技术摘要：
本发明公开一种细胞内压的测量方法，包括以下步骤：确定微管刺入细胞后的运动过程中细胞形变恢复到初始状态程度最高的时刻；根据微管内液体的毛细压和注射气压计算出当前细胞内部的压力；计算微管刺入前后细胞内部的体积变化量；通过微管刺入前后细胞内部的体积变化比  全部
背景技术：
细胞内压是细胞研究中的一个重要影响因素，为了测量细胞内压，国内外的学者 进行了一系列初步的探索，具体的测量方法有磁镊法、注油法。其中磁镊法利用磁场驱动的 小磁珠对破膜前后的细胞进行挤压，研究细胞受力-形变曲线的变化，测量细胞的内压。该 方法需要安装激光束发射器，控制磁极等设备，对硬件要求较高，过于复杂的系统也会影响 系统后续操作的进行。释放内压以及控制磁珠的操作难度大，步骤复杂，响应速度慢，不具 备实时测量细胞内压的能力。注油法首先对细胞内压与油注射量的关系进行离线标定，然 后向细胞内注入油滴，根据测量油滴的体积来检测细胞内压。此方法对设备需求低，可以实 现实时检测，但是为了测量注射液体体积，需要在细胞内形成一个不相溶的油体球，注射成 功率低且会对细胞的活性造成破坏，测量后的细胞已经死亡，无法进行后续的操作。因此寻 找一种操作简便，对细胞损伤小的细胞内压测量方法很有必要。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种细胞内压的测量方法，利用刺 入细胞的微管感知细胞内压，利用图像处理检测细胞形变、微管内液面接触角和位置，然后 通过平衡压模型计算出细胞的初始内压，实现了细胞内压的测量。 本发明采用的技术方案是：一种细胞内压的测量方法，包括以下步骤： a.细胞形变的自动检测，确定微管刺入细胞后的运动过程中细胞形变恢复到初始 状态程度最高的时刻，近似认为此时的细胞体积等于细胞初始体积。 细胞形变的测量方法是首先通过霍夫圆检测，识别出未变形的细胞，检测出其胞 质的轮廓，再对细胞图像进行二值化处理并对二值化图像进行膨胀腐蚀处理，使用边缘检 测检测出细胞透明带的外轮廓，然后采用光流法对微管刺入过程中细胞各个部分的位移进 行追踪，并对细胞所在区域进行边缘检测，计算细胞所占的像素的个数来判断其形变是否 恢复到初始状态，检测出微管刺入撤出过程中细胞形变恢复最好的一帧，可近似认为此时 细胞形变恢复到初始状态。 b.微管内液面接触角的自动检测，通过微管内液体平衡压模型与杨拉普拉斯方程 检测出微管内液体的毛细压，结合气压传感器检测出的注射气压计算出当前细胞内部的压 力。 当前细胞内部压力的检测方法是微管内液面接触角的检测，当尺寸极小的微管浸 入培养液时，对于亲水性的玻璃微管管壁，微管内的液体分子会受到管壁的吸引力而向后 拉扯，与此同时，在液体表面张力的作用下，液面附近的液体分子会产生一个试图使液面恢 复的拉力，即毛细力Fc。在这两个力的作用下，微管内的气液交界面会表现为一个凹面。凹 面会对液体产生一个附加压强，使液面内外压强不相等，液面外部的压强恒大于液体内部 3 CN 111595508 A 说　明　书 2/4 页 压强，这种现象称为毛细现象。通过微管内液体平衡压模型与杨拉普拉斯方程检测出微管 内液体的毛细压，结合气压传感器检测出的注射压计算出当前细胞内部的压力。液面产生 的毛细力由以下公式给出： Fc＝σ2πRcosβ 其中σ为细胞培养液的表面张力系数，可用拉液法测得，β表示液面与管壁的接触 角，通过将液面部分二值化并检测边缘后，进行曲线拟合，得到液面与管壁处的导数，计算 其接触角的余弦值。液面接触角同时取决于微管内壁材料的亲水性和培养液的表面张力系 数，以及压强的影响。 平衡压模型由以下公式给出： Finj＝Fin Fm Fc； Finj表示注射气压对管内液体产生的力，由以下公式得到： Finj＝πR2Pinj； 其中R表示微管液面处的内径；Pinj表示注射气压。 Fin表示细胞内压对管内液体产生的压力，由以下公式得到： Fin＝πR 20 Pin； 其中R0表示微管口的内径，Pin表示细胞内压。 Fm表示微管管壁对液体的力，由以下公式得到： F ＝π(R2 2m -R0 )Pin； Fc表示水平方向上的分力即毛细力，由以下公式得到： Fc＝σ2πRcosβ； 其中σ为细胞培养液的表面张力系数，可用拉液法测得，β同时取决于微管内壁材 料的亲水性和培养液的表面张力系数。 在液位静止的情况下，微管内的液体受力平衡，在忽略液体与微管内壁的摩擦力 的情况下，根据平衡压模型，检测到的细胞内部当前时刻压强最后可由以下公式给出： Pin＝Pinj-(2σcosβ)/R。 c.自动检测此时微管内液面移动的距离，微管刺入细胞后，细胞内部与微管液体 连通，由于细胞内压的存在，微管内存在液面移动的情况，此时细胞内部的物质进入微管， 可以视为细胞内部体积的扩大，细胞内部体积的变化量可看作是细胞内部的物质进入微管 的量。 检测液面移动距离的方法是通过模板匹配分别检测出液面和微管的实时位置，其 位置的差值变化即为液面移动距离ΔL。 d .通过微管刺入前后细胞内部的体积变化比和当前细胞内部的压力计算初始的 细胞内压。 当前的细胞内压值与初始细胞内压的关系为： 其中Porigin表示细胞的初始内压，P′代表步骤b中探测到的当前细胞内压，Vcell表 示刺入前的细胞体积。结合平衡压模型，最终测得的细胞内压可由以下公式给出： 4 CN 111595508 A 说　明　书 3/4 页 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是： 1.本发明利用刺入细胞的微管内液体感知细胞内压，通过图像处理检测出细胞的 形变、微管内液面接触角和液面移动距离，然后通过平衡压模型计算初始细胞内压； 2.本发明实验设备要求简单，对细胞的损伤小，并且不影响后续对细胞的操作； 3.本发明可以有效地检测出细胞的初始内压，平均速度为每个细胞2分钟。 附图说明 图1是本发明的流程图； 图2是本发明的细胞形变的检测图； 图3是本发明的微管内液面受力情况示意图； 图4是本发明的检测到的管壁与液面的曲线拟合图； 图5是本发明的微管内液体受力情况示意图； 图6是本发明的选取微管上固定的附着物的模板匹配图； 图7是本发明的液面与微管的运动过程检测图； 图8是本发明的液面移动距离图。