一种NK细胞培养形态的在线监测方法及系统与流程

一种nk细胞培养形态的在线监测方法及系统
技术领域
1.本发明涉及细胞培养的监测方法技术领域,尤其涉及一种nk细胞培养形态的在线监测方法及系统。


背景技术：

2.自然杀伤细胞(nk)是机体重要的免疫细胞，不仅与抗肿瘤、抗病毒感染和免疫调节有关，而且在某些情况下参与超敏反应和自身免疫性疾病的发生，能够识别靶细胞、杀伤介质。nk细胞培养作为一种常用的实验技术，它对细胞学、病毒学、免疫学等多个学科的研究和应用具有重大的影响。进行细胞培养时，通常要每天实时对其观测，以便了解其生长状况、培养皿内培养液的消耗和蒸发情况等。到目前为止，己经有多种技术可以分析细胞，主要有传统的光学技术以及介电谱技术，虽然它们都能实现细胞的监测，但各有优缺点。现有nk细胞培养形态在线检测技术中，智能化程度低，检测的数据准确度低。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种nk细胞培养形态的在线监测方法及系统。本发明所采用的技术方案包括：一种nk细胞培养形态的在线监测系统，包括信号采集传感器、信号转换电路、数据分析系统、通讯电路和人机交互界面；其中，信号采集传感器包括温度传感器、微波传感器、显微监测传感器，分别采集nk细胞在培养过程中的温度信息、培养皿内的介质信息、nk细胞在培养过程中的形态演变信息，并将温度信息和微波信息转换为电压信号后向信号转换电路输出，显微监测传感器信号直接与数据分析系统连接；信号转换电路包括放大电路、滤波电路、ad转换电路，将温度传感器和微波传感器输出的电压信号进行放大和滤波后，输入ad转换电路，将模拟量转换为数字量后再输入数据分析系统；数据分析系统根据信号采集传感器获取的nk细胞温度信息、培养皿内的介质信息、nk细胞形态演变信息，通过内置的处理策略和显微图像识别追踪算法，将nk细胞的实时培养形态进行分析，并将分析结果通过通讯电路上传至人机交互界面；同时，数据分析系统还具有实时数据的保存功能，将nk细胞温度信息、培养皿内的介质信息、nk细胞形态演变信息进行连续不断的存储；人机交互界面包括nk细胞培养形态的实时图像显示、nk细胞温度信息的显示、培养皿内的介质信息的显示、历史数据的调取、数据的对比分析、数据变化趋势的统计和波形绘制；nk细胞培养形态的实时图像显示是人机交互界面的核心模块，nk细胞温度信息的显示和培养皿内的介质信息的显示集成于nk细胞培养形态的实时图像中，在用户需要时进行放大显示；历史数据的调取由用户点击人机交互界面中的操作按钮，人机交互界面向数据分析系统发送控制指令，将存储的历史数据反馈至人机交互界面显示；数据的对比分析由
用户点击人机交互界面中的操作按钮，人机交互界面向数据分析系统发送控制指令，数据分析系统调取相关的历史数据并按照用户要求进行对比分析后，将结果上传至人机交互界面进行显示；数据变化趋势的统计和波形绘制由用户点击人机交互界面中的操作按钮，人机交互界面向数据分析系统发送控制指令，数据分析系统调取相关的历史数据并按照用户要求进行统计后，将结果绘成波形图回传至人机交互界面进行显示，用户在人机交互界面的波形图中根据需要添加分析线或分析点，并将分析结果打印输出。
4.在一种优选的实施例中，温度传感器包括热敏电阻基板、惠斯顿电桥测量电路、电压放大电路；其中，热敏电阻基板使用铂材料制成，引出两根接线，接入惠斯顿电桥的一臂；惠斯顿电桥根据热敏电阻基板的阻值变化范围匹配出桥臂电阻1、桥臂电阻2和桥臂电阻3；供电电压的电源正极连接桥臂电阻1和桥臂电阻2的输入端，参考地端连接桥臂电阻3和热敏电阻的输出端；信号输出电压从桥臂电阻1与桥臂电阻3的连接点、桥臂电阻2与热敏电阻的连接点引出，经过电压放大电路放大后向外输出。
