1 吉林农业大学 信息技术学院， 吉林 长春 130118
2 长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012
3 长春中医药大学附属医院 医药影像科， 吉林 长春 130000
4 长春中医药大学 医药信息学院， 吉林 长春 130117
对血液涂片图像中的红细胞进行精确分割是一项重要的技术，也是一个难题，主要是因为红细胞经常重叠，没有明显边界。针对此问题，本文提出一种基于U-Net++和神经常微分方程（Neural Ordinary Differential Equations，NODE）的深度学习网络NODE-UNet++用于红细胞的初步分割，再利用标记分水岭算法分割血液涂片图像中的粘连红细胞。首先对图像进行裁剪和标注，突出待分割区域；然后应用新的语义分割体系结构NODE-UNet++对预处理后的图像进行初始分割得到概率灰度图；最后采用标记分水岭算法将灰度图中的粘连红细胞分离，得到最终红细胞分割结果图。实验结果表明，Dice系数达到96.89%、平均像素准确率达到98.97%、平均交并比达到96.33%。通过对不同血液涂片图像的分割结果表明，该方法能高效精确地提取每个红细胞，满足后续红细胞图像处理的需求。
图像分割 红细胞 神经常微分方程 标记分水岭算法 image segmentation red blood cell neural ordinary differential equations marked watershed algorithm
北京信息科技大学 光电测试技术北京市重点实验室 生物医学检测技术及仪器北京实验室, 北京 100101
提出一种结合显微镜和微流控芯片技术的红细胞多角度形态学分析方法, 实现了红细胞的动态显微成像, 用于红细胞多角度形态学的测量与分析。利用微流控芯片的缩/扩结构使红细胞在特定位置产生旋转或翻转; 利用MATLAB对采集到的视频图像进行分帧处理, 通过灰度调整、中值滤波、形态学处理、质心法、目标物识别、动态跟踪等算法处理后, 实现对血细胞的有效识别与准确的分类、计数; 对分类结果进行多角度形态学分析, 并对不同形态红细胞进行最大直径的测量。通过对单细胞多帧关联图像的分析, 验证方法的准确性; 并利用红细胞多角度形态学分析方法, 对糖尿病患者血液及正常人血液进行实验。结果表明, 糖尿病患者红细胞相比于正常人红细胞, 其平均最大直径及分布宽度均增大。微流控芯片结合图像处理的方法可以实现糖尿病患者与正常人红细胞高通量检测及多角度分析, 为其他类型样本细胞多角度形态学测量提供新方法。
微流控芯片 动态显微成像 多角度形态学分析 红细胞分布宽度 microfluidic chip dynamic microimaging multi-angle morphological analysis red blood cell distribution width
1 北京工业大学环境与生命学部, 北京 100124
2 浙江大学医学院附属儿童医院国家儿童健康与疾病临床医学研究中心, 浙江 杭州 310003
利用共聚焦拉曼光谱技术, 对人工心脏泵不同剪切应力下受到亚损伤的红细胞进行实验研究, 验证拉曼光谱对红细胞亚损伤程度的评估能力, 为血液损伤评价提供了一种新的思路。 实验采集血红蛋白和红细胞的拉曼光谱标准谱图并进行对比分析, 以确定红细胞谱图特征峰的归属。 用血液剪切力试验平台对测试血样施加暴露时间为1 s, 大小分别为0, 50, 100, 150, 200, 250和300 pa的剪切力。 利用共聚焦拉曼仪器, 在10倍长焦物镜, 532 nm激光光源波长, 积分时间10 s, 积分次数2次, 2.5 mW功率下采集剪切应力作用后的红细胞拉曼谱图。 通过归一化的方法对比红细胞的拉曼谱图变化, 评估红细胞亚损伤的程度, 运用曲线拟合方法对特征峰和剪切应力进行拟合, 验证拉曼光谱对红细胞亚损伤的评估能力。 对比血红蛋白和红细胞的拉曼光谱标准谱图发现, 红细胞谱图能够反映血红蛋白的内部结构。 且结果表明, 拉曼光谱法可以用于区分不同剪切应力下亚损伤的红细胞, 推断剪切应力可以透过细胞膜从而影响到其内部的血红蛋白结构。 且随着剪切力的增大, 1 376 cm-1位置左侧谱线呈现明显抬高趋势, 1 549和1 604 cm-1位置的峰强增高, 1 639 cm-1位置的氧浓度标记带ν10振动谱带减弱。 其中1 549 cm-1位置的峰强为亚铁离子高自旋带, 在不同剪切力的作用下, 峰强差异表现最明显, 与剪切应力呈明显的正向线性关系, 拟合效果良好。 拉曼光谱法检测样本处理简单、 耗时短、 操作简便、 重现性好, 且可以精确的检测到细胞内部结构的细微变化, 可以评估红细胞的亚损伤程度, 弥补了传统评价溶血的方法的不足, 为人工心脏泵血液损伤评价提供了新的技术手段, 拓宽了拉曼检测方法的应用领域。
