CN110715606B - 基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，涉及生物反应器技术领域，将倾斜显微光学***安装在细胞工厂生物反应器的一侧，在倾斜显微光学***移动过程中采集某层培养叠板的图像，采用Hough变换对图像进行处理以识别图像中的明亮区域，当明亮区域占整个视场区域一定比例后认为倾斜显微光学***到达预定位置，记录驱动倾斜显微光学***移动的电机上的编码器的当前脉冲值，完成当前培养叠板的层高标定。本发明采用图像处理的方法标定层高，极大的提高了测量准确性，为监测***的运行提供有力保障。

Description

基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法
技术领域
本发明涉及生物反应器技术领域，特别是涉及基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法。
背景技术
细胞工厂生物反应器是通过模拟酶或生物体(如细胞、微生物等)在体生长环境，来实现离体培养的一种通过生物反应或者自身代谢得到预期产物的装置。细胞工厂生物反应器在疫苗生产、单克隆抗体制备、医药生产、肿瘤防治、酿酒、生物发酵、有机污染物降解等方面都发挥着重要的应用。
由于细胞工厂生物反应器都是多层结构，因此在监测每层细胞工厂生物反应器中生物的生长情况时需要知晓每层的层高，以方便显微光学***进行精确定位。
然而，大量实验表明，现有直接对生物反应器的层高进行测量的方式存在偏差过大的问题，因此会造成显微光学***定位不准确和图像离焦现象。
发明内容
本发明实施例提供了基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，包括以下步骤：
步骤1，控制倾斜显微光学***在竖直方向上移动，其中，所述倾斜显微光学***位于细胞工厂生物反应器的一侧且所述倾斜显微光学***倾斜朝向细胞工厂生物反应器，所述倾斜显微光学***在电机的控制下移动，所述电机上安装有编码器；
步骤2，在所述倾斜显微光学***在细胞工厂生物反应器某层培养叠板附近移动的过程中，连续采集该层培养叠板一定数量的图像；
步骤3，采用Hough变换对采集得到的图像进行处理，识别图像中的明亮区域；
步骤4，计算每幅图像中明亮区域面积占整个视场区域的比例，当该比例达到预设值时，记录当前位置处所述编码器的脉冲值，以标定当前层数位置。
本发明中的基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，将倾斜显微光学***安装在细胞工厂生物反应器的一侧，在倾斜显微光学***移动过程中采集某层培养叠板的图像，采用Hough变换对图像进行处理以识别图像中的明亮区域，当明亮区域占整个视场区域一定比例后认为倾斜显微光学***到达预定位置，记录驱动倾斜显微光学***移动的电机上的编码器的当前脉冲值，完成当前培养叠板的层高标定。本发明采用图像处理的方法标定层高，极大的提高了测量准确性，为监测***的运行提供有力保障。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为细胞工厂生物反应器显微光电监测***的组成示意图；
图2为细胞工厂生物反应器显微光电监测***的结构示意图；
图3为细胞工厂生物反应器中底壁和培养基的分界线图像；
图4为连续采集到的多帧分界线图像标定。
具体实施方式
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。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。
参照图1和图2，本发明提供了细胞工厂生物反应器显微光电监测***，该***包括计算机100、伺服控制器110、细胞工厂生物反应器122、显微光学***、冷光源照明***、进给***和图像采集***，所述显微光学***包括倾斜显微光学***161和垂直显微光学***151，所述冷光源照明***用于控制反射照明***152和透射照明***162的工作状态，所述进给***包括X轴移动平台120，所述细胞工厂生物反应器122安装在该X轴移动平台120上，所述倾斜显微光学***161和透射照明***162分别安装在C型机械臂160的两端且所述倾斜显微光学***161和透射照明***162相对设置，所述C型机械臂160安装在Z轴移动平台140上，所述垂直显微光学***151和反射照明***152均安装在W轴移动平台150上，该W轴移动平台150则安装在Y轴移动平台130上。
