基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法

摘要

本发明涉及一种基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法。所述检测方法，包括以下步骤：S1，微针刺入细胞前，对细胞内细胞质的位置进行标定；S2，通过图像处理的方式对微管内增量式细胞质进行位置标定；S3，计算t时刻，微管内增量式细胞质的定义域Ωt；S4，实时更新细胞质定义域Ωt，得到微管内增量式细胞质的生长域；S5，在生长域内设定检测目标点，作为追踪对象；S6，利用光流法追踪并获取检测目标点运动及形变后的新位置，计算得到增量式细胞质内部的速度场。本发明通过基于生长域的微管内细胞质的速度场检测，用来评价分析细胞去核过程的好坏，对于调整显微去核操作中的重要参数，降低对细胞的损伤，具有重要的指导意义。

权利要求

1.基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法，其特征在于，所述的速度场检测方法应用于微针抽取细胞质实现细胞去核的过程中，具体包括以下步骤：S1，微针刺入细胞前，对细胞内细胞质的位置进行标定，具体为：通过Canny边缘检测法得到细胞的边缘图后，利用霍夫圆检测法对细胞内胞质的位置进行标定，获得细胞的圆心坐标O(m，n)，以及胞质的半径r；

S2，微管刺入细胞抽取细胞质，通过图像处理的方式对微管内增量式细胞质进行位置标定，具体为：应用帧差法对去核过程中相邻的两帧图像采用基于像素的时间差分方法来提取出显微图像中的增量式细胞质的运动区域，并得到胞质运动区域的外接矩形，确定t时刻，外接矩形的右边界端点p(xp，yp)和q(xq，yq)；

S3，根据步骤S2中位置标定的结果，计算t时刻，微管内增量式细胞质定义域Ωt，计算方法如下：首先，定义胞质运动区域的外接矩形的四个顶点分别为A(xA，yA)、B(xB，yB)和C(xc，yC)、D(xD，yD)；其次，根据几何关系：xD＝m+r，xC＝xq，yB＝yp，yC＝yq确定四个顶点的具体坐标，由此得到t时刻，细胞质定义域Ωt＝{(x，y)|xD≤x≤xC，yC≤y≤yB}，即：Ωt＝{(x，y)|m+r≤x≤xq，yq≤y≤yp}；

S4，实时更新步骤S3所述的细胞质定义域Ωt，得到微管内增量式细胞质的生长域；

S5，在步骤S4所述的生长域内设定检测目标点，作为追踪对象；

S6，利用光流法追踪并获取检测目标点运动及形变后的新位置，通过检测目标点在不同时刻之间的位置差，计算得到增量式细胞质内部的速度场。

2.根据权利要求1所述的基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法，其特征在于，在步骤S1之前，所述的检测方法还包括如下步骤：通过图像处理的方式对细胞去核显微环境进行预处理，具体方法为：对输入的显微图像进行去噪，消除图像噪声，然后对图像进行二值化操作，过滤掉显微图像视野中经常出现的杂质，为后续位置标定排除干扰。

3.根据权利要求1所述的基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法，其特征在于，在步骤S4中，细胞质定义域Ωt的实时更新的具体方法为：利用步骤S2中的图像处理方式，实时更新细胞质在微管内的位置，并通过步骤S3所述的细胞质定义域Ωt的计算方法，计算更新后的细胞质定义域Ωt，即：胞质生长域。

说明书

基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及显微操作领域，具体涉及一种基于生长域的微管内增量式细胞质速度场的检测方法。

背景技术

[0002] 微米级别的显微操作过程，如细胞去核过程中微管内增量式细胞质的运动不同于常见的对固定目标进行视觉检测任务，如对画面中移动的车辆、机器人等目标进行检测，其
所检测的对象是从无到有、逐渐增多的。同时，细胞去核过程中微管内的胞质所受到的作用
力是变化的，胞质内部会产生形变。因此，检测目标不是固定不变的目标点，检测的目标会
随时间而改变，直接通过传统的视觉检测方式是无法准确、完整的表达其整个过程的运动。
对于这样时刻变化的研究对象，其在某一时刻的研究范围常被定义为研究对象的定义域，
其变化的过程被形式化为定义域的生长过程，即生长域。