红细胞 血红蛋白 拉曼光谱 血液损伤 剪切应力 人工心脏 Red blood cell Hemoglobin Raman spectroscopy Blood injury Shear stress Artificial heart 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1811
1 武汉大学 物理科学与技术学院 人工微结构教育部重点实验室, 湖北 武汉 430072
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
纳米载体一直是肿瘤精准治疗的重要研究领域。其中以细胞膜伪装的纳米药物载体作为一种新颖的药物载体平台, 在近年来已成为药物传递领域的研究热点。本文综述了不同种类细胞膜伪装的纳米载体应用于光热治疗的最新进展。将细胞膜与纳米材料结合起来, 可进一步推进纳米载体的研究, 这将对相关领域的发展产生重要影响。
纳米载体 细胞膜 伪装 红细胞 干细胞 光热治疗 nanocarrier cell membrane camouflage erythrocyte stem cell photothermal therapy
1 黑龙江中医药大学, 黑龙江 哈尔滨 150040
2 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
糖尿病是严重威胁人类健康的慢性疾病之一, 对其进行早期诊断尤为重要。 由于糖尿病病程的发展会对血液中红细胞的结构和功能产生影响, 因此利用红细胞荧光光谱在特征峰位和峰高等方面的差异性, 可以对糖尿病状态进行诊断。 在选取光谱信号的差异性作为特征向量方面, 可以采用荧光光谱信号的非线性程度作为特征向量。 为更好地描述荧光光谱信号的非线性, 采用延迟向量方差(DVV)法描述信号的非线性程度。 采用迭代幅度匹配傅里叶变换(IAAFT)法产生原始数据的替代数据, 通过比较原始数据与替代数据的延迟向量方差确定原始数据的非线性特征。 以原始数据目标方差为横坐标, 以其替代数据目标方差为纵坐标, 画出延迟向量方差散布图。 健康大鼠红细胞荧光光谱的延迟向量方差散布图与其对角线几乎重合, 说明健康大鼠红细胞荧光光谱非线性程度较低; 而糖尿病大鼠红细胞荧光光谱的延迟向量方差散布图偏离其对角线, 说明糖尿病大鼠红细胞荧光光谱非线性程度较高, 并且氨基酸对应的光谱段非线性程度更深。 据此, 提出健康和糖尿病荧光光谱之间的非线性差异程度可以作为糖尿病早期诊断的特征之一。
糖尿病 红细胞 荧光光谱 延迟向量方差 Diabetes Erythrocyte Fluorescence spectrum Delay vector variance 光谱学与光谱分析
2016, 36(10): 3207
1 广西师范大学物理科学与技术学院, 广西 桂林 541004
2 广西科学院生物物理实验室, 广西 南宁 530003
3 武汉大学化学与分子科学学院, 湖北 武汉 430072
单细胞光镊拉曼光谱技术测量单个红细胞的血红蛋白浓度，配制不同浓度的血红蛋白溶液后利用拉曼光谱强度与血红蛋白浓度的关系，测量单个红细胞的拉曼光谱，根据公式计算单个红细胞内血红蛋白浓度。测量了70个血红细胞的拉曼光谱，结果显示单个红细胞的血红蛋白浓度为270~500 g/L，其中血红蛋白浓度在350~450 g/L 之间的是成熟的红细胞，占红细胞总数的90%以上，而浓度在300 g/L 以下的可能是网织红细胞，浓度在450 g/L 以上的是老化了的红细胞。这与平均红细胞血红蛋白浓度(MCHC)310~370 g/L 基本一致。表明利用该方法可以对单个红细胞内的血红蛋白浓度进行快速、无损、简单、精确的定量分析，展现了拉曼光谱技术在单细胞分析上的优势。
光谱学 拉曼光谱 血红蛋白 单个红细胞 平均红细胞血红蛋白浓度
1 黑龙江中医药大学, 黑龙江 哈尔滨150040
2 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨150001
