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人体绝大多数细胞都需要贴壁在基底上才能存活和生长,贴壁生长的细胞会产生细胞内张力并对基底产生牵引力,所以细胞力学信号的调控机制成为了研究的热点。细胞牵引力显微镜实验是当前测量细胞力场非常优秀的一种方法,步骤可以大致分为:1、在基底上培养细胞并拍摄基底荧光图像;2、由基底荧光图像计算基底位移场;3、由基底位移场计算基底应力场。我们实验室进行细胞牵引力显微镜实验时候,调用我们自己开发的DIC工具箱,采用数字图像相关方法来计算基底位移场。本文从提高DIC工具箱的精度、速度以及使用的方便性为出发点,发展和完善了此工具箱,具体做了如下工作:
1)系统比较了MATLAB和MEX两种方式实现的8种不同的相关系数计算函数的速度,包括4种NCC方法实现方式、3种FNCC方法实现方式以及normcorr2_mex函数。小规模计算时候normcorr2_mex和改进后的ncc_ mex方法最快,大规模计算时候采用FFT方法计算卷积的fncc_mex方法最快。
2)提出了自适应搜索半径的搜索方法。由于大鼠心肌细胞基底荧光图像的位移绝大多数在2像素之内,所以选择2像素作为初始搜索半径。在计算位移小于2像素的大多数点时直接得结果,仅在计算位移大于2像素的少数点时扩大搜索半径进行再次搜索。这个方法减少了相关系数计算时不必要的计算部分,和传统搜索方法相比,在计算大鼠心肌细胞基底荧光图像时候速度提高了6倍。
3)系统比较了6种亚像素方法的精度并兼顾较快的速度,包括2种插值方法、3种拟合方法和梯度法。比较发现梯度法的精度最高,在数字模拟图像模拟平移的情况下精度可到0.001像素,并且在信噪比大于60时候噪声对结果的影响在0.0001像素量级。我们还做了数字模拟有应变场图像的精度测试以及和商用DIC软件Vic2d的精度比较,对梯度法的精度基本满意。
4)确定计算细胞牵引力显微镜实验中大鼠心肌细胞基底荧光图像的最优方法是:采用自适应搜索半径的方法,初始搜索半径取2像素;用normcorr2_mex方法计算相关矩阵;用梯度法计算亚像素位移。最终相关计算的速度达到每秒1600个点,比优化前速度提高了400倍。
5)发展和完善了基于MATLAB的DIC工具箱,完成了图形用户界面(GUI)编程工作。DIC工具箱提供调用函数接口和GUI界面两种使用方式,通过这两种使用方式已经处理了上百G的荧光图像数据。