一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析系统及方法，涉及环境监测技术领域，包括散射光成像模块用于按时间序列对比色皿中待检溶液进行图像采集，得到多个视频帧的单细胞待分析图像；检测模块用于检测每个视频帧的单细胞待分析图像中的颗粒，颗粒由光散射形成的，并对检测到的每个视频帧的颗粒进行定位，得到每个颗粒的定位坐标，并根据各个定位坐标得到颗粒的运动轨迹；分析模块用于根据运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内运动范围的表征，并根据运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内轨迹变化的表征，并根据运动范围的表征和/或轨迹变化的表征，得到水体是否存在污染的结论。相比传统急性毒性分析方法，本发明专利技术具备速度快和抗干扰的优势。度快和抗干扰的优势。度快和抗干扰的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析系统及方法


[0001]本专利技术主要涉及环境监测
，具体涉及一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析系统及方法。

技术介绍

[0002]水质监测与预警对饮用水安全、水污染控制以及流域水环境管理起着至关重要的作用。因此加强水质实时监控是治理水污染频发，确保水质安全的重要前提，而发展响应速度快、灵敏度高的水质在线监控技术与装备是实现水质监控与预警的重要保障。
[0003]传统水质监控技术以水质常规化学监测为指标，局限于COD、氨氮、重金属、常见有机污染物等有毒有害物质，所监测的指标的数量非常有限，极大增加了尚未涵盖的且数量庞大的潜在污染物的风险。另外数量和种类未知的污染物往往不是单独存在的，经历了降解、结合、转化等一系列化学反应过程，呈现复合污染的态势，因此单独的化学监测技术手段难易实现水质预警监测。生物水质监测方式可在一定程度上弥补化学监测方式的不足，但传统的生物监测方法依然存在灵敏度低、检测时间较长、维护成本高、指示生物保存困难等问题。近年来，全细胞生物传感方法譬如发光细菌、生物电化学系统等被应用于生物水质监测领域，表现出良好的应用前景。然而目前的全细胞传感方法需要特定发光、基因工程菌株，灵敏度差，易受环境干扰，难以满足人们对水质实时监控与事故早期预警的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析系统及方法。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析系统，包括散射光成像模块、检测模块和分析模块；
[0006]所述散射光成像模块，用于按时间序列对比色皿中待检溶液进行图像采集，得到多个视频帧的单细胞待分析图像；
[0007]所述检测模块，用于检测每个视频帧的单细胞待分析图像中的颗粒，所述颗粒由光散射形成的，并对检测到的每个视频帧的颗粒进行定位，得到每个颗粒的定位坐标，并根据各个定位坐标得到颗粒的运动轨迹；
[0008]所述分析模块，用于根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内运动范围的表征，并根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内轨迹变化的表征，并根据所述运动范围的表征和/或所述轨迹变化的表征，得到水体是否存在污染的结论。
[0009]本专利技术解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析方法，包括如下步骤：
[0010]按时间序列对比色皿中待检溶液进行图像采集，得到多个视频帧的单细胞待分析图像；
[0011]检测每个视频帧的单细胞待分析图像中的颗粒，所述颗粒由光散射形成的，并对
检测到的每个视频帧的颗粒进行定位，得到每个颗粒的定位坐标，并根据各个定位坐标得到颗粒的运动轨迹；
[0012]根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内运动范围的表征，并根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内轨迹变化的表征，并根据所述运动范围的表征和/或所述轨迹变化的表征，得到水体是否存在污染的结论。
[0013]本专利技术的有益效果是：通过对多个视频帧的单细胞待分析图像进行颗粒定位，并得到运动轨迹，通过运动轨迹得到颗粒运动范围的表征和轨迹变化的表征，根据表征得到水体是否存在污染的结论，对于毒理学研究与水体快速评估具有重要的应用价值，相比传统急性毒性分析方法，本专利技术具备速度快和抗干扰的优势。
附图说明
[0014]图1为本专利技术实施例提供的单细胞成像分析系统的模块框图；
[0015]图2为本专利技术实施例提供的单细胞成像分析方法的流程示意图；
[0016]图3为本专利技术实施例提供的散射光成像模块的结构图。
[0017]附图中，各标记所代表的部件名称如下：
[0018]1、激光器；2、棱镜；3、准直棱镜；4、比色皿；5、样品盘；6、变焦变倍镜头；7、CCD相机；8、隔热壳；9、控温器。
具体实施方式
[0019]以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。
[0020]实施例1：
[0021]如图1所示，一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析系统，包括散射光成像模块、检测模块和分析模块；
[0022]所述散射光成像模块，用于按时间序列对比色皿中待检溶液进行图像采集，得到多个视频帧的单细胞待分析图像；
[0023]所述检测模块，用于检测每个视频帧的单细胞待分析图像中的颗粒，所述颗粒由光散射形成的，并对检测到的每个视频帧的颗粒进行定位，得到每个颗粒的定位坐标，并根据各个定位坐标得到颗粒的运动轨迹；
