CN107278268B - 用于在含水测试中确定有效成分对线虫和其它有机体的作用的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在含水测试中确定有效成分对线虫和其它有机体的作用的设备（1）和方法。根据本发明的设备（1）包括：用于具有多个空腔（31）的细胞培养板（30）的保持架（13），在所述空腔中线虫能够与有效成分一起被填充，其中细胞培养板（30）具有下侧（33）、上侧（32）以及在下侧（33）与上侧（32）之间延伸的侧壁；摄像机（11），该摄像机用于记录细胞培养板（30）的优选地下侧（33）的图像；照明装置（14），具有至少一个第一光源（15），所述第一光源照亮细胞培养板（30），其中在第一光源（15）与细胞培养板（30）的第一侧壁（34）之间在安装状态下布置有第一光学单元，所述第一光学单元将第一光源（15）的光通过第一侧壁（34）朝细胞培养板（30）的下侧（33）的方向引导。通过根据本发明的方法可以在非常短的时间内同时研究许多有效成分。
Description
技术领域
本发明涉及用于在含水测试中确定有效成分对线虫和其它有机体的作用的设备和方法。
背景技术
许多类型的线虫（蛔虫）是农业中的害虫，因为它们可以通过其侵入根系而强烈损害植物新陈代谢。已经研发出了各种化学物质、即所谓的杀线虫剂以对抗线虫侵害。然而存在如下大的需求：识别另外的有效成分，通过所述有效成分可以有效地控制线虫。
从Macellino、Gut等人的公开文献（Marcellino C, Gut J, Lim KC, Singh R,McKerrow J, et al. (2012) WormAssay: A Novel Computer Application for Whole-Plate Motion-based Screening of Macroscopic Parasites. PLoS Negl Trop Dis 6(1): e1494. doi:10.1371/journal.pntd.0001494）中已知了一种用于确定有效成分对蠕虫的作用的设备，所述设备包括用于具有多个空腔的细胞培养板的保持架，在所述空腔中蠕虫可以与有效成分一起被填充。在此，细胞培养板具有下侧、上侧以及在细胞培养板的下侧与上侧之间延伸的侧壁。此外，该设备包括摄像机，该摄像机用于记录细胞培养板的下侧的图像。该设备的照明装置具有至少一个光源，所述光源照亮细胞培养板。
已经显示，诸如细胞培养板的薄膜覆盖物处的冷凝液滴之类的干扰影响可能强烈地影响试验结果。被不良地调整的照明装置可能导致试验结果不能用。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是，提供一种用于确定有效成分对线虫的作用的设备，通过该设备可以使干扰影响最小化并且因此有效成分的作用的可靠确定是可能的。
本发明所基于的任务通过根据权利要求1所述的特征组合来解决。本发明的实施例可以从权利要求2至8中得知。
根据权利要求1，在第一光源与细胞培养板的第一侧壁之间在安装状态下布置有第一光学单元，该第一光学单元通过第一侧壁将第一光源的光朝细胞培养板的下侧的方向引导。在一个实施例中，该光学单元包括透镜，所述透镜将第一光源的光朝细胞培养板的下侧的方向引导和/或聚束。
该光学单元可以具有棒形透镜，所述棒形透镜基本上在细胞培养板的侧壁的整个长度上延伸。在此，棒形透镜可以平行于第一侧壁延伸。棒形透镜的中轴优选地处于细胞培养板的上侧的平面与细胞培养板的下侧的平面之间。
第一光源可以具有线形光导，所述线形光导优选地也在细胞培养板的第一侧壁的整个长度上延伸。因此，通过整个第一侧壁将光馈入到细胞培养板中，其中由棒形透镜决定地，光朝细胞培养板的下侧的方向被引导和/或聚束。线形光导或其中轴优选地处于被保持架支承的细胞培养板的上侧的平面与下侧的平面之间。在此，来自线形光导的光的射束基本上平行于细胞培养板的上侧或下侧伸展，并且然后射到棒形透镜上，通过所述棒形透镜然后将光朝下侧的方向引导。
在一个实施例中，光学单元防止直接照亮细胞培养板的上部空腔覆盖物。该上部空腔覆盖物例如可以以薄膜的形式被构造，在该薄膜处可以形成冷凝水。然而冷凝液滴对研究结果的干扰影响可以通过有针对性地照亮细胞培养板被减小或完全排除。
替代地或附加地，光学单元可以被构造，使得防止到摄像机的镜头中的直接光入射。这也已被发现对于研究结果的质量和可靠性是有益的。
