TW201916848A - 用於活體動物的影像系統 - Google Patents
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Abstract
一種影像系統，用於一活體動物，其包含：一容納裝置，用於容納該活體動物，該容納裝置包含：至少二容納槽；至少一微流道，連通該些容納槽；及多個磁性纖毛，設置於該微流道的一表面上；一磁場提供裝置，鄰設於該容納裝置的一第一側，用於控制該些磁性纖毛的一動作；一驅動裝置，鄰設於該容納裝置的一第二側，用於驅動該活體動物的一運動方向；一供液裝置，連通該容納裝置，用以提供一液體；及一影像擷取裝置，鄰設於該容納裝置的一第三側，用於擷取該活體動物的一影像。
Description
本發明係關於一種影像系統，特別是關於一種用於活體動物的影像系統。
近年來，斑馬魚已成為生物醫學界研究脊椎動物之重要參考對象。這是因為斑馬魚具有體型小、生長速度快，光學透明性佳及與人類基因相似性高等特徵。
然而，在進行斑馬魚的觀測時，通常需要利用人工方式將斑馬魚從培育區夾取到觀測平台上才能進行觀測。然而，這種透過人工方式所進行的夾取往往會對斑馬魚造成損傷，故容易對觀測結果產生誤判，進而影響實驗結果。
故，有必要提供一種用於活體動物的影像系統，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之一目的在於提供一種用於活體動物的影像系統，可用於觀測位於容納裝置的一活體動物(例如一斑馬魚或一斑馬魚精子)，並且可透過驅動裝置來驅使該活體動物移動至一觀測位置，故無須透過人工方式夾取的方式來移動該生物。
本發明之另一目的在於提供一種用於活體動物的影像系統，可透過多個磁性纖毛控制該活體動物的至少一翻轉角度，進而可從多個觀測角度來觀測該活體動物。
本發明之又一目的在於提供一種用於活體動物的影像系統，可透過多個磁性纖毛的動作來活化經冷凍的斑馬魚精子。
為達上述之目的，本發明提供一種影像系統，用於一活體動物，其包含：一容納裝置，用於容納該活體動物，該容納裝置包含：至少二容納槽；至少一微流道，連通該些容納槽；及多個磁性纖毛，設置於該微流道的一表面上；一磁場提供裝置，鄰設於該容納裝置的一第一側，用於控制該些磁性纖毛的一動作；一驅動裝置，鄰設於該容納裝置的一第二側，用於驅動該活體動物的一運動方向；一供液裝置，連通該容納裝置，用以提供一液體；及一影像擷取裝置，鄰設於該容納裝置的一第三側，用於擷取該活體動物的一影像。
在本發明之一實施例中，該活體動物係一斑馬魚及一斑馬魚精子中的至少一種。
在本發明之一實施例中，更包含一移動架，其中該容納裝置設置於該移動架上。
在本發明之一實施例中，更包含一流量調整裝置，電性連接該供液裝置，用以調整該液體的一流量。
在本發明之一實施例中，更包含一控制裝置，電性連接該磁場提供裝置、該驅動裝置及該影像擷取裝置中的至少一個。
在本發明之一實施例中，該控制裝置更包含一圖形使用者介面，通過該圖形使用者介面輸入一指令，用於控制該磁場提供裝置、該驅動裝置及該影像擷取裝置中的至少一個。
在本發明之一實施例中，該驅動裝置包含一光線投射裝置及一流場改變裝置中的至少一個。
在本發明之一實施例中，該光線投射裝置係投射一光線圖案至該容納裝置中，該光線圖案包含多個直線型亮紋與多個直線型暗紋，且該些直線型亮紋與該些直線型暗紋係依序排列。
在本發明之一實施例中，該光線圖案係一動態圖案，並且該些直線型亮紋與該些直線型暗紋皆朝向一行進方向移動。
在本發明之一實施例中，該些磁性纖毛各具有一軸向，該軸向垂直於該微流道的該表面，且該些磁性纖毛的該動作包含下列動作中的至少一種：一傾斜動作，其中該些磁性纖毛各與該軸向具有一傾斜角；及一旋轉運動，其中該些磁性纖毛各與該軸向具有該傾斜角，且該些磁性纖毛以該軸向為一旋轉軸進行該旋轉運動。
