用于确定胚特征的方法和系统及其用途的制作方法

专利名称：：用于确定胚特征的方法和系统及其用途的制作方法用于确定胚特征的方法和系统及其用途本发明涉及用于确定胚特征的方法和用于确定胚特征的系统。本发明还涉及这种方法和系统的用途。确定活胚胎动物的发育阶段是一项经常使用的技术。这种对胚的分期是研究动物发育的关键工具并且为生物学研究提供更通用的工具。胚的分期可以适用于自由运动的活胚，例如虾和一些鱼类的胚，以及适用于包含于卵囊内部的胚，如某些甲壳类、软体动物和低等脊椎动物物种。关于胚分期技术及其用途的讨论，参见’’Ahistoryofnormalplates,tablesandstagesinvertebrateembryology',Hopwood,N.,InternationalJournalofDevelopmentalBiology,51(2007),第I至26页。使用合适的成像技术,对高等生物(如哺乳动物)的胚的分析和分期也是可能的。人工实施对胚的分期以测定它们的发育。具体而言，目视检查胚并且将观察结果与正在观察的动物物种的‘正常’胚发育表比较。这类正常表的例子在’NormaltableofXenopuslaevis',Nieuwkoop,P.D.等人,(Daudin),North-HollandPublishingCompanay,Amsterdam(1956)和’Normaltableofpostembryoniczebrafishdevelopment:stagingbyexternallyvisibleanatomyofthelivingfish',Parichy,D.M.等人，DevelopmentalDynamics238(2009)中公开。然而，对胚的人工分析是十分费时的。这项任务需要来自观察者的高度注意力并且难以实施延长的时间段。另外，这项分析依赖于观察者的决定，尤其将观察到的胚与正在参考的正常表中所含的数据比较时。因此，关于人工分期的功效和所获得结果的含义，存在巨大争议。因此，需要确定胚的特征、尤其确定其发育阶段的的改进方法。具体而言，如果对胚的分期可以自动化，这将是特别有利的。采用图像分析技术以分析生物的生物发育是本领域已知的。例如，在Theuseofimageanalysisandautomationformitoticindexinapicalconifermeristems',Sundblad,L.-G.等人，JournalofExperimentalBotany,49(1998),第1749至1756页中描述对植物发育的成像分析。另外,在Towardsanimageanalysistoolboxforhigh-throughputDrosophilaembryoRNAiscreens',Kellogg,R.A.等人，4thIEEEInternationalSymposiumonBiomedicalImaging:fromNanotoMacro,(2007)中描述了对果蝇(Drosophila)的图像分析。然而，这些技术均不适用于实时分析活的胚。EPO162688公开了一种环境监测系统。该系统监测暴露于所研究环境的多个活生物的运动。这些生物的运动可以是连续的或周期性的。该系统还测量选择的环境参数，如温度，测量结果用来生成生物的预测运动样式。将测量的生物运动与预测的运动样式比较并且当预测的运动样式和观察的运动样式不同时，生成报警或警告。EPl852058涉及用于监测胎儿运动的系统和胎儿运动信息采集装置。该系统包含一个用于检测胎儿运动的电阻抗传感器，所述电阻抗传感器在使用时置于母亲的腹部上。来自胎儿运动传感器的信号传输至处理器以确定胎儿的运动样式。显示运动样式确定的结果以便观察。W02008/011590中描述了用于确定动物(如马)中跛行的系统和方法。该系统包括多个运动传感器附着于主题动物的各个部分，如头部、骨盆、背部和至少一个肢体。接收并加工来自每个运动传感器的数据以提供主题动物前肢和后肢中跛行的指示。US2002/0188219公开一种通过眼反应分析而推理受试者的体格/精神健康的方法和装置。具体而言，向受试者提供移动图像形式的一系列视觉刺激。观察受试者眼睛对移动图像的反应并将其与参考眼样式比较。比较的结果用来提供受试者健康水平的指示。现在已经找到一项允许实时分析活胚的技术。具体而言，现在已经发现，在健康胚的运动样式与其发育阶段之间存在密切相关性。具体而言，已经发现胚在不同的发育阶段显示出不同的运动样式。