CN103123362B - 面向细胞机械特性检测的afm探针快速定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米操作技术领域，更具体是一种面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法。本方法通过在细胞边缘图像中实施霍夫变换检测圆形的方式实现细胞的识别，同时获得各个待测细胞的半径以及中心位置信息，并计算出各个待测细胞与探针悬臂梁在工作空间内的实际距离；通过对待测细胞的快速局部扫描，确定探针针尖与待测细胞的相对位置关系；依次实现AFM针尖对各个待测细胞测量点的快速定位，完成各个细胞机械特性的测量。本发明利用了视觉图像处理技术标定待测细胞和探针悬臂梁在工作空间的相对位置关系，可实现探针运动到待测细胞的编程控制，提高了探针操作效率；还利用了快速局部扫描方法，实现了AFM针尖和细胞相对位置的精确标定，提高了细胞机械特性测量的准确性。

Description

面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法
技术领域
本发明涉及纳米操作技术领域，更具体是一种面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法。
背景技术
活体细胞机械特性的测量是AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)在生物学应用的一个热点方向。细胞的机械特性在细胞关键活动(迁移、分裂、形变等)中起着重要作用。过去的10年中，对单个细胞机械特性的研究表明，细胞的机械功能与人类的身体状况有着密切的联系。细胞机械特性的改变可能是某些疾病发生的前兆，而疾病本身也可能导致细胞结构和机械特性的变化，因此细胞的机械特性近来被认为是一种新的生物标记，对其进行研究将有助于更好地理解疾病的生理机制，并可为疾病的早期检测、诊断和治疗提供新的方法。由于AFM具有很高的力学灵敏度，对细胞的损伤很小，对环境要求低等优点，成为测量细胞机械特性研究的首选工具，近年来关于不同领域的科学家利用AFM来研究活体细胞机械特性的报道层出不穷。其测量程序基本上完全相似，都必须对细胞样品进行扫描成像以确定细胞的中心位置，然后以手工的方式定位探针针尖到待测细胞中心，进而完成细胞机械特性的测量。由于AFM成像速度极其缓慢往往需要几分钟的时间，所以这种通过扫描成像-手动移动探针的方式来实现AFM针尖与待测细胞中心定位的方法非常耗时、效率低下，显然不能满足大批量细胞机械特性的测量需求。
因此迫切需要引入一种AFM探针快速定位方法，方便操作者快速地完成对大批量细胞机械特性的测量。
发明内容
为解决上述问题，发明了一种面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法，利用视觉图像处理技术和快速局部扫描技术实现AFM针尖和细胞相对位置的精确标定，编程控制AFM探针运动，实现AFM针尖对各个待测细胞测量点的精确快速定位，从而提高了细胞机械特性测量的效率以及准确性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法，包括以下步骤：
把已知大小的标准栅格放在AFM光学显微镜下观察，标定出在特定放大倍数下光学图像中一个像素点所对应的实际大小；
更换样品为细胞样品，利用AFM光学显微镜获得在该特定倍数下工作空间内的细胞图像；
对细胞图像进行边缘检测，通过在细胞边缘图像中实施霍夫变换检测圆形的方式实现细胞的识别，同时获得各个待测细胞的半径以及中心位置信息，并利用步骤1的结果计算出各个待测细胞与探针悬臂梁在工作空间内的实际距离；
利用得到的各个待测细胞与探针悬臂梁在工作空间内的实际距离，通过对待测细胞的快速局部扫描，确定探针针尖与待测细胞的相对位置关系；
确定细胞中心附近的多个测量点位置后，利用已知的各待测细胞和探针针尖在工作空间的位置信息，编程控制AFM探针运动，依次实现AFM针尖对各个待测细胞测量点的快速定位，完成各个细胞机械特性的测量。
所述在特定放大倍数下光学图像中一个像素点所对应的实际大小通过由图像处理计算出的一个栅格轮廓所占像素点个数和已知的栅格大小计算出来。
