專利名稱：呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，其能夠準(zhǔn)確記 錄、分析呼吸道纖毛高速運(yùn)動(dòng)狀況，精確測(cè)量纖毛擺動(dòng)頻率。二、 背景技術(shù)呼吸道纖毛研究的難點(diǎn)之一是準(zhǔn)確計(jì)算纖毛擺動(dòng)頻率(ciliary beat frequency),目前常用的纖毛擺動(dòng)頻率測(cè)量方法有視頻觀察法、高速攝影法、 光電檢測(cè)法等。視頻觀察法采用傳統(tǒng)的家用錄像機(jī)格式(video home system) 記錄纖毛運(yùn)動(dòng)，慢速回放計(jì)算纖毛擺動(dòng)頻率，其采集頻率最高為30幀/秒，根 據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則(Nyquist criterion)要求，當(dāng)纖毛擺動(dòng)頻率超過15Hz,視頻 觀察法無法準(zhǔn)確反映纖毛運(yùn)動(dòng)狀況[''2]。高速攝影法(high-speed photography) 采取高速采集，慢速回放的方式，速度可達(dá)250幀/秒，準(zhǔn)確記錄纖毛擺動(dòng)頻率、 方向和協(xié)同擺動(dòng)情況，但其設(shè)備復(fù)雜昂貴，記錄過程緩慢，圖像存儲(chǔ)處理困難， 實(shí)用性差[3'4]。光電檢測(cè)技術(shù)采用光束照射纖毛表面或穿過纖毛層面，纖毛運(yùn)動(dòng) 引起反射光或透射光強(qiáng)度的變化，光強(qiáng)度變化通過光電管或光電倍增管轉(zhuǎn)換為 電壓或電流的波動(dòng)，通過示波器、熒光屏顯示出來。這種方法不能反映纖毛的 整體運(yùn)動(dòng)狀況，且受纖毛表面黏液或相鄰纖毛干擾等多種因素影響，其纖毛擺 動(dòng)頻率測(cè)量準(zhǔn)確性差[5'6]。目前常用的纖毛擺動(dòng)頻率分析方法有慢速回放計(jì)數(shù)和快速傅立葉轉(zhuǎn)換 (fast Fourier transformation)。在視頻觀察法常采用慢速回放、人工計(jì)數(shù) 的方法，實(shí)用性較差。快速傅立葉轉(zhuǎn)換分析方法把頻率譜中最主要的頻率作為 纖毛擺動(dòng)頻率，容易受混雜頻率因素干擾，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確[7]。
參考文獻(xiàn)[1] Gioia Piatti， Uiigi Allegra， Umberto Ambrosetti. Nasal Ciliary Function and Ultrastructure in Down Syndrome. Laryngoscope, 2001， 111:1227 - 1230[2]王豐，蘇振倫，黃靖香等.鼻黏膜呼吸區(qū)上皮細(xì)胞原代培養(yǎng)模型的建立和纖 毛擺動(dòng)頻率的測(cè)量.臨床耳鼻咽喉科雜志，2000,14:370-372[3]張羅，韓德民.呼吸道纖毛運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)制的研究現(xiàn)狀.中華耳鼻咽喉科雜志，2004, 39 (3) :188-191 [4] M A Chilvers， A Rutman. Functional analysis of cilia and ciliatedepithelial ultrastructure in healthy children and young adults.Thorax, 2003, 58:333 - 338 [5] Rimer. Recordings of mucociliary activity in vivo: benefit of fastFourier transform. The Annals of Otology, Rhinology and Laryngology,1996， 105:734-745[6] Thiemo Hofmann， Bernd Koidl. Influence of Preservatives and Topical Steroids on Ciliary Beat Frequency In Vitro. Arch Otolaryngol Head Neck Surg， 2004， 130:440-445[7] Sanderson MJ, Dirksen ER. A Versatile and quantitativecomputer-assisted photo electronic technique used for the analysis of ciliary beat cycles. Cell Motil， 1985， 5:267—392 三、發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的各種缺陷，本實(shí)用新型提供一種數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，該系 統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄呼吸道纖毛高速運(yùn)動(dòng)狀況，而且能夠精確計(jì)算每一擺動(dòng)周期的 纖毛擺動(dòng)頻率。