：使用基于胶片的方法的技术、使用数字方法的技术和使用用于数据和图像捕捉的任何其他方法的技术。细胞培养数据和图像捕捉系统还包括将数据和图像记录为一组电子信号的方法。这样的图像可以例如存在于计算机系统中。然而，也可以将细胞培养数据和细胞图像作为视频或以数字格式捕捉在胶片上、在磁带上。使用模拟技术捕捉的细胞培养数据和细胞图像可以被转换为数字信号，并且以数字格式被捕捉。细胞图像一旦被捕捉，则可以使用照片处理软件进一步处理该细胞图像。图像一旦被捕捉则可以使用各种媒体向授权的终端用户显示，该各种媒体包括纸张、CD-ROM、软盘、其他盘存储系统或基于万维网通过因特网。本文使用的术语“记录”指的是永久或暂时的任何数据和图像捕捉。数据和图像捕捉系还包括记录运动图像的那些技术，不论是使用基于胶片的方法、录像带、数字方法还是用于捕捉运动图像的任何其他方法。细胞培养数据和图像捕捉系统还包括允许从运动图像捕捉静止图像的技术。作为本文使用的术语“图像”可以包括多于一个的图像。可以以流媒体视频格式即时向数据库管理和控制系统设备发送视频，使得能够实时地在数据发送设备上或经由基于万维网的网络观看该视频。

本文使用的术语“培育箱（incubator）”表示但是不限于位于其中期望经由培育的细胞培养的实验室、制造设施或任何临床或其他设置中的培育设备。培育箱优选地将受控环境保持为从大约5%的CO2至大约20%的O2并且保持受控的温度，虽然本领域普通技术人员可以在给出本文的教导的情况下根据特定的终端使用应用来使用和选择任何环境。自动地或响应于由盒、研究者和/或其他授权的终端用户提供的命令，可以独立地控制或由外部PC或其他控制器设备控制培育箱环境。

本文使用的短语“远程定位”表示不在物理存在位置，例如不位于感兴趣的生物样本和/或培养设备或支撑物的现场。

本文使用的术语“传感器”表示但是不限于机械、电子或光学感测设备，该设备测量信息，该信息例如是生理相关信息（例如，温度、湿度、压力、pH、生化药剂、生物分子、诸如CO2之类的气体和其他化学参数、基于酶的参数、辐射、磁和其他物理参数）或诸如光谱之类的其他信息或参数。

本文使用的术语“无线”表示但是不限于用于发送和接收信息的射频、声学或光学装置。无线连接也包括：在几英尺的数量级的短距离无线连接（例如型无线连接）；或者，在大约100英尺的数量级的中等距离无线连接（例如WIFITM连接）。

本发明涵盖细胞培养数据和细胞图像捕捉和远程监控系统，该系统具有：成像传感器盒，其用于捕捉和向图像和数据接收和管理控制单元发送细胞培养数据和细胞图像；以及，图像和数据接收和显示控制单元。该盒、该管理控制单元和该显示控制单元每一个优选地具有无线发送/接收通信能力。在本文教导的其他实施例中，细胞和细胞培养位于培育箱中基板上和/或培养器皿中。该盒也优选地具有到基质、培养器皿和培育箱的无线发送/接收通信能力。成像传感器盒优选地包括：成像技术，例如CCD或CMOS照像机、CCD或CMOS摄像机或其组合；以及一个或多个传感器，包括但是不限于pH传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、葡萄糖传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、谷氨酰胺传感器、乳酸传感器、氨传感器、氮气传感器、光谱传感器和其组合。显示控制单元可以是监控器或LCD屏幕等，其可以包括接口，用户通过该接口可以输入一些数据。该盒可以由本领域中熟知的各种电力输送和电源来供电，例如由电池电力、通用串行总线（USB）电力、线路电力或硬接线电力和其组合来供电。可替代地，盒数据接收和管理控制单元以及图像和数据接收和显示控制单元每一个可以与培育箱或任何其他环境控制的腔、管理控制单元集成。

本文教导的细胞培养数据和细胞图像捕捉和远程监控系统使得人们能够可视地确定细胞培养的状态，以及位于支撑物上和/或培养器皿中的溶液中并且存在于培育箱中的细胞的健康和生存能力，而不要求人们在细胞和细胞培养的物理存在位置现场。

图1-8示出示例性的细胞培养数据和细胞图像和监控系统30的示意表示。本发明教导了远程可访问的细胞培养数据和细胞图像捕捉和监控系统30，该系统具有：一个或多个成像和数据传感器盒20，其具有上支撑表面45或顶部支撑表面45；以及诸如计算机（PC）之类的数据库管理控制单元58，其自动地并且根据由授权的终端用户提供的指令来操作该盒20。

