CN112229837A - 基于磁声电效应的三维细胞成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁声电效应的三维细胞成像系统，其信号激励单元提供脉冲激励信号，经过功率放大后激励超声换能器；三维电动移动单元沿X、Y、Z三个方向控制超声换能器对样品扫描。超声换能器激发超声波。两块磁体上下相对放置，形成沿Y轴方向的静磁场。信号采集单元连接电极，采集洛仑兹电压信号，电极沿Z轴方向相对放置。X轴方向为水平向右方向，Y轴方向为竖直向上方向，Z轴方向与X轴、Y轴构成右手坐标系。数据处理与控制单元根据洛仑兹电压信号重建二维或者三维图像，并分别与信号激励单元、三维电动移动单元、信号采集单元连接，实现自动扫描与数据采集。本发明通过对洛仑兹电压信号进行图像重建，实现三维细胞形态与组织结构成像。
Description
技术领域
本发明涉及基于磁声电效应的三维细胞成像系统。
背景技术
与单层的二维细胞培养相比，三维细胞培养能够更好地模拟体内细胞生长微环境。同时，处于三维培养环境中的细胞，对外部刺激的反应也更接近体内真实反应。例如，研究表明，三维细胞培养模型的基因表达比二维更接近临床表达谱，能更好预测临床疗效。由于可以更好地模拟体内生理与病理状态，三维细胞培养模型被广泛应用于癌症、基因治疗、药物发现与筛选、基础生物等研究领域。三维细胞培养模型比二维培养的结构复杂，成像是可视化这种复杂结构内部的细胞形态与活动必不可少的工具。
当前，用于三维细胞培养模型成像的主要方法是光学切片显微成像，包括共聚焦、多光子、光片荧光等方法。但是，由于光学切片显微成像或者由于光毒性、或者需要对样本进行标记、染色或清洗等前处理，仍然不可避免地对细胞结构造成不同程度的损伤。此外，三维细胞培养基质并非总是光学透明的。因此，国内外学者仍然不断致力于研究新型的非标记的三维细胞成像方法。
微电阻抗成像是近年来得到快速发展的一种三维细胞成像方法，在评估三维细胞培养模型的大小、增殖、药物反应、活性等方向展示出很好的前景。利用微电阻抗成像，无需对三维细胞培养体进行标记等前处理，是光学切片显微成像的重要技术补充，特别适应于在非光学透明的培养基质中进行三维细胞成像。
但是，目前的微电阻抗成像存在以下问题：微电阻抗成像只能对三维细胞培养体进行整体成像，不能获得三维细胞培养体内部的细节信息，分辨率亟待提高。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明提出一种基于磁声电原理的三维细胞成像系统。本发明能够克服当前的微电阻抗成像分辨率低的问题，实现对三维细胞培养体的内部细节的可视化成像，具有细胞尺寸的分辨力，能够在三维细胞培养的单个生物样本内跨越式地从细胞水平到整个组织水平可视化生理与病理过程，这对于疾病和药物研究意义重大。
为实现前述目的，本发明三维细胞成像系统包括信号激励单元、三维电动移动单元、超声换能器、磁体、测量电极、信号采集单元、数据处理与控制单元。
其中，信号激励单元的输出端与超声换能器的输入端连接，信号激励单元提供脉冲激励信号，经过功率放大之后激励超声换能器产生超声波；三维电动移动单元包含步进电机，可以沿X、Y、Z三个方向移动按照预设的路径移动，步进电机与超声换能器连接，进而控制超声换能器对样品进行扫描；超声换能器沿X轴方向激发超声波，X轴方向为水平向右方向；两块磁体上下相对放置，形成沿Y轴方向的静磁场，Y轴方向为竖直向上方向；测量电极通过电极连接导线与信号采集单元的输入端相连接，采集洛仑兹电压信号；数据处理与控制单元与信号激励单元、三维电动移动单元、信号采集单元之间均通过串口相互连接，相互传递状态与控制信号；数据处理与控制单元对洛仑兹电压信号进行图像重建。
