一种细胞克隆存活率自动检测装置及其检测方法
【专利摘要】本发明提供一种细胞克隆存活率自动检测装置，包括样品图像采集仪和信息处理器，样品图像采集仪由长方形箱体、CCD摄像机、三基色光源、日光灯光源和推拉托盘五部分组成，推拉托盘上设有用于分别放置待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品的两个凹槽；信息处理器通过USB数据线与样品图像采集仪连接，信息处理器包括信息处理单片机、LCD显示屏、SD接口以及若干功能按钮。本发明还提供一种细胞克隆存活率自动检测装置的检测方法。本发明采用自动化检测方式，操作简单、便捷，避免了人工方式所引起的检测误差，大大提高了检测精度、效率，节省了人力成本，数据归档和保存功能方便了检测数据的回访和追溯。
【专利说明】一种细胞克隆存活率自动检测装置及其检测方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及环境污染检测【技术领域】，具体是一种细胞克隆存活率自动检测装置及其检测方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]随着人类社会经济的快速发展和工业化程度的日益加深，人类赖以生存的自然环境却受到越来越严重的污染，包括大气污染、水污染、土壤污染以及核辐射等。据称，全世界范围内，每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了 55000亿立方米的淡水，约占全球径流量的14%以上。在我国，当前的空气、水源等环境污染的状况已经十分严峻。水污染源包括化工产品中的重金属离子以及有毒的有机物，这些物质可引起人们畸形、患癌症、器官病变，严重威胁到人类的健康。如何高效检测污染物的毒性以有效监控和评价各种环境污染已经成为改善我国经济社会发展质量的重要课题之一。
[0005]环境污染检测可以基于物理、化学或者生物学原理，如中国发明专利CN101882350B公开了一种基于微生物燃料电池原理的水污染生物预警系统和方法，提出检测水体进入微生物燃料电池(MFC)所引起的电信号的变化量，经计算处理后进行上传存储并实时显示在显示屏上；中国发明专利申请CN101692034A公开了一种便携式水污染物在线检测装置，采用导流方式将待测水样引导到会聚高斯光束的束腰区，通过透过率起伏法测量水中微米级颗粒污染物的平均粒径和颗粒数浓度，使用DSP进行信号采集和处理。
[0006]与传统的基于物理或化学原理的水污染检测方法相比，基于生物学原理的检测方法能够更加真实地反映环境污染的潜在细胞毒性，具有模拟真实水污染环境对生物体有害影响的优势，因此，近年来越来越受到人们的重视[Ohe，T.，ffatanabe, T.，andffakabayashi, K.(2004) Mutagens in surface waters: a review.Mutat Res 567,109-49] o MTT比色法实验和细胞克隆形成能力实验是两种重要的体外细胞毒性实验。MTT比色法实验是基于活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性MTT还原为水不溶性的蓝紫色结晶甲瓒并沉积在细胞中的原理，主要应用于检测细胞毒性实验。而细胞克隆形成能力实验是基于活细胞具有正常增殖的特性，主要应用于检测细胞增殖活性，更好地反映细胞的生存能力，因此更具有生物学意义。
[0007]我们已建立的基于人鼠杂交瘤细胞克隆形成能力的水污染毒性评价体系，通过检测细胞克隆存活率来指示水污染毒性程度，其检测性能不受水环境中有毒化合物种类的局限，能够更好地反映水介质中有毒混合物对细胞增殖能力的有害影响。因此，高精度、全自动细胞克隆存活率检测已经成为包括水污染在内的环境污染监控和治理的迫切需求。
[0008]当前，细胞克隆存活率的测定主要采用人工计数方式:首先对待测样品和对照样品中的细胞克隆进行人工计数，然后，通过对比待测样品和对照样品的存活克隆数目来对细胞克隆存活率进行定量。通常，一个样品(细胞培养皿)中密集分布有几百个不等的细胞克隆(群落)，采用人工的方式对这些细胞克隆进行计数费时费力。同时，由于受疲劳、个性情绪等主观性因素的干扰，采用人工方式也难以保证检测精度。更重要的，由于只能对克隆尺度进行粗略估计，人工方式难以辨别满足特定细胞活性要求的克隆(群落)，进而导致不可靠的细胞克隆存活率检测。
[0009]
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于提供一种细胞克隆存活率自动检测装置及其检测方法，对待测细胞克隆样品以及对照细胞克隆样品同时进行数字图像信息扫描，利用图像模式识别技术处理和分析细胞克隆样品图像，通过对细胞克隆的自动分割与识别实现细胞克隆存活率的自动化检测。
