细胞培养观察设备以及信息处理系统、方法和存储介质

1.本发明涉及细胞共培养的技术领域，尤其涉及一种细胞培养观察设备以及信息处理系统、方法和存储介质。


背景技术：

2.在细胞培养实验中，可进行细胞共培养观察的有效装置一直是个公认的难题。近年来，随着虚拟现实、生物医学、高性能计算以及人工智能等技术的快速发展，如何利用信息技术赋能人体生命功能与疾病治疗，实现更加深入的定性定量的研究与预测，已经成为21世纪的一项重大科学技术问题。人体虚拟孪生旨在构建具有逼真几何形态和行为，并且能够支持医学和健康应用的活体人体数字模型，并以此作为人工智能、虚拟现实、大数据、5g网络、生物医学、现在诊疗技术高度交叉融合汇聚平台，为医疗诊断及研究提供重要的信息支撑手段。
3.与此同时，如果能对细胞培养的过程进行实时观察对于研究细胞功能状态很有帮助，特别是细胞与其它细胞共培养时，细胞间的相互作用显得尤为重要。但是细胞的状态的时时观察往往实现，在临床实验过程中常常会错过最佳的观察时间。
4.目前对细胞进行长时间连续观察的方法主要包括显微镜目视检查，其缺陷是时间长，只能观察特定时间点的状态；通过代谢产物间接观察，用一种特定化学物质mtt加入细胞中，通过检测mtt间接获取细胞状态：缺点是会干扰细胞的正常生长，另外对扩增过程实时检测不敏感；以及利用实时传感器观察，包括电阻传感器和热传感器，缺点是可能会损伤细胞，同时误差较大，容易受到细胞电化学过程的影响。
5.因此，基于以上情况，研发一种有效地细胞行为观察设备，能够快速有效的对细胞的培养过程提供实时观察非常的重要。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种细胞培养观察设备以及信息处理系统、方法和存储介质，能够快速有效的对细胞的培养过程提供实时观察，为医疗诊断及研究提供重要的信息支撑手段。
7.本发明提供了一种细胞培养观察设备，包括：细胞培养舱，具有一定的容纳空间，包括面对面设置的上支撑部件和下支撑部件；细胞培养皿，设置于所述容纳空间，安装在所述下支撑部件，所述细胞培养皿内包括多个容纳细胞的阱；细胞观察部件，以在预设的图像捕捉区域内获取所述细胞培养皿中的细胞图像，设置于所述容纳空间，面向所述下支撑部件可移动的安装在上支撑部件；图像放大部件，以将所述细胞观察部件获取的细胞图像放大，安装于所述上支撑部件背向所述下支撑部件的一面；图像捕捉部件，面向所述图像放大部件安装于所述上支撑部件背向所述下支撑部件的一面，获取所述图像放大部件所呈现的图像信息，并将所述图像信息转化为数据信息；信息处理系统，包括数据训练模块、数据处理模块以及仿真模块，所述训练模块用于对所述数据信息进行训练以得到细胞培养模型，
所述数据处理模块通过处理所述细胞培养模型获得细胞在不同时间节点的生长模型和形态特征模型，所述仿真模块通过生长模型和形态模型获得细胞在培养过程中的仿真模型。
8.在一些可选的实施例中，还包括吸附组件，所述吸附组件包括吸引部件和附和部件，所述吸引部件和所述附和部件的一者安装在所述细胞培养皿，另一者安装于所述下支撑部件，可选的，所述吸引组件和所述附和组件的一者是磁铁，另一者是贴片。
9.在一些可选的实施例中，还包括卡扣组件，所述卡扣组件包括卡设部件和扣合部件，所述卡设部件和所述扣合部件的一者安装在所述细胞培养皿，另一者安装于所述下支撑部件，可选的，所述卡设部件为凹槽，所述扣合部件为凸起。
10.在一些可选的实施例中，所述细胞培养舱还包括侧壁，所述侧壁的一端滑动连接所述上支撑部件，所述侧壁的另一端固定连接所述下支撑部件。
