[發(fā)明專利]基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110948240.4
• 申請日: 2021-08-18
• 公開（公告）號: CN113689456B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇絢濤;王卓
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: G06T7/20
• 分類號: G06T7/20;G06T7/11;G06T7/00;G06N3/02;G06V10/774;G06V10/82;G01N15/02
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 朱忠范

1.一種基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置，其特征在于，包括：

激發(fā)模塊，用于對激光進行整形，形成射入待檢測外泌體樣本的激發(fā)光片；

檢測模塊，用于將激發(fā)光片透射過待檢測外泌體樣本，形成外泌體側(cè)向散射光；

采集模塊，用于獲取外泌體布朗運動的視頻；

分析模塊，用于結(jié)合所述視頻，進行外泌體顆粒的定位，獲取外泌體顆粒運動軌跡，計算顆粒的粒徑；

所述激發(fā)模塊，包括激光光源(1)、濾光片(2)、柱面透鏡(3)和照明物鏡(4)；激光光源(1)發(fā)射高斯光束，經(jīng)過濾光片調(diào)整光強后，投射到柱面透鏡(3)，從柱面透鏡(3)出射后投射到照明物鏡(4)中，由照明物鏡(4)射出激發(fā)光片；

所述分析模塊包括定位單元、追蹤單元以及計算單元；

所述定位單元，用于利用訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，對視頻中的圖像進行處理，獲取外泌體顆粒的定位信息；其中，所述訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)由訓(xùn)練集訓(xùn)練得到，所述訓(xùn)練集包括多個外泌體布朗運動的圖像以及用于標(biāo)注圖像中外泌體顆粒中心區(qū)域位置的金標(biāo)注；

所述追蹤單元，用于根據(jù)獲取的每幀圖像的顆粒定位信息，逐幀進行顆粒追蹤，獲取外泌體顆粒的布朗運動軌跡；

所述計算單元，用于根據(jù)外泌體顆粒的布朗運動軌跡，計算每個顆粒的均方位移，獲取擴散系數(shù)，利用斯托克斯愛因斯坦方程計算得到每個顆粒的粒徑。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置，其特征在于，利用點擴散函數(shù)實現(xiàn)對納米顆粒散射圖像的模擬，用來生成訓(xùn)練集。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置，其特征在于，配置基礎(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用訓(xùn)練集訓(xùn)練所述基礎(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對外泌體顆粒中心區(qū)域進行分割，達到顆粒定位的目的，得到訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置，其特征在于，所述檢測模塊，由玻片制作而成，形成有外泌體樣本腔室(5)，激發(fā)光片貫穿并照亮樣本腔室(5)中的外泌體樣本，形成外泌體側(cè)向散射光。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置，其特征在于，所述采集模塊包括成像物鏡(6)和CMOS探測器(8)；成像物鏡(6)被放置在與激光傳播方向垂直的位置用來收集外泌體側(cè)向散射光，通過CMOS探測器(8)記錄外泌體布朗運動的運動視頻圖像數(shù)據(jù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置，其特征在于，所述的基礎(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為采用端到端的U-net網(wǎng)絡(luò)。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置，其特征在于，采用基于夫瑯禾費衍射的點擴散函數(shù)模型作為基礎(chǔ)，圖像生成參數(shù)由以下公式?jīng)Q定：

其中，(x,y)是圖像像素坐標(biāo)索引，即每個顆粒出現(xiàn)在圖像中的位置；A為強度系數(shù)，用于模擬不同散射光強度和不同相機參數(shù)下的納米顆粒圖像；P為點擴散函數(shù)模型；N是一幅圖像中外泌體顆粒的數(shù)量；(x_n,y_n)是第n個粒子的位置坐標(biāo)；z_n表示點擴散函數(shù)在z軸上的位置，決定了圖像中粒子的外觀；G為圖片中隨機加入的高斯噪聲。

8.一種利用如權(quán)利要求1-7任一項所述的基于深度學(xué)習(xí)的外泌體粒徑分析裝置進行外泌體粒徑計算的方法，其特征在于，包括：

對激光進行整形，形成射入待檢測外泌體樣本的激發(fā)光片；

將激發(fā)光片透射過待檢測外泌體樣本，形成外泌體側(cè)向散射光；

基于側(cè)向散射光，獲取外泌體布朗運動的圖像；

結(jié)合所述圖像，進行外泌體顆粒的定位，獲取外泌體顆粒運動軌跡，計算顆粒的粒徑；

其中，包括激光光源(1)、濾光片(2)、柱面透鏡(3)和照明物鏡(4)；激光光源(1)發(fā)射高斯光束，經(jīng)過濾光片調(diào)整光強后，投射到柱面透鏡(3)，從柱面透鏡(3)出射后投射到照明物鏡(4)中，由照明物鏡(4)射出激發(fā)光片；

其中，利用訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，對視頻中的圖像進行處理，獲取外泌體顆粒的定位信息；其中，所述訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)由訓(xùn)練集訓(xùn)練得到，所述訓(xùn)練集包括多個外泌體布朗運動的圖像以及用于標(biāo)注圖像中外泌體顆粒中心區(qū)域位置的金標(biāo)注；

根據(jù)獲取的每幀圖像的顆粒定位信息，逐幀進行顆粒追蹤，獲取外泌體顆粒的布朗運動軌跡；

根據(jù)外泌體顆粒的布朗運動軌跡，計算每個顆粒的均方位移，獲取擴散系數(shù)，利用斯托克斯愛因斯坦方程計算得到每個顆粒的粒徑。