[0003] 采用基于生长域的方式对细胞去核过程中，微管内细胞质的速度场进行检测具有很多优势，其可以解决研究目标时刻变化的问题，可以对去核的整个动态过程进行完整的
研究，对于评价细胞去核过程的好坏，对于所用去核方法的适用性以及对细胞伤害等研究
均具有重要的指导意义。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种基于生长域的微管内增量式细胞质速度场检测方法，可应用于细胞去核过程中，微管内胞质运动的检测，以实现细胞去核动态过程研究。

[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法，所述的速度场检测方法应用于微针抽取细胞质实现细胞去核的
过程中，具体包括以下步骤：

[0006] S1，微针刺入细胞前，对细胞内细胞质的位置进行标定；

[0007] S2，微管刺入细胞抽取细胞质，通过图像处理的方式对微管内增量式细胞质进行位置标定；

[0008] S3，根据步骤S2中位置标定的结果，计算t时刻，微管内增量式细胞质的定义域Ωt；

[0009] S4，实时更新步骤S3所述的细胞质定义域Ωt，得到微管内增量式细胞质的生长域；

[0010] S5，在步骤S4所述的生长域内设定检测目标点，作为追踪对象；

[0011] S6，利用光流法追踪并获取检测目标点运动及形变后的新位置，通过检测目标点在不同时刻之间的位置差，计算得到增量式细胞质内部的速度场。

[0012] 作为优选地，在步骤S1之前，所述的检测方法还包括如下步骤：通过图像处理的方式对细胞去核显微环境进行预处理，具体方法为：对输入的显微图像进行去噪，消除图像对
噪声，然后对图像进行二值化操作，过滤掉显微图像视野中经常出现的杂质，为后续位置标
定排除干扰。

[0013] 进一步地，在步骤S1中，对细胞内细胞质的位置进行标定具体方法为：通过Canny边缘检测法得到细胞的边缘图后，利用霍夫圆检测法对细胞内胞质的位置进行标定，获得
细胞的圆心坐标O(m，n)，以及胞质的半径r。

[0014] 进一步地，步骤S2的具体方法为：应用帧差法对去核过程中相邻的两帧图像采用基于像素的时间差分方法来提取出显微图像中的增量式细胞质的运动区域，并得到胞质运
动区域的外接矩形，确定t时刻，外接矩形的右边界端点p(xp，yp)和q(xq，yq)。

[0015] 进一步地，在步骤S3中，t时刻，细胞质的定义域Ωt具体算法为：首先，定义胞质运动区域的外接矩形的四个顶点分别为A(xA，yA)、B(xB，yB)和C(xC，yC)、D(xD，yD)；其次，根据几
何关系：xD＝m+r，xC＝xq，yB＝yp，yC＝yq确定四个顶点的具体坐标，由此得到t时刻，细胞质
的定义域Ωt＝{(x，y)|xD≤x≤xC，yC≤y≤yB}，即：Ωt＝{(x，y)m+r≤x≤xq，yq≤y≤yp}。

[0016] 进一步地，在步骤S4中，细胞质定义域Ωt的实时更新的具体方法为：利用步骤S2所述的图像处理方式，实时更新细胞质在微管内的位置，并通过步骤S3所述的细胞质定义
域Ωt的计算方法，计算更新后的细胞质定义域Ωt，即：胞质生长域。

[0017] 本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

[0018] 1、细胞去核过程中微管内的胞质从无到有、逐渐增多，胞质在微管内的运动状态可以体现出细胞去核的动态过程。其中，微管内胞质运动过程中的速度场是体现胞质运动
状态的重要指标，实现细胞去核过程中微管内的速度场检测，对研究细胞去核过程的好坏
具有重要意义。因为在去核过程中，微管内的胞质是逐渐增多的，即研究目标的区域在时刻
改变，且胞质在微管内的运动是复杂的，存在内部变形等行为，因此，如何实现增量式的胞
质速度场检测方法很有必要。但是，现有微操作领域内，缺乏相关类似的研究方法。

