CN101435764A - 一种粒子分析仪及粒子分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子分析仪及粒子分析方法，分析仪包括用于供含有粒子的样本液流过的流动室、用于驱动样本液流过流动室的驱动单元和用于向流动室内的粒子发射特定光谱的光照射单元，放大成像单元和特征提取分析单元，放大成像单元采集粒子在特定光谱下形成的图像放大后输出至特征提取分析单元，特征提取分析单元对图像进行特征提取并根据特征对粒子进行识别和分类。分析方法包括如下步骤：驱动含有粒子的样本液流过流动室，并向流动室内的粒子发射特定光谱；采集粒子在特定光谱下形成的图像并进行放大；对图像进行特征提取并根据特征对粒子进行识别和分类。通过本发明可以对临床上那些需要依靠图像来进行分析的疾病做出准确的判断。

Description

一种粒子分析仪及粒子分析方法

技术领域

本发明涉及一种粒子分析仪，本发明还涉及一种粒子分析方法。

背景技术

现有的血液细胞分析仪、尿液分析仪以及其他类型的粒子分析仪都是基于流式细胞术。现有的基于流式细胞术的粒子分析方法的基本原理是：先将血液细胞、尿液等粒子稀释悬浮于液体之中，然后利用流体聚焦的原理将含有粒子的样本液包裹在纯净的鞘液中，使粒子一个一个地通过方形流动室的通孔(即：检测区域)；所述检测区域被照明系统(通常是激光)提供的光束照射，当粒子通过这个区域的时候就会产生散射光或者荧光信号(如果细胞被荧光标记物标记了的话)；信号处理单元对任何一个粒子在流动室中产生的各种光学信号进行探测，通过这些光学信号对这个粒子进行唯一标记，然后根据统计规律对被检测到的所有粒子进行归类，继而得到整个样本的特性。

现有的粒子分析方法具有以下不足之处：(1)每个粒子的特征都用几个光学信号来标记，然而临床上对某些疾病(如：白血病)的判断需要依靠粒子的图像来进行，通过现有的粒子分析仪就无法对这些疾病做出准确的判断；(2)每个测量过程只能得到被测样本的总体特征而没有每个粒子的个体特征，而往往当样本出现异常的时候，医生会对某些特殊粒子更加感兴趣，却又无法对这些特殊粒子进行进一步的观察和分析。

发明内容

本发明就是为了克服以上的不足，提出了一种粒子分析仪，该粒子分析仪不依靠粒子流过流动室所产生的光学信号对粒子进行识别，而是利用粒子的图像对粒子进行识别。

本发明要解决的另一个技术问题是：提出了一种粒子分析方法，该分析方法不依靠粒子流过流动室所产生的光学信号对粒子进行识别，而是利用粒子的图像对粒子进行识别。

为实现上述目的，本发明提供一种粒子分析仪，包括用于供含有粒子的样本液流过的流动室、用于驱动样本液流过流动室的驱动单元和用于向流动室内的粒子发射特定光谱的光照射单元、放大成像单元和特征提取分析单元，所述特征提取分析单元与所述放大成像单元相连，所述放大成像单元用于采集所述粒子在特定光谱下形成的图像放大后输出至特征提取分析单元，所述特征提取分析单元用于对所述图像进行特征提取并根据所述特征对粒子进行识别和分类。

优选地，还包括存储器，所述存储器与所述放大成像单元相连，用于对放大成像单元输出的图像进行存储。

还包括回放控制单元，所述回放控制单元与存储器相连，所述回放控制单元用于将每个粒子进行标记，并根据所述标记从存储器中读取相应的图像。所述放大成像单元包括显微镜和图像记录器件，所述图像记录器件与显微镜相连，所述显微镜用于将粒子在光谱下的光学成像进行放大并送往图像记录器件，所述图像记录器件用于将放大后的光学成像以电信号的形式记录并输出至所述特征提取分析单元和存储器。所述光照射单元包括激光光源和白光光源，所述放大成像单元还包括分光装置，所述图像记录器件至少有两个；所述分光装置位于显微镜和各个图像记录器件之间，所述分光装置将从显微镜处接收的图像分成至少两路并分别送至各个图像记录器件进行记录。

所述流动室包括两个平行的透光片状物，所述两片状物在光照射方向上的距离仅供粒子单层流过。

所述驱动单元包括液路和压力源，所述压力源与液路相连，所述压力源用于将样本液通过液路注射到流动室中，并提供动力使样本中的粒子按照一定的方向匀速流过流动室。

为实现上述目的，本发明提供一种粒子分析方法，包括如下步骤：

A.驱动含有粒子的样本液流过流动室，向所述流动室内的粒子发射特定光谱；

B.采集所述粒子在特定光谱下形成的图像并进行放大；

C.对所述图像进行特征提取并根据所述特征对粒子进行识别和分类。

优选地，所述步骤B之后还包括如下步骤：将放大后的图像存入存储器内。所述步骤C之后还包括如下步骤：对每个粒子进行标记，所述标记用于在从存储器中读取粒子的图像时，获取该标记所对应的粒子的图像。

所述特定光谱包括至少两个波段，所述样本液中的某类粒子在所述至少两个波段光谱中的某个波段光照射下具有区别于其他类粒子的图像特征。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明的粒子分析仪包括放大成像单元和特征提取分析单元，通过放大成像单元采集流过流动室的粒子在特定光谱下形成的图像并放大，通过特征提取分析单元对图像上的特征进行提取并根据这些特征对粒子进行识别和分类。本发明不依靠粒子流过流动室所产生的光学信号对粒子进行识别，而是利用粒子在特定光谱下形成的图像上的特征对粒子进行识别，使用本发明的粒子分析仪可以对临床上那些需要依靠粒子的图像来进行分析的疾病做出准确的判断。