11.在一些可选的实施例中，还包括滑动组件，所述滑动组件包括导轨和滑块，所述导轨和所述滑块的一者连接所述上支撑部件，另一者连接所述侧壁的端部。
12.在一些可选的实施例中，所述图像捕捉部件包括图像信息转化模块，所述图像信息转化模块获取所述图像放大部件所呈现的图像信息，并将所述图像信息转化为数据信息。
13.在一些可选的实施例中，所述图像捕捉部件还包括多个图像捕捉镜头和固定部件，所述固定部件设置在上支撑部件，多个图像捕捉镜头面向所述图像放大部件设置在所述固定部件。
14.在一些可选的实施例中，所述图像信息包括细胞的形态轮廓图像、细胞的生长图像和细胞的运动轨迹图像，所述图像捕捉部件包括多个图像捕捉镜头，至少一个图像捕捉镜头用于捕捉所述培养皿中细胞的形态轮廓图像，至少一个所述图像捕捉镜头用于捕捉所述培养皿中细胞的生长图像；至少一个所述图像捕捉镜头用于捕捉所述培养皿中细胞的运动轨迹图像。
15.在一些可选的实施例中，还包括气体检测系统包括激光发生器、光源部件、光敏检测器和光电探测器，激光发生器、光源部件、光敏检测器和光电探测器均设置在细胞培养舱的内表面。
16.在一些可选的实施例中，激光发生器包括承载部件、激光器和亮度传感器，亮度传感器和激光器均设置在承载部件。光电探测器包括湿度传感器、气体传感器以及光电传感器。
17.另一方面，本发明提供了一种信息处理系统，为以上任一项所提到的信息处理系统，所述信息处理系统包括数据训练模块、数据处理模块以及仿真模块，所述数据训练模块用于对所述数据信息进行训练以得到细胞培养模型，所述数据处理模块通过处理所述细胞培养模型获得细胞在不同时间节点的生长曲线和形态特征，所述仿真模块通过细胞培养模型、生长曲线和形态特征获得细胞仿真模型。
18.再一方面，本发明提供了一种信息处理方法，通过以上所提到的信息处理系统来实现，包括以下步骤：对数据信息进行训练以得到细胞培养模型；通过处理所述细胞培养模型以获得细胞在不同时间节点的生长模型和形态特征模型；通过生长模型和形态特征模型以获得细胞在培养过程中的仿真模型。
19.又一方面，本发明提供了一种数据存储装置，用于存储以上任一项所提到的数据
信息。
20.本发明和现有技术相比具有以下技术效果：
21.1.本发明提供了一种细胞培养观察设备，该设备能够远程观察、实时监控、分析、仿真和储存细胞培养的数据，使得工作人员能够确定相同种类或者不同种类的细胞在培养皿中的生存能力，不需要研究者在现场实施观测细胞的动态变化，能够快速有效的对细胞的培养过程提供实时观察。
22.2.本发明提供了的细胞培养观察设备，在检测细胞生长的同时，能够提供细胞在培养过程中的生长特性参数，研究人员可以利用细胞培养过程中的生长特性参数对细胞的培养环境进行仿真模拟，通过仿真模拟可以对细胞的共培养生长状态进行预测和评估，为医疗诊断及研究提供重要的信息支撑。
附图说明
23.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
24.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，对于本领域普通技术人员而言，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。
25.图1是本发明一实施例提供的细胞培养观察设备结构示意图；
26.图2是本发明一实施例提供的信息处理方法的流程示意图。
27.附图说明：1-细胞培养舱；11-上支撑部件；12-下支撑部件；13-侧壁；14-入口；2-细胞培养皿；3-细胞观察部件；4-图像放大部件；5-图像捕捉部件；51-图像捕捉镜头；52-固定部件；7-信息处理系统；60-光源部件；61-承载部件；62-激光器；63-亮度传感器；64-光电传感器；65-气体传感器；66-湿度传感器；67-光敏传感器。