所述X轴移动平台120用于控制细胞工厂生物反应器122在水平方向上左右移动，所述Y轴移动平台130用于控制W轴移动平台150在水平方向上前后移动，所述W轴移动平台150用于控制垂直显微光学***151和反射照明***152同步在竖直方向上移动，所述Z轴移动平台140用于控制C型机械臂160在竖直方向上移动，所述C型机械臂160处于倾斜状态，且所述倾斜显微光学***161和透射照明***162分别位于细胞工厂生物反应器122的两侧，所述透射照明***162发出的光向下倾斜透射所述细胞工厂生物反应器122后由所述倾斜显微光学***161接收，以对细胞工厂生物反应器122侧面各层的边缘进行局部监测；所述垂直显微光学***151和反射照明***152均位于细胞工厂生物反应器122的下方且所述垂直显微光学***151和反射照明***152均朝向细胞工厂生物反应器122，反射照明***152发出的光照射在细胞工厂生物反应器122的底部，经过反射后由所述垂直显微光学***151接收，以对细胞工厂生物反应器122底部的1-3层进行全局监测。所述计算机100具有触摸显示屏，以输入各种控制命令。所述垂直显微光学***151和倾斜显微光学***161采集到的图像均通过图像采集***传输至计算机100，同时所述计算机100也向图像采集***发送控制命令以控制图像采集过程的进行。所述冷光源照明***在计算机100的控制下对反射照明***152和透射照明***162进行工作状态控制。
所述X轴移动平台120、Y轴移动平台130、Z轴移动平台140和W轴移动平台150均包括伺服电机和滚珠丝杠，所述伺服电机在伺服控制器的控制下运转，所述滚珠丝杠则在伺服电机的驱动下带动所述W轴移动平台150、垂直显微光学***151、反射照明***152、细胞工厂生物反应器122和C型机械臂160移动，所述伺服控制器则在计算机100的控制下工作。
本发明中细胞工厂生物反应器显微光电监测***的工作过程如下：X轴移动平台120运动到细胞工厂生物反应器122的装卸位，实验人员将细胞工厂生物反应器122放置在载物托盘121上，X轴移动平台120上的载物托盘121运动，承载细胞工厂生物反应器122进入监测位置。切换倾斜显微监测模式和垂直显微监测模式，其中倾斜显微监测模式下倾斜显微光学***161上的CCD相机工作，并打开与之对应的透射照明***162，由Z轴移动平台140带动C型机械臂160在竖直方向运动，选定监测层数后X轴移动平台120承载细胞工厂生物反应器122监测该层培养叠板不同位置处的细胞生长状态。垂直显微监测模式下垂直显微光学***151上的CCD相机工作，并打开与之对应的反射照明***152，由W轴移动平台150控制垂直显微光学***151在竖直方向运动，选定监测层数后X轴移动平台120移动细胞工厂生物反应器122，Y轴移动平台130移动垂直显微光学***151，实现对底部1-3层培养叠板中细胞生长状态的全局监测。每个伺服电机均安装编码器，以对伺服电机的转动角度进行监控，可以克服传统步进电机失步问题。
细胞工厂生物反应器122中的每层培养叠板结构可看成“底壁-培养基-空气”，底壁是一个平板型结构，材质均一，因此光源从侧面照入底壁中可以在底壁中发生全反射，而照入培养基中的光线由于侧壁的反射以及培养基自身的散射、吸收，出射光强会相对减弱，通过调整光照强度，可以获得底壁与培养基液面明暗差异的图像，如图3所示。
针对该图像分界明显的特点，可以采用图像处理的方式将分界线识别出来，并读取当前状态下伺服电机编码器的脉冲数，通过对1-40层连续运动采集来标定细胞工厂生物反应器的层高。
因此，本发明提出了基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，控制倾斜显微光学***在细胞工厂生物反应器一侧沿竖直方向移动；