为实现细胞尺寸的高分辨成像，需要提高超声激励频率，为此，超声激励频率f、预期空间分辨率d、超声波传播速度c之间满足关系：
一般人体细胞直径在15μm左右，细胞和组织中的声速近似为1500m/s，代入上述公式，要求超声激励频率大于50MHz。
优选的，超声激励方向、静磁场方向、洛仑兹电压测量方向两两垂直，有助于提高测量信号质量，进而提高成像分辨率。
优选的，待测样品放置于两块磁体的中间，测量电极贴于待测样品表面，通过电极线连接到信号采集单元。
本发明自动化扫描与采集数据过程如下：
(1)数据处理与控制单元通过程序预先设定超声换能器扫描的路径、采样点数等数据采集参数；数据处理与控制单元检测信号激励单元、三维电动移动单元、信号采集单元的状态信息，当所有单元准备就绪后，本发明装置进入待采集状态；
(2)数据处理与控制单元触发三维电动移动单元的步进电机控制超声换能器移动到第一个扫描位置；
(3)超声换能器就位后，三维电动移动单元向数据处理与控制单元反馈就绪信号；
(4)数据处理与控制单元触发信号激励单元，开始激发超声波；同时，触发信号采集单元采集洛仑兹电压数据；
(5)信号采集单元完成单次数据采集后，向数据处理与控制单元反馈数据采集完成信号，数据处理与控制单元触发信号激励单元停止发射脉冲激励信号；
(6)数据处理与控制单元触发三维电动移动单元的步进电机，控制超声换能器移动到下一个扫描位置；
(7)重复步骤(3)～步骤(6)，直至完成对待测样品的扫描。
本发明用于三维细胞成像的工作原理和工作过程具体如下：
待测样品受超声波和静磁场双重作用。待测样品内在声场作用的聚焦区域的粒子会随着声波发生振荡；由于待测样品又置于静磁场中，振动粒子受洛伦兹力作用，形成局部的随着声波变化的动生源电流分布；局部电流在目标体内形成次生电磁场，从而在目标体表面产生可测量的电压信号；通过三维扫描和图像重建，即可获得待测样品图像。对于50MHz以上的高频超声，在待测样品中的位移电流不能忽略，洛仑兹力诱导电压满足以下方程：
其中，σ为电导率；∈为介电常数；u为洛仑兹力诱导产生电压，简称洛仑兹电压；v为超声波作用下的粒子振动速度；t为时间；B0为静磁场；Γ表示待研究区域边界,n为研究区域边界的外法向量；
为Hamiltonian算子，表示对相应的矢量求散度。
本发明的技术方案中，使用均匀静磁场；同时，细胞组织传播以纵波为主，因此粒子振动速度v是无旋的，式(2)可简化为：
其中，
仍为Hamiltonian算子，但是表示对电导率σ和介电常数∈求梯度；其它变量的含义与式(1)相同。
从式(2)可以看出，如果待研究区域的电特性均匀分布，则不存在可测量的洛仑兹电压；反之，如果研究区域存在电导率不连续的界面，则会产生较强的洛仑兹电压信号。对于三维细胞培养体，单个细胞的内外电特性存在较大差异，从而每个细胞膜的位置都是一个电特性突变界面，进而在三维细胞培养体的外表面会产生可测量的洛仑兹电压信号。测量的洛仑兹电压信号的峰值或者谷值对应细胞膜。因此，对洛仑兹电压信号进行图像重建即可实现三维细胞形态与结构成像。对洛仑兹电压信号进行图像重建的具体步骤如下：
(1)超声换能器在三维电动移动单元控制下扫描待测样品，得到三维扫描的洛仑兹电压u(t,y,z)，t为采样时间，y为超声换能器的y坐标，z表示超声换能器的z坐标。