因此，已经发现可以通过分析胚运动确定胚的发育阶段。另外并且有利地，已经发现，对胚运动的分析可以自动化，从而避免需要人工观察胚及其相关问题。因此,在第一方面,本发明提供一种用于表征胚的方法,所述方法包括:确定所述胚的运动样式的特征；并且将确定的特征与涉及主题胚的预期运动样式的参考数据比较。在又一个方面,本发明提供一种用于表征胚的系统,所述系统包括:用于在多个时刻捕获胚的图像数据的成像装置；用于接收所述图像数据并确定所述胚的运动样式的特征的装置。本发明的方法和系统·获得与处于研究的胚的运动相关的数据并且确定该胚的运动样式的特征。涉及这些特征的数据与涉及已知或预期运动样式的数据比较，从而允许使用者表征这种胚。以这种方式表征胚具有众多应用和用途，如下文更详细地讨论。本发明的方法和系统可以适用于可以成像的任何活胚。例如，可以使用本发明进行分析的生物包括那些无脊椎动物，如软体动物、甲壳类和多毛动物，和具有自由运动活胚或含于卵囊或卵袋内部的胚的脊椎动物。许多包囊化胚是透过卵囊或卵袋的壁可见到的，如许多甲壳类(例如龙虾和蟹类)、软体动物和脊椎动物(如鱼类)。另外，采用合适的成像技术，本发明可以适用于含于不透明卵囊或卵袋内的胚，如高等脊椎动物。此外，再次采用合适的成像技术，本发明本发明适用于高等生物、尤其哺乳动物的胚。本发明的方法和系统需要采集处于研究的胚的图像数据。图像分析技术和模式识别技术已经用于动物物种的鉴定中。这类技术例如由Yu,D.S.，等人’Identificationofichneumonidwaspsusingimageanalysisofwings',systematicEntomologyl7(1992)，第389至395页；DOrge，T.等人，，DirectidentificationofpurePenicilliumspeciesusingimageanalysis’，JournalofMicrobiologicalMethods，41(2000)，第121至133页；和Schroder，S.D.，等人，’Thenewkeytobees:automatedidentificationbyimageanalysisofwings’，弓I自KevanjP.和ImperatrizFonseca,V.L.(编著)，’Pollinatingbees-theconservationlinkbetweenagricultureandnature’，MinistryofEnvironment,Brasilia,(2002)第209至216页描述。然而，这些技术中没有一种釆用对所研究主体的运动的分析。可以使用任何适合的成像手段。成像手段的类型将至少部分地由主题胚及其周围环境的性质决定。对于自由运动活胚和透过卵囊或卵袋的壁可见到的胚，成像手段可以是照相或视频成像系统。对于在其周围环境内不可见到的胚，使用其他成像手段，例如超声或红外成像系统。用于可见和不可见胚的合适成像手段是本领域已知的并且是可商业获得的。本发明需要在一段时间范围内采集胚的图像数据，以允许确定胚的运动样式的特征。这种图像数据可以是连续图像数据，例如视频数据。可选地，图像数据可以包含在观察时间段期间以多个间隔拍摄的胚的多幅静止图像。优选地实时采集本发明的图像数据，从而提供胚实时运动的记录。应当在足够长的时间范围内观察胚和采集图像数据，以便确定相关运动特征。时间段的长度可以变动，例如根据胚运动的程度或速度，其中胚运动得越快，要求用于观察和采集所需图像数据的时间越少。成像时间段可以是一秒的分数至数十秒，这取决于正在观察的胚以及正在监测的运动的性质和类型。具体而言，优选成像时间段足够长，以允许分析处于不同运动频率的胚运动样式。常见的成像时间段是0.1秒至20分钟，更优选地0.2秒至10分钟，仍更优选地0.5秒至5分钟。30秒至10分钟的成像时间特别优选用于分析广泛类型的胚。可以按任何适合的频率采集来自观察胚运动的图像数据。频率将取决于诸如正在监测的运动的性质和类型之类的因素。优选地,胚以至少IHz,更优选地至少2Hz,仍更优选地至少5Hz的频率成像。胚可以按至多到IOOHz,更优选地至多到75Hz,仍更优选地至多到50Hz的频率成像。处于I至IOOHz、更优选地2至75Hz范围内、仍更优选地处于3至50Hz范围内的成像频率是适于许多种胚运动样式。例如，为了对完整胚的运动(如转动或平移)成像，3至25Hz、更优选地5至20Hz的成像频率是合适的。在这种情况下特别优选的成像频率是约5至15Hz。