CN107270828A - 基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法。采集细胞的离轴干涉图像，进行傅里叶变换，去除直流分量，并在图像中寻找交流分量幅值最大对应的频率点位置，以该频率点位置为中心，提取其附近的频率区间进行傅里叶反变换；在计算反变换后的幅角矩阵作为角度图像；对角度图像进行去卷绕处理，计算细胞剪切力；根据角度图像计算细胞厚度，再计算细胞质心漂移；根据细胞剪切力计算形变牵引力，根据细胞质心漂移和形变牵引力计算细胞质心机械形变。本发明方法实现了细胞质心形变的快速无损检测，角度图像对不同形态的细胞具有较强的适应性，提高了检测效率，配合成像等外观检测方法，为细胞力学参数在线检测奠定技术基础。
Description
技术领域
本发明属于生物医学检测领域，涉及显微角度图像的机械形变，尤其是涉及了一种基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法。
背景技术
生物细胞的内部结构是实验室研究、组织病理学和临床诊断的主要研究对象，而光学显微镜用于观察细胞内部结构，依赖于通过研究固定染色、细胞结构分段的实现对结构的变化进行检查，揭示了疾病的起源和控制细胞功能的机制。然后，光学显微方法有许多限制。基于组织样本分析必须与先制备固定剂，染色剂和进行细胞切片，且只能分析单个细胞生命期内变化。定量相位成像技术克服了上述缺点，无须上述步骤就能展现活细胞的结构，具有高度灵敏，非侵入性的优点。此外，由于光学成像不会扰乱细胞的结构或功能，基于相位的技术成像许可对细胞的发育、形成和功能进行研究，通过对同一位置的性质进行结构观测，可进一步测量细胞和亚细胞成分的结构和动力学的指标，并实现定量、纳米尺度的测量。
通过干涉测量技术实现测量光的相位，并可利用光的其他方面来提供额外的能力和独特的信息。而细胞的机械性能是细胞的重要指标，细胞活动可以通过细胞的刚性来揭示，与生理和行为、疾病状态密切相关。
目前最常用的测量细胞的方式机械性能是原子力显微镜，通过悬臂来监测机械刺激，然而，该方法需要复杂的方案，破坏细胞培养环境，且需要可拉伸的基质用于显微镜前应，改变，可能会改变细胞骨架动力学。
发明内容
针对于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法，能够使用定量相位显微图像识别细胞的质心机械形变，并完成形变量的自动计算，提高了检测效率，配合成像等外观检测方法，为细胞机械特性在线检测奠定技术基础。
本发明采用的技术方案是包括以下步骤：
1)细胞置于细胞培养液中，细胞培养液置于细胞容器中，驱动细胞培养液流动并在流动时采集单个细胞的离轴干涉图像；
2)对离轴干涉图像进行傅里叶变换，获得傅里叶变换图像；
3)去除傅里叶变换图像的直流分量，并在傅里叶变换图像中寻找交流分量幅值最大对应的频率点位置，以该频率点位置为中心，提取其附近的频率区间；
4)对提取的频率区间进行傅里叶反变换，在计算反变换后的幅角矩阵作为角度图像；
5)使用离散余弦变换去卷绕法，对角度图像进行去卷绕处理；
6)计算细胞剪切力；
7)根据角度图像，计算细胞厚度；
8)根据细胞厚度和去卷绕后的角度图像计算细胞质心漂移；
9)根据细胞剪切力计算形变牵引力，根据细胞质心漂移和形变牵引力计算细胞质心机械形变。
所述步骤6)具体为：
6-1)使用液体粘度计，测量液体的粘度，记为σ；
6-2)使用液体流速检测仪，测量细胞容器的液体流速，记为
6-3)测量细胞容器的容器直径，记为τ；
6-4)测量细胞容器的容器深度，记为d；
6-5)采用以下公式计算细胞剪切力：
所述步骤7)具体为：
7-1)使用折光仪，测量细胞培养液的折射率，记为n:；
7-2)采用以下公式计算细胞厚度：
dd(x,y)＝φ(x,y)λ/(2πn)
其中，λ为离轴干涉图像采集时所使用的激光波长，φ(x,y)表示步骤5)获得的去卷绕后的角度图像中的像素点，x和y为图像中像素对应的横纵坐标。
图像中每个像素对应有一个细胞厚度值。
所述步骤8)具体采用以下公式计算获得细胞的质心漂移为：
其中，φ(x,y)表示步骤5)获得的去卷绕后的角度图像中的像素点，i表示像素点的序号。
5、根据权利要求1所述的一种基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法，其特征在于：所述步骤9)具体为：
9-1)在细胞培养液流动过程中，从细胞培养液开始流动的初始时刻到到达稳定流动状态的时刻之间间隔采集多个时刻t的细胞离轴干涉图像，进行步骤1)步骤-8)计算不同时刻t下的质心漂移R(t)；
9-2)采用以下公式计算细胞在细胞培养液中所受的形变牵引力为：F＝ζS，其中S为细胞在图像中所占的面积；
9-3)然后对所有时刻t下的质心漂移R(t)使用以下公式表示的最小二乘法拟合：
