一种细胞弹性模量预估方法及系统
阅读说明：本技术 一种细胞弹性模量预估方法及系统 (Method and system for estimating cell elastic modulus ) 是由 齐楠 汪波 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于细胞检测技术领域,提供了一种细胞弹性模量预估方法及系统。其中,该方法包括获取至少一组球形探针头的施加力和垂直方向变形的数据；基于细胞弹性模量预估模型及获取的上述数据组,得到细胞弹性模量；其中,所述细胞弹性模量预估模型为球形探针头的施加力、垂直方向变形、细胞弹性模量和基底弹性模量四者之间的关系。(The invention belongs to the technical field of cell detection, and provides a method and a system for estimating cell elastic modulus. Acquiring data of the applied force and vertical deformation of at least one group of spherical probe heads; obtaining the cell elastic modulus based on the cell elastic modulus estimation model and the obtained data set; the cell elastic modulus estimation model is a relation among the force applied by the spherical probe head, the deformation in the vertical direction, the cell elastic modulus and the substrate elastic modulus.)
技术领域
本发明属于细胞检测技术领域，尤其涉及一种细胞弹性模量预估方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的
背景技术
信息，不必然构成在先技术。原子力显微镜(AFM)是一种扫描探针显微镜，是广泛应用于检测生理条件下生物样本(例如活细胞)物理特性的有力工具。AFM固有的超高空间分辨率及作用力灵敏度，使其拥有强大的纳米机械性能表征能力，为研究生物结构、机械特性和生理功能之间的联系提供了有用的技术手段。
AFM力曲线技术是研究表面作用力的著名准静态方式。通过降低原子力显微镜中探针的位置直至针尖与样品相接触而获得的，这一动作持续下去，针尖会变形或者在样品上产生凹痕，直至达到探针某设定位置或悬臂形变触发某特定阈值，之后探针位置会抬高直至针尖不再与样品接触。结合纳米压痕技术，利用相对很硬的针尖(通常为硅或金刚石)垂直压在样品上，然后缩回。在整个加载-卸载过程中，直接测量作用力和因此产生的样品形变。为获得定量的弹性模量等机械性能，需要将力曲线实验数据，即施加力F与垂直方向变形uz的若干数据组，与某一合适的接触模型相拟合。最为通用的一种模式为Hertz/Sneddon模型，该模型假定针尖-样品的作用为线性弹性关系，忽略粘附力或其他表面间相互作用的影响，通过建立施加力F与垂直方向变形uz的关系式，反推出细胞弹性模量(或杨氏模量)Ec的数值。原始Hertz模型仅适用于半球状针尖(这一形状的针尖由于对活细胞的伤害较小，在细胞实验中应用广泛)，后来Sneddon对其进行了扩展，将其它轴对称几何形状的针尖包含在内(例如锥形和平头形)。
Hertz模型虽然用途广泛，但它的有效性建立在很多简化假设，其中比较显著的是该模型仅考虑探针与样品的这一处接触，将测试生物样本当作相对于针头无穷大的半平面弹性材料，这一假设对理解细胞力学属性的影响很大，我们知道，大多数贴壁细胞生长在弹性软组织上，例如，乳腺癌细胞生长在乳腺组织上，心肌细胞生长在在心肌组织上，近年来，越来越多的细胞实验要求细胞尽可能地处于生理状态下，可见这些基底对试验结果的影响是不可忽略的，尤其是研究健康组织与癌变组织对细胞的力学影响。