为了采集胚部分的运动(如肌肉组织的运动、纤毛运动或尾甩动)的图像数据，可能需要更高的成像频率，例如25至50Hz。胚的成像频率也可以按成像装置的每秒帧数(fps)为单位表述。再次，如上文所示，成像步骤中所用的每秒帧数将取决于这类因素，如处于分析的胚的运动样式以及运动的频率。这个成像步骤可以按I至50fps、优选地2至40fps、更优选地5至35fps的速度实施。在一个实施方案中，成像装置按7.5至30fps的速度运行。如上文所示，可以对胚连续地或以多个间隔成像。在后一种情况下，间隔优选地符合香农采样理论，所述理论确定采样间隔的下限以避免混叠，符合一组连续图像中物体运动的最大变化速率。关于这个方面，参考Communicationinthepresenceofnoise’,Proc.1nstituteofRadioEngineers,第37卷，第I期，第10-21页，1949年I月；作为经典论文在Proc.1EEE，第86卷，第2期(1998年2月)中重印。正在观察的胚的运动可以是胚或其部分的任何适合运动。例如，观察到的运动可以是大规模的并且可以是完整胚的运动，如胚的平移运动或其回转运动。可选地，观察到的运动可以是小规模的并且可以是胚部分(例如胚的肌肉块和/或纤毛的区域)的运动。根据正在观察的移动或运动和/或其频率选择观察的时间段。在一个优选实施方案中，观察到的胚运动首先是大规模的，优选地是整个胚的运动，并且接下来是小规模的，优选地胚部分的运动，如小规模肌肉运动。已经发现，以前述大规模和小规模观察到胚运动提供了特别广泛的数据集合用于进一步表征胚。使用人工观察，不能实现以这种大规模和小规模观察胚运动。最小可观察运动取决于图像像素分辨率。因此，为了缩减可观察的规模和观察胚部分或整体的更小平移运动，可以增加图像像素尺度(例如4096X2048至8192X4096像素)。一旦采集到，则分析图像数据以确定胚的特征及其运动样式的特征。可以使用任何适合的参数表征胚及其运动。在一个优选的实施方案中，分析图像数据以确定参数胚的回转，例如胚的回转速率和胚的平均转动角度，尤其胚的平均正向和反向回转角度。平均回转角度可以用来确定胚的质心和回转中心。一个优选运动参数是确定胚的质心运动，尤其是确定质心的回转运动和/或线性运动的程度。可以实施运动样式的进一步分析，以相对于时间确定胚的能量分布。用于实施这种形式分析的合适技术是本领域已知的并且包括傅立叶分析。具体而言，傅立叶分析允许研究胚的振荡运动。另外，如上文所示，可以对完整胚或其部分实施运动分析。例如，运动分析可以涉及新生器官的运动，以确定它们的发育状态、功能等。这种运动分析也可以用来检测监测胚的器官的发育，例如用来鉴定不健康或畸形的胚。可以使用任何适合的坐标基础确定胚的运动。例如，可以使用直角坐标表征运动，以就正交的X方向和Y方向提供运动。可选地，可以就径向坐标或极坐标来表征运动，其中可以确定聚量值中心的半径(P)和角度(Θ)。另外，可以即时分析胚在运动时行进的路径。傅立叶过程可以用来将这种运动的时间顺序转换成频率表述，并且随后将重复运动或振荡运动显示为以Hertz和以振幅计量的重复。在这种情况下，术语P是坐标的半径，Θ是在这个半径时的角度。角度Θ在半径P处的相交给出可以解读为X、Y坐标的精确位置。已经发现，当使用如前文所述在明显不同的时间段和以明显不同的规模采集的运动图像数据时，对胚的运动样式的表征需要专用数学分析。具体而言，已经发现，这种广泛类型的运动数据的傅立叶分析是特别有利的。傅立叶分析允许生成胚运动参数的谱分布。这项技术是特别有利的，因为它允许针对以不同频率运动的胚的运动样式生成数据。如此生成的数据随后可以用于多维度尺度分析中，这转而允许生成胚运动样式的频率分布。这类频率分布可以在具有特定运动样式的胚分组中使用。可以使用任何适合的装置或处理器实施采集的图像数据的处理，合适的处理系统是本领域已知的并且可商业获得的。处理系统优选地具有数据储存设施或内存用于储存数据，尤其与主题胚的运动有关的数据，如与于不同发育阶段的胚的运动样式和/或胚的正常预期运动样式有关的数据。以这种方式，数据可以从内存取回，例如以允许在与主题胚的运动有关的数据和在胚发育时较早时间确定的贮存数据或从分析相同或相关物种的其他胚中采集的数据之间比较。胚的运动样式的测量或确定的特征用来表征胚。通过分析图像数据所生成的与胚运动有关的数据可以提供给储存装置，以便稍后取回和使用。这些数据也可以按任何适合的形式显示在视频显示装置上。合适的显示装置是本领域已知的并且是可商业获得的。用于显示生成的数据和胚特征的合适形式包括图形和表格化数据显示。