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案1、 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)由倒置相差顯微鏡、高速電荷耦合器件攝相機(jī)、計(jì)算機(jī) 工作站構(gòu)成。2、 采用體外細(xì)胞培養(yǎng)的方法得到呼吸道纖毛細(xì)胞(如人鼻腔黏膜纖毛細(xì)胞、 兔氣管黏膜纖毛細(xì)胞等)。3、 在倒置相差顯微鏡下觀測(cè)纖毛運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用高速電荷耦合器件攝相機(jī)記錄 纖毛運(yùn)動(dòng)圖像(采集頻率為240幀/秒)。4、 纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)工作站，并可以回放和分析。5、 應(yīng)用圖像分析軟件在纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像中選取合適的觀測(cè)點(diǎn)，得到觀 測(cè)點(diǎn)區(qū)域的灰度值變化曲線，灰度值變化與纖毛規(guī)律性擺動(dòng)相對(duì)應(yīng)。6、 分析灰度值變化曲線，通過三角函數(shù)計(jì)算得到每一擺動(dòng)周期的纖毛擺動(dòng) 頻率，實(shí)現(xiàn)纖毛擺動(dòng)頻率的逐周期測(cè)量。本實(shí)用新型的有益效果是采用體外培養(yǎng)的呼吸道纖毛細(xì)胞為觀測(cè)對(duì)象，可 操作性強(qiáng)；通過高速電荷耦合器件攝像機(jī)采集纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像，采集頻率 達(dá)到240幀/秒，準(zhǔn)確記錄纖毛運(yùn)動(dòng)；通過分析灰度值變化曲線，計(jì)算每一擺動(dòng) 周期的纖毛擺動(dòng)頻率，精確反映了呼吸道纖毛運(yùn)動(dòng)變化情況。

圖1為呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖體外培養(yǎng)的纖 毛細(xì)胞標(biāo)本②放置于倒置相差顯微鏡載物臺(tái)上，光源①透過纖毛細(xì)胞標(biāo)本經(jīng)倒 置相差顯微鏡③得到光學(xué)圖像，高速電荷耦合器件攝像機(jī)④采集數(shù)字化圖像存 儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)工作站⑤，通過數(shù)據(jù)分析得到纖毛擺動(dòng)頻率⑥。圖2為60幀(約0.25秒)連續(xù)數(shù)字化圖像測(cè)量點(diǎn)灰度值的散點(diǎn)圖。 圖3為灰度值散點(diǎn)相連接所得的灰度值曲線圖，可見觀測(cè)點(diǎn)的灰度值變化 隨纖毛擺動(dòng)形成規(guī)律的雙峰曲線。圖4為第1個(gè)纖毛擺動(dòng)所造成的灰度值變化曲線圖。圖5為第1和第2個(gè)纖毛擺動(dòng)所造成的灰度值變化曲線圖，中間輔助直線 與曲線相交獲得兩個(gè)交點(diǎn)(方框)，兩個(gè)方框間距即為1次纖毛擺動(dòng)所消耗的時(shí) 間。圖6為計(jì)算交點(diǎn)處時(shí)間變量Fx的三角函數(shù)關(guān)系圖。
五具體實(shí)施方式
如附圖所示，纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施方式如下1、 體外培養(yǎng)的纖毛細(xì)胞標(biāo)本放置于倒置相差顯微鏡載物臺(tái)上，高速電荷耦 合器件攝像機(jī)與倒置相差顯微鏡相接，采集數(shù)字化圖像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)工 作站。2、 在纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像中下選取合適的測(cè)量點(diǎn)(region of interest, ROI)，纖毛的周期性擺動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量點(diǎn)透光度發(fā)生改變，灰度值變化表現(xiàn) 為規(guī)律的雙峰曲線(圖3)。