使用相位对比和明场成像的无标记细胞分割制造技术

本公开提供了包含处理器的示例方法：(a)生成包括一个或多个细胞的生物样本的以所述生物样本的焦平面为中心的至少一个相位对比图像；(b)基于所述至少一个相位对比图像生成呈二进制图像形式的汇合掩模；(c)接收所述生物样本在位于所述焦平面上方的散焦距离处的第一明场图像以及所述生物样本在位于所述焦平面下方的所述散焦距离处的第二明场图像；(d)基于所述第一明场图像和所述第二明场图像生成所述生物样本的细胞图像；(e)基于所述细胞图像和所述相位对比图像生成种子掩模；以及(f)基于所述种子掩模和所述汇合掩模生成所述生物样本的示出逐细胞分割掩模的图像。生物样本的示出逐细胞分割掩模的图像。生物样本的示出逐细胞分割掩模的图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用相位对比和明场成像的无标记细胞分割
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年2月1日提交的美国专利申请序列号16/265910的优先权，所述美国专利申请通过引用以其整体并入本文。

技术介绍

[0003]在生物样本中分割细胞的当前已知的方法需要荧光标记的蛋白质，例如，针对标记物控制的分割算法将核定位蛋白(如组蛋白)阈值化。存在替代性无标签技术，如基于叠层成像的方法、横向剪切干涉测量法和数字全息术，但这些技术需要复杂的图像采集设置和复杂的图像形成算法连同较长处理时间。另一种无标签技术包含深度学习算法(例如，卷积神经网络)，所述深度学习算法需要对大型图像数据集进行大量训练，并且处理时间较慢。其它方法在离焦条件下使用明场图像，这需要像针孔口径等特定硬件，并且不允许逐细胞分割。

