[发明专利]飞秒激光加工细胞的多尺度连续观测反馈方法及装置

说明书

本发明飞秒激光加工细胞的多尺度连续观测反馈方法及装置，属于细胞激光加工检测领域。本发明基于超快脉冲序列的超快连续成像系统，时间分辨率可达到飞秒量级，能够连续实时观测具有生物特异性的细胞调控加工过程，同时采集细胞尺寸形态，利用细胞图像处理提取细胞尺寸数值，通过协同控制器与时域展宽方法耦合，获取细胞加工过程中的纳秒至毫秒量级时间尺度内的探测图像信息，得到多尺度观测系统，建立细胞调控加工‑检测的反馈机制，实现多尺度的连续观测，且能实现对加工过程的快速检测以及精准调控。本发明还能够利用个体细胞的具体图像指导飞秒激光加工细胞的技术优化，实现高精度、高效率、低损伤、可控生物影响的超快激光调控加工细胞应用。

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光加工细胞的多尺度连续观测反馈方法及装置，特别是可实现多尺度连续观测细胞加工过程的实时反馈方法及装置，属于细胞加工观测领域。

背景技术

利用超快激光加工细胞可实现高精度细胞刺激、穿孔等无损及微创细胞加工过程，可广泛应用于干细胞培育、基因治疗研究等生物医疗领域。飞秒激光加工细胞的过程是一个非平衡的非线性的动态过程，加工作用过程与机理还有待进一步深入研究与讨论。在不同时间尺度下，飞秒激光与细胞相互作用过程的电子动态演化过程是不同的，另外，诸如激光通量、频率等参数对细胞加工的动态调控过程，对细胞的损伤、后续存活、生长或变异的影响起到关键作用。对这些不同时间尺度内激光与细胞的作用过程进行观测，将有利于阐释加工机理，提高加工效率。并且生物细胞特异性决定了加工过程的不可重复性，因此需要进行超快时间内的连续观测，才能精准捕获加工过程中的关键信息。但目前的激光加工细胞过程通常只可以利用激光共聚焦成像或超声检测等方法进行加工后的观测，无法对飞秒激光加工细胞过程进行实时连续观测，因此严重制约着对细胞加工过程的精准调控。

发明内容

本发明的目的是为了解决飞秒激光加工细胞过程中的难以精确调控以及快速检测的问题，提供一种飞秒激光加工细胞的多尺度连续观测反馈方法及装置，基于超快脉冲序列的超快连续成像系统，时间分辨率可达到飞秒量级，能够连续实时观测具有生物特异性的细胞调控加工过程，同时采集细胞尺寸形态，利用细胞图像处理提取细胞尺寸数值，通过协同控制器与时域展宽方法耦合，获取细胞加工过程中的纳秒至毫秒量级时间尺度内的探测图像信息，得到多尺度观测系统，建立细胞调控加工-检测的反馈机制，实现对加工过程的快速检测以及精准调控，利用个体细胞的具体图像指导飞秒激光加工细胞的技术优化，实现高精度、高效率、低损伤、可控性好的超快激光调控加工细胞应用。

本发明是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的飞秒激光加工细胞的多尺度连续观测反馈方法，包括如下步骤：

步骤一、由超短脉冲激光器产生的超快激光经过多频脉冲序列产生器后变为具有飞秒量级时间延时的脉冲序列，通过分束的方法被分成两束，其中一束通过物镜进行聚焦，作用在微流控器件所控制细胞流速的细胞样本上，进行细胞的多频脉冲飞秒激光无损或微创调控加工；另一束激光脉冲序列通过样本后，携带有超快信息，由CCD接收，生成超快连续图像并储存于电脑中；

步骤二、提取步骤一中CCD相机拍摄到的约束于微流芯片中的细胞图像，每张图像中包含一个或多个细胞，经过细胞图像处理方法计算出细胞等效直径数值d，输出至协同控制器中。计算出时域展宽探测图像的时间分辨率t为激光重复频率f的倒数，即f＝1/t。根据所需探测图像的时间跨度T以及细胞等效直径d与细胞流速v的匹配关系式：计算出细胞流速v，设置微流控器件的参数，实现对探测过程的反馈调节；

步骤三、协同控制器触发时域展宽脉冲发生器，产生步骤二计算所得的重复频率为f的脉冲激光，经过时域展宽产生具有纳秒至毫秒量级范围内任意时间延时的激光脉冲，作用于样品后由图像探测器与信号发生器收集到细胞在该时间分辨率下的时域展宽探测图像，存储于电脑中，结合CCD相机接收到的超快连续图像，得到多尺度细胞连续观测信息，观测细胞生物反应过程，指导飞秒激光细胞加工的优化。所述细胞生物反应过程包括细胞形态、细胞流动、细胞膜穿孔、愈合。