盒20被配置为在环境受控的腔中工作，例如在生物样本培养培育箱38内。因此，盒20优选地具有紧凑设计，以在保持它们的图像采样和其他传感器能力的同时最小化它们的尺寸。可以由各种特征促进该紧凑设计，该各种特征例如是光学检测机构24，该光学检测机构24包括具有放大率范围的自调整和操作员控制的光学检测机构。

成像和数据传感器盒20捕捉来自支撑上或培养器皿40内的生物样本42的信息，例如当生物样本在优选地位于盒20的顶部支撑表面或上支撑表面45上的培养器皿40中或支撑物43上时。盒20和培养器皿40或包含生物样本42的支撑物被安置于培育箱38等中。培养设备或器皿40被置于盒20的上支撑表面或顶部支撑表面45并且通过盒20的上支撑表面或顶部支撑表面45被成像，该盒20的上支撑表面或顶部支撑表面45优选地是透明的玻璃或塑料。

替代地，细胞培养设备或器皿40可以被开放框架盒（未示出）支撑，使得光学检测机构24或相机直接地成像到培养设备或器皿40内，而不具有盒20的玻璃或塑料的上支撑表面45的任何可能失真。该开放框架也可以包括对齐特征，以精确地定位细胞培养设备，使得随着时间获取同一细胞培养区域的图像，以便监控细胞群体或其他生物样本的进展。

在图7所提供和描绘的本发明的实施例中，盒20的顶部表面支撑或上表面支撑45被可调整地分割，并且包含被适当地调整大小以容纳包含生物样本42的培养器皿40的凸起的边缘或棱，使得该器皿被定位在盒20的顶部支撑表面45上，在预定的x-y轴位置中，以用于精确的成像和数据采集。

如在图6-8中所描绘的，培养器皿40是烧瓶，该烧瓶例如是在美国专利申请公布No.2010/0129900中教导的那些，该烧瓶具有顶部或上侧51。

在特定实施例中，数据库管理控制单元50优选地在连接到网络（例如局域网（LAN）或广域网（WAN））的无线数据信号通信和/或可选的硬接线连接电缆39等中，使得授权用户可以远程地通过诸如图形接口之类的接口并且/或者从无线地62连接的数据发送设备60，与数据库管理控制单元58交互。该显示单元可以是监控器50，监控器50包括接口，用户可以通过该接口来输入数据或操纵所捕捉的图像和数据等。

本文教导的细胞成像系统30通过当前的细胞培养观察技术来提供多个优点和改善，例如通过减轻研究者在监控细胞培养时物理存在的必要，同时使能远程可访问的现场实时观察和分析培育箱中包含的细胞和细胞培养。

在培养器皿40（例如在图1-8中描绘的那些）中生长的细胞42需要被研究者例行地访问，以确定细胞培养的状态以及细胞的生长、健康和生存能力，并且以确定应当采取哪些步骤，例如当细胞接近融合时，由此研究者从培养器皿脱离细胞以在试验或筛选等中使用，或重新补种新的细胞培养系统以继续扩展细胞株。重要的是在100%融合之前复苏细胞。

本文教导的细胞图像捕捉系统30允许研究者通过诸如具有变焦透镜放大能力的相机24和/或显微镜之类的成像传感器来远程查看无人照管的细胞培养，以调查细胞42的生长和培养状态，而不移动培养器皿40。期望的是能够利用满足细胞类型的需要以及研究者的工作时间表所需的适当数量的培养基和添加物来填充培养设备。本文教导的细胞成像系统30的优点是它使得能够远程查看细胞42的图像，而不必将培养器皿40或支撑物运输到显微镜。

盒20包括用于观察被存放在培养器皿40中的生物样本42的一个或多个相机24，其中，盒20优选地被布置在样本42之下，使得相机24捕捉样本42的图像54。如图1中所描绘的那样，成像传感器盒20也可以被布置在生物样本42之上。

相机24起作用，使得捕捉的细胞图像54是静止彩色图像或运动彩色图像，并且优选地被无线35地发送到数据库管理控制单元58，或通过硬接线连接39被发送。相机24优选地是诸如CCD相机之类的CCD（电荷耦合器件）或诸如能够捕捉多个彩色图像的CMOS相机之类的CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器，该多个彩色图像优选地是从培养器皿内的至少三个分离的位置获取的三个或更多的静止彩色图像或运动彩色图像。另外，相机24能够捕捉整个器皿或支撑物的图像。