可以通过分析胚的运动样式确定胚的一系列特征。这转而为本发明的方法和系统提供众多不同的应用和用途。已经发现胚的运动样式根据胚的发育阶段变动。因而，本发明的方法和系统可以用于对胚分期，这将会确定它们的发育阶段。因此，在又一个方面，提供一种用于对主题胚分期的方法，所述方法包括:确定所述主题胚的运动样式的特征；将确定的特征与涉及处于不同发育阶段的主题胚的预期运动样式的参考数据比较；和使用所述比较确定主题胚的发育阶段。在又一个方面，本发明提供一种用于对主题胚分期的系统，所述系统包括:用于在多个时刻捕获主题胚的图像数据的成像装置；用于接收所述图像数据并确定所述主题胚的运动样式的特征的处理器；用于储存与处于不同发育阶段的主题胚的运动样式有关的数据的数据储存装置；和处理器，其用于将所述主题胚的运动样式的特征与从所述数据储存装置取回的数据比较，以提供所述主题胚的发育阶段的指示。本发明的这个方面的方法和系统将与表征主题胚的运动样式的数据与取自数据储存装置的现有数据比较，以提供对胚发育阶段的确定。图像数据的分析和表征运动的数据的比较可以由相同或不同的处理器进行。已经进一步发现，胚的运动样式根据胚的环境的多个方面变动。具体而言，已经发现受攻击和应激的胚的运动样式不同于未受攻击的胚的运动样式。对胚的攻击可以源自胚周围环境中占优势的条件，例如环境条件，如温度和压力和氧浓度。更重要地，对胚的攻击可以源自污染物或毒素在胚的环境中存在。因此，使用本发明技术对主题胚的运动样式的分析也可以用来指示在胚的周围环境中占优势的条件，尤其污染物或毒素在紧邻环境中的存在。因此，在又一个方面，本发明提供一种分析环境的方法，所述方法包括:确定暴露于这种环境的胚的运动样式的特征；和将确定的特征与涉及主题胚在所述环境中的预期运动样式的参考数据比较。在又一个方面，本发明提供一种用于分析环境的系统，所述系统包括:用于在多个时刻捕获暴露于这种环境的胚的图像数据的成像装置；用于接收所述图像数据并确定所述胚的运动样式的特征的处理器；用于储存与主题胚的正常运动样式有关的数据的的数据储存装置；和处理器，其用于将所述主题胚的运动样式的特征与从所述数据储存装置取回的数据比较。可以在胚正暴露于正在分析的环境时分析胚的运动。可选地，可以从这种环境中取出胚并且在源自这种环境的针对胚的任何应激仍有效的时间段期间分析其运动。在一个实施方案中，本发明的这个方面用来分析化学应激物(如污染物和/或毒素)在环境中的存在或不存在。例如，本发明可以用来测量或检监测水源性和/或大气源性杂质、污染物或毒素的存在。类似地，本发明可以用来测定何时重要的化学物(如氧)处于低浓度或从胚的环境缺失。另外，本发明可以用来获得胚对辐射(如紫外辐射等)的暴露量的指示。胚可以是在正在分析的环境中的天然存在的生物的那些胚，将这些胚从所分析的环境中移出或原位分析。可选地，可以将胚置于正在分析的环境中或暴露于所述环境并且在合适的时间段后移出或原位分析。在靶向特定杂质、污染物或毒素的情况下，优选的是，选择对靶化学品攻击有反应的胚。可选地，可以分析胚以获得特定环境的玷污或污染水平的总体指示。具体而言，已经发现，当水源性胚遭受水中存在的毒素攻击时，胚的运动样式显示明显变异。为了有效，用于环境监测的技术需要快速、高通量生物学测定法。以这种方式，本发明提供了监测水(如河流、池塘、湖泊、海洋和大洋中的水)质量的有效方式。用于这类方法中的合适生物包括但不限于甲壳类，如虾、龙虾，蟹类、软体动物和鱼类。合适的生物还包括与浮游生物(生活在水体中的物种)和底栖生物(生活在底部沉积物中的物种)相关的物种。以相似的方式，所述方法和系统可以用来通过确定胚对多种物质存在的反应和胚中遭受如此攻击时所引起的应激水平，测试这些物质以评估它们可能的环境影响。更一般对，本发明的技术可以用来分析新化学物(包括药物)的毒理学效应。本发明的实施方案现在将仅出于说明目的，由以下实施例描述。在附图中描述在实施例中所述的实验期间生成的数据，所述附图的细节在相关实施例中提供。实施例实施例1实施一项实验以研究肺螺胚的运动样式。选择和分析来自5个发育阶段的每一个阶段(担轮幼虫、面盘幼虫、早、中和晚hippo)的6枚胚。记录每枚主题胚运动的图像持续10分钟时间。成像装置包括带有I兆像素目的区域的以7.5Hz运行的4兆像素单色照相机(AVTPike421)，所述照相机与提供140X放大率的变焦距光学透镜系统(带有虹膜式光阑的Zoom70XL光学系统)连接。图1中显示记录的图像数据代表性帧。