(2)三维扫描数据u(t,y,z)经过时深转换转变为三维点云数据u(x,y,z)。时深转换是指由采样时间求得x轴坐标的过程，如果超声换能器的x轴坐标为x0，则采样时间t对应的x轴坐标为x＝x0+ct，其中c为超声波的传播的速度。
(3)对三维点云数据u(x，y，z)进行二值化处理，从起始时间到第一个波峰之间为0，从第一个波峰到第一个波谷之间为1，从第一个波谷到第二波峰之间为0，依此类推；
(4)采用MarchingCubes算法绘制三维点云数据u(x,y,z)的值为0.5的等值面，获得三维细胞形态和结构图像。
本发明所提出的方法与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明方法采用高频超声波，其分辨率可以达到超声波波长的一半，按照前述技术方案选择频率参数，可以实现细胞级的高分辨率三维细胞形态和组织结构成像，从而实现从单个三维细胞培养的生物样本内跨越式地从细胞水平到整个组织水平可视化生理与病理过程；
(2)本发明通过直接对洛仑兹电压进行图像重建实现成像，与现有技术方案相比，无需求解逆问题，从而避免了逆问题的不收敛性和非唯一性，大大简化了三维细胞形态与结构的成像过程。
附图说明
图1为三维细胞成像系统示意图，1信号激励单元；2三维电动移动单元；3超声换能器；4水槽；5、8磁体；6、7测量电极；9待测样品；10电极连接导线；11信号采集单元；12数据处理与控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明三维细胞成像系统包括：信号激励单元1、三维电动移动单元2、超声换能器3、磁体5、8、一对测量电极6、7、电极连接导线10、信号采集单元11、数据处理与控制单元12。
信号激励单元1的输出端与超声换能器3的输入端连接，信号激励单元1提供脉冲激励信号，经过功率放大之后激励超声换能器3；三维电动移动单元2包含步进电机，可以沿X、Y、Z三个方向按照预设的路径移动，步进电机与超声换能器3连接，控制超声换能器3对待测样品进行扫描；超声换能器3激发超声波；超声换能器3与待测样品9均放于水槽4中；磁体5、8上下相对放置，第一磁体5位于水槽4的上方，第二磁体8位于水槽4下方；一对测量电极6、7通过电极连接导线10与信号采集单元11的输入端相连接；数据处理与控制单元12与信号激励单1、三维电动移动单元2、信号采集单元11之间均通过串口相互连接，可以相互传递状态与控制信号。
超声换能器3为聚焦型超声换能器，激发的超声波为聚焦声场；超声波频率f、预期空间分辨率d、超声波传播速度c之间满足关系：
实施例中，预期空间分辨率为15μm，声波传播速度为1500m/s，超声波中心频率选择100MHz，满足上述要求。
超声激励方向为X轴方向、静磁场方向沿Y轴方向、洛仑兹电压测量方向沿Z轴方向；X轴方向为水平向右方向，Y轴方向为竖直向上方向，Z轴方向与X轴、Y轴构成右手坐标系。
待测的三维细胞培养体样品放置于培养皿中，培养皿放置两块磁体5、8的中间，并位于磁体中央，测量电极6、7贴于样品表面。
本发明三维细胞成像系统对三维细胞培养体进行成像的过程如下：
(1)在数据处理与控制单元12的统一控制下，信号激励单元1、三维电动移动单元2、信号采集单元11共同完成三维数据扫描，具体包括如下子步骤：
(1.1)数据处理与控制单元12通过程序预先设定的超声换能器3扫描路径、采样点数等数据采集参数；数据处理与控制单元12检测信号激励单元1、三维电动移动单元2、信号采集单元11的状态信息，当所有单元准备就绪后，本发明装置进入待采集状态；