[0024]所述分析模块，用于根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内运动范围的表征，并根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内轨迹变化的表征，并根据所述运动范围的表征和/或所述轨迹变化的表征，得到水体是否存在污染的结论。
[0025]具体地，所述检测模块中，检测每个视频帧的单细胞待分析图像中的颗粒，具体为：
[0026]对所述单细胞待分析图像进行背景的噪声去除处理，得到优化后的单细胞待分析图像；具体地，通过减去图片时间序列的第一张来减去背景噪声，增加图片的信噪比。
[0027]利用高斯拉普拉斯算子(Laplace of Gaussian)检测得到所述优化后的单细胞待分析图像中的颗粒。
[0028]具体地，所述检测模块中，对检测到的每个视频帧的颗粒进行定位，得到每个颗粒
的定位坐标，并根据各个定位坐标得到颗粒的运动轨迹，具体为：
[0029]利用二维高斯函数拟合的方式对检测到的每个视频帧的颗粒进行亚像素定位，得到每个颗粒的亚像素定位坐标；
[0030]基于线性分配法的追踪器进行颗粒在时间序列上的追踪，得到每一个颗粒在时间维度上的运动轨迹。
[0031]具体地，在得到每一帧中每个颗粒精准的亚像素定位坐标，采用了基于线性分配法的追踪器来进行颗粒在时间序列上的追踪，最终可以得到每一个颗粒在时间维度上的运动轨迹。
[0032]应理解地，由于相机探测器探测到的光斑灰度分布函数可近似看做高斯分布，因此可以通过二维高斯函数进行拟合。即，二维高斯函数为其中A,x0,σ
x
,y0,σ
y
是待拟合参数。
[0033]具体地，所述分析模块中，根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内运动范围的表征，具体为：
[0034]所述运动轨迹包括多个节点，所述节点为轨迹上颗粒在每一个时刻t的坐标，多个节点形成时间序列。
[0035]在得到颗粒轨迹的坐标后，首先计算了轨迹的前进方向，之后计算了轨迹上每个节点到轨迹前进方向向量的距离，该距离被定义为D
n
‑
f
,来表征为颗粒在溶液空间的运动范围。
[0036]根据运动范围表征公式计算每个节点到轨迹前进方向向量的距离，所述距离表征为颗粒在溶液空间的运动范围，所述运动范围表征公式为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测定水体急性毒性的单细胞成像分析系统，其特征在于，包括散射光成像模块、检测模块和分析模块；所述散射光成像模块，用于按时间序列对比色皿中待检溶液进行图像采集，得到多个视频帧的单细胞待分析图像；所述检测模块，用于检测每个视频帧的单细胞待分析图像中的颗粒，所述颗粒由光散射形成的，并对检测到的每个视频帧的颗粒进行定位，得到每个颗粒的定位坐标，并根据各个定位坐标得到颗粒的运动轨迹；所述分析模块，用于根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内运动范围的表征，并根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内轨迹变化的表征，并根据所述运动范围的表征和/或所述轨迹变化的表征，得到水体是否存在污染的结论。2.根据权利要求1所述的单细胞成像分析系统，其特征在于，所述检测模块中，检测每个视频帧的单细胞待分析图像中的颗粒，具体为：对所述单细胞待分析图像进行背景的噪声去除处理，得到优化后的单细胞待分析图像；利用高斯拉普拉斯算子检测得到所述优化后的单细胞待分析图像中的颗粒。3.根据权利要求1所述的单细胞成像分析系统，其特征在于，所述检测模块中，对检测到的每个视频帧的颗粒进行定位，得到每个颗粒的定位坐标，并根据各个定位坐标得到颗粒的运动轨迹，具体为：利用二维高斯函数拟合的方式对检测到的每个视频帧的颗粒进行亚像素定位，得到每个颗粒的亚像素定位坐标；基于线性分配法的追踪器进行颗粒在时间序列上的追踪，得到每一个颗粒在时间维度上的运动轨迹。4.根据权利要求1所述的单细胞成像分析系统，其特征在于，所述分析模块中，根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内运动范围的表征，具体为：所述运动轨迹包括多个节点，所述节点为轨迹上颗粒在每一个时刻t的坐标，多个节点形成时间序列，根据运动范围表征公式计算每个节点到轨迹前进方向向量的距离，所述距离表征为颗粒在溶液空间的运动范围，所述运动范围表征公式为：x
max
，y
max
＝argmax((x
i
‑
x0)2‑
(y
i
‑
y0)2)，i＝1，2，3...，l，其中，x为轨迹中坐标时间序列的横坐标，y为轨迹中坐标时间序列的纵坐标，x0为轨迹中坐标时间序列起始点的横坐标，y0为轨迹中坐标时间序列起始点的纵坐标，x
max
,y
max
为距离轨迹时间序列起始点距离最大点的坐标；l为轨迹中坐标时间序列的长度。5.根据权利要求4所述的单细胞成像分析系统，其特征在于，所述分析模块中，根据所述运动轨迹得到颗粒在待检溶液空间内轨迹变化的表征，具体为：对于长度为N的一维摆角时间序列{x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
N
},首先在多个尺度上按照公式:其中1≤j≤N/τ，构造成粗粒化的时间序列{y
(τ)
},其中τ为尺度
因子，粗粒化序列后的长度为M＝int(N/τ)，依照下面过程分别计算不同尺度因子下的样本熵值：S1：构造一组m维向量:Xm(i)＝{y
i+k
:0≤k≤m
‑
1}；S2：对于每一个i值,计算Xm(i)和其余向量Xm(j)之间的距离:d[Xm(i),Xm(j)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贤伟，杨思雨，钱晨，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：