本實用新型涉及生物細胞培養(yǎng)基質(zhì)量在線監(jiān)控領(lǐng)域，特別是用于在密閉環(huán)境內(nèi)的基于顏色分析的一種培養(yǎng)基質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在生物醫(yī)療領(lǐng)域，細胞培養(yǎng)是一項非常基礎(chǔ)且核心的技術(shù)流程。通過細胞培養(yǎng)，可以極大的復(fù)制擴增樣本數(shù)量，經(jīng)過分離之后，可以將擴增出的細胞用于原本少量樣品無法完成的多種用途。

在細胞培養(yǎng)的過程中，為保證細胞的合理生長，需要添加細胞所需的營養(yǎng)成分等多種物質(zhì)。為保證細胞培養(yǎng)的質(zhì)量，需要監(jiān)控培養(yǎng)基在培養(yǎng)過程中的變化。傳統(tǒng)的培養(yǎng)基培養(yǎng)為人工監(jiān)控，由培養(yǎng)人員肉眼觀察，根據(jù)培養(yǎng)基顏色的改變來判斷培養(yǎng)基內(nèi)部組分的改變，進而判斷培養(yǎng)基的質(zhì)量狀況。肉眼判斷的方式比較粗，通常做法是：將需要檢測的培養(yǎng)容器從培養(yǎng)環(huán)境(例如培養(yǎng)箱)中取出；通過目測、比色卡等手段，肉眼觀察培養(yǎng)基的質(zhì)量和細胞生長環(huán)境，并作出判斷；根據(jù)所觀測情況的判斷對培養(yǎng)容器中的培養(yǎng)基做下一步到處理，或?qū)⑴囵B(yǎng)容器放回培養(yǎng)環(huán)境繼續(xù)培養(yǎng)或進行下一步操作。

然而，由于不同培養(yǎng)過程中培養(yǎng)基的退化速度不同，需對培養(yǎng)基進行不斷觀測和檢查，導(dǎo)致經(jīng)常需要工作人員在非正常工作時間進行檢測，造成極大的不便和負擔(dān)。并且，培養(yǎng)基顏色檢測由人眼完成，即使在借助比色卡等工具的情況下，其檢測結(jié)果也因人而異，較難進行量化比較，導(dǎo)致檢測結(jié)果誤差大，培養(yǎng)質(zhì)量低。在個體細胞或局部區(qū)域的培養(yǎng)領(lǐng)域，通常也是基于顯微攝影的實時培養(yǎng)過程的人工監(jiān)控，產(chǎn)生同樣的檢測問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本實用新型的目的在于提供一種培養(yǎng)基質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)及方法，通過光源照射密閉的培養(yǎng)容器，利用顏色傳感器對培養(yǎng)容器內(nèi)的培養(yǎng)基的顏色信息進行分析，以實現(xiàn)細胞培養(yǎng)過程中培養(yǎng)基質(zhì)量情況的實時監(jiān)測和監(jiān)控。

為達到上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種培養(yǎng)容器中培養(yǎng)基質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)，包括光源、傳感器、控制系統(tǒng)；其中，所述光源和所述傳感器分別與所述控制系統(tǒng)連接；

所述光源提供入射光對培養(yǎng)基進行照射；

所述傳感器對照射培養(yǎng)基之后的出射光進行采集，得到出射光信號；由于入射光通常為白光，白光帶有全部顏色信息，經(jīng)過對培養(yǎng)基照射之后，白光會被培養(yǎng)基吸收一部分，因而出射光為被培養(yǎng)基吸收后的部分反射光和散射光，其為攜帶有顏色特征(光譜信息)的顏色光，通過對該顏色光進行分析，可以得到培養(yǎng)基此時的顏色。

所述控制系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號處理模塊，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊被配置為將所述出射光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述信號處理模塊被配置為將所述數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為顏色信號，來確定培養(yǎng)基的顏色信息。

優(yōu)選的，所述光源包括密閉光源容器和設(shè)置于所述密閉光源容器內(nèi)的發(fā)光元件，所述發(fā)光元件通過光源連接線與所述控制系統(tǒng)連接，所述光源連接線外部有防水連接器。

