CN110314714A - 一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置及方法。本发明装置，包括PDMS基底层和电极层，电极层设置在PDMS基底层上，并与PDMS基底层上开设的卡槽键合，电极层由四块铜片电极组成，其中四块电极两两相对，从而产生非均匀电场。通过对电极施加交流电压，使得放置于旋转观察室中的细胞做匀速的旋转运动。在观察期间，滴入NaClO对细胞采取逐渐灭活操作。设置一定时间段为一个周期，通过显微镜拍摄细胞旋转一圈的过程中多个角度的图像，并且使用三维恢复技术恢复周期内细胞的三维全貌图像。连续观察多个周期，通过分析对比图像中所携带的生命体征信息，包括细胞椭球度、表面粗糙度、颜色矩阵、色素溢出率，来实时监测细胞各个周期的活性。

Description

一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置及方法
技术领域
本发明涉及细胞操控和三维恢复技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置及方法。
背景技术
微流控芯片近年来在各个领域获得了越来越多的关注，尤其是在化学分析和细胞分析等领域。它加工简单、分析时间短、检测容量小以及易于集成化的特点，方便了基于微流控芯片对生物颗粒或者细胞进行操纵。正因如此，微流控芯片在生物诊断、细菌检测等领域具有重要的影响和意义。
微流控芯片对颗粒或细胞进行操控的方法一般包括声学、磁力学、光学和电力学等方法。而在电力学中，介电泳技术(Dielectrophoresis，DEP)被广泛应用于颗粒或细胞的捕获、旋转、富集、分离等操控。介电泳是指，基于颗粒和溶液的不同特性,颗粒在非均匀电场下的运动。
目前，细胞三维立体结构的拍摄成本极高，存在技术不易掌握、人工培训周期长、材料损耗严重等问题。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置及方法。本发明通过设计非均匀的电场，利用信号发生器产生电场，从而产生介电泳力，使样品细胞做均匀角度的旋转，以便从不同角度拍摄细胞。由于使用显微镜监测，可以进行快速拍摄，因此通过多组照片，可以提取细胞三维图像的特征对细胞活性进行监测。
本发明使用三维恢复技术将规定时间段内连续拍摄的图像进行三维恢复，得到恢复后的三维图像；周期性重复操作，可以得到观察周期内目标细胞携带生命体征信息的图像，观察变化；所述生命体征信息通过尺寸、灰度值等图像中信息的综合，分为表征细胞***整体尺寸和轮廓的椭球度、表征细胞表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度的表面粗糙度、表征细胞颜色和纹理信息的颜色共生矩阵，部分细胞的图像中可能还携带表征细胞内色素溢出程度的色素溢出率。
本发明分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞***整体尺寸和轮廓的变化，比较细胞在整个监测过程中椭球度的变化，椭球度越大，细胞活性越低。
本发明分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过比较细胞表面较小间距和微小峰谷的变化，比较细胞在整个监测过程中表面粗糙度的变化，细胞表面粗糙度越高，细胞活性越低。
本发明分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞颜色和纹理信息，比较细胞在整个监测过程中颜色矩阵的变化，颜色矩阵越接近，细胞活性越低。
本发明分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞内色素溢出程度，比较细胞在整个监测过程中色素溢出率的变化，色素溢出率越高，细胞活性越低。
基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置与方法的直观比较，判别细胞在整个监测过程中的变化，从而有效的监测细胞的活性。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置，包括：PDMS基底层和电极层；所述电极层设置在PDMS基底层上，并与PDMS基底层上开设的卡槽相键合。
进一步地，所述卡槽包括：
开设在所述PDMS基底层中心位置的正方形凹槽、正对设置在正方形凹槽左右两侧的第一卡槽和第三卡槽以及正对设置在正方形凹槽上下两侧的第二卡槽和第四卡槽；
所述电极层，由第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极组成，所述第一铜片电极的底部***到第一卡槽内，所述第二铜片电极的底部***到第二卡槽内，所述第三铜片电极的底部***到第三卡槽内，所述第四铜片电极的底部***到第四卡槽内。
进一步地，所述电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极均为相同尺寸的长方体薄片，其分别连接多通道相位发生器。
进一步地，所述第一铜片电极和第三铜片电极的相对距离为D1，所述第二铜片电极和第四铜片电极的相对距离为D2，D1等于D2；所述正方形凹槽为旋转观察室，深度为D3，长度为D4，宽度为D5；所述的第一卡槽、第二卡槽、第三卡槽以及第四卡槽的规格一致，长度均为D6，宽度均为D7，深度均为D8。
本发明还提供了一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测方法，其步骤如下：
步骤S1：将少量待观察的目标细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，加入适量缓冲液稀释得到指定浓度的细胞溶液；
步骤S2：通过移液枪吸取包含一颗细胞的溶液，将其转移到开设在所述PDMS基底层中心位置的正方形凹槽中；
步骤S3：通过移液枪吸取适量低浓度的NaClO溶液，将其逐滴加入到开设在所述PDMS基底层中心位置的正方形凹槽中，以逐渐杀死细胞；
步骤S4：将相位发生器分别连接电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极，通过调整直/交流电压以及交流电压的相位，使细胞移动到旋转观察室中央；