10‧‧‧影像系統
11‧‧‧容納裝置
12‧‧‧磁場提供裝置
13‧‧‧驅動裝置
14‧‧‧供液裝置
15‧‧‧影像擷取裝置
16‧‧‧流量調整裝置
17‧‧‧控制裝置
18‧‧‧移動架
41‧‧‧容納裝置
51‧‧‧容納裝置
90‧‧‧活體動物
111‧‧‧容納槽
112‧‧‧微流道
112A‧‧‧表面
113‧‧‧磁性纖毛
113A‧‧‧軸向
131‧‧‧光線投射裝置
131A‧‧‧直線型亮紋
131B‧‧‧直線型暗紋
132‧‧‧流場改變裝置
141‧‧‧液體
171‧‧‧圖形使用者介面
411A~411C‧‧‧容納槽
511A~511C‧‧‧容納槽
A‧‧‧長度
B‧‧‧長度
θ‧‧‧傾斜角度
φ‧‧‧翻轉角度
第1A圖：本發明一實施例之用於活體動物的影像系統的方塊示意圖。
第1B圖：本發明一實施例之用於活體動物的影像系統的立體示意圖。
第2A圖：本發明另一實施例之一容納裝置的上視示意圖。
第2B圖：本發明另一實施例之一微流道與多個磁性纖毛的立體示意圖。
第2C圖：磁性纖毛的傾斜角度與活體動物的翻轉角度的剖面示意圖。
第2D圖：磁性纖毛進行旋轉運動的立體示意圖。
第3圖：磁性纖毛的傾斜角度與不同成長天數的斑馬魚的翻轉角度的關係示意圖。
第4圖：本發明一實施例之容納裝置的示意圖。
第5A與5B圖：本發明一實施例之容納裝置與動態圖案的示意圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考 附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參照第1A至2B圖，第1A圖係本發明一實施例之影像系統10的方塊示意圖；第1B圖係本發明一實施例之影像系統10的立體示意圖；第2A圖係本發明另一實施例之一容納裝置11的上視示意圖；及第2B圖係本發明另一實施例之一微流道112與多個磁性纖毛113的立體示意圖。本發明一實施例之影像系統10包含：一容納裝置11、一磁場提供裝置12、一驅動裝置13、一供液裝置14及一影像擷取裝置15。在一實施例中，該活體動物90例如是身長小於10公分(cm)以下的一活體動物，例如身長可以是1公分、2公分、5公分或8公分等。或者，例如可以是小型或微型的脊椎動物或其精子，特別是身長小於5或10毫米(mm)以下的小型魚類或其精子，例如一斑馬魚及一斑馬魚精子中的至少一種。在一具體範例中，該活體動物例如是一活體水生動物(living aquatic animal)。在一實施例中，該容納裝置11主要是用來容納該活體動物90。在一具體範例中，該容納裝置11亦可作為該活體動物90的培育容器。例如經冷凍後的一個或以上的斑馬魚精子可先放置在該容納裝置11中進行活化處理。之後，將一個或以上的斑馬魚卵子放置於該容納裝置11中，以使斑馬魚精子與斑馬魚卵子形成受精卵並發育成待觀測的斑馬魚。在另一實施例中，該容納裝置11可以是由透光材質製成，以便於觀測該活體動物90的影像。
上述的容納裝置11可包含：至少二容納槽111、至少一微流道112及多個磁性纖毛113。在一實施例中，該些容納槽111可以具有不同尺寸(如第1B圖所示)，以及可以具有超過2個的數量(如第1B圖所示)。在另一實施例中，該容納裝置11的微流道112連通該些容納槽111，以使該活體動物90可通過微流道112移動至各個容納槽111。在又一實施例中，該些磁性纖毛113設置於該微流道112的一表面112A上，例如該表面112A係該微流道 112的一底面。在一具體範例中，該些磁性纖毛113可以沿著該微流道112設置(如第2B圖所示)，也可以是在微流道112中以矩陣方式排列。