[0011]本发明的技术方案为:
一种细胞克隆存活率自动检测装置，所述细胞克隆存活率自动检测装置包括样品图像采集仪和信息处理器，所述样品图像采集仪包括长方形箱体、设置在长方形箱体顶部内侧中央的CCD摄像机、设置在长方形箱体顶部内侧四周的三基色光源、设置在长方形箱体底部内侧中央的日光灯光源以及设置在长方形箱体内的推拉托盘；所述长方形箱体的侧部采用挡光板，所述推拉托盘的中央部位开设有两个凹槽，分别用于放置待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品；
所述信息处理器通过USB数据线与样品图像采集仪连接，所述信息处理器包括信息处理单片机、IXD显示屏、SD接口以及若干功能按钮，所述功能按钮的输出端与信息处理单片机的输入端连接，所述信息处理单片机的输出端分别与三基色光源、日光灯光源和LCD显示屏的输入端连接，所述信息处理单片机与CCD摄像机交互式连接，所述信息处理单片机的输出端通过SD接口与SD卡存储器的输入端连接。
[0012]所述的细胞克隆存活率自动检测装置，所述长方形箱体的两侧内壁上分别设有用于放置推拉托盘的凹槽轨道。
[0013]所述的细胞克隆存活率自动检测装置，所述推拉托盘的截面为L型，其长边部水平设置在长方形箱体内，其短边部竖直设置在长方形箱体前端，所述短边部的中央部位设有凹槽式手柄。
[0014]所述的细胞克隆存活率自动检测装置，所述三基色光源包括电子变色控制电路板和四根规格相同的三基色灯管，所述电子变色控制电路板的输入端与信息处理单片机的输出端连接，所述电子变色控制电路板的输出端与三基色灯管的输入端连接；所述日光灯光源选用四只规格相同且同时开启或关闭的日光灯灯泡。
[0015]所述的细胞克隆存活率自动检测装置，所述挡光板选用木板，或选用纸板，或选用塑料板。
[0016]所述的细胞克隆存活率自动检测装置，所述信息处理器还包括GPRS数据传输模块，所述GPRS数据传输模块的输入端与信息处理单片机的输出端连接，所述GPRS数据传输模块的输出端通过GPRS网络和互联网与远程服务器的输入端连接；所述功能按钮包括启动/退出按钮、光谱设置按钮、自动对焦按钮、图像信息采集按钮、图像降噪按钮、克隆尺度阈值设置按钮、克隆分割与识别按钮、克隆存活率量化按钮、归档保存按钮和GPRS数据传输按钮。
[0017]所述的细胞克隆存活率自动检测装置，所述信息处理单片机选用基于ARM9内核的单片机。
[0018]一种细胞克隆存活率自动检测装置的检测方法，包括以下步骤:
(1)将待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品分别放置在样品图像采集仪的推拉托盘上的两个凹槽内；
(2)信息处理单片机对CCD摄像机的焦距进行自动调整；
(3)信息处理单片机控制三基色光源依次产生白色和预设的检测光谱两种颜色的光，同时控制CCD摄像机分别在两种颜色的反射光光照下各采集一幅细胞克隆样品图像；信息处理单片机控制三基色光源关闭，控制日光灯光源开启，同时控制CCD摄像机在透射光光照下采集一幅细胞克隆样品图像；
(4)CCD摄像机将采集的三幅细胞克隆样品图像发送给信息处理单片机，信息处理单片机将其显示在IXD显示屏上；
(5)信息处理单片机将接收到的三幅细胞克隆样品图像依次进行降噪处理，并在LCD显示屏上显示降噪后的细胞克隆样品图像；
(6)信息处理单片机根据预设的细胞克隆尺度阈值，对降噪后的三幅细胞克隆样品图像依次进行细胞克隆识别，并在LCD显示屏上显示带有克隆标记的细胞克隆样品图像；
(7)信息处理单片机根据细胞克隆识别结果，对待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率进行量化处理，并在LCD显示屏上显示其细胞克隆存活率检测结果；
(8)信息处理单片机将CCD摄像机采集的三幅细胞克隆样品图像和待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率检测结果保存到SD卡存储器中。
[0019]所述的细胞克隆存活率自动检测装置的检测方法，还包括:信息处理单片机将CCD摄像机采集的三幅细胞克隆样品图像和待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率检测结果通过GPRS数据传输模块传输至互联网上的远程服务器。
