CN104237108A - 一种加入明显区域标示的细胞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加入明显区域标示的细胞检测方法，步骤包括：步骤1：设计微通道结构，然后利用微流控技术及鞘液原理将细胞液及鞘液注入微通道中，同时每隔一定时间加入特征明显的标示球，实现对细胞进行区域标记；步骤2：采集细胞液流动过程中的视频序列；步骤3：将细胞和标示从背景中分割出来；步骤4：在完成分割的基础上对细胞进行追踪、计数和种类识别。本发明在对细胞进行检测的同时能够采集到直观的细胞图像，通过在细胞流动过程中注入明显标示的方法将复杂的细胞检测算法转化为简单的基于区域的方法，减少了计算量，提高了处理速度。而且所提出的细胞检测装置不需要显微镜，激光源等，有体积小，成本低的优势。

Description

一种加入明显区域标示的细胞检测方法

技术领域

本发明属于微流控技术和图像处理技术相结合的领域，在细胞液流动过程中通过加入明显标示实现对细胞的精确检测，具体涉及一种加入明显区域标示的细胞检测方法。

背景技术

医学上的分析仪器正向着微型化、集成化的方向发展，微流控技术因其快速、微型、自动、低耗等特征在医药研究领域得到了越来越多的关注。目前主流的细胞分析仪器是流式细胞仪，将荧光染色的细胞悬液通过液流压力作用射入样品管，根据鞘液原理将细胞液限制在液流的轴线上；经荧光染色的细胞受到激光照射发出荧光，然后通过光电转换器转变成电信号并进行放大；经放大后的电信号被送往分析器；分析器根据电信号脉冲的道数和脉冲高度进行数据处理和分析，最后得出细胞检测结果。

与上述细胞仪原理相似的也有一种电阻抗细胞分析仪，是根据细胞与溶液的电阻抗大小不同来工作的。将细胞悬液用等渗电解质溶液稀释，给溶液中插入一根小孔管，小孔管内侧充满了细胞稀释液并有一个内电极，外侧细胞悬液中有一个外电极。电流接通后，位于小孔两侧的电极产生稳定的电流，当有一个细胞通过小孔时，由于细胞的导电性质比稀释液低，在电路中小孔感应区内的电阻增加，在瞬间由于电压变化出现一个脉冲信号，最后对脉冲进行分析得到结果。

上述的这两种方法目前应用比较普遍，但都有一个缺点，那就是检测结束后并不能留下直观的被测对象的影像记录，而且只是对细胞通过检测区时的信息进行记录，许多情况下，细胞的动态行为对病理诊断起着至关重要的作用，需要对细胞在不同时刻的动态信息进行综合考评。

发明内容

本发明的目的是提供一种加入明显区域标示的细胞检测方法，在检测的同时采集直观的细胞图像，得到细胞在不同时刻的动态信息，完成细胞的追踪、计数和种类识别。

本发明所采用的技术方案是：一种加入明显区域标示的细胞检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：设计微通道结构，然后利用微流控技术及鞘液原理将细胞液及鞘液注入微通道中，同时每隔一定时间加入特征明显的标示球，实现对细胞进行区域标记；

步骤2：采集细胞液流动过程中的视频序列；

步骤3：将细胞和标示从背景中分割出来；

步骤4：在完成分割的基础上对细胞进行追踪、计数和种类识别。

本发明的有益效果是，在进行细胞检测的同时能够采集到直观的细胞图像，进而得到细胞在不同时刻的动态信息，完成细胞的追踪、计数和种类识别。通过加入明显标示的方法将复杂的检测算法转化为基于区域的算法，例如将复杂的细胞追踪算法转化为细胞与明显标示之间的简单的距离计算；且本发明所提出的细胞检测装置具有体积小，成本低的优势。