其中，k和η分别为第一、第二待拟合参数；
9-4)最后用第一待拟合参数k和形变牵引力F计算细胞质心机械形变H为：
本发明适用于不同动物的不同种类细胞的质心机械形变的测量。
本发明采集的离轴干涉图像可用于研究活细胞的结构和动态，与传统方法比，本发明方法提高了测量的灵敏度和稳定性。
本发明具有的有益效果是：
本发明使用定量显微角度图像检测细胞的机械性变，具有无损、快速、低成本的优点，大大提高了机械形变测量的效率和准确性。
本发明方法采用了光学相位参数表征手段，并提出了对应的求解方法，对不同形状、不同大小、不同厚度的细胞组织具有普适性，并能自动识别形变数量，较其他方法具有更好判别精度。
本发明采用进行了可被用于分析细胞膜弹性，并可在流室或微通道上的基质实现直接探测，检测时无需对细胞进行化学处理，优于现有的其他快速检测方案。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明实施例中红细胞的原始干涉图。
图3是本发明实施例中干涉图像进行二维傅里叶变换后的强度图。
图4是本发明实施例中傅里叶反变换后的角度图像。
图5是本发明实施例中去卷绕后的角度图像。
图6是本发发明实施例中力学曲线拟合计算的过程。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用的技术方案是包括以下步骤：
1)搭建离轴干涉显微图像系统，将人体的红细胞置于细胞培养液中，细胞培养液置于细胞容器中，采集细胞的离轴干涉图像，本系统采集图像的波长为513纳米，其原始干涉图像如图2所示；
2)对干涉图像进行二维傅里叶变换，其变换后的强度图像如图3所示，图中可见三处强度分量集中的点，其中中心位置为直流分量，二处对称亮点为共轭交流分量；
3)去除傅里叶变换图像的直流分量，并在图像中寻找交流分量幅值最大处所在的频率位置，图3的中心位置为干涉图像的直流分量，图3中可见，在{112，106}坐标位置交流分量幅值最大处所在的频率位置，可见图像最大的频率分量，并以该频率位置为中心，提取x方向和y方向各100个频率点的频率范围区间；
4)对区间频率分量进行傅里叶反变换；则提取x方向和y方向各100个频率点的频率范围区间作傅里叶反变换；
5)计算反变换后图像每个像素的幅角，获得角度图象；图4给出了反变换以后的角度图像，图中可见细胞的相位，同时也出现了周期性条纹，即所述的卷绕情况；
6)使用离散余弦变换去卷绕方法，对角度图像进行去卷绕。具体实施的去卷绕采用《Unwrapping of interferometric phase-fringe maps by the discrete cosinetransform，APPLIED OPTICS，1996》中所提到的方法处理，去卷绕后图5所示；
7)计算细胞剪切力；
7-1)使用液体粘度计，计算液体的粘度，记为σ；本实施例当中的粘度为6mm2/s。
7-2)使用注射泵，控制液体流速，使用液体流速检测仪，测量细胞容器的液体流速，记为本实施例当中的液体流速为25ml/h。
7-3)测量细胞容器的直径，记为τ；本实施例当中的容器直径为5mm。
7-4)测量细胞容器的深度，记为d；本实施例当中的容器深度为5mm。
7-5)计算细胞剪切力：
8)根据角度图像，计算细胞厚度；
8-1)使用折光仪，测量细胞培养液的折射率，记为n；本实施例当中的培养液体的折射率为1.42。
8-2)步骤6)所示的去卷绕后的角度图像记为φ(x,y)，其中x和y为细胞图像像素对应的坐标；
8-3)细胞厚度dd(x,y)＝φ(x,y)λ/(2πn)，其中λ为成像系统激光波长；
9)根据细胞剪切力和细胞，计算细胞质心漂移；
9-1)细胞的质心漂移为：
10)根据细胞质心漂移，计算细胞质心形变；
10-1)在本实施例中，以0-10秒为时间区间，每秒采集一次红细胞离轴干涉图像，使用步骤1)步骤-9)，计算不同时间截点下的质心漂移R(t)；
10-2)细胞在流体中所受的力为：F＝ζS，其中S为细胞在图像中的面积；
10-3)认为10秒后质心形变到达稳定状态，故在开始流动的起始时刻到到达稳定状态时刻之间设置不同时间点采集，故可使用最小二乘法拟合如下方程如图6所示，；
10-4)计算机械形变为本实施例的质心机械形变为0.7um。
对比现有报道的原子力显微镜法等，其检测过程与理论曲线有较好的吻合，显示了本发明方法的优势。同时，由于相位显微图像不需要染色等预处理，且与细胞无接触，结合本发明方法，使检测的结果具有较好的稳定性，进一步避免了对细胞的污染，实现了无算探测细胞机械力的目的。
在本发明实施例中，本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)细胞置于细胞培养液中，细胞培养液置于细胞容器中，驱动细胞培养液流动并在流动时采集单个细胞的离轴干涉图像；