具体实施方式
28.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
29.本发明提供了一种细胞培养观察设备，包括：细胞培养舱1、细胞培养皿2、细胞观察部件3、图像放大部件、图像捕捉部件5以及信息处理系统6。细胞培养舱1包括面对面设置的上支撑部件11和下支撑部件12，细胞培养舱1具有一定的容纳空间，细胞培养皿2设置在细胞培养舱1的内部空间，细胞培养皿2安装在下支撑部件12，为细胞培养提供一个单独观察的环境，细胞培养皿2内包括多个容纳细胞的阱，细胞培养皿2内可以培养相同种类的细胞，也可以培养不同种类的细胞，细胞培养皿2为细胞提供了生长的环境。细胞观察部件3设置于细胞培养舱1内部的容纳空间，安装在上支撑部件11，面向位于下支撑部件12的细胞培养皿2，以在预设的图像捕捉区域内获取细胞培养皿2中的细胞图像。图像放大部件安装于上支撑部件11背向下支撑部件12的一面，图像放大部件用以将细胞观察部件3获取的细胞图像放大，以便图像捕捉部件5捕捉细胞图像。图像捕捉部件5安装在面向图像放大部件安
装于上支撑部件11背向下支撑部件12的一面，获取图像放大部件所呈现的细胞图像信息，并将细胞图像信息转化为数据信息。信息处理系统6包括数据训练模块、数据处理模块以及仿真模块，数据训练模块用于对数据信息进行训练以得到细胞培养模型，数据处理模块通过处理细胞培养模型获得细胞在不同时间节点的生长模型和形态特征模型，仿真模块通过生长模型和形态模型获得细胞在培养过程中的仿真模型。
30.具体地，现有的多细胞共培养方法主要包括直接接触共培养和间接接触共培养两种方式。直接接触共培养是指把两种或两种以上细胞放在同一培养体系中，使之直接接触来进行培养。这种方法主要适用于体内邻近的组织细胞，因为这些细胞在体内可通过通讯连接、封闭连接和锚定连接等方式传递所产生的细胞因子。而直接接触培养可保留这些连接信息，使培养的细胞更接近体内自然状态。间接接触共培养是指将两种细胞分别进行培养，通过相同的培养基分别进行接触，两种细胞不直接接触，而细胞因子可以交流，间接接触共培养方式可突出条件细胞对目的细胞的作用，方便不同类型的细胞随时进行分离。本发明提供的细胞培养观察设备，该设备对细胞的直接接触培养或者间接接触培养的两种方式都适用，该设备能够远程观察、实时监控、分析、仿真和储存细胞培养的数据，使得工作人员能够确定相同种类或者不同种类的细胞在培养皿中的生存能力，不需要研究者在现场实施观测细胞的动态变化，能够快速有效的对细胞的培养过程提供实时观察。本发明提供了的细胞培养观察设备，在检测细胞生长的同时，能够提供细胞在培养过程中的生长特性参数，研究人员可以利用细胞培养过程中的生长特性参数对细胞的培养环境进行仿真模拟，通过仿真模拟可以对细胞的共培养生长状态进行预测和评估，为医疗诊断及研究提供重要的信息支撑。
31.进一步地，细胞培养舱1为恒温的细胞培养箱，细胞培养舱1的侧壁13设置有入口14，通过入口14可以将细胞培养皿2放置在细胞培养箱。细胞培养皿2中接种有不同细胞，细胞培养皿2中含有10ml完全培养基，细胞培养皿2为透明的细胞培养皿2，例如，细胞培养皿2中接种有两种不同的细胞，两种细胞分别为骨髓间充质干细胞和神经干细胞，两种细胞的接种梯度比例不一致，可选的，两种细胞的接种比例是5:1-1:5，细胞培养基ph为6.0-7.4。将接种不同细胞的细胞培养皿2放置在恒温的细胞培养箱内，恒温培养箱内具有5％的二氧化碳，37