步骤2，在倾斜显微光学***在细胞工厂生物反应器某层培养叠板附近移动过程中，连续采集该层培养叠板一定数量的图像；
步骤3，采用Hough变换对采集得到的图像进行处理，识别图像中的明亮区域；
步骤4，计算每幅图像中明亮区域面积占整个视场区域的比例，当该比例达到预设值时，例如1/2，记录当前位置处Z轴移动平台中编码器的脉冲值，以标定当前层数位置；
步骤5，控制倾斜显微光学***移动至上一层或下一层培养叠板附近，重复以上步骤2-4，以完成对上一层或下一层培养叠板的标定，直到细胞工厂生物反应器的所有层高标定全部完成。
Hough变换(Hough Transform)是一种图像处理中常用的特征提取算法，它可以检测目标图像中具有特定形状的物体，对于检测直线特征具有一定的优势。图像空间中直线是一个离散点的集合，呈现在直线上所有离散点，其斜率和结局相同，因此在参数坐标系中对应于同一点。将图像空间中所有点投影到参数坐标系中，如果参数坐标系中存在聚集点，则对应为原始坐标系下的直线。
Hough变换中直线的离散点几何等式采用参数方程表示为：
ρ＝x0cosθ+y0sinθ (1)
其中，ρ为原点到直线的几何垂直线段的长度；θ为几何垂直线段与x轴的夹角。
经测量，单层培养叠板高度偏差小于100μm，因此伺服控制器控制倾斜显微光学***161快速移动到距离理想位置200μm处开始低速运动400μm，在该运动区域连续采集50帧图像，如图4所示，应用Hough变换算法实时检测目标区域中的明亮区域位置，如图4中浅色区域所示。
考虑CCD相机可能存在倾斜的情况，采取面积评价方式，具体为：
Figure BDA0002277896920000061
其中，Sθ表示动态区域面积大小；S表示整个视场区域的面积。
当Mc＝0.5时，表示CCD相机已扫描到该区域的中心位置，记录该时刻编码器的脉冲值，标定当前层数位置。伺服***控制显微光学***快速移动到距离下一层理想位置200μm处开始下一层位置标定，依次对整个细胞工厂生物反应器122的各层层高进行动态标定。重复多次标定实验，伺服***控制显微光学***运动到各标定层位置检验，中心位置最大偏差17.5μm，有效避免了培养叠板累加误差对显微光电监测带来的影响。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，控制倾斜显微光学***在竖直方向上移动，其中，所述倾斜显微光学***位于细胞工厂生物反应器的一侧且所述倾斜显微光学***倾斜朝向细胞工厂生物反应器，所述倾斜显微光学***在电机的控制下移动，所述电机上安装有编码器；
步骤2，在所述倾斜显微光学***在细胞工厂生物反应器某层培养叠板附近移动的过程中，连续采集该层培养叠板一定数量的图像；
步骤3，采用Hough变换对采集得到的图像进行处理，识别图像中的明亮区域；
步骤4，计算每幅图像中明亮区域面积占整个视场区域的比例，当该比例达到预设值时，记录当前位置处所述编码器的脉冲值，以标定当前层数位置。
2.如权利要求1所述的基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，其特征在于，还包括以下步骤：
控制所述倾斜显微光学***移动至上一层或下一层培养叠板附近，重复以上步骤2-4，以完成对上一层或下一层培养叠板的标定，直到细胞工厂生物反应器的所有层高标定全部完成。
3.如权利要求1所述的基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，其特征在于，控制所述倾斜显微光学***在细胞工厂生物反应器某层培养叠板附近移动的过程中，所述倾斜显微光学***快速移动到距离培养叠板的底板和培养基分界线的理想位置200μm处开始低速运动400μm，在低速运动过程中采集图像。
4.如权利要求1所述的基于区域检测的细胞工厂生物反应器层高动态标定方法，其特征在于，当图像中明亮区域面积占整个视场区域一半时，表示所述倾斜显微光学***已处于培养叠板的底板和培养基的分界线，记录该时刻编码器的脉冲值，标定当前层数位置。
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