優(yōu)選的，所述發(fā)光元件為白熾燈、熒光燈、半導(dǎo)體二極管發(fā)光器、激光器、超輻射二極管中的至少一種。

優(yōu)選的，所述光源通過透射或反射對培養(yǎng)基進行照射。

優(yōu)選的，所述傳感器包括密閉傳感器容器和設(shè)置于所述密閉傳感器容器內(nèi)的顏色傳感器元件，所述顏色傳感器元件通過傳感器連接線與所述控制系統(tǒng)連接，所述密閉傳感器容器至少一側(cè)為透明，所述傳感器連接線外部具有防水連接器。

優(yōu)選的，所述顏色傳感器元件為CCD、CMOS、光電二極管、雪崩式二極管、光敏電阻、光電倍增管中的至少一種。

優(yōu)選的，所述信號處理模塊還包括對所述顏色信號進行平均或積分或平滑處理。

本實用新型利用傳感器對出射光采集，借助控制系統(tǒng)對出射光進行分析，得出培養(yǎng)基的實時顏色信息。如此，在指定一段培養(yǎng)時間內(nèi)，根據(jù)培養(yǎng)基監(jiān)控的精度需求，可以將一段時間預(yù)設(shè)多個時間點進行離散地獲取培養(yǎng)基顏色信息，也可以在指定時間段內(nèi)連續(xù)地獲取培養(yǎng)基的顏色信息，每一個時間點的培養(yǎng)基顏色獲取都包含照射-采集-分析的過程。如此，將得到培養(yǎng)基的顏色信息的變化趨勢，再將得到的一段時間內(nèi)的顏色信息與初始采集所得值和系統(tǒng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，決定將要對培養(yǎng)基采取的進一步操作。

本實用新型的有益效果是：

1.自動化的監(jiān)測有效減輕人力負擔(dān)；

2.通過減少反復(fù)取出培養(yǎng)容器進行檢測的環(huán)節(jié)，減少了對培養(yǎng)基的反復(fù)擾動，提高了培養(yǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性；

3.使用對顏色敏感的傳感器元件和算法自動監(jiān)控培養(yǎng)基質(zhì)量，將監(jiān)控結(jié)果數(shù)字化，提高了監(jiān)控精度，保證了監(jiān)控過程的可靠性，降低了監(jiān)控誤差；

4.降低了培養(yǎng)成本。

附圖說明

圖1為本實用新型監(jiān)控裝置示意圖；

圖2為本實用新型監(jiān)控裝置立體示意圖；

圖3為光源示意圖；

圖4為傳感器示意圖；

圖5為光源和傳感器設(shè)置在異側(cè)示意圖；

圖6為光源和傳感器設(shè)置在同側(cè)示意圖；

圖7為可移動監(jiān)控系統(tǒng)示意圖；

圖8為本實用新型監(jiān)控方法流程圖；

圖9為本實用新型監(jiān)控方法處理流程圖。

具體實施方式：

為了使本實用新型的創(chuàng)作特征、技術(shù)手段與達成目的易于明白理解，以下結(jié)合具體實施例進一步闡述本實用新型。

參看圖1-2，一種培養(yǎng)容器11中培養(yǎng)基質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)，包括光源13a/13b/13c、傳感器12a/12b/12c、控制系統(tǒng)2；其中，所述光源和所述傳感器分別與所述控制系統(tǒng)進行總線連接；所述光源13a/13b/13c提供入射光對培養(yǎng)基11a進行照射，培養(yǎng)基11a顏色會隨其內(nèi)部組分變化而變化，所述傳感器對照射培養(yǎng)基之后的出射光進行采集，得到出射光信號；由于入射光通常為白光，白光帶有全部顏色信息，經(jīng)過對培養(yǎng)基照射之后，白光會被培養(yǎng)基吸收一部分，因而出射光為被培養(yǎng)基吸收后的部分反射光和散射光，其為攜帶有顏色特征(光譜信息)的顏色光，通過對該顏色光進行分析，可以得到培養(yǎng)基此時的顏色。所述控制系統(tǒng)2包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號處理模塊，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊被配置為將所述出射光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述信號處理模塊被配置為將所述數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為顏色信號，來確定培養(yǎng)基的顏色信息。所述光源13a/13b/13c包括密閉光源容器和設(shè)置于所述密閉光源容器內(nèi)的發(fā)光元件，所述發(fā)光元件通過光源連接線與所述控制系統(tǒng)連接，所述光源連接線外部有防水連接器。所述發(fā)光元件為白熾燈、熒光燈、半導(dǎo)體二極管發(fā)光器、激光器、超輻射二極管中的至少一種。