(1.2)数据处理与控制单元12触发三维电动移动单元1的步进电机，控制超声换能器3移动到第一个扫描位置；
(1.3)超声换能器3就位后，三维电动移动单元2向数据处理与控制单元12反馈就绪信号；
(1.4)数据处理与控制单元12触发信号激励单元1开始激发超声波；同时，触发信号采集单元11采集洛仑兹电压数据；
(1.5)信号采集单元11完成单次数据采集后，向数据处理与控制单元12反馈数据采集完成信号，数据处理与控制单元12触发信号激励单元1停止发射脉冲激励信号；
(1.6)数据处理与控制单12触发三维电动移动单元1的步进电机控制超声换能3移动到下一个扫描位置；
(1.7)重复步骤(1.3)～步骤(1.6)，直至完成对待测样品的扫描。
实施例，超声换能器在yz平面内扫描，共2500次扫描。
(2)扫描完成后，对三维扫描数据进行图像重建，实现对三维细胞培养体的细胞成像，具体包括如下子步骤：
(2.1)将三维扫描数据u(t,y,z)经过时深转换转变为三维点云数据u(x,y,z)，采样时间t对应的x轴坐标为x＝x0+ct，其中c为超声波的传播的速度，实施例中超声波的传播速度c为1500m/s；
(2.2)对三维点云数据u(x，y，z)进行二值化处理，从起始时间到第一个波峰之间为0，从第一个波峰到第一个波谷之间为1，从第一个波谷到第二波峰之间为0，依此类推；
(2.3)采用MarchingCubes算法绘制三维点云数据u(x,y,z)的值为0.5的等值面，获得三维细胞形态和结构图像。
Claims (7)
1.一种基于磁声电效应的三维细胞成像系统，其特征在于，所述的成像系统包括信号激励单元(1)、三维电动移动单元(2)、超声换能器(3)、磁体(5、8)、测量电极(6、7)、信号采集单元(11)，以及数据处理与控制单元(12)；
信号激励单元(1)的输出端与超声换能器(3)的输入端连接，信号激励单元(1)提供脉冲激励信号，经过功率放大之后激励超声换能器(3)；三维电动移动单元(2)包含步进电机，能够沿X、Y、Z三个方向按照预设的路径移动，步进电机与超声换能器(3)连接，控制超声换能器(3)对待测样品进行扫描；超声换能器(3)沿X轴方向激发超声波，X轴水平向右；超声换能器(3)与待测样品(9)均放于水槽(4)中；磁体(5、8)上下相对放置，第一磁体(5)位于水槽(4)的上方，第二磁体(8)位于水槽(4)的下方，形成静磁场；一对测量电极(6、7)贴于待测样品表面，通过电极连接导线(10)与信号采集单元(11)的输入端相连接，采集洛仑兹电压信号；数据处理与控制单元(12)与信号激励单元(1)、三维电动移动单元(2)、信号采集单元(11)之间均通过串口相互连接，相互传递状态与控制信号；数据处理与控制单元(12)对洛仑兹电压信号进行图像重建。
2.按照权利要求1所述的三维细胞成像系统，其特征在于，所述超声换能器为聚焦型超声换能器，激发声场为聚焦声场；超声激励频率f大于50MHz。
3.按照权利要求1所述的三维细胞成像系统，其特征在于，超声激励方向、静磁场方向、洛仑兹电压测量方向两两垂直。
4.按照权利要求1所述的三维细胞成像系统，其特征在于，待测三维细胞培养体样品放置于培养皿中，培养皿放置于第二磁体(8)与第一磁体(5)的中间，并位于磁体中央，测量电极(6、7)贴于样品表面。
5.按照权利1至4的任一项所述的三维细胞成像系统，其特征在于，所述系统工作过程如下：
(1)在数据处理与控制单元(12)的统一控制下，信号激励单元(1)、三维电动移动单元(2)、信号采集单元(11)共同完成三维数据扫描，具体包括如下子步骤：