[0020]本发明装置的结构简单、携带方便、容易操作，信息处理实时、快捷，同时采用基于多光谱的反射光和透射光进行数字细胞克隆图像信息采集，相对于现有技术，提高了细胞克隆存活率的检测精度。由于水、土壤等污染物检测通常需要在野外进行，本发明将大大方便水、土壤等环境污染的检测与实时监控，可以应用于大气、水、土壤等环境污染的实时监控和各类污染物生物学毒性的鉴定和评价，对积极干预和有效抑制日益严重的环境污染问题具有重要现实意义，也可以应用于细胞毒理学科学研宄，为理解细胞毒理学机理提供基础实验数据，具有重要的科学意义。
[0021]
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的原理示意图；
图3是细胞克隆样品在反射光与透射光下的图像示例图。
[0023]
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
[0025]如图1、图2所示，一种细胞克隆存活率自动检测装置，包括用于细胞克隆样品图像数字信息采集的样品图像采集仪I和用于处理细胞克隆样品图像信息的信息处理器2，样品图像采集仪I通过USB数据线与信息处理器2连接。
[0026]样品图像采集仪I包括长方形箱体10，长方形箱体10的四周由白色的挡光板组成，挡光板的材质可以为木板，或为纸板，或为塑料板。用于采集细胞克隆样品图像信息的高清CCD摄像机11内嵌在长方形箱体10的顶部正上方，为了防止光照不均匀导致信息采集不完整，其四周镶嵌了用于提供变色光的三基色光源，三基色光源包括电子变色控制电路板121和四根规格相同的三基色灯管122。
[0027]在长方形箱体10的中间位置，即高清CCD摄像机11的正下方是一个L型推拉透明玻璃托盘14，L型推拉透明玻璃托盘14被长方形箱体10两侧内壁上的凹槽轨道17水平滑动固定在长方形箱体10的中间位置。在L型推拉透明玻璃托盘14的中间部位刻蚀了两个圆形凹槽15、16，分别用于放置待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品。在L型推拉透明玻璃托盘14的前端中间位置设有凹槽式手柄18，便于操作者用手推拉L型推拉透明玻璃托盘14。
[0028]采集细胞克隆样品图像信息时，操作者手握L型推拉透明玻璃托盘14外侧的凹槽式手柄18，将L型推拉透明玻璃托盘14沿两侧的凹槽轨道17水平滑动拉出，将待测细胞克隆样品放置在圆形凹槽15内，将对照细胞克隆样品放置在圆形凹槽16内，然后，再沿两侧的凹槽轨道17将L型推拉透明玻璃托盘14推回到长方形箱体10中。
[0029]长方形箱体10的底部镶嵌有四只日光灯灯泡13，规格相同且同时开启或关闭，用于产生透射细胞克隆样品的光，以便高清CCD摄像机11采集细胞克隆样品在透射光下的信息。
[0030]信息处理器2为一个“梯形”箱体，固定在样品图像采集仪I的长方形箱体10的上方。信息处理器2包括信息处理单片机20、IXD显示屏21、SD接口 25、GPRS数据传输模块23和10个功能按钮24，10个功能按钮24分别是启动/退出按钮240、光谱设置按钮241、自动对焦按钮242、图像信息采集按钮243、图像降噪按钮244、克隆尺度阈值设置按钮245、克隆分割与识别按钮246、克隆存活率量化按钮247、归档保存按钮248和GPRS数据传输按钮 249。
[0031]信息处理单片机20是基于ARM9内核的单片机，如ARM920TS3C2440。功能按钮24的输出端与信息处理单片机20的输入端连接，信息处理单片机20的输出端分别与电子变色控制电路板121、日光灯灯泡13、IXD显示屏21和GPRS数据传输模块23的输入端连接，信息处理单片机20与高清CCD摄像机11交互式连接，信息处理单片机20的输出端通过SD接口 25与SD卡存储器22的输入端连接，GPRS数据传输模块23的输出端通过GPRS网络和互联网与远程服务器3的输入端连接。
[0032]当三基色灯管122工作时，电子变色控制电路板121根据三基色原理控制三基色灯管122的发光亮度变化，实现三基色灯管122发光颜色的自动变化，不同的颜色即光谱波段的灯光照射到细胞克隆样品上面，使得细胞克隆样品不同的着色程度有不同的反射效果。样品图像采集仪I将采集的多种光谱细胞克隆样品图像自动读入到信息处理器2中，信息处理器2上的各功能按钮24分别对应不同的计算机程序入口，触发不同的功能按钮24可以对采集的细胞克隆样品图像进行显示、处理、量化细胞克隆存活率，并对数据进行归档、存入远程数据库。
[0033]一种细胞克隆存活率自动检测装置的检测方法，包括以下步骤:
50、在样品图像采集仪I的L型推拉透明玻璃托盘14上的两个圆形凹槽15、16内分别放置待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品；开启电源开关26，电源指示灯27亮；
