TWI646192B - 細胞培養之搖晃系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種細胞培養之搖晃系統，其包含有：一搖晃單元；一側視覺單元，其係位於該搖晃單元的一側；一上視覺單元，其係位於該搖晃單元的上方；以及一控制單元，其係訊號連接該搖晃單元、該側視覺單元與該上視覺單元。

Description

細胞培養之搖晃系統及其方法
一種細胞培養之搖晃系統及其方法
細胞培養過程中需每隔一段時間更換培養基，以維持細胞良好生長環境。於更換培養基後須進行搖晃培養液之動作，以使其均勻分布於細胞。
然上述之搖晃培養液之動作會有培養基覆蓋率不良，以及搖晃過程培養液液面會接觸培養皿之瓶口導致汙染之缺點，而致使細胞無法正常生長。
有鑑於上述之缺點，故如何使得培養基覆蓋率佳，以及搖晃過程培養液液面不會接觸培養皿之瓶口，其係有可改善的空間。
本發明為一種細胞培養之搖晃系統，其包含有：一搖晃單元；一側視覺單元，其係位於該搖晃單元的一側；一上視覺單元，其係位於該搖晃單元的上方；以及一控制單元，其係訊號連接該搖晃單元、該側視覺單元與該上視覺單元。
本發明為一種細胞培養之搖晃方法，其步驟包含有：一細胞培養之搖晃系統以固定速度與小角度搖晃設於該搖晃 系統上之培養皿；一上視覺單元擷取該培養皿之影像資訊；一控制單元依據該影像資訊，而得出培養液分布面積；依據該培養液分布面積，往非液面分布區域進行旋轉搖晃；該搖晃系統改變搖晃速度與搖晃角度，以使該培養液分布於非液面分布區域；一側視覺單元係擷取該培養皿之液面高度的影像資訊；該控制單元依據該液面高度的影像資訊，改變搖晃角度，促使搖晃角度擴大或縮小；以及判定培養基覆蓋率是否達到100%；該上視覺單元與該側視覺單元再次擷取該培養皿的影像資訊；該控制單元依據該歷史影像資訊，以確認該培養液分布的情況。
10‧‧‧搖晃單元
100‧‧‧可變偏心轉動模組
1000‧‧‧驅動齒輪
1001‧‧‧傳動軸
1002‧‧‧偏心凸輪
1003‧‧‧偏心滑塊
1004‧‧‧調整件
1005‧‧‧第一球面軸承
101‧‧‧連桿模組
1010‧‧‧連桿
1011‧‧‧輔助導桿
1012‧‧‧第二球面軸承
1013‧‧‧第三球面軸承
102‧‧‧可變旋轉中心模組
1020‧‧‧固定座
1021‧‧‧滑塊
1022‧‧‧導桿
1023‧‧‧螺桿
1024‧‧‧乘載板
1025‧‧‧固定銷
11‧‧‧側視覺單元
12‧‧‧上視覺單元
13‧‧‧控制單元
20‧‧‧培養皿
30‧‧‧網格區域
31‧‧‧第一旋轉中心點
32‧‧‧第二旋轉中心點
θ 1‧‧‧第一搖擺角度
θ 2‧‧‧第二搖擺角度
S1~S5‧‧‧步驟
A‧‧‧第一區域
B‧‧‧第二區域
C‧‧‧第三區域
D‧‧‧第四區域
第1圖為本發明之一種細胞培養之搖晃系統之示意圖。
第2圖為一搖晃單元之示意圖。
第3圖為一可變偏心轉動模組之示意圖。
第4圖為可變偏心轉動模組之剖面示意圖。
第5圖為一連桿模組之示意圖。
第6圖為連桿模組之剖面示意圖。
第7圖為一可變旋轉中心模組之示意圖。
第8圖為可變旋轉中心模組之剖面示意圖。
第9圖為本發明之一種細胞培養之搖晃方法之流程示意圖。
第10圖為一旋轉中心點之位置改變之示意圖。
第11圖為可變旋轉中心模組之旋轉中心點之位置改變之示意圖。
第12圖為搖晃單元之位置改變之示意圖。
第13圖為搖晃單元之位置改變之又一示意圖。
第14圖為一搖晃單元於第一搖擺角度之示意圖。
第15圖為搖晃單元於第二搖擺角度之示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容，輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