參看圖3，所述光源通過透射或反射對培養(yǎng)基進行照射。13a、13b、13c為系統(tǒng)所使用光源，光源可安裝至底部、側(cè)面或上部。光源21包含含有至少一面透明表面22組成的氣密整體，發(fā)光元件24安裝于透明表面22內(nèi)側(cè)，其與控制系統(tǒng)的連線通過防水連接器23實現(xiàn)。

參看圖4，所述傳感器31包括密閉傳感器容器和設(shè)置于所述密閉傳感器容器內(nèi)的顏色傳感器元件，所述顏色傳感器元件34安裝于透明表面32內(nèi)側(cè)并通過傳感器連接線與所述控制系統(tǒng)連接，所述密閉傳感器容器至少一側(cè)為透明，所述傳感器連接線外部具有防水連接器33。傳感器可為單一元件，亦可為單一原件陣列組成。所述顏色傳感器元件為CCD、CMOS、光電二極管、雪崩式二極管、光敏電阻、光電倍增管中的至少一種。

對于單個培養(yǎng)容器，由于其內(nèi)部可能存在培養(yǎng)基質(zhì)量分布不均勻，且單個傳感器所能采集的培養(yǎng)基顏色信息覆蓋區(qū)域有限，故可對單一培養(yǎng)容器設(shè)置陣列的多個傳感器，對單一培養(yǎng)容器的不同區(qū)域進行監(jiān)控。對于單一培養(yǎng)容器中的多區(qū)域顏色獲取情況，將保留每一區(qū)域的顏色信息，并根據(jù)系統(tǒng)的不同監(jiān)控精度需求，采用平均值或極值(最大值或最小值)對系統(tǒng)信息進行監(jiān)控和報警。光源13和傳感器12的位置設(shè)置可以根據(jù)需要設(shè)置在異側(cè)或同側(cè)，如圖5-6所示。圖5中所示，光源13和傳感器12設(shè)置在培養(yǎng)容器的上下兩側(cè)，光源13發(fā)出入射光線141，穿過培養(yǎng)基11之后從另一端射出為出射光142，并由傳感器12接收，本實用新型還包括將光源13和傳感器12設(shè)置在培養(yǎng)容器的左右兩側(cè)，在此不贅述。如圖6所示，光源13和傳感器12設(shè)置在培養(yǎng)容器的同一側(cè)，可以是培養(yǎng)基六個面的任意一側(cè)。入射光141通過反射后，出射光142由傳感器12接收。

所述培養(yǎng)基質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)可移動地設(shè)置在所述培養(yǎng)裝置中。如圖7所示。由于培養(yǎng)容器體積較小，培養(yǎng)箱通常體積較大，對于單個培養(yǎng)箱16中的多個培養(yǎng)容器11，可采用兩種方式進行監(jiān)控系統(tǒng)陣列，即1)為每一個需進行監(jiān)控的容器設(shè)置一套監(jiān)控系統(tǒng)進行一對一的顏色監(jiān)控，或2)使用機械臂移動監(jiān)控系統(tǒng)，對同一培養(yǎng)箱中多個培養(yǎng)容器進行監(jiān)控。圖中，有孔支架18用于支撐培養(yǎng)容器11，有孔支架18可以與Z軸方向支架172固定連接，也可以懸掛在培養(yǎng)箱上部，有孔支架18上設(shè)置孔，避免監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器、光源被支架18遮擋。支架171用于支撐監(jiān)控系統(tǒng)，支架171與Z軸方向支架172固定連接。機械臂可根據(jù)需要將監(jiān)控系統(tǒng)沿支架171移動，使監(jiān)控系統(tǒng)位于待檢測的培養(yǎng)容器下方的有孔支架18的相應(yīng)位置，光源發(fā)出的光通過有孔支架18的孔照射培養(yǎng)容器，出射光穿過有孔支架18的孔進入傳感器。有孔支架18也可以設(shè)置多層，以支撐多層培養(yǎng)容器，機械臂可根據(jù)需要將監(jiān)控系統(tǒng)放置在培養(yǎng)容器下方的有孔支架18的下方進行檢測。更為簡單的結(jié)構(gòu)，不設(shè)置支架171，直接由機械臂移動并支撐監(jiān)控系統(tǒng)至有孔支架18的下方，對相應(yīng)培養(yǎng)容器進行檢測。