在一實施例中，該容納槽111亦可作為活體動物90的胚胎儲存槽。例如，可指定其中一個或多個容納槽111作為活體動物90的胚胎培育槽或是胚胎儲存槽。之後，待活體動物90孵化完成後，即可透過該影像擷取裝置15進行影像擷取，或者透過該驅動裝置13進行該活體動物90的驅動。
值得一提的是，上述的微流道112與磁性纖毛113的材質及製造方法可根據或參考中華民國已核准專利(公告號I515039；磁性纖毛的製作方法)來進行製作。在一實施例中，該些容納槽111例如可以是直徑介於1至2毫米之間的一圓型槽。在一實施例中，該微流道112的長度例如是介於4至8毫米之間，該微流道112的寬度例如是介於0.1至0.3毫米之間。在又一實施例中，該些磁性纖毛113例如呈一圓柱狀，其中該些磁性纖毛113的長度例如皆介於0.3至0.5毫米之間，直徑例如介於0.01至0.1毫米之間。在另一實施例中，相鄰的該些磁性纖毛113之間的距離例如是介於0.1毫米至0.3毫米之間。
該影像系統10的磁場提供裝置12(例如一磁場產生器)鄰設於該容納裝置11的一第一側，用於控制該些磁性纖毛113的一動作。在一實施例中，該磁場提供裝置12可以透過提供磁場的方式來控制該些磁性纖毛113的動作。在一具體範例中，例如該些磁性纖毛113各具有一軸向113A，該軸向113A垂直於該微流道112的該表面112A，且該些磁性纖毛113的該動作包含下列動作中的至少一種：一傾斜動作，其中該些磁性纖毛113各與該軸向113A具有一傾斜角度θ(如第2C圖所示)；及一旋轉運動，其中該些磁性纖毛113各與該軸向113A具有該傾斜角度θ(如第2C圖所示)，且該些磁性纖毛113以該軸向113A為一旋轉軸進行該旋轉運動(如第2D圖所示)。在一實施例中，上述的傾斜動作可 以使該活體動物(例如斑馬魚)受到影響而產生一翻轉角度φ(如第2C圖所示)，進而使該影像擷取裝置15可以擷取到該活體動物的不同角度的影像，詳細的實驗結果將在後面段落描述。在一實施例中，該活體動物的軸向旋轉控制是步進式且高精度的軸向旋轉控制。在另一實施例中，該旋轉運動可以促使經冷凍後的斑馬魚精子的活化，詳細的實驗結果也會在後面段落描述。
該影像系統10的驅動裝置13鄰設於該容納裝置11的一第二側，用於驅動該活體動物90的一運動方向。在一實施例中，該驅動裝置13是透過非強制移動該活體動物90的方式來使該活體動物90移動到一區域(例如可以是容納槽111或者微流道112中)。在一具體範例中，該驅動裝置13例如包含一光線投射裝置131及一流場改變裝置132中的至少一個。在一範例中，該光線投射裝置131例如係投射一光線圖案至該容納裝置11中，該光線圖案包含多個直線型亮紋131A與多個直線型暗紋131B，且該些直線型亮紋131A與該些直線型暗紋131B係依序排列。更具體而言，該光線圖案可以係一動態圖案，並且該些直線型亮紋131A與該些直線型暗紋131B皆朝向一行進方向移動。具體的實驗結果會在後面段落詳述。在另一範例中，該流場改變裝置132主要是透過改變該容納裝置11內的液體141的流場，進而驅動該活體動物90的運動方向。舉例而言，該流場改變裝置132可以透過後述的供液裝置14提供特定流量(例如每分鐘4至6立方公分)的液體141至該容納裝置11內而產生一特定流場，進而驅動該活體動物90的運動方向。