請配合參考第1圖所示，本發明係一種細胞培養之搖晃系統，其包含有一搖晃單元10、一側視覺單元11、一上視覺單元12與一控制單元13。
請配合參考第2圖所示，搖晃單元10係訊號連接至控制單元13。搖晃單元10具有一可變偏心轉動模組100、一連桿模組101與一可變旋轉中心模組102。
如第1圖與第2圖所示，一培養皿20固定於可變旋轉中心模組102上。
請配合參考第3圖與第4圖，可變偏心轉動模組100具有一驅動齒輪1000、一傳動軸1001、一偏心凸輪1002、一偏心滑塊1003、一調整件1004與一第一球面軸承1005。
驅動齒輪1000係耦接一驅動源，該驅動源可為一馬達、一齒輪組、一螺桿、一汽缸或一油壓缸。傳動軸1001係耦接驅動齒輪1000，以被驅動齒輪1000所驅動。
偏心凸輪1002係耦接傳動軸1001，以使傳動軸1001驅動偏心凸輪1002。偏心滑塊1003係設於偏心凸輪1002中。調整件1004係耦接偏心滑塊1003，以調整偏心滑塊1003相對於偏心凸輪1002的位置，藉以調整偏心位置，進而改變搖晃單元10的搖晃角度。
第一球面軸承1005係耦接偏心滑塊1003。第一球面軸承1005係可克服偏心移動產生的角度問題。
請配合參考第5圖與第6圖所示，連桿模組101係耦接可變偏心轉動模組100。連桿模組101具有一連桿1010、一輔助導桿1011、一第二球面軸承1012與一第三球面軸承1013。
連桿1010係耦接第一球面軸承1005。輔助導桿1011的一端係耦接連桿1010。輔助導桿1011的另一端係耦接第二球面軸承1012。第二球面軸承1012係耦接一設置面。於搖晃單元10轉動的過程中，第二球面軸承1012與輔助連桿1011係可避免連桿1010產生自轉的現象。第三球面軸承1013係耦接連桿1010的一端。
請配合參考第7圖與第8圖所示，可變旋轉中心模組102係耦接連桿模組101。可變旋轉中心模組102具有一固定座1020、一滑塊1021、至少一導桿1022、一螺桿1023、一乘載板1024。
固定座1020係耦接第三球面軸承1013。第三球面軸承1013亦為搖晃單元10的支點。
滑塊1021係設於固定座1020中，並且滑塊1021可於固定座1020中移動。導桿1022與螺桿1023係分別穿過固定座1020與滑塊1021。螺桿1023係耦接一驅動源，螺桿1023驅動滑塊1021以帶動乘載板1024移動，使得改變可變旋轉中心模組102旋轉中心點的位置。乘載板1024係耦接滑塊1021，乘載板1024的四邊角處分別具有一固定銷1025，以固定培養皿20。
請再配合參考第1圖所示，上視覺單元12係設於搖晃單元10的上方，以擷取固定於乘載板1024之培養皿20的影像資訊。上視覺單元12係訊號連接控制單元13。
側視覺單元11係設於搖晃單元10之可變旋轉中心模組102的一側，以擷取固定於乘載板1024之培養皿20的影像資訊。側視覺單元11係訊號連接控制單元13。上視覺單元12與側視覺單元11為CCD(Charge Coupled Device，感光耦合元件)、數位相機或數位攝影機。
請配合參考第9圖所示，本發明係一種細胞培養之搖晃方法，其步驟包含有：
步驟S1，以固定速度與小角度搖晃。如第1圖與第2圖所示，一培養皿20係設於細胞培養之搖晃系統，培養皿20中具有培養液。驅動源以一固定轉速，以驅動可變偏心轉動模組100，可變偏心轉動模組100係驅動連桿模組101。連桿模組101係驅動可變旋 轉中心模組102，可變偏心轉動模組100係使可變旋轉中心模組102以一小角度晃動。固定轉速為9.5rpm。小角度之範圍為±5°。
請配合參考第3圖所示，本發明係利用驅動齒輪1000與驅動源之間的差速比，而使固定轉速為9.5rpm。並請參閱第4圖、第15圖與第16圖所示，偏心滑塊1003相對於偏心凸輪1002之位置係可決定可變旋轉中心模組102以一小角度晃動。
