[發(fā)明專利]基于傅里葉變換的細(xì)胞牽引力測量方法、系統(tǒng)及介質(zhì)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011438356.5
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112581437A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張帆;溫娜;趙冠棋;劉佳琪;朱疆;董明利;祝連慶
• 申請（專利權(quán)）人: 北京信息科技大學(xué)
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T5/00;G16B5/00
• 代理公司: 北京遠(yuǎn)創(chuàng)理想知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11513
• 代理人: 衛(wèi)安樂

本發(fā)明涉及一種基于傅里葉變換的細(xì)胞牽引力測量方法、系統(tǒng)及介質(zhì)，其包括：獲取生長狀態(tài)良好且細(xì)胞對微柱產(chǎn)生拉伸的細(xì)胞區(qū)域的高倍顯微圖；將高倍顯微圖轉(zhuǎn)化為灰度圖；將灰度圖進(jìn)行二維快速傅里葉變換得到頻譜圖；對頻譜圖中的某一單頻點(diǎn)進(jìn)行濾波和傅里葉逆變換，得到微柱陣列的幅值分布圖；通過偏移值與幅值的對應(yīng)關(guān)系將幅值分布圖轉(zhuǎn)換成偏移量的分布圖，由PDMS的剛度計(jì)算得到最終細(xì)胞力的分布圖。本發(fā)明能更直觀、更快速的得到細(xì)胞牽引力的分布情況。本發(fā)明可以廣泛在數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種基于傅里葉變換的細(xì)胞牽引力測量方法、系統(tǒng)及介質(zhì)。

背景技術(shù)

生命從誕生開始就生活在力學(xué)環(huán)境中并與之相適應(yīng)。細(xì)胞與細(xì)胞外微環(huán)境的力學(xué)相互作用對于細(xì)胞的遷移、增殖和分化都起著至關(guān)重要的作用。但由于細(xì)胞內(nèi)在的生物復(fù)雜性及微納米尺度的制約，傳統(tǒng)的宏觀實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法與技術(shù)往往難以直接使用。經(jīng)微加工技術(shù)制備的垂直排列的聚二甲基硅氧烷(ploydimethylsiloxane，PDMS),在頂端表面修飾后可支持細(xì)胞粘附，細(xì)胞粘附后產(chǎn)生的牽引力會造成微柱彎曲，將測得的撓度變化輸入簡單的材料力學(xué)公式即可獲得細(xì)胞的牽引力分布。采用這種致密、垂直、離散微柱矩陣結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)測量的連續(xù)介質(zhì),通過對微柱形變的顯微圖像處理,細(xì)胞牽引力可以被直接定量測量,精度可以達(dá)到數(shù)十nN·μm^-1量級。

微柱形變的顯微圖像處理，作為細(xì)胞牽引力測量的最后一環(huán)，直接決定著細(xì)胞牽引力最終測量結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性。而在微柱的顯微圖像處理中，微柱頂端的位移識別及提取精度又是影響數(shù)字圖像處理的核心因素之一。

目前在數(shù)字圖像處理中常用的微柱頂端位移識別的方法有質(zhì)心法(CentroidMethod)和霍夫變換法(Hough Transform)等。質(zhì)心法(Centroid Method)利用微柱在高倍顯微成像下成像模型圓對稱性質(zhì)，利用Matlab中的計(jì)算區(qū)域描繪子函數(shù)regionprops計(jì)算質(zhì)心的位置從而獲得微柱位置。具體操作是將微柱的高倍顯微圖轉(zhuǎn)換為灰度圖，然后將圖像進(jìn)行中值濾波、二值化等處理，最后通過計(jì)算得到微柱端面質(zhì)心。霍夫變換(HoughTransform)是數(shù)字圖像處理中常用的一種特征提取技術(shù)。它將一個(gè)空間中具有相同形狀的曲線或直線映射到另一個(gè)坐標(biāo)空間的一個(gè)點(diǎn)上形成峰值，從而把檢測任意形狀的問題轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)峰值問題。利用霍夫變換進(jìn)行微柱頂端的位移識別，實(shí)質(zhì)上是用霍夫變換提取分布于目標(biāo)圓周上的參數(shù)及點(diǎn)的特征值來檢測圓，對圖像上的每個(gè)點(diǎn)定義一個(gè)參數(shù)空間的映射，通過在參數(shù)空間找尋特征值(峰值或最大值)得到為與圖像空間中的目標(biāo)形狀。具體操作是將高倍顯微下的微柱圖轉(zhuǎn)化為灰度圖，進(jìn)行雙邊濾波后通過霍夫變換檢測圓，得到圓的圓心和半徑。在用霍夫變換檢測圓時(shí)，需要一個(gè)三維數(shù)組用來進(jìn)行累加運(yùn)算，因此當(dāng)所要檢測的圓太多時(shí)，計(jì)算量和內(nèi)存占用量將會急劇增大，計(jì)算效率將會大大降低。而利用regionprops函數(shù)中的centroid參數(shù)提取質(zhì)心時(shí)，是通過一階中心矩陣計(jì)算出的質(zhì)心，無論是在計(jì)算量上，還是內(nèi)存占用量上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于霍夫變換檢測圓時(shí)的計(jì)算量和內(nèi)存占用量，計(jì)算效率遠(yuǎn)大于Hough變換的計(jì)算效率。但是用質(zhì)心法處理高倍顯微鏡下的PDMS微柱圖像時(shí)，可能會由于微柱陣列自身基底不平或者照明不均導(dǎo)致處理圖像時(shí)很難選取到合適的閾值，進(jìn)而影響后續(xù)的一系列操作；而且質(zhì)心法處理圖像需要有原始位置作為標(biāo)準(zhǔn)，拍攝原始位置或者是算法的處理都較為繁瑣；此外，質(zhì)心法二值化的過程致使其輪廓跳動較大，會給微柱端面質(zhì)心定位帶來誤差。因此質(zhì)心法雖相較于霍夫變換法運(yùn)算速度較快，但受這種方法自身的局限性，仍存在著照明不均時(shí)閾值的合理選取困難、需原始位置作為標(biāo)準(zhǔn)、二值化的過程使得輪廓跳動大這些問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于傅里葉變換的細(xì)胞牽引力測量方法、系統(tǒng)及介質(zhì)，其能更直觀、更快速的得到細(xì)胞牽引力的分布情況。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于數(shù)字傅里葉變換的細(xì)胞牽引力測量方法，其包括以下步驟：

獲取生長狀態(tài)良好且細(xì)胞對微柱產(chǎn)生拉伸的細(xì)胞區(qū)域的高倍顯微圖；