5.在一种优选的实施例中，显微监测传感器包括点光源、光电耦合元件、物镜、数据采集卡；其中，点光源位于nk细胞培养皿下方，物镜位于nk细胞培养皿上方，光电耦合元件位于物镜上方，数据采集卡连接至光电耦合元件，并将采集转换后的数据发送至数据分析系统。
6.在一种优选的实施例中，信号转换电路与数据分析系统集成在一组计算机内，计算机的硬件部分由4张pcb板卡组成，包括1张母板、2张信号转换电路板、1张数据分析电路板；其中，2张信号转换电路板分为温度信号转换电路板和微波信号转换电路板，2张信号转换电路板和数据分析电路板插接在母板上，显微监测传感器的数据采集卡直接与数据分析电路板进行插接通信。
7.在一种优选的实施例中，数据分析系统内包括温度分析模块、微波分析模块、以及显微图像识别跟踪模块。
8.在一种优选的实施例中，温度分析模块采用线性曲线拟合的方法，线性曲线的起点值和终点值在数据分析系统出厂时进行校准并输入存储设备中，线性曲线拟合的横坐标为信号转换电路将温度信息进行ad变换后的数字量，纵坐标为温度值。
9.在一种优选的实施例中，微波分析模块接收两路电压信号，分别为微波信号转换后的数字量和参考电路输出电压转换后的数字量，将两路数字量信号进行同向分量抵消，得到单一的微波信号变换量。
10.在一种优选的实施例中，该nk细胞培养形态的在线监测方法包括以下步骤：s1：使用最大类间方差算法对显微图像进行阈值分割，将nk细胞图像从背景图像分离出来，其实现原理如下：假设显微图像的灰度值范围为[0，l],且灰度值为的像素个数为显微图像中像素总数为则进一步得到灰度值为的像素的出现概率为：设定使用最大类间方差法分割显微图像的灰度阈值为t
阈
，则显微图像的灰度值根
据其小于灰度阈值和大于灰度阈值分为两个区间u1和u2，其中区间u1内有k个灰度值，区间u2内有l-k个灰度值，则两个区间内的灰度平均值计算方法如下：通过遍历所有灰度值，当某一灰度值使得方差值最大时，则令其为最佳阈值；s2：采用中值滤波算法滤除背景图像中杂乱分布的噪声信号，结合otsu算法将nk细胞轮廓进行二值化处理，再将分割完成的nk细胞图像和背景图像进行取非操作后，获取完整的nk细胞图像；s3：使用sobel算子对nk细胞轮廓进行提取，sobel算子包括两组3
×
3 的计算矩阵：在获取nk细胞轮廓后，为了提高nk细胞轮廓的清晰度，再次使用otsu算法进行二值化处理，至此得到完整的nk细胞图像。
[0011]
在一种优选的实施例中，该nk细胞培养形态的在线监测方法还包括：r1：微波发射器作为激励源，向电路中产生一个高频微波信号，该高频微波信号频率在100mhz至1ghz之间，幅值在5db至50db之间；r2：高频微波信号进入功率放大器，放大倍数在30倍至100倍之间，放大后的信号输入功率分发器；r3：功率分发器将高频微波信号等分为两份，分别输入微带电感和参考电路；r4：微带电感布置于nk细胞培养皿的下方，参考电路与微带电感相邻布置，高频微波信号经过微带电感时电磁场将会得到增强，电磁场经过nk细胞培养皿后使得高频微波信号发生衰减，衰减系数与nk细胞培养皿内的溶液和介质相关；r5：将衰减后的高频微波信号与参考电路输出信号整形后转换为电压信号，将电压信号经过信号转换电路后输入数据分析系统，用于判断nk细胞培养皿的实时状态。
[0012]
在一种优选的实施例中，数据分析电路板中包括dsp处理器、sram静态存储器、norflash存储器；其中，dsp处理器用于数据分析，sram静态存储器用于存储温度拟合曲线、显微图像识别追踪算法，norflash存储器用于存储历史数据。
[0013]
本发明提供的一种nk细胞培养形态的在线监测方法及系统，与现有技术相比优点在于：本发明基于目前快速发展的图像识别技术和智能监测技术，提出一种nk细胞培养形态的在线监测方法及系统，实现了对nk细胞温度信息、培养皿内的介质信息、nk细胞在培养过程中的形态演变信息的在线监测，并将历史数据进行实时保存，支持用户在需要时调取历史数据并进行分析处理，实现了nk细胞培养形态的智能化、高精度化监测。