附图说明

图1为本发明方法采用的微通道结构示意图；

图2为本发明方法采集到的视频序列中有两个标示球的一帧图像；

图3为本发明方法采集到的视频序列中下一个标示球进入微通道时的图像；

图4为本发明方法实施例对图2进行分割的结果；

图5为本发明方法实施例对图3进行分割的结果；

图6为本发明方法实施例为待追踪微球的图像；

图7为本发明方法实施例对图6中蓝色标记的微球的追踪结果；

图8为本发明方法实施例待追踪细胞的图像；

图9为对图8中橙色标记的细胞的追踪结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

基于微流控技术和数字图像处理技术，本发明提出了一种在细胞溶液流动过程中加入明显标示的细胞检测方法，在检测的同时能够采集到直观的细胞图像，进而可以得到细胞在不同时刻的动态信息，通过加入明显标示的方法将复杂的细胞检测算法转化为简单的基于区域的方法。

本发明加入明显区域标示的细胞检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：设计微通道结构，然后利用微流控技术及鞘液原理将细胞液(细胞悬液)及鞘液注入微通道中，同时每隔一定时间加入特征明显的标示球；

如图1所示微通道结构是，包括细胞液微通道，细胞液微通道主体部分为水平段，细胞液微通道水平段前后端分别设置有注入管(注入口)和排出管(出口)，细胞液微通道水平段前段水平左右对称连接有两个鞘液加入管，用于给细胞液中加入鞘液，两个鞘液加入管之前的细胞液微通道水平段上还连接有一个标示加入管，用于给细胞液中加入标示(或标示球)，

微流控技术能够在微米级、纳米级结构中精确操控纳升至皮升体积流体，流体的流速、流动方向等参数均可得到精确的控制，广泛应用于物理、化学、微加工和生物技术等学科。本发明就是将微流控技术应用于生物医学领域，使用如图1所示的微通道结构，通过调整细胞液注入口处的压力能够精确控制流体的流速和方向，同时采用鞘液原理能够将细胞液聚焦在微通道中间，不会造成贴壁现象，同时每隔一定时间加入特征明显的标示球，实现对细胞进行区域标记。

步骤2：采集细胞液流动过程中的视频序列

采集方法可以有很多种，例如CMOS图像传感器、CCD图像传感器、光电探测方法等，只要能够得到细胞图像即可。

步骤3：将细胞和标示从背景中分割出来

细胞图像的分割算法在生物医学与数字图像处理相结合的领域一直处于热门研究状态，主流的分割算法有基于阈值分割的方法、基于边缘检测的分割方法、基于区域的分割方法、基于数学形态学的分割方法、基于小波变换的分割方法、基于特征提取的分割方法或基于遗传算法的分割方法等。根据细胞样品的特点采用相应的分割算法。

步骤4：在完成分割的基础上对细胞进行追踪、计数和种类识别

通过加入的标示(区域标示)，就能够将复杂的细胞追踪算法转化为细胞和区域标示之间的简单的距离计算，记住细胞在当前帧中与标示之间的距离，那么在下一帧中找出与标示同样距离的细胞，即可完成追踪；

在完成分割的基础上，对每两个相邻标示之间的细胞进行计数，最后进行叠加即可完成细胞计数；(或者如下面一段所述)

在完成分割的基础上，对第i(n)个和第i+1(n+1)个标示之间的细胞进行计数，i(n)＝1,2,3……n-1(N-1)，n(N)为标示球个数，最后进行叠加即可完成细胞计数；

另外，通过超分辨率重建的方法还可以对细胞进行预放大，得到更多的细节信息，根据这些细节信息实现对细胞进行种类的识别。

超分辨率重建方法是利用低分辨率图像序列通过信号估计理论来生成高分辨率图像，主要分为基于多帧的超分辨率重建算法和基于单帧的超分辨率重建算法，既可以根据基于单帧的超分辨率重建方法对当前细胞通过插值进行放大，也可以在追踪的基础上，得到当前细胞在相邻几帧中的像素值，然后通过基于多帧的超分辨率重建方法对当前细胞进行放大。放大后，可以得到更多的信息，例如形状，大小和核质比等。然后根据这些信息对细胞进行分类。

实施例

实施例以加入微型标示球的细胞追踪方式为例进行说明。

步骤1：将细胞悬液与鞘液分别注入微通道中，同时每隔一定时间注入标示球，利用微流控技术使得细胞不粘连，通过鞘液原理将细胞和标示球聚焦在微通道中轴线处并且按顺序依次流过微通道，图1为本实施例所采用的微通道结构示意图，共有4个注入口，其中的两个注入口用于注入细胞液和标示球，两侧的两个注入口用于注入鞘液；