51、触发信息处理器2面板上的启动/退出按钮240，启动细胞克隆样品图像信息采集与细胞克隆存活率自动检测系统程序；
52、触发光谱设置按钮241，选择设置检测光谱T(可以是红、绿、蓝三基色中的一种，或混合光谱);
53、触发自动对焦按钮242，自动调整高清CCD摄像机11的焦距，使得细胞克隆样品能够清晰成像，并在IXD显示屏21上显示图像；
54、触发图像信息采集按钮243，三基色灯管122依次产生白色和光谱T两种颜色的灯光，同时高清CCD摄像机11在不同颜色的灯光下自动各采集一幅细胞克隆样品图像；然后，三基色灯管122关闭，底部四只日光灯灯泡13亮，高清CCD摄像机11采集在透射光光照下的细胞克隆样品图像信息，每次采集到的信息都在LCD显示屏21上显示，信息采集完毕后，底部四只日光灯灯泡13关闭，顶部四根三基色灯管122亮，等待下一次信息采集；
55、触发图像降噪按钮244，将采集到的三幅细胞克隆样品图像依次进行降噪处理，在IXD显不屏21上显不降卩栄后的细胞克隆样品图像；
56、触发克隆尺度阈值设置按钮245，根据需要，增加或减小细胞克隆尺度阈值；
57、触发克隆分割与识别按钮246，将降噪后的三幅细胞克隆样品图像依次进行细胞克隆识别，并在LCD显示屏21上显示带有克隆标记的细胞克隆样品图像；
58、触发克隆存活率量化按钮247，对待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率进行量化处理，并在IXD显不屏21上显不细胞克隆存活率检测结果；
59、触发归档保存按钮248，将采集到的三幅细胞克隆样品图像进行标记归档，连同检测到的待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率一起保存到SD卡存储器22对应的数据库中；
510、如果用户需要GPRS网络发送信息，则触发GPRS数据传输按钮249，将采集到的三幅细胞克隆样品图像信息和检测结果通过GPRS数据传输模块23传输到互联网上的远程服务器3，方便用户访问和回溯；
511、如果需要结束程序，则触发启动/退出按钮240，退出细胞克隆样品图像信息采集与细胞克隆存活率自动检测系统程序。
[0034]图3 (a)是高清CXD摄像机11在三基色灯管122产生白色灯光反射条件下得到的细胞克隆样品图像，图3 (b)是高清CCD摄像机11在日光灯灯泡13透射条件下得到的细胞克隆样品图像。从两幅图像可以清晰地看出，在透射光条件下，很多粘连在一起的细胞克隆群落被分割开来，这为提高细胞克隆存活率的检测精度奠定了基础。
[0035]由上述可知，本发明采集多种光谱下的细胞克隆样品的反射与透射图像信息、使用模式识别技术进行细胞克隆存活率检测。本发明由样品图像采集仪I同步读取待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品图像，然后传送至信息处理器2，在信息处理器2中分别调用图像处理和识别程序，利用程序化的图像处理与模式识别方法，确定待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率，并将采集到的细胞克隆样品图像以及细胞克隆存活率检测结果自动保存到SD卡存储器22对应的数据库中，随后，还可以根据需要选择是否通过互联网传输到远程服务器3上。本发明采用待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品图像信息同时采集的方式，有效避免了由于光照背景的差异所引起的细胞克隆样品图像处理和识别误差。
[0036]本发明实现了待测细胞克隆样品与对照细胞克隆样品图像同步、自动化采集，采用数字图像处理和模式识别技术对采集到的细胞克隆样品图像信息进行处理加工，其中，信息处理器将信息采集、图像显示、降噪与识别、克隆存活率定量、数据归档存储、GPRS数据传输等功能集成于一体。相对于现有细胞克隆存活率人工定量方法，本发明通过自动采集和处理细胞克隆样品图像信息，对细胞克隆存活率进行计算机化定量，操作简单、便捷，避免了人工方式所引起的检测误差，大大提高了检测精度、效率，节省了人力成本，同时，检测信息归档和保存功能方便了检测过程的回访和追溯。