(1.1)数据处理与控制单元(12)通过程序预先设定超声换能器(3)的扫描路径、采样点数等数据采集参数；数据处理与控制单元(12)检测信号激励单元(1)、三维电动移动单元(2)、信号采集单元(11)的状态信息，当所有单元准备就绪后，所述成像系统进入待采集状态；
(1.2)数据处理与控制单元(12)触发三维电动移动单元(1)的步进电机，控制超声换能器(3)移动到第一个扫描位置；
(1.3)超声换能器(3)就位后，三维电动移动单元(2)向数据处理与控制单元(12)反馈就绪信号；
(1.4)数据处理与控制单元(12)触发信号激励单元(1)开始激发超声波；同时，触发信号采集单元(11)采集洛仑兹电压数据；
(1.5)信号采集单元(11)完成单次数据采集后，向数据处理与控制单元(12)反馈数据采集完成信号，数据处理与控制单元(12)触发信号激励单元(1)停止发射脉冲激励信号；
(1.6)数据处理与控制单元(12)触发三维电动移动单元(1)的步进电机控制超声换能器(3)移动到下一个扫描位置；
(1.7)重复步骤(1.3)～步骤(1.6)，直至完成对待测样品的扫描；
(2)扫描完成后，对三维数据进行图像重建，实现对三维细胞培养体的细胞成像，具体包括如下子步骤：
(2.1)将三维扫描数据u(t，y，z)经过时深转换转变为三维点云数据u(x,y,z)，采样时间t对应的x轴坐标为x＝x0+ct，其中c为超声波的传播速度；
(2.2)对三维点云数据u(x,y,z)进行图像重建，实现三维细胞成像。
6.按照权利5所述的三维细胞成像系统，其特征在于，在所述高频超声波和静磁场的作用下，待测样品内由洛仑兹力诱导产生的电压满足方程：
其中，σ为电导率；∈为介电常数；u为洛仑兹力诱导产生电压，简称洛仑兹电压；v为超声波作用下的粒子振动速度；t为时间；B0为静磁场；Γ表示待研究区域边界,n为研究区域边界的外法向量；
为Hamiltonian算子，表示对相应的矢量求散度；
使用均匀静磁场；同时，细胞组织传播以纵波为主，因此粒子振动速度v是无旋的，式(2)可简化为：
其中，
仍为Hamiltonian算子，但是表示对电导率σ和介电常数∈求梯度；其它变量的含义与式(1)相同；
从式(2)可知，如果待研究区域的电特性均匀分布，则不存在可测量的洛仑兹电压；反之，如果研究区域存在电导率不连续的界面，则会产生较强的洛仑兹电压信号。对于三维细胞培养体，单个细胞的内外电特性存在较大差异，从而每个细胞膜的位置都是一个电特性突变界面，进而在三维细胞培养体的外表面产生可测量的洛仑兹电压信号，测量的洛仑兹电压信号的峰值或者谷值对应细胞膜。
7.按照权利要求6所述的三维细胞成像系统，其特征在于，对洛仑兹电压信号进行图像重建，实现三维细胞形态与结构成像包括如下步骤：
(1)超声换能器(3)在三维电动移动单元(2)控制下扫描待测样品，得到三维扫描的洛仑兹电压u(t，y，z)，t为采样时间，y为超声换能器的y坐标，z表示超声换能器的z坐标；
(2)三维扫描数据u(t，y，z)经过时深转换转变为三维点云数据u(t，y，z)；时深转换，是指由采样时间求得x轴坐标的过程，如果超声换能器的x轴坐标为x0，则采样时间t对应的x轴坐标为x＝x0+ct，其中c为超声波的传播的速度；
(3)对三维点云数据u(t，y，z)进行二值化处理，从起始时间到第一个波峰之间为0，从第一个波峰到第一个波谷之间为1，从第一个波谷到第二波峰之间为0，依此类推；
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