該影像系統10的供液裝置14連通該容納裝置11，用以提供一液體141。在一實施例中，該液體141例如可以是水或者生物培養液。具體而言，例如該活體動物是斑馬魚或斑馬魚精子，所提供的液體141可以是符合斑馬魚或斑馬魚精子的生長環境的液體。在另一實施例中，該液體141被填充於該些容納槽111與該微流道112中，以使斑馬魚或斑馬魚精子可以在該些容納槽 111與該微流道112中游動。在又一實施例中，位於該容納裝置11內的液體141可以在一段時間後被更換，例如該供液裝置14可提供未使用過的液體141至該容納裝置11中，並且回收位在該容納裝置11內的已使用過的液體141。
在一實施例中，該影像系統10可包含一流量調整裝置16。該流量調整裝置16電性連接該供液裝置14，用以調整該液體141的一流量。在一具體範例中，該流量例如可依照該活體動物90及該容納裝置11的體積來決定。
該影像系統10的影像擷取裝置15鄰設於該容納裝置11的一第三側，用於擷取該活體動物90的一影像。在一實施例中，該影像擷取裝置15可架設於該容納裝置11的上方，且朝向下方進行影像的擷取。在一具體範例中，該容納裝置11可定義有一影像擷取區域，並且該活體動物90可透過該驅動裝置13而移動至該影像擷取區域來進行影像的擷取。例如，該影像擷取區域是位在該微流道112，則可先透過該驅動裝置13來驅使該活體動物90移動至該微流道112，之後再透過控制該些磁性纖毛113的動作來改變該活體動物90的翻轉角度φ，進而擷取該活體動物90的各種角度的影像。
在一實施例中，該影像系統10可包含一控制裝置17。該控制裝置17電性連接該磁場提供裝置12、該驅動裝置13及該影像擷取裝置15中的至少一個。在一具體範例中，該控制裝置17例如是一電腦，並且可透過該電腦發出指令來控制該磁場提供裝置12、該驅動裝置13及該影像擷取裝置15中的至少一個。在另一實施例中，該控制裝置17更可包含一圖形使用者介面171。例如使用者可通過該圖形使用者介面171輸入一指令來控制該磁場提供裝置12、該驅動裝置13及該影像擷取裝置15中的至少一個。舉例而言，透過該圖形使用者介面171決定該磁場提供裝置的磁場提供方式，進而決定該些磁性纖毛的動作；或是透過該圖形使用者介面171控制該驅動裝置13，例如是透過光線投射 裝置或者是流場改變裝置來驅動該活體動物90的運動方向，進而使該活體動物90到達一區域(例如是移動到任一個容納槽111或者任一個微流道112)；又或者是透過該圖形使用者介面171控制該影像擷取裝置15，進而決定影像擷取的時機。
在一實施例中，該影像系統10可包含一移動架18，其中該容納裝置11設置於該移動架18上。該移動架18的一用途可以是透過移動該移動架18來帶動該容納裝置11，進而改變該影像擷取裝置15對於該容納裝置11的影像擷取區域的位置。
要提到的是，上述的第一側、第二側及/或第三側並未特別指定是該容納裝置11的任何特定方位取向。根據本發明一實施例的影像系統10中，在不影響各個構件(例如該容納裝置11、該磁場提供裝置12、該驅動裝置13、該供液裝置14及該影像擷取裝置15等)的主要功能的前提下，該磁場提供裝置12、該驅動裝置13及該影像擷取裝置15可以設置鄰近該容納裝置11的任何位置。
以下將提出數個實驗數據以證明本發明一實施例之影像系統10確實具有上述的效果。
首先，請一併參照第2C圖及第3圖。第2C圖係磁性纖毛113的傾斜角度θ與活體動物90的翻轉角度φ的剖面示意圖；及第3圖係磁性纖毛113的傾斜角度θ與不同成長天數的斑馬魚的翻轉角度φ的關係示意圖。首先就第2C圖而言，該活體動物90例如是一斑馬魚，當磁性纖毛113沿著該軸向113以一傾斜角度θ而朝左傾斜時，該活體動物90便會以一翻轉角度φ而朝右翻轉。根據第3圖所顯示的實測結果，對於不同成長天數(例如1至3天的成長天數)的斑馬魚，當傾斜角度θ越大時，翻轉角度φ也越大。換言之，可以透過控制該些磁性纖毛113的傾斜角度θ，進而控制該斑馬魚的翻轉角度φ，故可擷取到該活體動物90的不同角度的影像。值得一提的是，對於其他成長天數(例如4天以上的成長天數)的斑馬魚也具有類似的實驗結果。