CCD相机或CMOS相机另外在大约10x至大约250x的放大率下从多个不同位置获取烧瓶中的细胞生长的多个静止图像或运动图像，优选的放大率范围是从大约10x至大约100x，以及40x至大约100x。

数据发送设备58优选地包括：i）图像处理软件，其用于分析由相机24捕捉的细胞培养数据和细胞图像，ii）操作控制软件，其用于根据由CCD或CMOS相机获取的细胞的图像来确定细胞的培养状态（细胞的增殖能力和增殖本领），并且提供指令使得基于作为分析所捕捉的细胞培养数据和细胞图像的结果由数据发送设备58进行的确定来执行适当的培养处理操作。

成像传感器盒20也优选地包含下述设备：该设备用于将光透射到烧瓶内或支撑物上，使得从（如由授权用户确定或由数据发送设备58自动确定的）前、后或两者来适当的照亮所捕捉和记录的细胞图像。

相机24优选地具有：透镜25，其具有从大约10x至大约250x的图像放大能力，具有10x至大约100x的优选最小放大率；以及自动聚焦能力，其具有可选的远程用户控制器。成像传感器盒20优选地包括多个固定相机24和/或位于驱动机构定位系统上的一个可移动相机。成像传感器盒20也可以包括与显微镜（未示出）组合使用的相机。

如图7和图8中所描绘的，如在此提供的本发明的一个实施例包括盒20，仅举例而言，该盒20具有比相对的侧壁（66b、68b）宽的两个侧壁（66a、68a），以便便于将具有X轴轨道和Y轴轨道和驱动电机的驱动机构定位系统存放在盒的两个较宽侧壁（66a、68a）下。

细胞样本的观察包括从位于成像传感器盒20上的光源26向器皿40内投射光，以照亮细胞样本42，并且帮助细胞培养数据和细胞图像54的捕捉。优选实时地例如利用图像识别和分析软件来分析细胞培养数据和图像。例如，这样的信息可以被用于控制培养器皿40内的一个或多个处理条件。在在此提供的优选实施例中，相机24和光源26在盒内一起移动或能够一起移动。

图6描绘了如在此提供的本发明的另一个实施例，其中，相机放大透镜25被LED 26包围，LED 26优选地被布置为LED 23的阵列。如图6中所描绘的，LED阵列23包围透镜25，以便提供能够充分地照亮器皿40中的细胞样本42的光源。LED 26和LED阵列23优选地是“可寻址的”，并且关于功率、亮度、照度、强度、颜色和调光是可调整的。如在此使用的术语“可寻址的”表示可以调整或寻址由LED阵列23提供的光的模式。例如，可以对LED阵列23进行调整使得仅阵列中的特定LED 26被接通，由此，仅照亮器皿40中的细胞样本42的右侧或右边缘，同时将器皿40中的细胞样本42的左侧或边缘保持在黑暗中以便提供阴影效果，使得增强器皿40中的细胞样本42的边缘细节或表面特征，如果没有该期望的阴影效果则该边缘细节或表面特征可能不是可视的。

优选地，成像传感器盒20是被设计为安装在标准细胞培养培育箱30内的完全自动化的成像系统。该布置允许在不将培养器皿或支撑物从受控环境移除的情况下对细胞培养和细胞的持续不断的成像，并且允许盒20采集连续的时间推移的图像。另外，软件接口的使用允许远程观看静止数字图像和/或运动数字图像和图像度量。

优选地，对远程可访问的传感器盒20进行设计使得用户对盒20进行编程以经由网络可访问的图形用户界面来获取在不同空间位置和时间点的静止图像和/或运动图像，使得相机自动地聚焦在每一个空间位置并且自动地和连续不断地获取连续的图像。一旦采集了静止图像和/或运动图像，则定制的图像处理和识别软件计算并且用图表表示各种基于应用的图像度量，该各种基于应用的图像度量包括例如细胞的尺寸、细胞的尺寸相比体积、细胞的平均直径、表面区域颗粒、细胞的流率、细胞的流动模式、细胞的群体分布、细胞生存能力、凝聚或凝集的存在、细胞的颜色变化以及处理液体的温度和粘度等。该信息可以被用作控制工具，以实施改变来实时地处理操作参数。

远程可访问的传感器盒20有益于自动地或响应于用户的指导来将一些参数成像。该盒可以被用在细胞培养数据和细胞图像的自动采集，并且提供了用于实时地数字地捕捉和存档细胞生长和形态的方法。