於此步驟中，其係為了避免高速搖晃造成剪應力過大，或轉速急遽的改變產生氣泡壓擠細胞，致使細胞無法正常生長。故以固定轉速與小角度開始進行搖晃，搖晃之培養液的液面高度不會汙染培養皿20之瓶口。
步驟S2，擷取影像。上視覺單元12與側視覺單元11係擷取位於細胞培養之搖晃系統之培養皿20的影像資訊。該影像資訊包含培養液之分布區域的面積與培養液的液面之搖晃高度。
控制單元13接收該影像資訊，並於該影像資訊中選出感興趣區域(Region Of Interest,ROI)。再將該感興趣區域轉換為灰階影像。並強化該灰階影像，而使該灰階影像轉換為二值化影像。該二值化影像係被雜訊濾波，以形成一影像。該影像係用於培養液分布面積計算，而得出培養液分布面積。同理，液面之搖晃高度亦可用前述之方式得出。
舉例而言，請配合第10圖所示，圖中的網格區域30係表示培養液主要分布區域，上視覺單元12係擷取影像資訊，而使控制單元13判斷液面分布情況。
於判斷液面分布情況係以圖心重心為例，其係計算液面分布與非分布區域之重心座標。
其中，Xi、Yi為圖像之點集合，n為點集合個數。
如上所述之灰階影像，控制單元13係依據培養基覆蓋率培養皿20係被區分為多個區域，各區域灰階值係逐一記錄，以作為確 認培養液分布之均勻性，其係解決覆蓋率不良問題。其公式如下：
其中，f為輸入影像；n為所有像素的數目；f(x,y)為像素座標(x,y)之灰階值。
步驟S3，根據分布區域，往非液面分布區域進行旋轉搖晃。控制單元13依據步驟S2所得之液面分布情況，而得出非液面分布區域之搖晃動作，並調整可變偏心轉動模組100之偏心滑塊1003相對於偏心凸輪1002移動距離，而使搖晃範圍擴大。
同理，於搖晃範圍擴大時，可變旋轉中心模組102之驅動源係驅動螺桿1023，以改變滑塊1021相對於固定座1020之位置。請配合參考第11圖、第12圖、第13圖與第10圖所示，當位置改變後，旋轉中心點的位置由第一旋轉中心點31改變至第二旋轉中心點32。
舉例而言，可將第10圖視為等分影像區域，第10圖係被區分為複數個區域，為了便於論述，故將第10圖區分為四等分影像區域，並由左至右視為第一區域A、第二區域B、第三區域C與第四區域D，若第一區域A已分布之培養液，而第二區域B未完全分布，則可變旋轉中心模組102係旋轉中心點往第二區域B方向移動，並以此類推。如上所述之旋轉中心點的位置由第一旋轉中心點31改變至第二旋轉中心點32。
步驟S4，根據液面高度，控制搖擺角度(範圍擴大/縮小)。側視覺單元11係擷取培養皿20之液面高度的影像資訊，控制單元13係如步驟S2，以分析側視覺單元11所擷取之影像資訊，並控制滑塊1021相對於固定座1020之位置，藉以改變搖晃角度，促使搖晃範圍擴大/縮小。
請配合參考第14圖所示，搖晃單元10係以一第一搖擺角度θ 1搖晃培養皿20。
請配合參考第15圖所示，搖晃單元10係以一第二搖擺角度θ 2搖晃培養皿20。
如第14圖與第15圖所示，第一搖擺角度θ 1可視為搖晃單元10縮小搖擺角度。第二搖擺角度θ 2可視為搖晃單元10擴大搖擺角度。
如步驟S2所述，控制單元13接收該影像資訊，並於該影像資訊中選出感興趣區域。再將該感興趣區域轉換為灰階影像。並強化該灰階影像，而使該灰階影像轉換為二值化影像。該二值化影像係被雜訊濾波，以形成一影像。該影像係用於液面高度計算，而得出液面高度。
步驟S5，判定培養基覆蓋率是否達到100%。上視覺單元12與側視覺單元11再次擷取培養皿20的影像資訊，控制單元13依據該歷史影像資訊之各區域的灰階值變化，以確認培養液分布的情況，並獲得覆蓋率計算結果，並以此結果判定是否繼續搖晃或停止搖晃，若為否，則繼續搖晃，並回至步驟S3。若為是，則停止搖晃。
綜合上述，本發明為一種細胞培養之搖晃系統及其方法，其具有培養基均勻覆蓋培養皿細胞與監控液體高度與角度回饋之功能，促使細胞有良好生長條件。