[0019] 2、细胞去核是实现细胞克隆过程中的一个重要步骤。在通过显微操作进行细胞去核的过程中，如何实现以对细胞最少的损伤，最少胞质的抽取，完成细胞去核，一直是显微
操作实现细胞克隆领域内的难题。本发明通过基于生长域的微管内胞质速度场的检测，用
来评价分析细胞去核过程的好坏，对于调整显微去核操作中的重要参数，降低对细胞的损
伤，具有重要的指导意义。

[0020] 3、本发明所述的基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法，该方法不与细胞质物质接触，具有简易、无损伤的特点。

附图说明

[0021] 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性的前提下，还可
以根据这些附图获得其他的附图。

[0022] 图1为本发明所述基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法的流程图。

[0023] 图2为显微环境进行预处理后的图像(a：滤波后的图像；b：二值化后的图像)。

[0024] 图3为细胞内胞质位置标定的图像(a：Canny边缘检测后的图像；b：霍夫圆检测后的图像)。

[0025] 图4为采用帧差法对微管内增量式细胞质进行位置标定的图像(a：原始图像；

[0026] b：帧差法检测得到的运动区域；c：运动区域的外接矩形)。

[0027] 图5为增量式细胞质的定义域。

[0028] 图6为生长域内检测目标点的选择示意图。

[0029] 图7为卵母细胞去核过程中胞质的速度场分布(a，b分别代表其中两个时刻的速度场)。

具体实施方式

[0030] 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

[0031] 实施例1：一种基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法，所述的速度场检测方法应用于微针抽取细胞质实现细胞去核的过程中，具体包括以下步骤：

[0032] S1，微针刺入细胞前，对细胞内细胞质的位置进行标定；

[0033] S2，微管刺入细胞抽取细胞质，通过图像处理的方式对微管内增量式细胞质进行位置标定；

[0034] S3，根据步骤S2中位置标定的结果，计算t时刻，微管内增量式细胞质的定义域Ωt；

[0035] S4，实时更新步骤S3所述的细胞质定义域Ωt，得到微管内增量式细胞质的生长域；

[0036] S5，在步骤S4所述的生长域内设定检测目标点，作为追踪对象；

[0037] S6，利用光流法追踪并获取检测目标点运动及形变后的新位置，通过检测目标点在不同时刻之间的位置差，计算得到增量式细胞质内部的速度场。

[0038] 具体地，本实施例1所述的检测方法用于对家猪卵母细胞去核过程中微管内胞质的速度场进行检测。

[0039] 本实施例1所使用的细胞是从当地屠宰场所取的家猪卵母细胞。卵母细胞的获取方法如下：

[0040] 卵巢从屠宰场取出后，在两个小时之内用装有35°到37°的生理盐水的保温瓶运送到实验室。然后立刻用37°的含有100IU/L的盘尼西林和50mg/L的链霉素的无菌生理盐水清
洗两次。卵母细胞从卵巢上的2到6毫米直径的小囊中抽取，将抽出的细胞用TL‑Hepes‑PVA
冲洗三次后在39°、二氧化碳浓度5％的培养箱内体外成熟培养(IVM)42小时。经过IVM后，将
细胞用0.1％的透明质酸酶进行脱卵。最后用M199将细胞清洗三次，得到的这些细胞为本例
中所用卵母细胞。

[0041] 本发明采用NK‑MR601显微操作系统进行实验操作，该装置系统构架中包括将在显微视野范围内放置细胞群的移动载物台，包括两个三自由度的操作臂，包括用于固定卵母
细胞的吸持微针，包括用于刺入细胞的刺入微针。其中，吸持微针的针口半径范围为50到80
微米，刺入微针的针口半径范围为9到12微米，刺入微针的回程误差为1μm，移动范围为50mm
×50mm×50mm。采用的镜头为Panasonic的W‑V‑460。