在本发明的一个实施例中，第一光源与棒形透镜之间的距离为2至4cm。优选地设置有调节结构，通过所述调节结构可以在确定极限之内可自由选择地调整光源与棒形透镜之间的距离。在此，通过调节结构优选地不仅可以调整光源与棒形透镜之间的（水平）距离，而且可以调整光源与棒形透镜之间的高度偏移。
在一个实施例中，保持架由透明材料制成。优选地使用诸如PMMA（丙烯酸玻璃）之类的热塑性塑料。
照明装置可以具有第二光源和第二光学单元，其布置在细胞培养板的与第一侧壁相对的第二侧壁处。在此，第二光学单元可以被构造为与第一光学单元相同。第二光源相对于第二光学单元的布置也可以对应于在第一光源与第一光学单元之间存在的布置。
由于对线虫的作用待研究的多种有效成分，存在如下需求，提供一种借助于上面所描述的设备的方法，通过该设备可以在尽可能短的时间内研究有效成分。因此，本发明所基于的附加任务是，提供一种用于确定有效成分对线虫的作用的方法，通过该方法可以在短的时间内研究尽可能多的有效成分。
该任务利用根据权利要求9所述的方法来解决。根据本发明的方法的实施例可以由从属于权利要求9的权利要求得知。
根据本发明的用于在含水测试中确定有效成分对线虫和其它有机体的作用的方法规定：首先给细胞培养板的至少一个空腔填充线虫和有效成分。然后将细胞培养板置入到根据上述实施方案的设备中。在这一点上应当指出，替代地可以将细胞培养板布置在与根据权利要求1至8所述的实施方案不同的设备中。
现在，从细胞培养板、优选地从下侧创建多个时间上相继的数字图像。这些图像被二值化，其中图像的每个像素被分配给第一组（例如“黑色”）或者第二组（例如“白色”）。在二值化的情况下可以定义/确定阈值，其中强度小于该阈值的像素属于背景，而强度大于该阈值的像素被分配给线虫。在此，阈值的高度依赖于细胞培养板的照亮，并且因此依赖于所使用的照明装置。
在图像被二值化之前，适宜地使用形态学图像处理滤波器。在此，如下对象被滤出，所述对象的大小大于所研究的有机体的大小。相应地，对于该处理步骤需要输入参量，通过所述输入参量预先给定所研究的有机体的大小。
在二值化之后，为第一系列的记录确定第一测量曲线，其中所述第一测量曲线涉及所述至少一个空腔并且因此涉及之前已经被填充到该空腔中的有效成分。在此，第一系列的记录具有基本图像和多个后续图像，其中每个后续图像在差分法中与基本图像相比较，并且分别确定差分像素的数目。此外，为第二系列的记录确定至少一个与该空腔有关的第二测量曲线，其中为第二系列使用第一系列的一后续图像作为基本图像，并且使用第一系列的至少一个另外的后续图像作为第二系列的后续图像。最后，基于第一测量曲线和至少一个第二测量曲线确定平均的曲线。
通过为不同测量曲线使用唯一的图像，可以将要记录的图像的数目以及因此为此所需的时间保持为少的。通过创建然后进入到平均的曲线中的多个测量曲线，可以将统计方差或散射减小到如下程度：基于平均的曲线可以做出关于有效成分的作用的可再现和可靠的第一陈述。
在本发明的一个实施方案中，为第二系列的基本图像使用第一系列的第一后续图像，所述第一后续图像直接跟随在第一系列的基本图像之后（即不存在在此期间所记录的图像）。另外，针对第二系列，除了第一系列的第一后续图像之外，将第一系列的所有后续图像用作第二系列的后续图像。第二系列然后仅需通过附加的后续图像来完整化。如果例如第一系列由基本图像和9个后续图像构成，则第一系列的9个后续图像被用于第二系列，其中第一系列的第一后续图像被用作第二系列的基本图像，并且第一系列的其余8个后续图像全部被用作第二系列的后续图像。为了第二系列同样具有9个后续图像，该第二系列必须通过附加的图像来补充。为了创建分别具有10个点（包括零点在内）的第一测量曲线和第二测量曲线，因此总共11个时间上相继的图像就足够了，其中所述10个点是在不同时间点的差分像素的数目。
一个系列的基本图像与最后的后续图像之间的记录时间段可以被确定，使得在该记录时间段内针对未被处理的线虫所位于的空腔的差分像素的数目达到渐进极限值。以（简化地假定地）已经被填入仅仅一个蛔虫的空腔为例，渐进极限值的背景将被阐述：
如果例如可以给该单个蛔虫分配50个白色像素，则由基本图像（在时间点t=0）与连接在其后的后续图像的比较得出的差分像素的最大数目为100。当蛔虫已经从其原始位置（时间点t=0）完全移出时，得出数目100。一方面，蛔虫的原始的50个白色像素现在是黑色的。另一方面，之前曾是黑色的其它50个像素现在由于蛔虫的新位置而是白色的。但是如果该蛔虫现在进一步移动，则差分像素的数目保持恒定。因此，记录时间段在该简化模型中对应于未被处理的蛔虫从其原始位置（通过基本图像来定义）完全移动所需的时间。优选地通常将50至100个线虫填充到空腔中，使得渐进值不一定必须对应于被归入“白色”的像素的两倍。然而显示出，差分像素的数目向着渐进极限值进展（laufen）。