培養(yǎng)裝置中可以設(shè)置多組控制系統(tǒng)，其面對的監(jiān)控系統(tǒng)具有可同時與多組控制(采樣)系統(tǒng)進行通信的接口和處理能力，且每組控制(采樣)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的連線(通信通道)獨立，從而在通信中實現(xiàn)互不干擾，在數(shù)據(jù)處理過程中，通過算法設(shè)置，將為每套控制(采樣)設(shè)置獨立的數(shù)據(jù)處理功能，在數(shù)據(jù)處理過程中實現(xiàn)互不干擾。

當(dāng)培養(yǎng)容器僅有一側(cè)透明時，需光源及傳感器設(shè)置在同一側(cè)，這種情況，入射光為帶有全部顏色信息的白光，出射光為攜帶有特征顏色光被培養(yǎng)基吸收后的部分反射光和散射光。當(dāng)培養(yǎng)容器為全透明時，傳感器可設(shè)置在培養(yǎng)容器任一側(cè)，如設(shè)置在底部，光源根據(jù)照明需求可設(shè)置在底部/頂部/側(cè)面中的一個或多個位置，這種情況，當(dāng)光源在底部時，入射光為帶有全部顏色信息的白光，出射光為攜帶有特征顏色光被培養(yǎng)基吸收后的部分反射光和散射光，光源的照射與探測器的檢測可同步進行,也可光源照射先于探測器的檢測。

所述信號處理模塊還包括對所述顏色信號進行平均或積分或平滑處理。

本實用新型另一實施例提供一種培養(yǎng)基培養(yǎng)裝置，包括至少一個培養(yǎng)容器，和對所述培養(yǎng)容器中的培養(yǎng)基進行質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)，其中，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括光源、傳感器、控制系統(tǒng)；其中，所述光源和所述傳感器分別與所述控制系統(tǒng)連接；所述光源提供入射光對培養(yǎng)基進行照射；所述傳感器對照射培養(yǎng)基之后的出射光進行采集，得到出射光信號；所述控制系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號處理模塊，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊被配置為將所述出射光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述信號處理模塊被配置為將所述數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為顏色信號，來確定培養(yǎng)基的顏色信息。在本實用新型所述培養(yǎng)裝置中可以放置若干個培養(yǎng)容器來培養(yǎng)培養(yǎng)基，同時，由質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控若干培養(yǎng)容器。所述培養(yǎng)容器為密閉環(huán)境，其內(nèi)的溫度、濕度和氣體組分可按需定量控制?？刂葡到y(tǒng)和計算系統(tǒng)根據(jù)實際系統(tǒng)設(shè)計需求，可放置在培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)容器外，即培養(yǎng)箱與培養(yǎng)容器之間的空間；或培養(yǎng)箱外，對控制系統(tǒng)的輸出信號和報警信號進行監(jiān)控的系統(tǒng)放置于培養(yǎng)箱外，通過連線與培養(yǎng)箱內(nèi)部組件進行連接。

所述培養(yǎng)裝置中設(shè)有至少一個以上的分隔空間。為了便于放入培養(yǎng)箱，用于培養(yǎng)基培養(yǎng)的培養(yǎng)容器的尺寸(長寬高分別)通常不超過200mm。