本發明可動態控制細胞培養液流動速率與覆蓋面積。本發明可使培養皿之內培養液體同時產生俯仰(Pitch)、翻滾(Roll)及偏擺(Yaw)等複合搖晃動作。本發明可動態監控液體搖晃高度與回饋搖晃角度之功能，促使培養基不接觸瓶口以避免汙染而導致細胞死亡。
以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (20)

  1. 一種細胞培養之搖晃系統，其包含有：一搖晃單元；一側視覺單元，其係位於該搖晃單元的一側；一上視覺單元，其係位於該搖晃單元的上方；以及一控制單元，其係訊號連接該搖晃單元、該側視覺單元與該上視覺單元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之細胞培養之搖晃系統，其中該搖晃單元具有一可變偏心轉動模組、一連桿模組與一可變旋轉中心模組，該可變偏心轉動模組係耦接該連桿模組，該連桿模組係耦接該可變旋轉中心模組。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之細胞培養之搖晃系統，其中該可變偏心轉動模組具有一驅動齒輪、一傳動軸、一偏心凸輪、一偏心滑塊、一調整件與一第一球面軸承；該傳動軸係耦接該驅動齒輪，該偏心凸輪係耦接該傳動軸，該偏心滑塊係設於該偏心凸輪中，該調整件係耦接該偏心滑塊，該第一球面軸承係耦接該偏心滑塊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之細胞培養之搖晃系統，其中該連桿模組具有一連桿、一輔助導桿、一第二球面軸承與一第三球面軸承；該連桿係耦接該第一球面軸承，該輔助導桿的一端係耦接該連桿，該輔助導桿的另一端係耦接該第二球面軸承，該第三球面軸承係耦接該連桿的一端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之細胞培養之搖晃系統，其中該可變旋轉中心模組具有一固定座、一滑塊、至少一導桿、一螺桿、一乘載板；該固定座係耦接該第三球面軸承，該滑塊係設於該固定座中，該導桿與該螺桿係分別穿過該固定座與該滑塊，該螺桿係耦接一驅動源，該乘載板係耦接該滑塊，該乘載板的四邊角處分別具有一固定銷。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之細胞培養之搖晃系統，其中該第三球面軸承係耦接有一載座，該固定座係固定於該載 座。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之細胞培養之搖晃系統，其中該驅動源可為一馬達、一齒輪組、一螺桿、一汽缸或一油壓缸。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之細胞培養之搖晃系統，其中該螺桿驅動該滑塊相對於該固定座移動，使得改變該可變旋轉中心模組旋轉中心點的位置。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之細胞培養之搖晃系統，其中該上視覺單元與該側視覺單元為感光耦合元件、數位相機或數位攝影機。
  10. 一種細胞培養之搖晃方法，其步驟包含有：一細胞培養之搖晃系統以固定速度與小角度搖晃設於該搖晃系統上之培養皿；一上視覺單元擷取該培養皿之影像資訊；一控制單元依據該影像資訊，而得出培養液分布面積；依據該培養液分布面積，往非液面分布區域進行旋轉搖晃；該搖晃系統改變搖晃速度與搖晃角度，以使該培養液分布於非液面分布區域；一側視覺單元係擷取該培養皿之液面高度的影像資訊；該控制單元依據該液面高度的影像資訊，改變搖晃角度，促使搖晃角度擴大或縮小；判定培養基覆蓋率是否達到100%；該上視覺單元與該側視覺單元再次擷取該培養皿的影像資訊；該控制單元依據該歷史影像資訊，以確認該培養液分布的情況。