技术实现思路

[0004]一方面，公开了一种示例方法。所述方法包含：(a)通过处理器生成包括一个或多个细胞的生物样本的以所述生物样本的焦平面为中心的至少一个相位对比图像；(b)基于所述至少一个相位对比图像通过所述处理器生成呈二进制图像形式的汇合掩模；(c)通过所述处理器接收所述生物样本中的一个或多个细胞在位于所述焦平面上方的散焦距离处的第一明场图像以及所述生物样本中的所述一个或多个细胞在位于所述焦平面下方的所述散焦距离处的第二明场图像；(d)基于所述第一明场图像和所述第二明场图像通过所述处理器生成所述生物样本中的所述一个或多个细胞的细胞图像；(e)基于所述细胞图像和所述至少一个相位对比图像通过所述处理器生成种子掩模；以及(f)基于所述种子掩模和所述汇合掩模通过所述处理器生成所述生物样本中的所述一个或多个细胞的示出逐细胞分割掩模的图像。
[0005]另一方面，公开了一种示例非暂时性计算机可读介质。所述计算机可读介质上存储有程序指令，所述程序指令在由处理器执行时使得执行一组动作，所述一组动作包含：(a)所述处理器基于以生物样本的焦平面为中心的至少一个明场图像生成包括一个或多个细胞的生物样本的至少一个相位对比图像；(b)所述处理器基于所述至少一个相位对比图像生成呈二进制图像形式的汇合掩模；(c)所述处理器接收所述生物样本中的一个或多个细胞在位于所述焦平面上方的散焦距离处的第一明场图像以及所述生物样本中的所述一个或多个细胞在位于所述焦平面下方的所述散焦距离处的第二明场图像；(d)所述处理器基于所述第一明场图像和所述第二明场图像生成所述一个或多个细胞的细胞图像；(e)所述处理器基于所述细胞图像和所述至少一个相位对比图像生成种子掩模；(f)所述处理器基于所述种子掩模和所述汇合掩模生成所述生物样本中的所述一个或多个细胞的示出逐细胞分割掩模的图像。
[0006]已经讨论的特征、功能和优点可以在各个实例中独立地实现或者可以在又其它实
例中组合，其另外的细节可以参考以下描述和附图进行理解。
附图说明
[0007]图1是根据一个示例实施方案的系统的功能框图；
[0008]图2描绘了根据示例实施方案的计算装置和计算机网络的框图；
[0009]图3示出了根据示例实施方案的方法的流程图；
[0010]图4示出了根据示例实施方案的生物样本的图像；
[0011]图5示出了根据示例实施方案的另一个生物样本的图像；
[0012]图6A示出了根据示例实施方案生成的针对在喜树碱(CPT，细胞毒性)之后的HT1080纤维肉瘤凋亡的时间过程后24小时的细胞图像响应的逐细胞分割掩模的实验结果；
[0013]图6B示出了根据图6A的实施方案的基于红色(Nuclight Red，细胞健康指标，“NucRed”)和绿色荧光(胱天蛋白酶3/7，凋亡指标)分类的细胞亚群；
[0014]图6C示出了根据图6A的实施方案在CPT治疗后红色群体的减少(表明活细胞丢失)、红色和绿色荧光的增加(表明早期凋亡)以及24小时后绿色荧光的增加(表明晚期凋亡)；
[0015]图6D示出了根据图6A的实施方案的早期凋亡群体(展示红色和绿色荧光的总细胞的百分比)的浓度响应时间过程；
[0016]图6E示出了根据示例实施方案生成的针对在环己酰胺(CHX，细胞毒性)之后的HT1080纤维肉瘤凋亡的时间过程后24小时的细胞图像响应的逐细胞分割掩模的实验结果；
[0017]图6F示出了根据图6E的实施方案的基于红色(Nuclight Red，细胞健康指标，“NucRed”)和绿色荧光(胱天蛋白酶3/7，凋亡指标)分类的细胞亚群；
[0018]图6G示出了根据图6E的实施方案在CHX治疗后无凋亡但细胞计数减少；
[0019]图6H示出了根据图6E的实施方案的早期凋亡群体(展示红色和绿色荧光的总细胞的百分比)的浓度响应时间过程；
[0020]图7A示出了根据示例实施方案生成的施加在相位对比图像上的用于使用逐细胞分割分析对粘附细胞进行无标记细胞计数的逐细胞分割掩模。用无标记的逐细胞分析和用红核计数分析两者对用NucLight Red试剂标记的A549细胞的各种密度进行了分析，以验证无标记计数随时间的变化；
[0021]图7B示出了根据图7A的背景中没有相位对比图像的逐细胞分割掩模；
[0022]图7C示出了根据图7A的实施方案的跨密度的相位计数和NucRed计数数据的时间过程；并且
[0023]图7D示出了48小时内计数数据的相关性，并且展示了根据图7A的实施方案R2值为1且斜率为1。
[0024]附图出于说明实例的目的，应理解本专利技术不限于附图中所示的布置和手段。
具体实施方式
[0025]I.概述
[0026]本文所述的方法的实施例可以用于利用离焦明场图像来分割生物样本的一个或多个细胞的相位对比图像，由此允许以快速处理时间进行单个细胞和亚群分析。所公开的
示例方法还有益地实现了细胞的实时无标记(即无荧光)计数，并且避免了可能损害活细胞的活力和功能的荧光标记物的影响。所公开的示例方法的另一个优点是无论细胞形态的复杂性如何都对单个细胞界限进行检查，包含像HUVEC等扁平细胞。
[0027]II.示例架构
[0028]图1是示出了包含或涉及例如光学显微镜105和具有一个或多个细胞的生物样本110的操作环境100的框图。下文描述的图3
‑
5中的方法300示出了可以在此操作环境100中实施的方法的实施例。