综上所述，发明人发现，现有的细胞弹性模量预估方法所得到的细胞弹性模量忽略了基底对试验结果的影响，从而造成细胞弹性模量估计不准确，进而影响试验结果的精度。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种细胞弹性模量预估方法及系统，其能够准确估计细胞弹性模量，进而提高试验结果的精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供了一种细胞弹性模量预估方法，其包括：
获取至少一组球形探针头的施加力和垂直方向变形的数据；
基于细胞弹性模量预估模型及获取的上述数据组，得到细胞弹性模量；
其中，所述细胞弹性模量预估模型为球形探针头的施加力、垂直方向变形、细胞弹性模量和基底弹性模量四者之间的关系。
进一步地，所述垂直方向变形由第一接触处垂直方向变形和第二接触处垂直方向变形之和构成，第一接触处为球形探针头与细胞的接触处，第二接触处为细胞与基底的接触处。
进一步地，所述第一接触处垂直方向变形与探针头的施加力呈正相关关系，与细胞弹性模量呈负相关关。
进一步地，所述第二接触处垂直方向变形与探针头的施加力呈正相关关系，与细胞弹性模量和基底弹性模量的倒数之和呈正相关关系。
进一步地，所述细胞弹性模量预估模型由第一关系式和第二关系式叠加而成；所述第一关系式为第一接触处垂直方向变形与探针头的施加力和细胞弹性模量的关系式；所述第二关系式为第二接触处垂直方向变形与探针头的施加力、细胞弹性模量和基底弹性模量的关系式。
进一步地，所述第一关系式采用Hertz模型表征。
进一步地，所述第二关系式采用Boussinesq模型表征。
进一步地，所述细胞弹性模量预估模型中还包括常参数，所述常参数包括球形探针头的半径以及细胞与基底接触圆面的半径。
本发明的第二个方面提供了一种细胞弹性模量预估系统，其包括：
数据获取模块，其用于获取至少一组球形探针头的施加力和垂直方向变形的数据；
弹性模量预估模块，其用于基于细胞弹性模量预估模型及获取的上述数据组，得到细胞弹性模量；
其中，所述细胞弹性模量预估模型为球形探针头的施加力、垂直方向变形、细胞弹性模量和基底弹性模量四者之间的关系。
本发明的第三个方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的细胞弹性模量预估方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的细胞弹性模量预估方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的细胞弹性模量预估模型为球形探针头的施加力、垂直方向变形、细胞弹性模量和基底弹性模量四者之间的关系，考虑了基底弹性模量，通过构建施加力分别与探针针头与细胞的接触垂直方向变形以及细胞与基底的接触垂直方向变形之间的关系，准确地预估出了细胞弹性模量，提高了细胞试验结果的准确性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的细胞弹性模量预估方法原理图；
图2是本发明实施例的细胞弹性模量预估方法流程图；
图3是本发明实施例的细胞弹性模量预估系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
参照图2，本实施例提供了一种细胞弹性模量预估方法，其包括：
S101：获取至少一组球形探针头的施加力和垂直方向变形的数据；
S102：基于细胞弹性模量预估模型及获取的上述数据组，得到细胞弹性模量；
其中，所述细胞弹性模量预估模型为球形探针头的施加力、垂直方向变形、细胞弹性模量和基底弹性模量四者之间的关系。
在具体实施中，所述垂直方向变形由第一接触处垂直方向变形和第二接触处垂直方向变形之和构成，第一接触处为球形探针头与细胞的接触处，第二接触处为细胞与基底的接触处。
具体地，所述细胞弹性模量预估模型由第一关系式和第二关系式叠加而成；所述第一关系式为第一接触处垂直方向变形与探针头的施加力和细胞弹性模量的关系式，第一接触处为球形探针头与细胞的接触处；所述第二关系式为第二接触处垂直方向变形与探针头的施加力、细胞弹性模量和基底弹性模量的关系式，第二接触处为细胞与基底的接触处。