以下再說明透過該些磁性纖毛113進行旋轉運動可達成冷凍過程的斑馬魚精子的活化的效果。請一併參照第2C與2D圖，第2D圖係該些磁性纖毛113進行旋轉運動的立體示意圖。在此實驗過程中，提出實施例1與比較例1至3來進行斑馬魚精子的活化的比對。在實施例1中，主要是將冷凍後的斑馬魚精子放置在該微流道112中，並透過該些磁性纖毛113以每秒一次(1Hz)來進行一旋轉運動達約5秒鐘，並觀察斑馬魚精子是否被活化(例如開始活動)。而在各個比較例中，則是將冷凍後的斑馬魚精子放置在一液體中，並且分別透過下列方式進行活化，其中比較例1係僅放置於室溫下，不進行任何動作；比較例2係在室溫下以手動方式進行攪拌；比較例3係透過震盪混合器(Vortex mixer)以每分鐘3000轉的轉速進行活化。根據實驗結果，實施例1的活化率是63.8±4.2%、比較例1的活化率是14.1±7.6%、比較例2的活化率是43.9±4.1%、及比較例3的活化率是31.1±10.3%。由此可見，透過該些磁性纖毛113進行旋轉運動可達成具有較佳的活化的效果。
另一方面，本申請人以流場改變裝置做為驅動裝置來證明可以驅動該活體動物(例如斑馬魚)的運動方向。請一併參照第1B及4圖，第4圖係本發明一實施例之容納裝置41的示意圖。在本實施例中，透過供液裝置14向容納槽411A輸入特定流量(例如每分鐘5立方公分)的液體141，並且在容納槽411C外接一回收管路以回收該液體141，進而產生一特定流場。在本實施例中，斑馬魚是從容納槽411A出發，經過容納槽411B並到達容納槽411C，其中容納槽411A、411B與411C的直徑為10mm，長度A指的是從容納槽411A的邊緣處與容納槽411B的中心的距離(例如為10.95mm)，長度B指的是從容納槽411C的邊緣處與容納槽411B的中心的距離(例如為10.95mm)。在本實施例中，透過該流場改變裝置的驅動，斑馬魚大致上僅需要4至10秒的時間可從容納槽411A出發並到達容納槽411C。由此可見，本發明一實施例的用於 活體動物的影像系統確實可透過流場改變裝置來驅動該活體動物的運動方向。
另一方面，本申請人以光線投射裝置做為驅動裝置來證明可以透過驅動裝置來驅動該活體動物的運動方向。該光線投射裝置係投射出一動態圖案，並且該動態圖案的直線型亮紋與直線型暗紋皆朝向一行進方向移動，其中該行進方向係垂直於該直線型亮紋(及/或該直線型暗紋)的延伸方向。請一併參照第1B、5A及5B圖，第5A與5B圖係本發明一實施例之容納裝置51與動態圖案的示意圖。類似的，在本實施例中，斑馬魚是從容納槽511A出發，經過容納槽511B並到達容納槽511C，其中容納槽511A、511B與511C的直徑為10mm，長度A指的是從容納槽511A的邊緣處與容納槽511B的中心的距離(例如為9.475mm)，長度B指的是從容納槽511C的邊緣處與容納槽511B的中心的距離(例如為8.625mm)。在本實施例中，斑馬魚是從容納槽511A出發時，透過該光線投射裝置投射出如第5A圖的直線型亮紋與直線型暗紋，其中直線型亮紋與直線型暗紋是朝向該第5A圖中的正右方移動，以驅動斑馬魚朝向容納槽511B移動。之後，當該斑馬魚位於該容納槽511B時，則透過該光線投射裝置投射出如第5B圖的直線型亮紋與直線型暗紋，其中直線型亮紋與直線型暗紋是朝向該第5A圖中的右上方移動，以驅動斑馬魚朝向容納槽511C移動。根據實驗結果，該直線型亮紋及該直線型暗紋的行進方向與該活體動物(例如3天以上的成長天數的斑馬魚)的運動方向具有正相關。根據進一步實驗，使用全亮光線(即無暗紋)並無法產生此種正相關的實驗結果。綜上所述，本發明一實施例的用於活體動物的影像系統確實可透過光線投射裝置來驅動該活體動物的運動方向。