°
的恒温，常规培养5-10天，在细胞培养过程中随时保持培养环境稳定，细胞培养的过程中需要注意的因素还包括温度、co2浓度、培养基ph和培养基体积。
32.进一步地，细胞培养观察设备还包括吸附组件，吸附组件包括吸引部件和附和部件，吸引部件和附和部件的一者安装在细胞培养皿22，另一者安装于下支撑部件12，可选的，吸引部件和附和部件的一者是磁铁，另一者是铁片。
33.具体地，上支撑部件11为支撑板，下支撑部件12也是支撑板。细胞培养皿2的底部设置有吸引部件或者附和部件中的一者，下支撑部件12面向上支撑部件11的一面设置有吸引部件或者附和部件中的另一者，细胞培养皿2可以通过吸附组件固定在下支撑部件12。可选的，下支撑部件12的表面铺满铁片或者磁铁，推动细胞培养皿2，细胞培养皿2可以在下支撑部件12表面移动，移动到细胞观察部件3的预设图像捕捉区域内部，便于细胞观察部件3获取细胞培养皿2内细胞的生长状态。
34.可选的，细胞观察部件3位用于采集细胞图像的细胞捕捉摄像头，该细胞捕捉摄像头可以是普通的光学摄像头，也可以是荧光成像摄像头，也可以是电子显微成像摄像头。
35.在一些可选的实施例中，还包括卡扣组件，卡扣组件包括卡设部件和扣合部件，卡设部件和扣合部件的一者安装在细胞培养皿2，另一者安装于下支撑部件12，可选的，卡设部件为凹槽，扣合部件为凸起。
36.可选的，下支撑部件12也是支撑板设置有阵列排布的凹槽，细胞培养皿2的底部设置有凸起，凹槽和凸起相配合，细胞培养皿2可以通过底部的凸起与下支撑部件12的凹槽连接，并且，凸起可以在凹槽内部移动，移动到细胞观察部件3的预设图像捕捉区域内部，便于细胞观察部件3获取细胞培养皿2内细胞的生长状态。或者，细胞培养皿2的底部设置有凹槽，下支撑部件12也是支撑板设置有阵列排布的凸起，细胞培养皿2可以通过底部的凹槽与下支撑部件12的凸起固定，在细胞观察部件3的预设图像捕捉区域内选择合适位置固定，以便于细胞观察部件3获取细胞培养皿2内细胞的生长状态。
37.在一些可选的实施例中，细胞培养舱1还包括侧壁13，侧壁13的一端滑动连接上支撑部件11，侧壁13的另一端固定连接下支撑部件12。细胞培养舱1还包括滑动组件，滑动组件包括导轨和滑块，导轨和滑块的一者连接上支撑部件11，另一者连接侧壁13的端部。
38.具体地，细胞培养舱1的上支撑部件11和侧壁13之间可以滑动连接，可选的，上支撑部件11面向侧壁13的表面设置有滑块，侧壁13面向上支撑部件11的一端设置有导轨，导轨和滑块配合从而实现上支撑部件11与侧壁13的相对滑动，由于细胞观察部件3安装在上支撑部件11，移动上支撑部件11，细胞观察部件3也会跟随上支撑部件11移动，因此，也可以通过改变细胞观察部件3使细胞培养皿2位于细胞观察部件3的图像捕捉区域内。细胞观察部件3为便于观察细胞的显微镜，显微镜的底座通过固定部件安装在上支撑部件11，可选的，固定部件为螺栓。细胞观察部件3能够从不同角度观察细胞培养全过程中细胞的生长变化与运动轨迹。图像放大部件4为投影仪器，投影仪器能够将细胞观察部件3获取的图像放大，使细胞捕捉部件能够清楚的获取细胞培养全过程中细胞的生长变化与运动轨迹。
39.在一些可选的实施例中，图像捕捉部件5包括图像信息转化模块，图像信息转化模块获取图像放大部件4所呈现的图像信息，并将图像信息转化为数据信息，图像信息包括细胞的形态轮廓图像、细胞的生长图像和细胞的运动轨迹图像。图像捕捉部件5还包括多个图像捕捉镜头51和固定部件52，固定部件52设置在上支撑部件11，多个图像捕捉镜头51面向图像放大部件4设置在固定部件52，各个图像捕捉镜头51有各自负责的功能，至少一个图像捕捉镜头51用于捕捉细胞培养皿2中细胞的形态轮廓图像，至少一个图像捕捉镜头51用于捕捉培养皿中细胞的生长图像；至少一个图像捕捉镜头51用于捕捉培养皿中细胞的运动轨迹图像。