使用OpenCV工具套件(商业应用型免版税软件)和应用在’Aniterativeimageregistrationtechniquewithanapplicationtostereovision.',Lucas,B.D.等人，Proceedingsofthe198IDARPAImagingUnderstandingWorkshop,第121至130页中所述的稀疏光流算法，对光流实施图像数据分析。这项时域跟踪技术首先从每幅图像提取角点特征。此后，将帧与帧之间的图像特征调准并且向每个特征分配速度方差。排除具有高速度方差的特征，因其表示不精确的跟踪。剩余特征用于胚运动样式的后续分析中。从每帧图像数据提取主题胚的3种运动参数并且将它们与居前帧中相应的参数比较。这三种运动参数为正和负回转角度以及相对于胚质心的P角度变化。通过确定检测到的每个运动点的X和Y坐标，确定胚的质心。加合X和Y坐标以提供X和Y的均值。使用快速离散傅里叶变换(FDFT)分析所得数据的光谱含量，以生成涉及主题胚运动频率的数据。通过以7.5Hz速率在大约10分钟对每枚主题胚的图像数据采样，获得每枚胚的4498份图像数据样本。频率分析揭示主题胚运动从10分钟至3.75Hz的重复振荡。从FDFT分析中如下分析18个频率区间(bins):图2a、图2b和图2c中汇总了每个发育阶段内主题胚的3种运动参数各自的18个频率区间中每一者内部的能量分布。用*指示的结果表示这种波长区间的胚发育阶段之间的能量分布显著差异。结果表明，在3个最早发育阶段(即担轮幼虫、面盘幼虫和早hippo)的胚显示纤毛转动(ciliaryrotation),由正和负回转角度指示。随着发育进展至中-hippo和晚-hippo阶段，正和负回转角度的样式变得较不规则，如胚从纤毛样转动发展成肌肉运动。担轮幼虫发育阶段中胚的质心运动是八种样式的图，以质心的X和Y坐标产生正弦样式。在面盘幼虫发育阶段的胚显示出这样的质心运动，其具有与胚回转运动接近的频率。早hippo阶段胚显示可变转动速率，导致较不均匀的运动样式。中-hippo阶段胚显示延长的不活动时间，在此期间，胚进行肌肉收缩和足和壳的伸缩。质心的运动是转动较少并且大多是线性的。处于晚hippo阶段的胚显示与那些中hippo阶段胚相似的运动样式，但是限于较小的规模。实验数据显示，可以鉴定胚运动的特定参数，所述参数在多个发育阶段之间一致地变动。这转而允许从分析胚胎的运动确定胚的发育阶段。实施例2重复实施例1中描述的一般过程以分析遭受不同程度攻击的肺螺胚的运动样式。制备3种盐水溶液(lppt；7.5ppt;和15ppt)并且将肺螺胚在溶液之间等分。将胚置于溶液中10分钟，此后，启动成像过程。从每帧图像数据提取主题胚的4种运动参数并且将它们与居前帧中相应的参数比较。这四种运动参数为正和负回转角度以及相对于胚质心的P和Θ角度变化。图3a、图3b、图3c和图3d中汇总了每种盐水溶液内主题胚的4种运动参数各自的18个波长区间中每一者内部的能量分布。结果显示3种盐水溶液之间胚的衍生运动参数的显著差异，证实对胚运动样式的分析允许确定胚在其环境中遭受物质攻击的程度。这转而允许对环境中攻击性物质的性质和浓度定量。当分析应答于其他环境攻击(如辐射)的胚运动时，可以取得相似的结果。应当理解以上实施例中所述的技术可以适用于胚部分，例如特定器官或器官群，或胚结构的独立部分，伴以相似的作用。实施例3实施一项实验以研究斑马鱼(Daniorerio)胚的运动样式。选择和分析来自3个发育阶段的每一个阶段(19、21.5和33hpf)的6枚胚。记录每枚主题胚运动的图像持续10分钟时间。成像装置包括带有1600x1200像素目的区域的以15Hz运行的4兆像素单色照相机(AVTPike421)，所述照相机与变焦距光学透镜系统(KeyenceVHZ100R)连接。使用OpenCV工具套件(商业应用型免版税软件)和应用在’Aniterativeimageregistrationtechniquewithanapplicationtostereovision.',Lucas,B.D.等人，Proceedingsofthe198IDARPAImagingUnderstandingWorkshop,第121至130页中所述的稀疏光流算法，对光流实施图像数据分析。这项时域跟踪技术首先从每幅图像提取角点特征。此后，将帧与帧之间的图像特征调准并且向每个特征分配速度方差。排除具有高速度方差的特征，因其表示不精确的跟踪。剩余特征用于胚运动样式的后续分析中。