2)对离轴干涉图像进行傅里叶变换，获得傅里叶变换图像；
3)去除傅里叶变换图像的直流分量，并在傅里叶变换图像中寻找交流分量幅值最大对应的频率点位置，以该频率点位置为中心，提取其附近的频率区间；
4)对提取的频率区间进行傅里叶反变换，在计算反变换后的幅角矩阵作为角度图像；
5)使用离散余弦变换去卷绕法，对角度图像进行去卷绕处理；
6)计算细胞剪切力；
7)根据角度图像，计算细胞厚度；
8)根据细胞厚度和去卷绕后的角度图像计算细胞质心漂移；
9)根据细胞剪切力计算形变牵引力，根据细胞质心漂移和形变牵引力计算细胞质心机械形变。
2.根据权利要求1所述的一种基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法，其特征在于：所述步骤6)具体为：
6-1)使用液体粘度计，测量液体的粘度，记为σ；
6-2)使用液体流速检测仪，测量细胞容器的液体流速，记为
6-3)测量细胞容器的容器直径，记为τ；
6-4)测量细胞容器的容器深度，记为d；
6-5)采用以下公式计算细胞剪切力：
3.根据权利要求1所述的一种基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法，其特征在于：所述步骤7)具体为：
7-1)使用折光仪，测量细胞培养液的折射率，记为n:；
7-2)采用以下公式计算细胞厚度：
dd(x,y)＝φ(x,y)λ/(2πn)
其中，λ为离轴干涉图像采集时所使用的激光波长，φ(x,y)表示步骤5)获得的去卷绕后的角度图像中的像素点，x和y为图像中像素对应的横纵坐标。
4.根据权利要求1所述的一种基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法，其特征在于：所述步骤8)具体采用以下公式计算获得细胞的质心漂移为：
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其中，φ(x,y)表示步骤5)获得的去卷绕后的角度图像中的像素点，i表示像素点的序号。
5.根据权利要求1所述的一种基于显微定量角度图像的细胞质心机械形变测量方法，其特征在于：所述步骤9)具体为：
9-1)在细胞培养液流动过程中，从细胞培养液开始流动的初始时刻到到达稳定流动状态的时刻之间间隔采集多个时刻t的细胞离轴干涉图像，进行步骤1)步骤-8)计算不同时刻t下的质心漂移R(t)；
9-2)采用以下公式计算细胞在细胞培养液中所受的形变牵引力为：F＝ζS，其中S为细胞在图像中所占的面积；
9-3)然后对所有时刻t下的质心漂移R(t)使用以下公式表示的最小二乘法拟合：
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其中，k和η分别为第一、第二待拟合参数；
9-4)最后用第一待拟合参数k和形变牵引力F计算细胞质心机械形变H为：
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|---|---|---|---|---|
| WO2020155324A1 (zh) * | 2019-02-02 | 2020-08-06 | 东南大学 | 多模态生物力学显微镜及测量方法 |
| CN111830278A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-27 | 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 |
| CN113654482A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-11-16 | 东北大学秦皇岛分校 | 一种基于色差和谱域干涉的光学3d成像装置及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH03141658A (ja) * | 1989-10-26 | 1991-06-17 | Toshiba Corp | 面実装型ｉｃ素子のリード浮き検出方法 |
| CN101868553A (zh) * | 2008-03-24 | 2010-10-20 | 株式会社尼康 | 细胞观察图像的图像解析方法、图像处理程序和图像处理装置 |
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- 2017-07-05 CN CN201710543804.XA patent/CN107270828B/zh active Active
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