附图说明
[0014]
图1为nk细胞培养形态的在线监测系统的示意图；图2为基于阈值分割和图像增强技术的显微图像识别追踪算法示意图；图3为微波传感器组成示意图；图4为数据分析电路板组成示意图；图5为微带电感的安装示意图；图6为温度分析模块的线性曲线拟合示意图；图7为显微监测传感器的安装示意图；图8为各pcb板卡的组装示意图；图9为惠斯顿电桥的测量原理示意图；图10为人机交互界面的组成示意图。
具体实施方式
[0015]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明的实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明的技术方案。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明内容的描述。
[0016]
参考图1，提供了一种nk细胞培养形态的在线监测方法及系统，包括信号采集传感器、信号转换电路、数据分析系统、通讯电路、人机交互界面；其中，信号采集传感器包括温度传感器、微波传感器、显微监测传感器，分别采集nk细胞在培养过程中的温度信息、培养皿内的介质信息、nk细胞在培养过程中的形态演变信息，并将温度信息和微波信息转换为电压信号后向信号转换电路输出，显微监测传感器信号直接与数据分析系统连接；温度传感器包括热敏电阻基板、惠斯顿电桥测量电路、电压放大电路；具体的，参考图9，热敏电阻基板使用铂材料制成，引出两根接线，接入惠斯顿电桥的一臂；惠斯顿电桥根据热敏电阻基板的阻值变化范围匹配出桥臂电阻1、桥臂电阻2和桥臂电阻3；供电电压的电源正极连接桥臂电阻1和桥臂电阻2的输入端，参考地端连接桥臂电阻3和热敏电阻的输出端；信号输出电压从桥臂电阻1与桥臂电阻3的连接点、桥臂电阻2与热敏电阻的连接点引出，经过电压放大电路放大后向外输出。
[0017]
参考图3，微波传感器基于微波原理，包括微波发射器、功率放大器、功率分发器、微带电感,其工作步骤如下：r1：微波发射器作为激励源，向电路中产生一个高频微波信号，高频微波信号频率在100mhz至1ghz之间，幅值在5db至50db之间；r2：高频微波信号进入功率放大器，放大倍数在30倍至100倍之间，放大后的信号输入功率分发器；r3：功率分发器将高频微波信号等分为两份，分别输入微带电感和参考电路；r4：微带电感布置于nk细胞培养皿的下方，参考电路与微带电感相邻布置，高频微波信号经过微带电感时电磁场将会得到增强，电磁场经过nk细胞培养皿后使得高频微波信号发生衰减，衰减系数与nk细胞培养皿内的溶液和介质相关；
r5：将衰减后的微波信号与参考电路输出信号整形后转换为电压信号，将电压信号经过信号转换电路后输入数据分析系统，用于判断nk细胞培养皿的实时状态。
[0018]
显微监测传感器包括点光源、光电耦合元件、物镜、数据采集卡；进一步的，参考图5、图7，点光源优选使用led灯，且将该led灯设置于nk细胞培养皿下方，物镜位于nk细胞培养皿上方，光电耦合元件位于物镜上方，数据采集卡连接至光电耦合元件，并将采集转换后的数据发送至数据分析系统。
[0019]
信号转换电路包括放大电路、滤波电路、ad转换电路，将温度传感器和微波传感器输出的电压信号进行放大和滤波后，输入ad转换电路，将模拟量转换为数字量后再输入数据分析系统；参考图8，信号转换电路与数据分析系统集成在一组计算机内，计算机硬件部分由4张pcb板卡组成，包括1张母板、2张信号转换电路板、1张数据分析电路板；其中，2张信号转换电路板分为温度信号转换电路板和微波信号转换电路板，2张信号转换电路板和数据分析电路板插接在母板上，显微监测传感器的数据采集卡直接与数据分析电路板进行插接通信。