在第一系列的基本图像与最后系列的最后的后续图像之间可以确定总时间段，该总时间段可以近似对应于记录时间段的两倍（例如在1.5至2.5之间的范围内）。
两个相继的图像之间的时间间隔可以分别是恒定的，并且为1至5秒。一个系列的图像可以包括8至12个图像。平均的曲线的确定可以基于8至12个测量曲线进行。
如果例如为具有未被处理的线虫的空腔确定30秒的记录时间段，在所述记录时间段内达到渐进极限值，则总时间段可以为60秒。在两个时间上相继的图像之间的间隔为三秒的情况下，因此针对记录时间段得出每系列11个图像的数目（基本图像和10个后续图像，其中该基本图像在时间点t=0被记录。在总时间段为60秒的情况下，在该总时间段内在时间点t=0记录第一图像并且在时间点t=60秒记录最后的图像，因此得出总共21个图像，从所述图像中然后得出分别具有11个测量点（包括零点）的11个测量曲线。
附图说明
将根据在图中所示出的实施例进一步阐述本发明。
图1示意性地以横截面示出根据本发明的设备的一个实施例；
图2示意性地示出根据图1的设备的细胞培养板和照明装置的布置；
图3示出根据本发明的方法的一个实施例的流程图；以及
图4示出针对具有未被处理的线虫的空腔的测量曲线以及针对用有效成分处理过的线虫的测量曲线。
具体实施方式
图1示意性地以横截面示出用于确定有效成分对线虫的作用的设备。设备1具有壳体10，在该壳体中布置有具有镜头12的摄像机11。此外，在壳体10中设置有用于细胞培养板30的保持架13，所述细胞培养板包括多个空腔31。细胞培养板30具有上侧32和下侧33。在矩形细胞培养板30的上侧32与下侧33之间布置有四个侧壁，在所述四个侧壁中在图1的图示中能够辨认出第一侧壁34和相对的第二侧壁35。
具有第一光源15和第二光源16的照明装置14同样被布置在壳体10中。在第一光源15与第一侧壁34之间作为第一光学单元的一部分布置有棒形透镜17，所述棒形透镜如第一光源15那样在第一侧壁34的整个长度上延伸。在第二光源16与第二侧壁35之间也布置有棒形透镜18。
通过设备10可以利用摄像机11创建细胞培养板30的多个在时间上相继的数字图像，其中从细胞培养板30的下侧33记录所述图像。相应地将具有其镜头12的摄像机11布置在用于细胞培养板30的保持架13之下。设备10具有这里未进一步示出的装置，以便保存并且处理由摄像机11记录的图像。替代地，装置10可以与相应（计算机）装置连接。
图2以放大的尺度示出细胞培养板30和具有第一光源15和第二光源16的照明装置14的布置。细胞培养板30的各个空腔31被填充含水溶液36，50至100个线虫和要研究的有效成分位于所述含水溶液中。在图2中示出了8个布置成一行的空腔31，其中在12个并排布置的行的情况下将得出总共96个单独的空腔31。用于细胞培养板30的其它栅格是可能的，例如4x6或6x8的栅格。
在不同空腔31中可以填入不同有效成分。也可以存在如下空腔，在这些空腔中仅仅没有有效成分的线虫位于含水溶液中。
棒形透镜17、18造成：光源15、16的光朝下侧33的方向被引导。在此，棒形透镜17、18防止：光源15、16的光可能直接到达细胞培养板30的上侧32上，其中在上侧32上设置有薄膜37，所述薄膜从上面覆盖各个空腔31。棒形透镜17、18或棒形透镜17、18的布置也被设计，使得没有光直接落入摄像机11的镜头12中。利用17a和17b来表示从棒形透镜17射出的光束。棒形透镜18的相应出射射束通过18a、18b来表明。
从图2中可以看出，当细胞培养板30位于设备10的为该细胞培养板设置的保持架13中时，棒形透镜17、18、至少其垂直于绘图平面延伸的中轴被布置在细胞培养板30的上侧32与下侧33之间。
图3示出根据本发明的方法的一个实施例的流程图。该流程图以开始块100开始。在块101中，根据未被处理的线虫确定渐进值AW。在此，渐进值AW是在将后续图像与基本图像相比较时最大限度能够得出的差分像素的数目。图4示出未被处理的线虫的测量曲线30的这样的渐进值AW。在此，各个测量点反映在不同时间点所记录的后续图像与在时间点t=0所记录的基本图像相比较时得出的差分像素的数目。在此，将记录时间段TA与渐进值AW相关联，在所述记录时间段之内，测量曲线50至少近似地达到渐进极限值AW。在本示例中，记录时间段27应当为27秒，其中两个相邻后续图像之间的间隔或第一后续图像与基本图像（t=0）之间的间隔应当为三秒。因此，每测量曲线的包括基本图像（t=0）在内的图像的数目nAW等于10。