40.进一步地，固定部件52包括支撑柱以及支撑板，支撑柱将支撑板固定在上支撑部件11，支撑板上固定安装有多个图像捕捉镜头51，各个图像捕捉镜头51面向图像放大部件4，便于捕捉图像放大部件4中所呈现的细胞图像。图像捕捉部件5中的图像信息转化模块，能够将细胞图像所呈现出的信息转化为数据信息，便于日后对细胞的成长状态和运动轨迹进行仿真。可选的，图像捕捉镜头51可以为数字摄像头，数字摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。
41.进一步地，固定部件52包括支撑柱以及支撑板，支撑板上固定有多个捕捉镜头，各个捕捉镜头面向图像放大部件4，便于捕捉图像放大部件4中所呈现的细胞图像。图像捕捉部件5中的图像信息转化模块，能够将细胞图像所呈现出的信息转化为数据信息，便于日后
对细胞的成长状态和运动轨迹进行仿真。
42.在一些可选的实施例中，数据信息包括细胞的数量与时间的关系模型、细胞之间相对位置与时间的关系模型以及细胞的形态特征与时间的关系模型。细胞形态特征至少包括细胞数量、细胞大小、细胞形状、细胞之间相对位置和细胞表面标志物。将时间变量与细胞特征参数进行关联，同时记录，并且在之后的仿真建模过程分不同时间节点对共培养过程进行真实模拟，从而保证仿真模型能够针对性的反映特定时间节点的细胞变化以及生长发育特征。
43.在一些可选的实施例中，细胞培养模型包括细胞类型、细胞接种数量和细胞培养时间与细胞数量、细胞大小、细胞形状、细胞之间相对位置和细胞表面标志物之间的关系模型。
44.在一些可选的实施例中，数据训练模块将数据信息划分为数据训练合集以及数据测试合集，数据训练合集和所述数据测试合集的占比为1:1-1:3。
45.在一些可选的实施例中，还包括气体检测系统包括激光发生器、光源部件、光敏检测器和光电探测器，激光发生器、光源部件60、光敏检测器和光电探测器均设置在细胞培养舱的内表面。激光发生器包括承载部件61、激光器62和亮度传感器63，亮度传感器63和激光器62均设置在承载部件61。光电探测器包括湿度传感器66、气体传感器65以及光电传感器64。气体检测系统可识别被检测环境(细胞培养舱1)中存在的被检测气体及其含量。为进一步的细胞培养研究以及细胞培养环境的仿真建模提供数据，该数据包括细胞培养环境的气体组分、固体组、液体组分以及对光的需求度。
46.具体地，由激光器在培养舱内产生激光光束，激光光束的能量在经过细胞培养舱1时，空气环境中的气体组分、固体组分及液体组分对相应波段的部分激光能量进行吸收，并传递到光敏检测器中，光敏检测器在经过将激光信号转化为电信号。同时培养舱里的空气环境中的气体组分对激光光束进行散射和漫反射，散射和漫反射的激光能量同时由光敏检测器同步接收，并传输至远程系统中，由远程系统对接收电信号进行运算识别，根据激光能量衰减即可获得培养舱里空气成分类及浓度等信息。