优选地，在密封的保护罩内存放用于记录细胞的静止图像和/或运动图像的相机。图像捕捉传感器盒20包括一个或多个透镜或窗，通过该透镜或窗，图像被相机24记录，并且图像捕捉传感器盒20承载用于向器皿内投射光的装置，使得由相机记录的图像被前照亮、后照亮或前后照亮。盒20向数据发送设备计算机58或类似的处理器发送相机24所记录的图像的信息，该数据发送设备计算机58或类似的处理器上加载了图像识别软件。在一个实施例中，图像例如被数据发送设备58压缩为联合图像专家组（JPEG）标准格式。也可以使用用于图像的其他文件格式，例如TIFF（标签图像文件格式）、BMP（Windows位图图像文件）、DIB（设备无关位图）文件格式、GIF（图形交换格式）、PNG（便携式网络图形）图像格式或本领域中已知的其他数字图像文件和格式。

细胞培养和细胞图像捕捉传感器盒20优选地包括用于将细胞培养装置中的细胞培养数据和细胞进行成像的CCD或CMOS相机。CCD或CMOS相机机构也可以连接到显微镜机构，使得相机通过显微镜机构来获取细胞的图像。CCD或CMOS相机机构连接到计算机。

在一个实施例中，本发明涉及使得研究者能够使用数据传送吞吐量实时地（~1Gbps）远程访问和控制CCD或CMOS成像技术。远程控制CCD或CMOS成像技术可以连接到本地服务器，使得使用支持该软件的任何网络浏览器的研究者能够访问它。任何授权的因特网用户可以控制该CCD或CMOS成像技术。如在图1中所描绘的，远程用户能够控制该CCD或CMOS成像技术在X-Y轴中的移动，以及光发射，控制在Z轴上的聚焦和放大，并且处理这些图像。

另外，可以实施基于显微镜的视频直播流媒体系统（细胞观察）来使能细胞图像观看、分析和指令。

成像机构向加载了图像识别软件的计算机或类似的处理器传送所记录的图像的信息。也可以使用图像识别和分析软件实时地分析该图像。例如，该软件测量平均直径、表面细胞生存能力、彩色变化、温度和粘度等。这样的信息可以用于远程控制在一个或多个密封的器皿中的处理条件。从图像捕捉设备向共享的存储位置下载图像。在本说明书中，“图像”指的是静止图像或运动图像。

另外，成像机构承载用于投射光源的装置，例如器皿内的LED（发光二极管）照明器，使得由相机记录的图像被前照亮、后照亮或前后照亮。成像机构向加载了图像识别软件的计算机或基于万维网的网络传送所记录的图像的信息。也使用图像识别和分析软件实时地分析图像。例如，该软件测量平均直径、表面面积、流率、流动模式、群体分布、细胞生存能力、凝聚或凝集、颜色变化、温度和粘度等。这样的信息可以用于远程控制一个或多个密封器皿中的处理条件。

成像机构能够可视地确定和捕捉培养基和细胞培养的pH的一种方式是通过确定在存在pH指示器的情况下的培养基和细胞培养的颜色。在本发明的优选实施例中，该培养基包含用作培养基的pH的指示器的酚红的溶液（也称为酚磺酞或PSP）。当培养基的pH值降低（即，变得更酸）时，酚红从红色变为黄色。酚红在大约8.2至大约6.8的pH范围上呈现从红色到黄色的逐渐过渡。当培养基的pH大于pH8.2时，酚红转为亮粉色。

图5示意地描绘了定位在盒20的上支撑表面45上的两个细胞培养烧瓶40。盒的成像系统24首先扫描烧瓶40的表面，识别授权代码信息72。用于每一个细胞培养器皿40的授权代码信息72将包括每一个细胞培养器皿的诸如尺寸、形状和体积等的规格参数，以及对于每一个器皿来说唯一的特定跟踪识别标记。使用模式工具，成像系统24定义了X坐标和Y坐标，该X坐标和Y坐标定义将被分析的每一个烧瓶40内的培养区域。

图7示意地描绘了被定位在盒20的上支撑表面45上的两个细胞培养烧瓶40。该图也描绘了用于调平该盒的调平控制单元76，例如通过调整在盒下方设置的调平脚78的高度来调平。图7也描绘了可以被并入盒内的本地控制器的示例，诸如“主页（Home）”、“通电（Power on）”和“暂停（Park）”按钮或图像（94、95、96）。

如在此教导的用于从位于培育箱等内的无人照管的细胞培养或支撑物远程检索细胞图像的细胞图像捕捉和监控系统除了别的之外提供了改善的样品处置、实时远程访问现场观察、样本监控的远程控制、对于样本数据的远程访问和/或非侵入性的检验。而且，在此教导的细胞图像捕捉和监控系统可以提供用于在较长的时间段（数小时至数日）产生多个生物样本的显微图像的便利手段，而不必将样本从受控的环境（培育箱）移除，和/或者不需要人的介入。