步骤S5：将相位发生器分别连接电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极，通过调整直/交流电压以及交流电压的相位，使细胞在旋转观察室中央开始做缓慢旋转运动；
步骤S6：通过显微镜观察旋转观察室中旋转的细胞，并在时间段T内连续的拍摄细胞多个角度的图像；通过三维恢复实时还原时间段T内细胞的三维图像，得到观察周期内目标细胞的图像，从而分析图像中携带的生命体征信息；实时监测细胞的活性状态。
进一步地，所述生命体征信息包括表征细胞***整体尺寸和轮廓的椭球度、表征细胞表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度的表面粗糙度、表征细胞颜色和纹理信息的颜色共生矩阵，部分细胞的图像中还携带表征细胞内色素溢出程度的色素溢出率。
进一步地，所述监测方法还包括分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞***整体尺寸和轮廓的变化，比较细胞在整个监测过程中椭球度的变化的步骤。
进一步地，所述监测方法还包括分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过比较细胞表面较小间距和微小峰谷的变化，比较细胞在整个监测过程中表面粗糙度的变化的步骤。
进一步地，所述监测方法还包括分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞颜色和纹理信息，比较细胞在整个监测过程中颜色矩阵的变化的步骤。
进一步地，所述监测方法还包括分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞内色素溢出程度，比较细胞在整个监测过程中色素溢出率的变化的步骤。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的装置，通过对电极施加电压和相位的变化，产生非均匀的电场，利用介电泳力使目标颗粒受介电泳力做均匀角度的旋转，旋转角度、旋转速度受电极的改变控制。
2、本发明提供的装置，机械拍摄的效率高，可以进行较长时间段内的连续拍摄；通过恢复的三维图像，提取图像中与细胞活性状况有关的特征，分析图像中携带的生命体征信息。
3、本发明提供的方法，使用显微镜进行拍摄时机械拍摄的优势在于避免了人工误差高、人工培训成本高、耗材高等缺陷；
基于上述理由本发明可在细胞操控和三维恢复等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置整体结构示意图。
图2为本发明装置PDMS基底层的结构示意图。
图3为本发明装置电极层的结构示意图。
图中：1、PDMS基底层；2、电极层；3、第一卡槽；4、第二卡槽；5、第三卡槽；6、第四卡槽；7、正方形凹槽；8、第一铜片电极；9、第二铜片电极；10、第三铜片电极；11、第四铜片电极.
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置，包括：PDMS基底层和电极层；电极层设置在PDMS基底层上，并与PDMS基底层上开设的卡槽相键合。卡槽包括开设在PDMS基底层中心位置的正方形凹槽、正对设置在正方形凹槽左右两侧的第一卡槽和第三卡槽以及正对设置在正方形凹槽上下两侧的第二卡槽和第四卡槽；正方形凹槽为旋转观察室，深度为D3，长度为D4，宽度为D5；第一卡槽、第二卡槽、第三卡槽以及第四卡槽的规格一致，长度均为D6，宽度均为D7，深度均为D8。
如图2所示，电极层由第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极组成，第一铜片电极的底部***到第一卡槽内，第二铜片电极的底部***到第二卡槽内，第三铜片电极的底部***到第三卡槽内，第四铜片电极的底部***到第四卡槽内。电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极均为相同尺寸的长方体薄片，其分别连接多通道相位发生器。第一铜片电极和第三铜片电极的相对距离为D1，第二铜片电极和第四铜片电极的相对距离为D2，D1等于D2；
实施例2
在实施例1的基础上，本发明还提供了一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测方法，其步骤如下：
本实施例中，待观察的目标细胞样品为动物细胞样品。
步骤S1：将少量待观察的动物细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，加入适量缓冲液稀释得到指定浓度的细胞溶液；
步骤S2：通过移液枪吸取包含一颗动物细胞的溶液，将其转移到开设在所述PDMS基底层中心位置的正方形凹槽中；
步骤S3：通过移液枪吸取适量低浓度的NaClO溶液，将其逐滴加入到开设在所述PDMS基底层中心位置的正方形凹槽中，以逐渐杀死细胞；
步骤S4：将相位发生器分别连接电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极，通过调整直/交流电压以及交流电压的相位，使细胞移动到旋转观察室中央；
步骤S5：将相位发生器分别连接电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极，通过调整直/交流电压以及交流电压的相位，使细胞在旋转观察室中央开始做缓慢旋转运动；
步骤S6：通过显微镜观察旋转观察室中旋转的动物细胞，并在时间段T内连续的拍摄细胞多个角度的图像；通过三维恢复实时还原时间段T内细胞的三维图像，得到观察周期内目标细胞的图像，从而分析图像中携带的生命体征信息；重复上述实验，实时监测细胞的活性状态。
作为本发明优选的实施方式，生命体征信息包括表征细胞***整体尺寸和轮廓的椭球度、表征细胞表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度的表面粗糙度、表征细胞颜色和纹理信息的颜色共生矩阵，部分细胞的图像中还携带表征细胞内色素溢出程度的色素溢出率。
作为本发明优选的实施方式，分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞***整体尺寸和轮廓的变化，比较细胞在整个监测过程中椭球度的变化，椭球度越大，细胞活性越低。