如圖8-9所示。本實用新型還提供一種通過根據(jù)權(quán)利要求之一的在線監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測培養(yǎng)容器中培養(yǎng)基質(zhì)量的方法。如圖8，本實用新型方法借助光源發(fā)出的光線，光線穿透透明界面進入培養(yǎng)基，培養(yǎng)基對光線進行選擇性吸收之后，再由傳感器接收經(jīng)過培養(yǎng)基吸收后剩余的光線，對該出射光和入射光進行分析，從而得出培養(yǎng)基的狀態(tài)。如圖9所示，具體處理和分析流程為：在控制系統(tǒng)接收外部控制輸入之后，控制系統(tǒng)啟動控制測量數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)向光源發(fā)出指令以驅(qū)動光源開啟，控制系統(tǒng)向顏色傳感器發(fā)出指令驅(qū)動傳感器感應(yīng)/接收/接受檢測到的光線的顏色信號，傳感器將該信號傳導(dǎo)至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對顏色信號的數(shù)量即對光線顏色采樣的次數(shù)進行判斷，判斷的依據(jù)可以依據(jù)最開始的外部控制輸入的數(shù)據(jù)，如果達到外部輸入的次數(shù)要求，則結(jié)束采樣，控制系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉光源并對采集的數(shù)據(jù)進行處理后反饋最終數(shù)值。如果達不到外部輸入的次數(shù)要求，則繼續(xù)向顏色傳感器發(fā)出指令要求傳感器繼續(xù)感應(yīng)/接收/接受檢測到的光線顏色信號。

本實用新型利用傳感器對出射光采集，借助控制系統(tǒng)對出射光進行分析，得出培養(yǎng)基的實時顏色信息。如此，在指定一段培養(yǎng)時間內(nèi)，根據(jù)培養(yǎng)基監(jiān)控的精度需求，可以將一段時間預(yù)設(shè)多個時間點進行離散地獲取培養(yǎng)基顏色信息，也可以在指定時間段內(nèi)連續(xù)地獲取培養(yǎng)基的顏色信息，每一個時間點的培養(yǎng)基顏色獲取都包含照射-采集-分析的過程。如此，將得到培養(yǎng)基的顏色信息的變化趨勢，再將得到的一段時間內(nèi)的顏色信息與初始采集所得值和系統(tǒng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，決定將要對培養(yǎng)基采取的進一步操作。系統(tǒng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值，例如可以是標(biāo)定在某個顏色值范圍之內(nèi)為良好、正常、失效。

采用直接將顏色信號采集后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行輸出的數(shù)字化的顏色傳感器進行傳感采集。如下列舉顏色采樣及分析實施例。

實施例：

入射光為白光時，如采用RGB每顏色通道為8bit深度，則可將白光顏色信號定標(biāo)為(256，256，256)；

當(dāng)所采用培養(yǎng)基指示劑特征的成分合格顏色為紅色時，成分失效顏色為無色時。此時，成分合格時，溶液對除紅光波長外其他波長的光吸收比例遠高于對紅光的吸收比例，故溶液呈紅色；成分失效時，對所有顏色的光接近均勻比例吸收，因而將不呈現(xiàn)特定顏色。

當(dāng)使用合格培養(yǎng)基時，光源所發(fā)出白光(RGB 256:256:256)照射穿透培養(yǎng)基后，吸收剩余的光顯示為紅色(例，RGB 200:50:50),由于光源系統(tǒng)、環(huán)境光照等多種原因，會在測量值中引入噪聲，即所得測量值在實際值(RGB 200:50:50)附近波動(例如：210:60:60–190:45:45)對此，采取多次采樣后數(shù)據(jù)處理的方式，獲取單個時間點上的采樣真實值，對于多次采樣的數(shù)據(jù)處理方式例如可以是：采用簡單平均——即將N次采樣值求和后除以N，獲得平均值；采用進一步的數(shù)字濾波，對特定頻率(例如市電頻率50Hz/60Hz)的噪聲進行濾除。

當(dāng)培養(yǎng)基失效后；培養(yǎng)基指示劑失去選擇吸收特性，此時的培養(yǎng)基對所有光譜的光均勻吸收，即光源所發(fā)出白光(RGB 256:256:256)照射穿透培養(yǎng)基后，吸收剩余的光顯示為無色(例，RGB 60:60:60),同樣的，將此數(shù)據(jù)經(jīng)過多次采樣并處理的方法，獲取單一時間點上的真實顏色信號。并經(jīng)過如上所述的數(shù)據(jù)處理，以得出培養(yǎng)基的狀態(tài)，并為下一步?jīng)Q策提供參考。

本實用新型裝置及方法適用于顏色會隨其內(nèi)部組分變化而變化的培養(yǎng)基，培養(yǎng)基為被檢測對象，對培養(yǎng)基的描述并非對本實用新型裝置及發(fā)法的限定。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。