其中，所述第一接触处垂直方向变形与探针头的施加力呈正相关关系，与细胞弹性模量呈负相关关。所述第一关系式采用Hertz模型表征。
所述第二接触处垂直方向变形与探针头的施加力呈正相关关系，与细胞弹性模量和基底弹性模量的倒数之和呈正相关关系。所述第二关系式采用Boussinesq模型表征。
所述细胞弹性模量预估模型中还包括常参数，所述常参数包括球形探针头的半径以及细胞与基底接触圆面的半径。
由于模型中基底的加入，考虑两处接触，如图1所示，一是针头与细胞的接触，二是细胞与基底的接触，并假设针头对于细胞的按压产生的凹痕相对于细胞尺寸很小，细胞由于针头的施力对基底的作用范围相对于基底尺寸很小。因此我们的拟合模型将建立施加力F与两处垂直方向变形d和D之和的关系式，对于不同探针形状，该关系式略有不同。具体来讲，对于接触一，F与d的关系式可沿用Hertz模型，这里由于探针的硬度很大，因此只会有出现细胞弹性模量Ec，其关系式为：
其中，r为球形探针的半径，并假设细胞为不可压缩材料，泊松比为0.5。
而对于接触二，F与D的关系式可采用Boussinesq模型，这一模型给出两者的线性关系，与实验观察到的线性现象保持一致，其关系式为：
其中，R为细胞与基底接触圆面的半径，并同样假设基底为不可压缩材料，泊松比为0.5。值得注意的是，此处接触涉及细胞和基底两个弹性材料，因此反推的弹性常数是细胞弹性模量Ec和基底弹性模量Es两者的加权叠加。最终，基于压痕实验得到的施加力F与垂直方向变形uz数据组，通过求解
得出Ec的数值。这是一个关于Ec的分数阶多项式方程，其中：
系数
通过改进模型与Hertz模型对比，发现经典Hertz模型大大低估了细胞的弹性模量，这是由于整体的形变加入了第二接触的贡献，相当于相同的施加力引起了更小的变形，因此材料更硬，这一误差的大小很大程度上由基底的弹性模量决定。例如将相同的细胞分别放置在软基底和硬基底上，那么由Hertz模型给出的结果就会不同，这一数值相当于细胞和基底的共同贡献，我们称之为表观细胞弹性模量，然而实际细胞弹性模量是不变的。
值得注意的是，不仅是有弹性基底的实验存在上述误差，对于细胞放置在硬性材料(例如培养皿)上的实验这一误差也不可忽略，这是由于Hertz模型仅考虑一处接触，而实际上，上端的垂直施力会导致上下两个接触面同时变形，即使基底的弹性模量相对于细胞是无穷大的，然而软的细胞底部会有一个不可忽略的垂直挤压，这一挤压对整体形变是有贡献的。它说明任何一种AFM接触模型都应该考虑基底影响。
以乳腺癌细胞在培养皿和水凝胶Biogelx上的AFM实验为例，水凝胶基底的弹性模量分别取在健康乳腺组织(0.5-2kPa)和癌变乳腺组织(～2-10kPa)的范围内，我们发现细胞在软水凝胶(Es＝1.6kPa)上，细胞在Hertz模型下的平均表观细胞弹性模量为0.32kPa，而在我们考虑基底影响下，我们的改进模型得到计算值为0.38kPa，相对误差18.75％；细胞在硬水凝胶(Es＝8.8kPa)上，细胞的平均表观细胞弹性模量为0.39kPa，模型计算值为0.47kPa，相对误差20.51％；若将细胞直接放置在培养皿上，细胞的平均表观细胞弹性模量为0.48kPa，模型计算值为0.55kPa，相对误差14.58％，如表1所示。
表1
实施例二
参照图3，本实施例提供了一种细胞弹性模量预估系统，其包括：
数据获取模块，其用于获取至少一组球形探针头的施加力和垂直方向变形的数据；
弹性模量预估模块，其用于基于细胞弹性模量预估模型及获取的上述数据组，得到细胞弹性模量；
其中，所述细胞弹性模量预估模型为球形探针头的施加力、垂直方向变形、细胞弹性模量和基底弹性模量四者之间的关系。
需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的细胞弹性模量预估方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的细胞弹性模量预估方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：探针装置、探针控制设备及方法