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之細胞培養之搖晃方法，其中 該固定轉速為9.5rpm，該小角度之範圍為±5°。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之細胞培養之搖晃方法，其中該控制單元接收該上視覺單元之該影像資訊，並於該影像資訊中選出感興趣區域，再將該感興趣區域轉換為灰階影像，並強化該灰階影像，而使該灰階影像轉換為二值化影像，該二值化影像係被雜訊濾波，以形成一影像，該影像係用於培養液分布面積計算。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之細胞培養之搖晃方法，其中於該判定培養基覆蓋率是否達到100%之步驟中，若為否，則繼續搖晃，並回至該依據該培養液分布面積，往非液面分布區域進行旋轉搖晃之步驟；若為是，則停止搖晃。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之細胞培養之搖晃方法，其中於該依據該培養液分布面積，往非液面分布區域進行旋轉搖晃之步驟中，當搖晃範圍擴大時，該細胞培養之搖晃系統係改變旋轉中心點的位置。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之細胞培養之搖晃方法，其中該控制單元接收該影像資訊，並於該影像資訊中選出感興趣區域，再將該感興趣區域轉換為灰階影像，並強化該灰階影像，而使該灰階影像轉換為二值化影像，該二值化影像係被雜訊濾波，以形成一影像，該影像係用於液面高度計算。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之細胞培養之搖晃方法，其中於該判定培養基覆蓋率是否達到100%之步驟中，該控制單元依據該歷史影像資訊之各區域的灰階值變化，以確認該培養液分布的情況，並獲得覆蓋率計算結果，並以此結果判定是否繼續搖晃或停止搖晃；若為否，則繼續搖晃，並回至該根據該培養液分布面積，往非液面分布區域進行旋轉搖晃之步驟；若為是，則停止搖晃。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之細胞培養之搖晃方法，其中於該以固定速度與小角度搖晃之步驟中，該培養皿係設於 該搖晃系統的一可變旋轉中心模組，該搖晃系統的一可變偏心轉動模組係驅動該可變旋轉中心模組，以使該培養皿以固定速度與小角度搖晃。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之細胞培養之搖晃方法，其中於該控制單元依據該液面高度的影像資訊，改變搖晃角度，促使搖晃角度擴大或縮小之步驟中，該可變旋轉中心模組之一滑塊改變其相對於該可變旋轉中心模組之一固定座之位置，藉以改變搖晃角度，促使搖晃範圍擴大/縮小。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之細胞培養之搖晃方法，其中於根據該培養液分布面積，往非液面分布區域進行旋轉搖晃之步驟中，該可變旋轉中心模組之一滑塊改變其相對於該可變旋轉中心模組之一固定座之位置，藉以改變搖晃角度。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之細胞培養之搖晃方法，其中於一驅動源以該固定轉速，以驅動該可變偏心轉動模組，該可變偏心轉動模組係驅動一連桿模組，該連桿模組係驅動該可變旋轉中心模組，該可變偏心轉動模組係使該可變旋轉中心模組以一小角度晃動。
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