3、 選取最大和最小灰度值的中間值(Gcross)做一輔助直線，每次纖毛擺 動(dòng)的灰度值曲線與該直線相交得到兩個(gè)交點(diǎn)，即可作為測(cè)量纖毛擺動(dòng)周 期的起點(diǎn)和終點(diǎn)，計(jì)算兩點(diǎn)的時(shí)間間隔，可以得到纖毛擺動(dòng)周期(圖5)。4、 因?yàn)槊?40幀圖片代表1秒鐘，所以圖像序列的實(shí)質(zhì)即為時(shí)間序列。如 果第n幅圖像Fn (Frame, F)的灰度值為Gn (Grey， G)，緊鄰其后第 n+l幅圖像Fn+1的灰度值為Gn+1，交點(diǎn)處的灰度值為Gcross，則根據(jù) 簡(jiǎn)單的三角函數(shù)變換即可計(jì)算出交點(diǎn)處的時(shí)間變量值 Fx二[Fn+(Gcross-Gn)/(Gn+l-Gn)]/240 (圖6)，將相鄰兩個(gè)交點(diǎn)的時(shí)間 變量相減，即獲得每次纖毛擺動(dòng)所消耗的時(shí)間。5、 通過測(cè)量每次纖毛擺動(dòng)周期所消耗的時(shí)間，計(jì)算該值的倒數(shù)，可獲得(每擺)纖毛擺動(dòng)頻率，上述過程可通過計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量。
權(quán)利要求1、 一種呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，由倒置相差顯微鏡、高速電荷耦 合器件攝相機(jī)、計(jì)算機(jī)工作站構(gòu)成，其特征是倒置相差顯微鏡、高速電荷 耦合器件攝相機(jī)和計(jì)算機(jī)工作站順序連接，實(shí)現(xiàn)纖毛運(yùn)動(dòng)圖像的高速數(shù)字化 采集和存儲(chǔ)；在纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像中通過觀測(cè)點(diǎn)區(qū)域的灰度值變化曲線分 析得到纖毛擺動(dòng)頻率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，其特征是采 用體外培養(yǎng)的呼吸道纖毛細(xì)胞作為觀測(cè)對(duì)象。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，其特征是應(yīng) 用高速電荷耦合器件攝像機(jī)采集纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，其特征是在 纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像中選取觀測(cè)點(diǎn)，通過數(shù)字化圖像分析得到觀測(cè)點(diǎn)區(qū)域的 灰度值變化曲線，以灰度值變化曲線反映纖毛運(yùn)動(dòng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，其特征是灰 度值變化曲線分析中，以最大灰度值和最小灰度值的平均值做一輔助直線， 灰度值變化曲線與輔助直線的任意相鄰三個(gè)交點(diǎn)確定一個(gè)纖毛擺動(dòng)周期。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，其特征是通 過三角函數(shù)計(jì)算得到每一個(gè)纖毛擺動(dòng)周期所需要的時(shí)間，最終得到每一纖毛 擺動(dòng)周期所對(duì)應(yīng)的纖毛擺動(dòng)頻率。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)由倒置相差顯微鏡、高速電荷耦合器件攝相機(jī)、計(jì)算機(jī)工作站構(gòu)成。應(yīng)用倒置相差顯微鏡觀測(cè)體外培養(yǎng)的纖毛上皮細(xì)胞，高速電荷耦合器件攝像機(jī)采集纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像。通過對(duì)數(shù)字化圖像處理分析，在纖毛運(yùn)動(dòng)數(shù)字化圖像中選取合適的纖毛運(yùn)動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)，得到觀測(cè)點(diǎn)的灰度值變化曲線。在灰度值變化曲線中，通過三角函數(shù)計(jì)算得到每一擺動(dòng)周期的纖毛擺動(dòng)頻率。應(yīng)用此數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄呼吸道纖毛高速運(yùn)動(dòng)狀況，實(shí)現(xiàn)纖毛擺動(dòng)頻率的精確測(cè)量。
文檔編號(hào)A61B19/00GK201019775SQ20072014858
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月8日
發(fā)明者羅 張 申請(qǐng)人:羅 張