膜式张应力装置中体外培养血管平滑肌细胞图像分割技术研究

　　细胞力学是组织工程研究的一个热点。通过各种力学装置对体外培养的活细胞施加机械力,是目前细胞力学研究的主要途径。在张应力刺激下血管平滑肌细胞(VSMCs)将发生多种适应性变化,不同的力学环境其变化的方式和程度都不尽相同。细胞形态学上的变化是最直观的变化,它预示并隐含着细胞功能上的变化。综合运用当代电子技术和数字图像处理技术的最新成果,建立图像分析系统,定量研究细胞和亚细胞结构的运动和形态的动态变化特性,有助于理解力学刺激和细胞生长的关系,也有助于理解细胞病变的机理。建立细胞图像分析系统需要解决的一个关键问题是如何正确并且准确地从细胞图像中分割出细胞。图像分割是图像处理技术研究的热点,也是图像处理技术的难点之一。目前已经提出了上千种图像分割的方法,但还未见任何一种方法适用于所有的图像分割问题[1]。针对细胞图像的分割,也提出了一些方法,但主要针对染色固定后的细胞图像,不适合对具有生物活性的细胞图像进行分割。细胞力学实验中通常需要保持细胞的生物活性,不能对细胞施以染色固定。活细胞在显微镜下表现为无色透明状,并且图像性质随实验条件的变化而变化。这给细胞图像的分割带来了很大的困难。对于活细胞图像分割,有些研究者针对自己的实验环境,开展了一些工作,如Cornhil等人用手工的方法勾勒细胞轮廓[2],Dieterich等人运用IMAQ工具,基于阈值技术提取流体剪切力作用下的细胞边界[3]。这些方法不适用于复杂的应用环境。因此,开展针对细胞力学环境中体外培养的活细胞图像分割技术研究就很有意义。文中以大鼠主动脉血管平滑肌细胞图像为实验对象,探索了针对生物活细胞图像的分割技术。

　　1　材料和方法

　　1.1　细胞的体外培养

　　收集大鼠主动脉血管平滑肌细胞,采用通用的体外培养方法培养在膜式张应力装置的硅胶膜上,流场环境由交变应力施加装置提供。膜式张应力装置[4]和交变应力施加装置[5]均由实验室自行设计。

　　1.2　图像采集系统

　　系统由倒置相差显微镜(Olympus IX70,Japan)、专业显微CCD(Pixera Pro 150ES,USA)和PC机构成。Olympus IX70显微镜下观察到的细胞图像,通过显微镜自带的视频输出口,经单口镜筒(IX-SPT,Japan)(内置照相目镜PE3.3),C形接口(U-PMTVC,Japan),通过Pixera Pro150ES的C形接口在CCD靶面上成象,最后采集到计算机中。图像采集系统结构简图见图1。

　　1.3　张应力实验中血管平滑肌细胞图像特点分析

　　图2为1幅从专业显微数字CCD中获取的血管平滑肌细胞图像。为了便于分析,建立如图2(a)所示的直角坐标系。图2(b)为y=330 pixels处x方向的一行象素的灰度侧貌图,图2(c)为整个图像的灰度直方图。从这几个图中可以看出在膜式张应力细胞力学实验中,血管平滑肌细胞图像具有几个显著特征。