从每帧图像数据提取主题胚的4种运动参数并且将它们与居前帧中相应的参数比较。这四种运动参数正和负回转角度以及相对于胚质心的ρ-θ角度变化。通过确定检测到的每个运动点的X和Y坐标，确定胚的质心。加合X和Y坐标以提供X和Y的均值。使用快速离散傅里叶变换(FDFT)分析所得数据的光谱含量，以生成涉及主题胚运动频率的数据。通过以15Hz速率在大约10分钟对每枚主题胚的图像数据采样，频率分析揭示主题胚运动从10分钟至7.5Hz的重复振荡。从FDFT分析中分析18个频率区间:将这些数据以对数方式对每枚胚转化(LogX+Ι)并且计算Bray-Curtis相似性矩阵。这个矩阵转而用来生成多维度尺度(MDS)曲线并且相似性分析(ANOSM)用来确定来自特定发育阶段的胚群组内部的相似程度。图4中显示MDS曲线。受精后19小时(hourspostfertilisation,hpf)的胚以甩动胚远端尾的形式进行规则运动。这种运动产生正向及负向回转运动和胚质心的X及Y平移的计算峰值。21.5hpf的胚进行更频繁的尾运动，但是运动涉及更大的尾长度。33hpf的胚显示较长时间段的静息，无运动。这些胚的运动涉及更剧烈的尾部甩动，产生计算的正向和负向回转运动的更大峰值。33hpf的胚的X和Y平移减少，这归因于卵囊内对胚而言空间有限。实验数据显示，可以鉴定胚运动的特定参数，所述参数在多个发育阶段之间一致地变动。这转而允许从分析胚胎的运动确定胚的发育阶段。实施例4实施一项实验以研究非洲爪蟾(XenopusIaevis)胚的运动样式。选择和分析来自3个发育阶段的每一个阶段(24、38和40hpf)的6枚胚。记录每枚主题胚运动的图像持续10分钟时间。成像装置包括带有1600x1200像素目的区域的以15Hz运行的4兆像素单色照相机(AVTPike421)，所述照相机与变焦距光学透镜系统(KeyenceVHZ20R)连接。使用OpenCV工具套件(商业应用型免版税软件)和应用在’Aniterativeimageregistrationtechniquewithanapplicationtostereovision.',Lucas,B.D.等人，Proceedingsofthe198IDARPAImagingUnderstandingWorkshop,第121至130页中所述的稀疏光流算法，对光流实施图像数据分析。这项时域跟踪技术首先从每幅图像提取角点特征。此后，将帧与帧之间的图像特征调准并且向每个特征分配速度方差。排除具有高速度方差的特征，因其表示不精确的跟踪。剩余特征用于胚运动样式的后续分析中。从每帧图像数据提取主题胚的4种运动参数并且将它们与居前帧中相应的参数比较。这四种运动参数为正和负回转角度以及相对于胚质心的ρ-θ角度变化。通过确定检测到的每个运动点的X和Y坐标，确定胚的质心。加合X和Y坐标以提供X和Y的均值。使用快速离散傅里叶变换(FDFT)分析所得数据的光谱含量，以生成涉及主题胚运动频率的数据。通过以15Hz速率在大约10分钟对每枚主题胚的图像数据采样，频率分析揭示主题胚运动从10分钟至7.5Hz的重复振荡。从FDFT分析中分析18个频率区间:将这些数据以对数方式对每枚胚转化(LogX+Ι)并且计算Bray-Curtis相似性矩阵。这个矩阵转而用来生成多维度尺度(MDS)曲线并且相似性分析(ANOSM)用来确定来自特定发育阶段的胚群组内部的相似程度。图5中显示MDS曲线。处于阶段24的胚进行偶尔的尾部甩动。尾部运动是相对地缓慢的，导致负向和正向回转运动的峰值，这取决于甩动的方向。处于阶段38和40的胚显示更规则的快速尾部运动。这种运动导致由光流计算的负向和正向回转运动的尖峰。该方法也测定处于阶段38和40的胚中的血流量，所述胚与处于阶段24的胚相比产生连续负向和正向运动水平。处于阶段38和40的胚可以因运动源自阶段40胚内的心脏搏动和血流量而容易地区分。实验数据显示，可以鉴定胚运动的特定参数，所述参数在多个发育阶段之间一致地变动。这转而允许从分析胚胎的运动确定胚的发育阶段。实施例5重复实施例3中描述的一般过程以分析遭受不同程度攻击的斑马鱼的运动样式。将第一组处于阶段19、21.5和22hpf的胚单独地置于含有去离子水中1.5%乙醇的20ml玻璃小瓶。使胚暴露于该乙醇溶液30分钟，此后观察它们的运动样式并成像。将第二组处于阶段19、21.5和22hpf的胚单独地置于含有5%盐水溶液的20ml玻璃小瓶。使胚暴露于该盐水溶液60分钟，此后观察它们的运动样式并成像。作为对照，将第三组胚在观察之前30分钟转移至含有去离子水的20ml玻璃小瓶中。