上面给出的公开可能涵盖具有独立功用的多个不同的发明。虽然已经以其优选形式公开了这些发明的每一个，但是在此公开和举例说明的相应特定实施例不被认为是限定的，因为多种变化是可能的。本发明的主题包括本文公开的各种元素、特征、功能和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。所附的权利要求特别指出被认为是新颖和非显而易见的某些组合和子组合。在要求来自该申请或相关申请的优先权的申请中可以要求保护以特征、功能、元素和/或属性的其他组合和子组合来实施的发明。这样的权利要求不论涉及不同的发明或相同的发明，并且不论在范围上比原始权利要求更宽、更窄、与其相同或不同，同样被看作被包括在本公开的发明的主题内。

Claims (22)

1.一种细胞培养数据和细胞图像捕捉和远程监控系统，包括：

a）成像传感器盒，其被配置为捕捉和发送细胞数据和细胞图像；

b）管理控制单元，其被配置为接收所发送的细胞数据和细胞图像；以及

c）显示控制单元，其用于观看所述细胞数据和所述细胞图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述细胞位于支撑物上或培养器皿内的溶液中。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述盒和所述培养器皿处于培育单元中。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述盒还被配置为无线地发送所述细胞数据和细胞图像，并且所述管理控制单元还被配置为无线地接收所发送的数据和图像。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管理控制单元还被配置为存储和分析所发送的细胞数据和细胞图像。

6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述盒包括用于捕捉所述细胞图像的相机，并且所述盒被配置为移动所述相机，使得所述相机从所述支撑物上或所述培养器皿中的两个或更多个不同的区域捕捉细胞图像。

7.根据权利要求2所述的系统，包括两个或更多个的盒，每一个盒具有相机，所述相机被配置为从所述支撑物上或所述培养器皿中的不同的区域捕捉彩色静止图像、彩色运动图像及其组合。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述盒还包括传感器，所述传感器来自于由下列传感器构成的组：pH传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、葡萄糖传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、谷氨酰胺传感器、乳酸传感器、氨传感器、氮气传感器、光谱传感器及其组合。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述盒还包括光源。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光源是LED阵列。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光源是LED的阵列，其中，选择性地控制所述阵列中的每一个LED的颜色、照度、亮度、强度和调光。

12.根据权利要求2所述的系统，其中，所述盒被配置为从所述支撑物上或所述培养器皿中的不同区域，以大约10x至大约250x的放大率捕捉彩色图像。

13.根据权利要求2所述的系统，其中，所述盒被配置为从所述支撑物上或所述培养器皿中的不同区域，以大约40x至大约100x的放大率捕捉彩色图像。

14.根据权利要求8所述的系统，其中，所述相机是从由CCD相机、CMOS相机、CCD摄像机、CMOS摄像机及其组合构成的组中选择的，并且，所述相机被适配为具有来自以下组的聚焦能力，所述组包括自动聚焦能力、用户控制的电子聚焦、用户控制的手动能力及其组合。

15.根据权利要求3所述的系统，其中，所述盒还包括耦合机构，所述耦合机构用于将所述盒附着到从培育箱、培养器皿、支撑物表面、附加的盒、附加的控制单元及其组合中选择的设备。

16.根据权利要求3所述的系统，其中，所述培育箱还包括用于容纳所述盒的耦合机构。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元是数据发送设备，所述数据发送设备具有：无线能力、硬接线能力及其组合。

18.根据权利要求3所述的系统，其中，所述管理控制单元被配置为使得基于从所获取的图像确定的细胞培养状态来执行细胞培养处理操作。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述细胞培养处理操作包括下列中的一个或多个：

i）控制所述培养设备中的培养基和营养物的水平，

ii）从所述培养设备采样、提升和复苏所述细胞，

iii）将细胞划分和植板到附加的培养设备内。

20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述细胞培养处理操作包括控制从下列中选择的细胞培养处理条件的水平：pH、乳酸、葡萄糖、氧气、氮气、谷氨酰胺、二氧化碳、氨、温度、压力、湿度及其组合。

21.根据权利要求5所述的系统，其中，所述管理控制单元被配置为根据由所述相机获取的所述图像实时地确定所述细胞的所述培养状态。

22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管理控制单元被配置为根据由传感器获取的数据实时地确定所述细胞的所述培养状态，所述传感器来自于由下述传感器构成的组：pH传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、葡萄糖传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、谷氨酰胺传感器、乳酸传感器、氨传感器、氮气传感器、光谱传感器及其组合。

Images