所述快速局部扫描具体为：
利用得到的待测细胞与探针悬臂梁在工作空间内的实际距离，将探针定位到细胞左侧；
沿着水平方向对细胞进行扫描，得到水平扫描线与细胞边缘的两个交点；
通过上述两个交点的中点确定竖直扫描线；
竖直扫描线与细胞边缘的两个交点的中点即为细胞的中心。
所述多个测量点为以细胞中心为圆心以100nm为半径的圆上平均取的10个点。
所述霍夫变换调用微软开发的开源的OPENCV库中的霍夫圆变换函数，识别出细胞边缘图像中的圆形以实现细胞识别并确定其圆心位置。
所述霍夫圆变换函数定义如下：
HoughCircles
CvSeq*cvHoughCircles(CvArr*image，void* circle_storage，int method，double dp，double min_dist，double param1＝100，double param2＝100，intmin_radius＝0，int max_radius＝0)；
其中，HoughCircles为利用Hough变换在灰度图像中找圆；第一个参数image为输入图像路径；第二个参数circle-storage用于存储检测到的圆半径、圆心坐标，并由函数函数返回；第三个参数method为Hough变换方式；第四个参数dp为累加器图像的分辨率；第五个参数min_dist为两个不同圆之间的最小距离；第六个参数param1用于Canny边缘检测算子的边缘阀值上限，下限被置为上限的一半；第七个参数min_radius为最小圆半径；第八个参数max_radius为最大圆半径。
本发明具有以下优点：
1.利用了视觉图像处理技术标定待测细胞和探针悬臂梁在工作空间的相对位置关系，可实现探针运动到待测细胞的编程控制，提高了探针操作效率。
2.利用了快速局部扫描方法，实现了AFM针尖和细胞相对位置的精确标定，提高了细胞机械特性测量的准确性。
附图说明
图1为本发明快速局部扫描示意图；
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
快速局部扫描算法：探针针尖位于悬臂梁的下方，其真实位置无法观测，利用光学图像只能标识出探针悬臂梁与细胞的相对位置关系，因此需要利用快速局部扫描方法来精确确定出探针针尖与细胞的相对位置关系。
如图1所示，执行局部扫描的具体过程为：实际的细胞中心可以由两条线来确定-一条水平扫描线和一条竖直扫描线。利用得到的细胞与探针悬臂梁之间的实际距离，将探针定位到细胞的左侧，然后沿着水平方向对细胞进行扫描，我们就可以得到水平扫描线L与细胞边缘的两个交点P和Q，这时竖直扫描线V就可以确定了。这条通过P和Q的中点O1自上而下的竖直扫描线V与细胞边缘也有两个交点M和N，其中M和N的中点O就是细胞的中心，而此时探针针尖所在位置即为竖直扫描线的底端T点。通过这种方式，可实现了AFM针尖和待测细胞相对位置的精确标定。
其中面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位流程图如图2所示，具体实施步骤如下：
1.把已知大小的标准栅格放在AFM光学显微镜下观察，利用图像处理方法(边缘识别和轮廓提取方法)计算出一个栅格轮廓所占的像素点个数，由于栅格大小已知，故可以通过这种栅格标定的方式事先标定出在特定放大倍数下光学图像中一个像素点所对应的实际大小。
2.更换样品为细胞样品，利用AFM光学显微镜获得在该特定倍数下工作空间内的细胞图像。
3.获得工作空间内的细胞图像后，利用Canny算子边缘检测方法对其进行边缘检测，接着通过在细胞边缘图像中实施霍夫变换检测圆形的方式以实现细胞识别，同时获得各个待测细胞的半径以及中心位置信息，并利用步骤1的结果计算出各个待测细胞与探针悬臂梁在工作空间内的实际距离。
4.利用得到的各个待测细胞与探针悬臂梁之间的位置关系，通过对待测细胞的快速局部扫描，精确确定探针针尖与待测细胞的相对位置关系。
5.确定细胞中心附近的多个测量点(在以细胞中心为圆心以100nm为半径的圆上平均取十个点)位置后，利用已知的各待测细胞和探针针尖在工作空间的位置信息，编程控制AFM探针运动，依次实现AFM针尖对各个待测细胞测量点的快速定位，完成各个细胞机械特性的测量。

Claims (5)