作为本发明优选的实施方式，分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过比较细胞表面较小间距和微小峰谷的变化，比较细胞在整个监测过程中表面粗糙度的变化，细胞表面粗糙度越高，细胞活性越低。
作为本发明优选的实施方式，分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞颜色和纹理信息，比较细胞在整个监测过程中颜色矩阵的变化，颜色矩阵越接近，细胞活性越低。
作为本发明优选的实施方式，分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞内色素溢出程度，比较细胞在整个监测过程中色素溢出率的变化，色素溢出率越高，细胞活性越低。
综上，基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置与方法的直观比较，判别细胞在整个监测过程中的变化，从而有效的监测细胞的活性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置，其特征在于，包括：PDMS基底层和电极层；所述电极层设置在PDMS基底层上，并与PDMS基底层上开设的卡槽相键合。
2.根据权利要求1所述的基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置，其特征在于，所述卡槽包括：
开设在所述PDMS基底层中心位置的正方形凹槽、正对设置在正方形凹槽左右两侧的第一卡槽和第三卡槽以及正对设置在正方形凹槽上下两侧的第二卡槽和第四卡槽；
所述电极层，由第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极组成，所述第一铜片电极的底部***到第一卡槽内，所述第二铜片电极的底部***到第二卡槽内，所述第三铜片电极的底部***到第三卡槽内，所述第四铜片电极的底部***到第四卡槽内。
3.根据权利要求1或2所述的基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置，其特征在于，所述电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极均为相同尺寸的长方体薄片，其分别连接多通道相位发生器。
4.根据权利要求2所述的基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置，其特征在于，所述第一铜片电极和第三铜片电极的相对距离为D1，所述第二铜片电极和第四铜片电极的相对距离为D2，D1等于D2；所述正方形凹槽为旋转观察室，深度为D3，长度为D4，宽度为D5；所述的第一卡槽、第二卡槽、第三卡槽以及第四卡槽的规格一致，长度均为D6，宽度均为D7，深度均为D8。
5.一种如权利要求1所述的基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测方法，其步骤如下：
步骤S1：将少量待观察的目标细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，加入适量缓冲液稀释得到指定浓度的细胞溶液；
步骤S2：通过移液枪吸取包含一颗细胞的溶液，将其转移到开设在所述PDMS基底层中心位置的正方形凹槽中；
步骤S3：通过移液枪吸取适量低浓度的NaClO溶液，将其逐滴加入到开设在所述PDMS基底层中心位置的正方形凹槽中，以逐渐杀死细胞；
步骤S4：将相位发生器分别连接电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极，通过调整直/交流电压以及交流电压的相位，使细胞移动到旋转观察室中央；
步骤S5：将相位发生器分别连接电极层中的第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极，通过调整直/交流电压以及交流电压的相位，使细胞在旋转观察室中央开始做缓慢旋转运动；
步骤S6：通过显微镜观察旋转观察室中旋转的细胞，并在时间段T内连续的拍摄细胞多个角度的图像；通过三维恢复实时还原时间段T内细胞的三维图像，得到观察周期内目标细胞的图像，从而分析图像中携带的生命体征信息；实时监测细胞的活性状态。
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，所述生命体征信息包括表征细胞***整体尺寸和轮廓的椭球度、表征细胞表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度的表面粗糙度、表征细胞颜色和纹理信息的颜色共生矩阵，部分细胞的图像中还携带表征细胞内色素溢出程度的色素溢出率。
7.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，还包括分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞***整体尺寸和轮廓的变化，比较细胞在整个监测过程中椭球度的变化以监测细胞活性的步骤。
8.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，还包括分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过比较细胞表面较小间距和微小峰谷的变化，比较细胞在整个监测过程中表面粗糙度的变化以监测细胞活性的步骤。
9.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，还包括分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞颜色和纹理信息，比较细胞在整个监测过程中颜色矩阵的变化以监测细胞活性的步骤。
10.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，还包括分析整个周期内目标细胞三维恢复图像的生命体征信息，通过分析细胞内色素溢出程度，比较细胞在整个监测过程中色素溢出率的变化以监测细胞活性的步骤。
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