此外，在上述以光線投射裝置做為驅動裝置的實驗結果中，申請人發現動態圖案的不同移動速率對於斑馬魚的驅動效果不相同。例如，在低移動速率(例如動態圖案的出現頻率為 0.5Hz時，斑馬魚從容納槽511A至容納槽511B的平均花費時間為5.4秒(亦可稱為長度A的移動時間)，而斑馬魚從容納槽511B至容納槽511C的平均花費時間為19.6秒(亦可稱為長度B的移動時間)。相關的實驗數據可參考下表1，其中可發現當動態圖案的出現頻率為1.5Hz時，斑馬魚的平均花費時間最少。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (10)
- 一種影像系統，用於一活體動物，其包含：一容納裝置，用於容納該活體動物，該容納裝置包含：至少二容納槽；至少一微流道，連通該些容納槽；及多個磁性纖毛，設置於該微流道的一表面上；一磁場提供裝置，鄰設於該容納裝置的一第一側，用於控制該些磁性纖毛的一動作；一驅動裝置，鄰設於該容納裝置的一第二側，用於驅動該活體動物的一運動方向；一供液裝置，連通該容納裝置，用以提供一液體；及一影像擷取裝置，鄰設於該容納裝置的一第三側，用於擷取該活體動物的一影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像系統，其中該活體動物係一斑馬魚及一斑馬魚精子中的至少一種。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像系統，更包含一移動架，其中該容納裝置設置於該移動架上。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像系統，更包含一流量調整裝置，電性連接該供液裝置，用以調整該液體的一流量。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像系統，更包含一控制裝置，電性連接該磁場提供裝置、該驅動裝置及該影像擷取裝置中的至少一個。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像系統，其中該控制裝置更包含一圖形使用者介面，通過該圖形使用者介面輸入一指 令，用於控制該磁場提供裝置、該驅動裝置及該影像擷取裝置中的至少一個。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像系統，其中該驅動裝置包含一光線投射裝置及一流場改變裝置中的至少一個。
- 如申請專利範圍第7項所述之影像系統，其中該光線投射裝置係投射一光線圖案至該容納裝置中，該光線圖案包含多個直線型亮紋與多個直線型暗紋，且該些直線型亮紋與該些直線型暗紋係依序排列。
- 如申請專利範圍第8項所述之影像系統，其中該光線圖案係一動態圖案，並且該些直線型亮紋與該些直線型暗紋皆朝向一行進方向移動。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像系統，其中該些磁性纖毛各具有一軸向，該軸向垂直於該微流道的該表面，且該些磁性纖毛的該動作包含下列動作中的至少一種：一傾斜動作，其中該些磁性纖毛各與該軸向具有一傾斜角；及一旋轉運動，其中該些磁性纖毛各與該軸向具有該傾斜角，且該些磁性纖毛以該軸向為一旋轉軸進行該旋轉運動。
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