3 哈尔滨工业大学理学院, 黑龙江 哈尔滨150001
使用激光共聚焦拉曼光谱仪测量正常大鼠红细胞、 正常人红细胞、 糖尿病STZ造模大鼠红细胞、 糖尿病四氧嘧啶造模大鼠红细胞和人Ⅱ型糖尿病红细胞的拉曼光谱, 应用主成分分析(principal component analysis, PCA)结合支持向量机(support vector machines, SVM)分类器对数据进行判别分析, 然后采用类间距离判断两种造模方法与人Ⅱ型糖尿病的接近程度。 结果发现糖尿病红细胞与正常红细胞的拉曼光谱存在明显差异, 糖尿病在酰胺 ⅥCO变形振动谱带处峰高显著, 并在酰胺ⅤN—H变形振动谱带处谱线出现偏移, 属于磷脂的脂酰基C—C骨架1 130 cm-1谱线增强, 1 088 cm-1谱线强度减弱, 说明糖尿病红细胞膜的通透性增强。 PCA结合SVM可以很好地区分以上5类红细胞的拉曼光谱, 分类器测试结果表明分类准确度达100%。 通过分别计算两种造模方法与人Ⅱ型糖尿病的类间距离, 发现STZ造模法更接近人Ⅱ型糖尿病。 由此得出结论: 拉曼光谱法可以用于糖尿病诊断, 大鼠糖尿病STZ造模法更接近人类Ⅱ型糖尿病。
拉曼光谱 红细胞 主成分分析 支持向量机 Raman spectroscopy Red blood cell Principal component analysis Support vector machine 光谱学与光谱分析
2015, 35(10): 2776
1 暨南大学生物医学工程系, 广东 广州 510632
2 暨南大学第一附属医院输血科, 广东 广州 510630
3 暨南大学实验技术中心, 广东 广州 510632
血红蛋白氧合与脱氧的周期循环在体内驱动红细胞结构与功能调节中发挥着重要作用, 已引起广泛关注; 但是对体外培养的红细胞在单个活态水平上进行携氧功能随孵育时间动态变化研究未见报道。 本研究应用显微激光共聚焦拉曼散射技术, 采集不同时间的活态红细胞拉曼光谱, 分析表征血红蛋白携氧能力特征峰(1 636和1 562 cm-1)和构象敏感的酰胺Ⅲ谱带(1 240～1 300 cm-1)随时间变化规律; 同时结合扫描电镜观察相应RBC形态。 结果发现, 在0～24 h内, 结构稳定、 变构协同功能正常的血红蛋白发生着携氧量增加与减少和构象R态与T态交替变化, 与此同时扫描电镜下双凹圆盘型红细胞也发生“伸长”与“收缩”交替变化。 本结论不仅为体外研究红细胞携氧功能提供来自单个活细胞内的多水平特征参数, 同时也为体外开展针对红细胞筛选活性组分、 评价药物药效和毒副作用研究开拓思路。
红细胞 血红蛋白 携氧功能 拉曼光谱 Red blood cells Hemoglobin Oxygen-carrying function Raman spectrum SEM SEM 光谱学与光谱分析
2015, 35(12): 3350
1 广西师范大学 物理科学与技术学院, 广西 桂林 541004
2 广西科学院生物物理实验室, 南宁 530007
3 武汉大学 化学与分子科学学院, 武汉 430072
研究了结晶紫包裹的银包金纳米粒子进入红细胞的实时过程.利用激光光镊喇曼技术每隔20 s通过光镊囚禁红细胞并收集该细胞及邻近溶液的喇曼光谱,抽取光谱中具代表性的特征峰来观察其强度随时间的变化.结果表明:从囚禁的红细胞中收集到的光谱包括了归属红细胞与结晶紫的特征峰.红细胞的光谱特征峰1 001、1 128、1 213 cm－1和结晶紫的光谱特征峰915、1 177、1 389、1 586、1 619 cm－1的强度随着时间增加,表明在红细胞与纳米粒子共培养的过程中,纳米粒子在红细胞中累积,并引起红细胞信号增强.分析红细胞与其邻近溶液的光谱差,发现归属结晶紫的光谱特征峰913、1 179、1 586 cm－1随时间呈类余弦的变化,表明红细胞内的结晶紫包裹的银包金纳米粒子含量先升高后降低再升高.通过计算得到纳米粒子开始进入红细胞的时间范围及进入的速度、被溶酶体降解的速度.研究表明表面增强喇曼技术为研究外物进入细胞提供了新的实验方法和思路.
光谱学 表面增强 喇曼光谱 内吞作用 红细胞 结晶紫 银包金纳米颗粒 Spectroscopy Surface-enhanced Raman spectroscopy Endocytosis Erythrocyte Crystal violet Gold core-silver shell nanoparticles