步骤2：采集视频序列，本实施例采用CMOS图像传感器进行成像。参照图2和图3，分别为其中两帧视频的截图；

步骤3：将细胞和标示球从背景中分割出来。本实施例采用的是基于块的迭代阈值分割方法。图4和图5分别为对图2和图3两帧图像对应进行分割的结果示意图，其中，用绿色框标志出来的是细胞，用红色框标志出来的是标示球；

步骤4：对标示球进行追踪。在注入标示球时，通过微流控技术控制标示球的间隔以及流速，保证每一帧图像中出现1个或2个标示球，这样可以通过对设定区域进行搜索来完成标示球的追踪。图6和图7为在分割后的基础上对标示球的追踪结果，图6中红色框和蓝色框标志的分别为两个标示球，图7中蓝色框标志的即为图6中蓝色标志的微球，而红色框标志的微球已经流出通道，图7中黄色框标志的微球为新流进来的微球。

步骤5：根据待追踪细胞与标示球的相对距离进行细胞追踪，图8和图9为追踪效果图，对图8中的橙色框标记的细胞进行追踪，由图8可以看出该细胞为蓝色框标记的微球左边第二个细胞，根据此距离信息在图9中进行追踪。步骤4中的追踪算法已经得出蓝色框标示球的位置，找出该标示球左侧第二个细胞(图9中橙色框标记)即为图8中需要追踪的细胞。

综上所述，本发明基于微流控技术和基于数字图像处理技术的细胞检测方法，在细胞流动过程中加入明显标示，采集细胞运动的视频序列，用数字图像处理技术对视频序列进行分析，得出所需要检测的信息。本发明在对细胞进行检测的同时能够采集到直观的细胞图像，通过在细胞流动过程中注入明显标示的方法将复杂的细胞检测算法转化为简单的基于区域的方法，减少了计算量，提高了处理速度。而且所提出的细胞检测装置不需要显微镜，激光源等，具有体积小，成本低的优势。

Claims (5)

1.一种加入明显区域标示的细胞检测方法，其特点在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：设计微通道结构，然后利用微流控技术及鞘液原理将细胞液及鞘液注入微通道中，同时每隔一定时间加入特征明显的标示球，实现对细胞进行区域标记；

步骤2：采集细胞液流动过程中的视频序列；

步骤3：将细胞和标示从背景中分割出来；

步骤4：在完成分割的基础上对细胞进行追踪、计数和种类识别。

2.根据权利要求1所述的加入明显区域标示的细胞检测方法，其特点在于：所述的微通道结构是，包括细胞液微通道，细胞液微通道主体部分为水平段，细胞液微通道水平段前后端分别设置有注入管和排出管，细胞液微通道水平段前段水平左右对称连接有两个鞘液加入管，用于给细胞液中加入鞘液，两个鞘液加入管之前的细胞液微通道水平段上还连接有一个标示加入管，用于给细胞液中加入标示。

3.根据权利要求1所述的加入明显区域标示的细胞检测方法，其特点在于：所述的步骤2中，采集方法选用CMOS图像传感器、CCD图像传感器或光电探测。

4.根据权利要求1所述的加入明显区域标示的细胞检测方法，其特点在于：所述的步骤3中，细胞图像的分割算法选用基于阈值分割的方法、基于边缘检测的分割方法、基于区域的分割方法、基于数学形态学的分割方法、基于小波变换的分割方法、基于特征提取的分割方法或基于遗传算法的分割方法。

5.根据权利要求1所述的加入明显区域标示的细胞检测方法，其特点在于：所述的步骤4中，分别实现以下功能：

通过加入的标示，就能够将复杂的细胞追踪算法转化为细胞和区域标示之间的简单的距离计算，记住细胞在当前帧中与标示之间的距离，那么在下一帧中找出与标示同样距离的细胞，即可完成追踪；

在完成分割的基础上，对第i个和第i+1个标示之间的细胞进行计数，i＝1,2,3……n-1，n为标示球个数，最后进行叠加即可完成细胞计数；

另外，通过超分辨率重建的方法还可以对细胞进行预放大，得到更多的细节信息，根据这些细节信息实现对细胞进行种类的识别。