[0037]以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种细胞克隆存活率自动检测装置，其特征在于:所述细胞克隆存活率自动检测装置包括样品图像采集仪和信息处理器，所述样品图像采集仪包括长方形箱体、设置在长方形箱体顶部内侧中央的CCD摄像机、设置在长方形箱体顶部内侧四周的三基色光源、设置在长方形箱体底部内侧中央的日光灯光源以及设置在长方形箱体内的推拉托盘；所述长方形箱体的侧部采用挡光板，所述推拉托盘的中央部位开设有两个凹槽，分别用于放置待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品； 所述信息处理器通过USB数据线与样品图像采集仪连接，所述信息处理器包括信息处理单片机、IXD显示屏、SD接口以及若干功能按钮，所述功能按钮的输出端与信息处理单片机的输入端连接，所述信息处理单片机的输出端分别与三基色光源、日光灯光源和LCD显示屏的输入端连接，所述信息处理单片机与CCD摄像机交互式连接，所述信息处理单片机的输出端通过SD接口与SD卡存储器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的细胞克隆存活率自动检测装置，其特征在于:所述长方形箱体的两侧内壁上分别设有用于放置推拉托盘的凹槽轨道。
3.根据权利要求1所述的细胞克隆存活率自动检测装置，其特征在于:所述推拉托盘的截面为L型，其长边部水平设置在长方形箱体内，其短边部竖直设置在长方形箱体前端，所述短边部的中央部位设有凹槽式手柄。
4.根据权利要求1所述的细胞克隆存活率自动检测装置，其特征在于:所述三基色光源包括电子变色控制电路板和四根规格相同的三基色灯管，所述电子变色控制电路板的输入端与信息处理单片机的输出端连接，所述电子变色控制电路板的输出端与三基色灯管的输入端连接；所述日光灯光源选用四只规格相同且同时开启或关闭的日光灯灯泡。
5.根据权利要求1所述的细胞克隆存活率自动检测装置，其特征在于:所述挡光板选用木板，或选用纸板，或选用塑料板。
6.根据权利要求1所述的细胞克隆存活率自动检测装置，其特征在于:所述信息处理器还包括GPRS数据传输模块，所述GPRS数据传输模块的输入端与信息处理单片机的输出端连接，所述GPRS数据传输模块的输出端通过GPRS网络和互联网与远程服务器的输入端连接；所述功能按钮包括启动/退出按钮、光谱设置按钮、自动对焦按钮、图像信息采集按钮、图像降噪按钮、克隆尺度阈值设置按钮、克隆分割与识别按钮、克隆存活率量化按钮、归档保存按钮和GPRS数据传输按钮。
7.根据权利要求1所述的细胞克隆存活率自动检测装置，其特征在于:所述信息处理单片机选用基于ARM9内核的单片机。
8.根据权利要求1所述的一种细胞克隆存活率自动检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将待测细胞克隆样品和对照细胞克隆样品分别放置在样品图像采集仪的推拉托盘上的两个凹槽内； (2)信息处理单片机对CCD摄像机的焦距进行自动调整； (3)信息处理单片机控制三基色光源依次产生白色和预设的检测光谱两种颜色的光，同时控制CCD摄像机分别在两种颜色的反射光光照下各采集一幅细胞克隆样品图像；信息处理单片机控制三基色光源关闭，控制日光灯光源开启，同时控制CCD摄像机在透射光光照下采集一幅细胞克隆样品图像； (4)CCD摄像机将采集的三幅细胞克隆样品图像发送给信息处理单片机，信息处理单片机将其显示在IXD显示屏上； (5)信息处理单片机将接收到的三幅细胞克隆样品图像依次进行降噪处理，并在LCD显示屏上显示降噪后的细胞克隆样品图像； (6)信息处理单片机根据预设的细胞克隆尺度阈值，对降噪后的三幅细胞克隆样品图像依次进行细胞克隆识别，并在LCD显示屏上显示带有克隆标记的细胞克隆样品图像； (7)信息处理单片机根据细胞克隆识别结果，对待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率进行量化处理，并在LCD显示屏上显示其细胞克隆存活率检测结果； (8)信息处理单片机将CCD摄像机采集的三幅细胞克隆样品图像和待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率检测结果保存到SD卡存储器中。
9.根据 权利要求8所述的细胞克隆存活率自动检测装置的检测方法，其特征在于，还包括:信息处理单片机将CCD摄像机采集的三幅细胞克隆样品图像和待测细胞克隆样品的细胞克隆存活率检测结果通过GPRS数据传输模块传输至互联网上的远程服务器。
【文档编号】G01N15/10GK104502254SQ201410741661
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】王红强, 王晓飞, 吴李君 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院