[0042] 下面结合附图对本发明实施例1做进一步说明：

[0043] 如图2所示，在利用本发明实施例1所述的检测方法进行检测前，首先需要利用图像处理的方式对细胞显微环境进行预处理，具体方法为：对输入的显微图像进行去噪，消除
图像对噪声，然后对图像进行二值化操作，过滤掉显微图像视野中经常出现的杂质，为后续
位置标定排除干扰。(图2中，滤波后的图像如图a所示；二值化后的图像如图b所示)

[0044] 如图3所示，本实施例1所述的步骤S1中，对细胞内细胞质的位置进行标定具体方法为：通过Canny边缘检测法得到细胞的边缘图后，利用霍夫圆检测法对细胞内胞质的位置
进行标定，获得细胞的圆心坐标O(m，n)，以及胞质的半径r。(图3中，Canny边缘检测后的图
像如图a所示；霍夫圆检测后的图像如图b所示)

[0045] 如图4所示，本实施例1所述步骤S2的具体方法为：首先对相邻帧的显微图像对应位置的像素值作差，然后对差分后的图像进行二值化。由于显微环境中的亮度比较恒定，所
以如果对应位置的像素值作差后小于预设的阂值，那么此处被视为显微环境中的背景；反
之如果对应位置的像素值作差后大于阈值，那么认为这是由于显微图像中的胞质运动导致
的。由于杂质的存在，运动区域可能存在多个部分，应用轮廓查找，可以获得图像的几条轮
廓，之后在几条轮廓中挑选所需要的胞质运动区域，并得到胞质运动区域的外接矩形，确定
t时刻，外接矩形的右边界端点p(xp，yp)和q(xq，yq)。(图4中，图b为帧差法检测得到的胞质
运动区域；图c运动区域的外接矩形)。

[0046] 如图5所示，本实施例1所述步骤S3的具体为：

[0047] 根据步骤S2中，位置标定结果计算得到当前时刻的胞质定义域，在去核过程中的每一帧对该胞质定义域进行更新，得到胞质生长域。胞质的生长域即胞质定义域的实时更
新过程，其依赖细胞内胞质的位置和微管内胞质的位置。通过步骤S1检测到的细胞的圆心O
(m，n)，细胞内胞质的半径r和步骤S2中微管内运动胞质的外接矩形右边界端点p(xp，yp)和q
(xq，yq)的确定。如图5所示，矩形ABCD区域即为胞质定义域的范围，矩形区域的四个顶点分
别为A(xA，yA)、B(xB，yB)和C(xC，yC)、D(xD，yD)。其次，根据几何关系：xD＝m+r，xC＝xq，yB＝yp，
yC＝yq确定四个顶点的具体坐标，由此得到t时刻，细胞质的定义域Ωt＝{(x，y)|xD≤x≤xC，
yC≤y≤yB}，即：

[0048] Ωt＝{(x，y)m+r≤x≤xq，yq≤y≤yp}。

[0049] 进一步地，对于整个去核过程，通过上述方法可以获得每一时刻胞质定义域的位置，通过对每一时刻的胞质定义域进行更新，即可得到胞质的生长域，具体为：利用步骤S2
所述的图像处理方式，实时更新细胞质在微管内的位置，并通过步骤S3所述的细胞质定义
域Ωt的计算方法，计算更新后的细胞质定义域Ωt，即：胞质生长域。

[0050] 图6所示为本实施例1具体步骤的第五步，在生长域内选择检测目标点：

[0051] 获得增量式胞质生长域后，对横纵坐标进行遍历在生长域内的设定点，作为追踪对象。

[0052] 图7所示为计算微管内增量式细胞质得到的速度场，实现了一种基于生长域的微管内增量式细胞质的速度场检测方法。

[0053] 具体为：利用光流法追踪并获取增量式细胞质运动后及形变后内部所有标记点的新位置，除以不同时刻的数据采集时间，计算出增量式物质内部的速度场。其中，利用光流
法进行胞质质点的追踪和标记为现有技术，本发明不做赘述。

[0054] 此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包
括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施
例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本
权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。