Глубокое обучение

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12575 (2023) Цитировать эту статью

174 доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Оптические пинцеты оказывают сильное захватывающее воздействие на клетки, поэтому крайне важно анализировать движение захваченных клеток. Вращение клеток играет важную роль в их способах плавания, например, в сперматозоидах. Мы предложили быстрый метод, основанный на глубоком обучении, который может автоматически определять ориентацию проекции эллипсоидных клеток без дополнительного оптического проектирования. Этот метод был использован для анализа плоского вращения захваченных сперматозоидов с помощью оптического пинцета, продемонстрировав его возможность извлечения вращения головки клетки. Кроме того, мы использовали этот метод для исследования активности сперматозоидов, исследуя изменения скорости вращения сперматозоидов в различных условиях, включая температуру и выходную мощность лазера. Наши результаты свидетельствуют об эффективности этого метода, а разработанный метод ротационного анализа может иметь клинический потенциал для оценки качества спермы.

Оптические пинцеты (ОТ) широко исследовались для улавливания и манипулирования микрочастицами и микроорганизмами, такими как полистироловые шарики, дрожжевые клетки, сперматозоиды и кишечная палочка1,2,3,4. Во время репродуктивного процесса сперматозоидам необходимо встретиться с яйцеклеткой через женские половые пути. В этом процессе сперматозоиды с низкой подвижностью будут блокироваться такими барьерами, как цервикальная слизь5. Были проведены обширные исследования динамики сперматозоидов, захваченных оптическим пинцетом, включая исследования, изучающие различные аспекты, такие как хиральность и сила подвижности6,7. Это направление исследований имеет потенциальную ценность для оценки качества отдельных сперматозоидов, что имеет решающее значение для вспомогательных репродуктивных технологий, таких как интрацитоплазматическая инъекция спермы (ИКСИ)8. В настоящее время основной метод быстрого отслеживания движения головки сперматозоида предполагает отслеживание его центроида, при котором используются традиционные алгоритмы кластеризации для сегментации9,10. Затем Насименто и др. использовали этот метод для расчета криволинейной скорости (VCL) головки, чтобы охарактеризовать активность сперматозоидов11. Однако в поле зрения объектива с высокой числовой апертурой традиционные методы сегментации дают плохие результаты сегментации из-за сложного фонового шума. Кроме того, для более сложных моделей движения сперматозоидов, таких как вращение, необходимо разработать дополнительную оптическую установку, а соответствующие алгоритмы для определения трехмерного движения сперматозоидов обычно работают относительно медленно12.

Глубокое обучение широко применяется в области сегментации изображений медицинских клеток, особенно для подсчета отдельных клеток13, сегментации печени и опухолей печени14, сегментации мозга и опухолей головного мозга15 и т. д. И по сравнению с традиционными методами оно имеет превосходные характеристики сегментации и надежность16. 17. Этот инструмент также можно комбинировать с оптическим пинцетом и применять для осевой локализации микросфер18, прогнозирования оптической силы оптического пинцета19 и измерения жесткости ловушки20. В этом исследовании мы предлагаем высокоэффективный метод определения ориентации головки сперматозоида с использованием сегментации на основе глубокого обучения. Мы комбинируем его с оптическим пинцетом для динамического захвата сперматозоидов и анализа вращательной подвижности отдельных сперматозоидов напрямую и одновременно. Этот метод также подходит для других эллипсоидных клеток или бактерий, таких как Escherichia coli. Наши эксперименты проанализировали разницу в угловой скорости вращения сперматозоидов при различной выходной мощности лазера и подтвердили, что наш метод имеет потенциальное применение в клинических исследованиях для количественной оценки подвижности сперматозоидов и обнаружения подвижности одиночных сперматозоидов.

Чтобы получить информацию о фазе проекции спермы, мы использовали систему оптических пинцетов собственной разработки, как показано на рис. 1а. В нашей экспериментальной установке мы использовали лазер непрерывного действия (Coherent Verdi G, 2 Вт) для генерации лазерного луча с длиной волны 532 нм. Этот лазерный луч был направлен в систему формирования луча (BSS) для расширения луча. Полученный линейно поляризованный лазерный луч затем направлялся на дихроичное зеркало, которое отражало его на заднюю апертуру объектива масляно-иммерсионного микроскопа (Nikon, 100\(\times\) масляная иммерсия; NA = 1,4; WD = 0,13 мм). Луч модулируется посредством отражающего и чисто фазового жидкокристаллического пространственного модулятора света (Holoeye, HED6010-L-VIS) в системе формирования. Интересующий раствор образца загружался в пул образцов и располагался в задней фокальной плоскости масляного зеркала, которое контролировалось с помощью столика с управляемым напряжением (Thorlabs; ZFM2030). Освещение камеры для образца обеспечивалось светодиодным источником света, а изображение образца осуществлялось с помощью CMOS-камеры (Sentech; STC-mbs241U3V; 163 кадра в секунду).