[0029]图2是展示了根据示例实施方案的计算装置200的示例的框图，所述计算装置被配置为直接或间接与操作环境100接口。计算装置200可以用于执行图3
‑
5中所示和下文描述的方法的功能。具体地，计算装置200可以被配置成执行一个或多个功能，包含例如部分地基于通过光学显微镜105获得的图像的图像生成功能。计算装置200具有处理器202，以及还有通信接口204、数据存储区206、输出接口208和显示器210，每个都连接到通信总线212。计算装置200还可以包含用于实现计算装置200内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，其包括：通过处理器生成包括一个或多个细胞的生物样本的以所述生物样本的焦平面为中心的至少一个相位对比图像；基于所述至少一个相位对比图像通过所述处理器生成呈二进制图像形式的汇合掩模；通过所述处理器接收所述生物样本中的一个或多个细胞在位于所述焦平面上方的散焦距离处的第一明场图像以及所述生物样本中的所述一个或多个细胞在位于所述焦平面下方的所述散焦距离处的第二明场图像；基于所述第一明场图像和所述第二明场图像通过所述处理器生成所述生物样本中的所述一个或多个细胞的细胞图像；基于所述细胞图像和所述至少一个相位对比图像通过所述处理器生成种子掩模；以及基于所述种子掩模和所述汇合掩模通过所述处理器生成所述生物样本中的所述一个或多个细胞的示出逐细胞分割掩模的图像。2.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述处理器生成包括所述一个或多个细胞的所述生物样本的以所述生物样本的所述焦平面为中心的所述至少一个相位对比图像包括：通过所述处理器接收明场图像的Z扫描；以及基于明场图像的所述Z扫描通过所述处理器生成所述至少一个相位对比图像。3.根据权利要求1到2中任一项所述的方法，其中所述散焦距离的范围为20μm到60μm。4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其进一步包括：通过所述处理器接收至少一个荧光图像；以及通过所述处理器计算所述生物样本中的所述一个或多个细胞在所述逐细胞分割掩模内的荧光强度。5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其中基于所述至少一个相位对比图像通过所述处理器生成呈所述二进制图像形式的所述汇合掩模包括：通过所述处理器应用局部纹理滤波器或亮度滤波器中的一个或多个，以使得能够识别属于所述生物样本中的所述一个或多个细胞的像素。6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中基于所述第一明场图像和所述第二明场图像通过所述处理器生成所述细胞图像包括：基于以所述焦平面为中心的第三明场图像，利用多个逐像素数学运算中的至少一个或特征检测，通过所述处理器增强所述第一明场图像和所述第二明场图像；通过所述处理器计算变换参数；基于所述变换参数通过所述处理器将所述第一明场图像和所述第二明场图像与所述至少一个相位对比图像对准；以及通过所述处理器将对准的第二明场图像的每个像素的亮度水平与对准的第一明场图像中的对应像素的亮度水平组合，以由此形成所述细胞图像。7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其中基于所述第一明场图像和所述第二明场图像通过所述处理器生成所述生物样本中的所述一个或多个细胞的所述细胞图像进一步包括：通过所述处理器接收一个或多个用户定义的参数，所述一个或多个用户定义的参数确定一个或多个阈值水平和一个或多个滤波器大小；以及
基于所述一个或多个用户定义的参数通过所述处理器对所述细胞图像应用一个或多个平滑滤波器。8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其中基于所述细胞图像和所述至少一个相位对比图像通过所述处理器生成所述种子掩模包括：通过所述处理器修改所述细胞图像，使得处于或高于阈值像素强度的每个像素被识别为细胞种子像素，由此产生具有二进制像素化的所述种子掩模。9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其中所述种子掩模具有各自对应于单个细胞的多个种子，所述方法进一步包括：在通过所述处理器生成所述生物样本中的所述一个或多个细胞的示出所述逐细胞分割掩模的所述图像之前，通过所述处理器将所述种子掩模与所述汇合掩模进行比较，并且从所述种子掩模中消除未被布置在所述汇合掩模的区中的一个或多个区域并从所述汇合掩模中消除不含有所述种子掩模的所述多个种子之一的一个或多个区域。10.根据权利要求1到9中任一项所述的方法，其中基于所述种子掩模和所述汇合掩模通过所述处理器生成所述生物样本中的所述一个或多个细胞的示出所述逐细胞分割掩模的所述图像包括：通过所述处理器对有效种子集中的每个有效种子执行区域生长迭代；以及通过所述处理器针对所述有效种子集...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：埃森仪器公司dba埃森生物科学公司，
类型：发明
国别省市：