47.进一步地，气体检测系统还包括预处理电路、接线端子和串口通讯端子，计算机包括系统控制电路，系统控制电路为基于dsp芯片、fpga芯片中任意一种为基础的电路系统，且系统控制电路另设mos驱动电路、总线电路、基于igbt为基础的电子开关电路、i/o接口电路、晶振时钟电路、串口通讯电路、多路稳压电源及tdlas单元，系统控制电路分别与mos驱动电路、总线电路及晶振时钟电路电气连接，总线电路分别与基于igbt为基础的电子开关电路、i/o接口电路、串口通讯电路、多路稳压电源电气连接，基于igbt为基础的电子开关电路另分别与i/o接口电路、串口通讯电路、多路稳压电源电气连接，且i/o接口电路、串口通讯电路分别与激光发生器、光敏检测器、信号处理电路电气连接，tdlas单元至少一个，各tdlas单元相互并联，并通过基于igbt为基础的电子开关电路与系统控制电路电气连接，各tdlas单元分别与i/o接口电路、串口通讯电路、多路稳压电源电气连接。接线端子及串口通讯端子均至少一个；光电传感器64、气体传感器65、湿度传感器66、接线端子及串口通讯端子均与预处理电路电气连接，且接线端子及串口通讯端子分别与信号处理电路、系统控制电路电气连接。信号处理电路可为以锁相放大器为核心的电路系统。预处理电路包括多路稳压电路、串口通讯电路、滤波整流电路、信号放大电路、电子开关电路及基于工业单片机
的中央处理电路，其中基于工业单片机的中央处理电路分别与多路稳压电路、串口通讯电路、滤波整流电路、信号放大电路、电子开关电路电气连接，其中，多路稳压电路另与接线端子电气连接，电子开关电路，另通过接线端子分别与光电传感器64、气体传感器65、温湿度传感器66及系统控制电路电气连接，串口通讯电路与串口通讯端子、滤波整流电路、信号放大电路电气连接，并通过串口通讯端子与信号处理电路电气连接。
48.可选的，光源部件60为将电信号转换成光信号的器件，远程系统为计算机；可选的，光敏检测器为光敏传感器67。光源部件60为光源灯，光源灯可以设置多个，在细胞培养或细胞图像采集的过程中补充光线。激光器62用于发射激光，激光器62也可以设置多个，例如设置两个，两个以上的激光器62发出激光束。承载部件61为支撑板，支撑板可以通螺钉固定在细胞培养舱1的侧壁。光敏检测器用于接受空气环境中的气体组分对激光光束进行散射和漫反射后产生的激光能量。湿度传感器66用感测细胞培养舱1内的气体成分。气体传感器65用于感测气体的组成成分，光电传感器64于检测细胞培养舱内部的光电信息。
49.本发明还提供了一种信息处理系统7，为以上任一项所提到的信息处理系统7，信息处理系统7包括数据训练模块、数据处理模块以及仿真模块，数据训练模块用于对数据信息进行训练以得到细胞培养模型，数据处理模块通过处理细胞培养模型获得细胞在不同时间节点的生长曲线和形态特征，仿真模块通过细胞培养模型、生长曲线和形态特征获得细胞仿真模型。可选的，信息处理系统7为计算机。
50.本发明还提供了一种信息处理方法，通过以上中所提到的信息处理系统7来实现，包括以下步骤：对数据信息进行训练以得到细胞培养模型；通过处理细胞培养模型以获得细胞在不同时间节点的生长模型和形态特征模型；通过生长模型和形态特征模型以获得细胞在培养过程中的仿真模型。将时间变量与细胞特征参数进行关联，同时记录，并且在之后的仿真建模过程分不同时间节点对共培养过程进行模拟，从而获得的数字模型能够针对性的反映特定时间节点的细胞变化以及生长发育特征，为研究人员提供了重要的数据支撑。
51.本发明还提供了一种数据存储装置，用于存储以上中所提到的数据信息。
52.另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
53.应理解，在本发明实施例中，“与a相应的b”表示b与a相关联，根据a可以确定b。但还应理解，根据a确定b并不意味着仅仅根据a确定b，还可以根据a和/或其它信息确定b。
54.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。