将全部小瓶均维持在27°C恒定温度。图6a至6c中显示处于3个发育阶段中每个阶段的胚的MDS曲线。因暴露于乙醇溶液或增加的盐度而处于应激下的胚是从胚动样式观察结果和图像数据处理中可容易地鉴定的。例如，暴露于乙醇溶液的处于阶段33hpf的胚容易地与处于阶段33的对照胚区分，尤其因ANOSIM分析的结果而区分。另外，暴露于较高盐度的阶段21.5hpf胚显示与暴露于乙醇溶液的那些胚显著不同的运动样式。与对照胚相比，通过光流确定暴露于乙醇的阶段19hpf胚和21.5hpf胚具有正向和负向回转运动和质心X和Y平移的更多峰值，原因在于尾部甩动频率增加。实施例6重复实施例4中描述的一般过程以分析遭受不同程度攻击的非洲爪蟾胚的运动样式。将第一组处于阶段24、38和40hpf的胚单独地置于含有20%盐水溶液的20ml玻璃小瓶。使胚暴露于盐水溶液20分钟，此后观察它们的运动样式并成像。作为对照，将第三组胚在观察之前20分钟转移至含有去离子水的20ml玻璃小瓶中。将全部小瓶均维持在23°C恒定温度。图7a至7c中显示处于3个发育阶段中每个阶段的胚的MDS曲线。因增加的盐度而处于应激下的胚是从胚动样式观察结果和图像数据处理中可容易地鉴定的。具体而言，通过增加的光流参数正峰和负峰(因增加的胚尾部运动)，处理的图像数据容易地区分暴露于增加的盐度的处于全部发育水平的胚与对照胚。实施例7按照以下一般过程分析遭受不同程度(盐度应激)攻击的淡水蜗牛(Radixbalthica)胚的运动样式。将处于发育阶段E3、E4、E6、E9和Ell的胚置于96孔平板中，每个孔一枚胚。各孔用处于3种盐度(2.5%;5%或7.5%)之一的人工塘水填充或用作为对照的人工塘水填充。使胚暴露于增加的盐度10分钟，此后观察运动样式并对其进行图像分析。记录每枚主题胚运动的图像持续10分钟时间。成像装置包括带有1000x1000像素目的区域的以7.5Hz运行的4兆像素单色照相机(AVTPike421)，所述照相机与变焦距光学透镜系统(Zoom70XL光系统)连接。使用OpenCV工具套件(商业应用型免版税软件)和应用在’Aniterativeimageregistrationtechniquewithanapplicationtostereovision.',Lucas,B.D.等人，Proceedingsofthe198IDARPAImagingUnderstandingWorkshop,第121至130页中所述的稀疏光流算法，对光流实施图像数据分析。这项时域跟踪技术首先从每幅图像提取角点特征。此后，将帧与帧之间的图像特征调准并且向每个特征分配速度方差。排除具有高速度方差的特征，因其表示不精确的跟踪。剩余特征用于胚运动样式的后续分析中。从每帧图像数据提取主题胚的4种运动参数并且将它们与居前帧中相应的参数比较。这四种运动参数为正和负回转角度以及相对于胚质心的ρ-θ角度变化。通过确定检测到的每个运动点的X和Y坐标，确定胚的质心。加合X和Y坐标以提供X和Y的均值。使用快速离散傅里叶变换(FDFT)分析所得数据的光谱含量，以生成涉及主题胚运动频率的数据。通过以7.5Hz速率在大约10分钟对每枚主题胚的图像数据采样，频率分析揭示主题胚运动从5分钟至3.75Hz的重复振荡。从FDFT分析中分析18个频率区间:将这些数据以对数方式对每枚胚转化(LogX+Ι)并且计算Bray-Curtis相似性矩阵。这个矩阵转而用来生成多维度尺度(MDS)曲线并且相似性分析(ANOSM)用来确定来自特定发育阶段的胚群组内部的相似程度。图8a至8e中显示MDS曲线。因增加的盐度而处于应激下的胚是从胚动样式观察结果和图像数据处理中可容易地鉴定的。具体而言，通过正向和负向回转运动和胚质心的X和Y平移的减少的峰数目(因处于盐水溶液中时胚运动的总体减少所致)，处理的图像数据容易地区分暴露于增加的盐度的处于全部发育水平的胚与对照胚。权利要求1.一种用于表征胚的方法，所述方法包括:确定所述胚的运动样式的特征；并且将确定的特征与涉及主题胚的预期运动样式的参考数据比较。2.根据权利要求1所述的方法，其中使用胚成像法采集胚的图像数据并且通过分析如此采集的图像数据确定所述胚的运动样式的特征。3.根据权利要求2所述的方法，其中通过照相成像、视频成像、超声成像或红外成像法采集所述图像数据。4.根据权利要求2或3任一项所述的方法，其中连续或断续地采集所述图像数据。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中在I秒至20分钟范围的一段时间采集图像数据。