图4也示范性地示出针对被处理过的线虫的（平均的）测量曲线51。能够辨认出，测量曲线51在针对未被处理的线虫的测量曲线50之下伸展，因为被处理过的线虫更慢地移动或其中一些线虫不再移动。测量曲线51下面的面积相对于针对未被处理的线虫的测量曲线以下的面积越小，相应有效成分的作用就越强烈。但是还要稍后对平均的测量曲线51进行进一步探讨。
在根据未被处理的线虫确定渐进值AW之后并且在确定每测量曲线或每系列的图像的数目nAW（块101）之后，现在根据图3在块102中记录确定数目的图像图像_1至图像_x。在这一点上应当指出，摄像机1在一时间点分别创建具有所有空腔的细胞培养板30的总图像，其中然后从该总图像中针对每个单独的空腔以与空腔有关的方式切割出或创建图像图像_1至图像_x。这些图像然后在块103中被二值化。在二值化时，各个像素要么被分配给线虫（白色像素）要么被分配给背景（黑色像素）。为像素的强度确定阈值应在块103中的二值化的上游，通过所述阈值可以将像素划分成“白色”和“黑色”。
针对第一测量曲线m=1（参见块104），现在使用图像图像_2至图像_nAW，其中通过差分法来确定首先第一后续图像图像_2与基本图像图像_1之间的差分像素的数目（参见块105和块106）。在此，块106在循环的范围内多次被经过，使得针对多个后续图像确定差分像素的数目（图像_2-图像_1；图像_3-图像_1，图像_4-图像_1；...；图像_nAW-图像_1）。当针对第一测量曲线的图像的数目已经达到值n = nAW + m -1并且在该循环107之内设置的询问108不能用“是”来回答时，离开该循环107。在这种情况下存在所有值，以便创建第一测量曲线m=1（参看块109）。
在创建第一测量曲线m=1之后，现在借助于循环110创建另外的测量曲线（m=2，m=3；...；m=mmax）。在此，第二测量曲线基于差分图像图像_3-图像_2；图像_4-图像_2；...；图像_nAW+1-图像_2。因此，例如图像_3既被用于创建第一测量曲线m=1，又被用于第二测量曲线m=2。
如果循环110之内的询问111不能用“是”来回答，则离开循环110。现在存在所有测量曲线1、2、…、mmax，使得可以在块112中进行这些测量系列的平均。已经发现，通过主要动用相同图像的各个测量系列的这种平均，可以显著减小统计散射（statistischeStreuung）。因此，可以利用总共m+nAW-1个图像生成分别具有nAW个测量点（包括零点在内）的m个测量系列。
在块113中，进行平均的曲线的积分的计算，其中该积分然后可以与针对未被处理的线虫的测量曲线50下面的面积相比较（参见块114）。
如果假定图4中的上面已经提到的测量系列51对应于根据块112的平均的测量系列并且测量曲线50之下的面积包括I50=100个面积单位并且（平均的）测量曲线之下的面积包括I51=65个面积单位，则可以根据下列公式关于有效成分的功效做出陈述：（I50（未被处理）-I51（被处理过））/I50（未被处理）˙100%。在这里所基于的数例的情况下，于是将得出35%的值。
因此，例如可以在具有96个空腔的细胞培养板的情况下同时研究几乎100种有效成分。针对如下图像的记录，有时60秒就足够了，所述图像是为了生成具有足够多的测量点的足够数目的测量系列以便获得统计上可靠的结果所需的。本发明因此实现有效成分对线虫或类似有机体的功效的快速和有效的研究。
附图标记列表
1 设备
10 壳体
11 摄像机
12 镜头
13 保持架
14 照明装置
15 第一光源
16 第二光源
17 棒形透镜（17a、17b出射射束）
18 棒形透镜（18a、18b出射射束）
30 细胞培养板
31 空腔
32 上侧
33 下侧
34 第一侧壁
35 第二侧壁
36 溶液
37 空腔覆盖物
100 开始块
101 块
102 块
103 块
104 块
105 块
106 块
107 循环
108 询问
109 块
110 循环
111 询问
112 块
113 块
114 块
Claims (14)
1.一种用于在含水测试中确定有效成分对线虫的作用的方法，具有下列步骤：
a）给细胞培养板（30）的至少一个空腔（31）填充线虫和有效成分；
b）将所述细胞培养板（30）布置在设备（1）中，所述设备（1）包括：