[0020]
进一步的，参考图4，数据分析电路板中包括dsp处理器、sram静态存储器、norflash存储器，其中，dsp处理器用于数据分析，sram静态存储器用于存储温度拟合曲线、显微图像识别追踪算法，norflash存储器用于存储历史数据。
[0021]
数据分析系统根据信号采集传感器获取的nk细胞温度信息、培养皿内的介质信息、nk细胞形态演变信息，通过内置的处理策略和显微图像识别追踪算法，将nk细胞的实时培养形态进行分析，并将分析结果通过通讯电路上传至人机交互界面；数据分析系统还具有实时数据的保存功能，将nk细胞温度信息、培养皿内的介质信息、nk细胞形态演变信息进行连续不断的存储；数据分析系统内包括温度分析模块、微波分析模块、以及显微图像识别跟踪模块。
[0022]
温度分析模块采用线性曲线拟合的方法，参考图6，线性曲线的起点值和终点值在数据分析系统出厂时进行校准并输入存储设备中，线性曲线拟合的横坐标为信号转换电路将温度信息进行ad变换后的数字量，纵坐标为温度值。
[0023]
微波分析模块接收两路电压信号，分别为微波信号转换后的数字量和参考电路输出电压转换后的数字量，将两路数字量信号进行同向分量抵消，得到单一的微波信号变换量。
[0024]
显微图像识别追踪模块具体涉及一种基于阈值分割和图像增强技术的显微图像识别追踪算法，进一步的，参考图2，其实现步骤如下：s1：使用最大类间方差算法对显微图像进行阈值分割，将nk细胞图像从背景图像分离出来，其实现原理如下：假设显微图像的灰度值范围为[0，l],且灰度值为的像素个数为显微图像中像素总个数为则进一步得到灰度值为的像素的出现概率为：
设定使用最大类间方差法分割显微图像的灰度阈值为t
阈
，则显微图像的灰度值根据其小于灰度阈值和大于灰度阈值分为两个区间u1和u2，其中区间u1内有k个灰度值，区间u2内有l-k个灰度值，则两个区间内的灰度平均值计算方法如下：通过遍历所有灰度值，当某一灰度值使得方差值最大时，则令其为最佳阈值；s2：采用中值滤波算法滤除背景图像中杂乱分布的噪声信号，结合otsu算法将nk细胞轮廓进行二值化处理，再将分割完成的nk细胞图像和背景图像进行取非操作后获取完整的nk细胞图像；s3：使用sobel算子对nk细胞轮廓进行提取，sobel算子包括两组3
×
3的计算矩阵，如下所示：在获取nk细胞轮廓后，为了提高其清晰度，再次使用otsu算法进行二值化处理，至此得到完整的nk细胞图像。
[0025]
参考图10，人机交互界面包括nk细胞培养形态的实时图像显示、nk细胞温度信息的显示、培养皿内的介质信息的显示、历史数据的调取、数据的对比分析、数据变化趋势的统计和波形绘制；nk细胞培养形态的实时图像显示是人机交互界面的核心模块，nk细胞温度信息的显示和培养皿内的介质信息的显示集成于nk细胞培养形态的实时图像中，在用户需要时进行放大显示；历史数据的调取由用户点击人机交互界面中的操作按钮，人机交互界面向数据分析系统发送控制指令，将存储的历史数据反馈至人机交互界面显示；数据的对比分析由用户点击人机交互界面中的操作按钮，人机交互界面向数据分析系统发送控制指令，数据分析系统调取相关的历史数据并按照用户要求进行对比分析后，将结果上传至人机交互界面进行显示；数据变化趋势的统计和波形绘制由用户点击人机交互界面中的操作按钮，人机交互界面向数据分析系统发送控制指令，数据分析系统调取相关的历史数据并按照用户要求进行统计后，将结果绘成波形图回传至人机交互界面进行显示，用户在人机交互界面的波形图中根据需要添加分析线或分析点，并将分析结果打印输出。
[0026]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解的是,在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。