6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中表征所述胚的回转运动。7.根据权利要求6所述的方法，其中确定所述胚的回转速率或所述胚的平均回转角度。8.根据权利要求7所述的方法，还包括从平均回转角度的分析确定所述胚的质心。9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中通过分析所述胚的质心的运动表征所述胚的运动。10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中分析所述胚的运动样式以确定所述胚的能量分布。11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中基于完整胚或其部分确定所述胚的运动样式的特征。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述胚的部分是其一个或多个器官。13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中使用直角坐标或极坐标表征所述胚的运动。14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中就所述胚的重复运动或振荡运动表征所述胚的运动。15.一种用于对主题胚分期的方法，所述方法包括:确定所述主题胚的运动样式的特征；将确定的特征与涉及处于不同发育阶段的主题胚的预期运动样式的参考数据比较；并且使用所述比较确定主题胚的发育阶段。16.—种分析环境的方法,所述方法包括:确定暴露于所述环境的胚的运动样式的特征；和将确定的特征与涉及主题胚在所述环境中的预期运动样式的参考数据比较。17.根据权利要求16所述的方法，其中与涉及预定化学品在所述环境中存在或不存在的参考数据进行比较以确定所述预定化学品在胚环境中的浓度。18.根据权利要求17或18中任一项所述的方法，其中所述胚是处于研究的环境中天然存在的生物的胚。19.根据权利要求17或18中任一项所述的方法，其中所述胚不是处于研究的环境中天然存在的生物的胚。20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中将所述胚在进行分析之前从所述环境移出。21.—种用于表征胚的系统,所述系统包括:用于在多个时刻捕获所述胚的图像数据的成像装置；用于接收所述图像数据并确定所述胚的运动样式的特征的装置。22.根据权利要求21所述的系统，其中所述成像装置是照相成像装置、视频成像装置、超声成像装置或红外成像装置。23.根据权利要求21或22中任一项所述的系统，其中所述成像装置是可运行以捕获连续图像或断续捕获图像。24.根据权利要求21至23中任一项所述的系统，其中所述成像装置是可运行以捕获所述胚运动的实时图像数据。25.根据权利要求21至24中任一项所述的系统，还包括用于显示与所述胚运动的特征有关的数据的部件。26.根据权利要求21至24中任一项所述的系统，还包括可以可挽回地恢复图像数据的数据储存装置。27.一种用于对主题胚分期的系统，所述系统包括:用于在多个时刻捕获主题胚的图像数据的成像装置；用于接收所述图像数据并确定所述主题胚的运动样式的特征的处理器；用于储存与处于不同发育阶段的主题胚的运动样式有关的数据的的数据储存装置；和处理器，其用于将所述主题胚的运动样式的特征与从所述数据储存装置取回的数据比较，以提供所述主题胚的发育阶段的指示。28.一种用于分析环境的系统，所述系统包括:用于在多个时刻捕获暴露于所述环境的胚的图像数据的成像装置；用于接收所述图像数据并确定所述胚的运动样式的特征的处理器；用于储存与主题胚的正常运动样式有关的数据的数据储存装置；和处理器，其用于将所述主题胚的运动样式的特征与从所述数据储存装置取回的数据比较。全文摘要本发明提供一种用于表征胚的方法，所述方法包括确定该胚的运动样式的特征并且将确定的特征与涉及主题胚的预期运动样式的参考数据比较。这种方法用于胚的分期和用于分析胚已经暴露的环境。也提供一种用于表征胚的系统。文档编号A61B8/08GK103237495SQ201180057816公开日2013年8月7日申请日期2011年9月30日优先权日2010年10月2日发明者O·蒂尔斯,S·朗德尔,P·卡尔弗豪斯,J·斯派塞,T·比特利申请人:普利茅斯大学