1.一种面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
把已知大小的标准栅格放在AFM光学显微镜下观察，标定出在特定放大倍数下光学图像中一个像素点所对应的实际大小；
更换样品为细胞样品，利用AFM光学显微镜获得在该特定倍数下工作空间内的细胞图像；
对细胞图像进行边缘检测，通过在细胞边缘图像中实施霍夫变换检测圆形的方式实现细胞的识别，同时获得各个待测细胞的半径以及中心位置信息，并利用在特定放大倍数下光学图像中一个像素点所对应的实际大小计算出各个待测细胞与探针悬臂梁在工作空间内的实际距离；
利用得到的各个待测细胞与探针悬臂梁在工作空间内的实际距离，通过对待测细胞的快速局部扫描，确定探针针尖与待测细胞的相对位置关系；
确定细胞中心附近的多个测量点位置后，利用已知的各待测细胞和探针针尖在工作空间的位置信息，编程控制AFM探针运动，依次实现AFM针尖对各个待测细胞测量点的快速定位，完成各个细胞机械特性的测量；
所述快速局部扫描的具体过程为：利用得到的细胞与探针悬臂梁之间的实际距离，将探针定位到细胞的左侧，然后沿着水平方向对细胞进行扫描，得到水平扫描线L与细胞边缘的两个交点P和Q，通过P和Q的中点O1自上而下的竖直扫描线V与细胞边缘也有两个交点M和N，其中M和N的中点O就是细胞的中心。
2.根据权利要求1所述的面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法，其特征在于，所述在特定放大倍数下光学图像中一个像素点所对应的实际大小通过由图像处理计算出的一个栅格轮廓所占像素点个数和已知的栅格大小计算出来。
3.根据权利要求1所述的面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法，其特征在于，所述多个测量点为以细胞中心为圆心以100nm为半径的圆上平均取的10个点。
4.根据权利要求1所述的面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法，其特征在于，所述霍夫变换调用微软开发的开源的OPENCV库中的霍夫圆变换函数，识别出细胞边缘图像中的圆形以实现细胞识别并确定其圆心位置。
5.根据权利要求4所述的面向细胞机械特性检测的AFM探针快速定位方法，其特征在于，所述霍夫圆变换函数定义如下：
HoughCircles
CvSeq*cvHoughCircles(CvArr*image,void*circle_storage,int method,doubledp,double min_dist,double param1＝100,double param2＝50,int min_radius＝0,intmax_radius＝0)；
其中，HoughCircles为利用Hough变换在灰度图像中找圆；第一个参数image为输入图像路径；第二个参数circle-storage用于存储检测到的圆半径、圆心坐标，并由函数函数返回；第三个参数method为Hough变换方式；第四个参数dp为累加器图像的分辨率；第五个参数min_dist为两个不同圆之间的最小距离；第六个参数param1用于Canny边缘检测算子的边缘阀值上限，param2用于Canny边缘检测算子的边缘阀值下限，下限被置为上限的一半；第七个参数min_radius为最小圆半径；第八个参数max_radius为最大圆半径。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104655879A (zh) * 2015-03-05 2015-05-27 北京大学第三医院 一种应用原子力显微镜检测宫颈脱落细胞刚度的方法
CN107009391B (zh) * 2017-04-24 2023-05-12 珠海格力智能装备有限公司 机器人抓取方法
CN111595508B (zh) * 2020-05-07 2021-06-25 南开大学 一种细胞内压的测量方法
CN111652848B (zh) * 2020-05-07 2023-06-09 南开大学 一种机器人化的贴壁细胞三维定位方法
CN111830278B (zh) * 2020-07-29 2021-09-14 南开大学 基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法
CN112597797B (zh) * 2020-11-18 2021-08-31 扬州大学 基于深度学习分析暗场显微镜中纳米探针捕获病毒的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008002605A2 (en) * 2006-06-26 2008-01-03 The Regents Of The University Of California Method and system for measuring single cell mechanics using a modified scanning probe microscope
CN101176167A (zh) * 2004-09-23 2008-05-07 利兰·斯坦福青年大学托管委员会 用于电化学、电学或形貌分析的传感器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8342867B2 (en) * 2009-12-01 2013-01-01 Raytheon Company Free floating connector engagement and retention system and method for establishing a temporary electrical connection

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101176167A (zh) * 2004-09-23 2008-05-07 利兰·斯坦福青年大学托管委员会 用于电化学、电学或形貌分析的传感器
WO2008002605A2 (en) * 2006-06-26 2008-01-03 The Regents Of The University Of California Method and system for measuring single cell mechanics using a modified scanning probe microscope

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CAD-Guided Automated Nanoassembly Using Atomic Force Microscopy-Based Nonrobotics;Heping Chen 等;《IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATION SCIENCE AND ENGINEERING》;20060731;第3卷(第3期);第208-217页 *
Circle recognition through a 2D Hough Transform and radius histogramming;Dimitrios Ioannou 等;《Image and Vision Computing》;19990131;第17卷(第1期);第15-26页 *
基于AFM 的淋巴瘤细胞成像及其机械特性测定;李密等;《科学通报》;20100805;第2188-2196页 *

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