i）用于具有多个空腔（31）的细胞培养板（30）的保持架（13），所述线虫能够与所述有效成分一起被填充到所述空腔中，其中所述细胞培养板（30）具有下侧（33）、上侧（32）以及在下侧（33）与上侧（32）之间延伸的侧壁；
ii）摄像机（11），所述摄像机用于记录所述细胞培养板（30）的所述下侧（33）的图像；
iii）照明装置（14），所述照明装置具有至少一个第一光源（15），所述第一光源照亮所述细胞培养板（30）；
其中在所述第一光源（15）与所述细胞培养板（30）的第一侧壁（34）之间在安装状态下布置有第一光学单元，所述第一光学单元将所述第一光源（15）的光通过所述第一侧壁（34）朝所述细胞培养板（30）的所述下侧（33）的方向引导；
c）创建所述细胞培养板（30）的多个在时间上相继的图像；
d）根据所述细胞培养板（30）的照亮对所创建的图像进行二值化；
e）为第一系列的图像确定与所述空腔有关的第一测量曲线，其中所述第一系列具有基本图像和多个后续图像，其中每个后续图像在差分法中与所述基本图像相比较并且确定差分像素的数目；
f）为第二系列的图像确定至少一个与所述空腔有关的第二测量曲线，其中为所述第二系列使用所述第一系列的一个后续图像作为基本图像，并且使用所述第一系列的至少一个另外的后续图像作为所述第二系列的后续图像；
g）基于所述第一测量曲线和所述至少一个第二测量曲线确定平均的曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述第二系列的基本图像使用所述第一系列的第一后续图像，所述第一后续图像直接跟随在所述第一系列的基本图像之后，为所述第二系列，除了所述第一系列的第一后续图像之外，将所述第一系列的所有后续图像用作所述第二系列的后续图像，并且用附加的后续图像来补充所述第二系列。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定一个系列的基本图像与最后的后续图像之间的记录时间段TA，使得在所述记录时间段TA内针对未被处理的线虫所位于的空腔的差分像素的数目达到渐进极限值AW。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第一系列的基本图像与最后系列的最后的后续图像之间确定总时间段，所述总时间段近似对应于记录时间段TA的两倍。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，两个相继的图像之前的时间间隔是恒定的，并且为1至5秒。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一个系列的图像包括8至12个图像。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述平均的曲线的确定基于8至12个测量曲线进行。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学单元具有棒形透镜（17），所述棒形透镜基本上在所述细胞培养板（30）的所述第一侧壁（34）的整个长度上延伸。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述第一光源（15）具有线形光导。
10.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述光学单元防止直接照亮所述细胞培养板（30）的上部空腔覆盖物（37）。
11.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述光学单元防止到所述摄像机（11）的镜头（12）中的直接光入射。
12.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述保持架（13）由透明材料制成。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一光源（15）与所述棒形透镜（17）之间的距离在2至4cm之间。
14.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述照明装置（14）具有第二光源（16）和第二光学单元，所述第二光学单元布置在所述细胞培养板（30）的与所述第一侧壁相对的第二侧壁（35）处。
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