本发明的粒子分析仪还包括存储器，并通过存储器对放大成像单元输出的图像进行存储。通过存储这些图像，即可将每个粒子的个体特征都存储下来，用户可以随时从存储器中调出所存的各帧图像，查找、分析其感兴趣的粒子的个体特征。方便用户对某些特殊粒子形成的图像进行回放，并进行更进一步的观察和分析。

本发明的粒子分析仪还包括回放控制单元，通过回放控制单元将每个粒子进行标记，当用户希望对某个粒子进行更为细致的分析，随时可以根据定位标记信息将此粒子所处的特定帧的图像或者粒子本身的图像回放出来观察。这样，用户无需对存储器中的所有图像进行浏览并从中查找出粒子所在的特定帧图像，为用户提供方便。

本发明的粒子分析仪采用激光光源和白光光源两种不同的光谱进行成像，可以增加粒子特征的维度，使对粒子(尤其是对某些幼稚细胞)的识别更加容易。

本发明的粒子分析仪通过两个平行的透光片状物构成的层流池取代现有的粒子分析仪中的方形流动室，无需在方形流动室上加工出很小的通孔，可以很好地降低流动室的加工难度和成本。

本发明的粒子分析方法通过采集粒子在特定光谱下形成的图像并进行放大，对这些图像进行特征提取并根据这些特征对粒子进行识别和分类。本发明的粒子分析方法不依靠粒子流过流动室所产生的光学信号对粒子进行识别，而是利用粒子在特定光谱下形成的图像上的特征对粒子进行识别，使用本发明的方法可以对临床上那些需要依靠粒子的图像来进行分析的疾病做出准确的判断。

本发明的粒子分析方法还将放大后的图像存入存储器内，从而可将每个粒子的个体特征都存储下来，用户可以随时从存储器中调出所存的各帧图像，查找、分析其感兴趣的粒子的个体特征。方便用户对某些特殊粒子形成的图像进行回放，并进行更进一步的观察和分析。

本发明的粒子分析方法还对每个粒子进行标记，并根据标记从存储器中读取所对应的粒子的图像。这样，用户无需对存储器中的所有图像进行浏览并从中查找出粒子所在的特定帧图像，直接根据定位标记信息就可将此粒子所处的特定帧的图像或者粒子本身的图像回放出来观察，为用户提供方便。

本发明的粒子分析方法采用多光谱成像，从而增加粒子特征的维度，使对粒子(尤其是对某些幼稚细胞)的识别更加容易。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的结构示意图；

图2a是激光光束在图1的a处的光强度分布示意图；

图2b是激光光束在图1的b处的光强度分布示意图；

图2c是激光光束在图1的a处的光强度分布示意图；

图3是某视场在白光照射下形成的图像示意图；

图4是同一个视场在激光照射下形成的图像示意图；

图5是被测样本总体统计特征的散点图；

图6a是粒子的标记方式的示意图；

图6b是从所存图像中调出特定粒子的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种粒子分析仪，包括用于供含有粒子的样本液流过的流动室10、用于驱动样本液流过流动室的驱动单元、用于向流动室内的粒子发射特定光谱的光照射单元20、放大成像单元30和特征提取分析单元40。所述光照射单元20向流动室10内的粒子发射特定光谱的光线，所述放大成像单元30采集所述粒子在特定光谱下形成的图像放大后输出至特征提取分析单元40，所述特征提取分析单元40对所述图像进行特征提取并根据所述特征对粒子进行识别和分类。

所述流动室10具体包括两个平行的透光片状物，所述两片状物在光照射方向上的距离仅供样本液中的粒子单层流过。因此，本发明的粒子分析仪中的流动室也可称为层流室。所述透光片状物可采用玻璃片、石英片、水晶片等透光片。现有的粒子分析仪中，待测样本中的粒子都是单个地流过流动室，而本发明与之不同，本发明是单层地流过，每层会有几十个到上百个粒子，进而可以提高检测、分析速度。本发明采用两个透光片状物构成的层流池取代现有的粒子分析仪中的方形流动室，可以降低流动室的加工难度和成本。此外，本发明的层流池随时可以更换，更换时也不需要再进行光路的调节，非常方便。本发明的流动室的两个片状物在光照射方向上的间距仅供粒子单层流过，可以避免粒子重叠流过，使所有粒子在一个物平面上清晰成像并且互相不重叠，进而获得更准确的分析结果。

所述驱动单元由液路51和压力源52组成，所述压力源52将样本液通过液路51注射到流动室10中，并提供动力使样本中的粒子按照一定的方向匀速流过流动室，在层流池内测试完毕后的废液也通过液路流出。在样本液流动的动态过程中可以随机抓取几十或上百个图像，对这些图像中的粒子的特征进行识别和分析即可形成粒子分析结果。现有的粒子分析仪需要利用流体聚焦技术设置大量的气动和液动单元和相应的管路来形成鞘流和样本流并使鞘流包裹样本流中的粒子依次通过流动室的检测区接受发射光的照射，因此现有的粒子分析仪在液路设计上需要控制两种流体的压力和流速，并需要通过一定的时序让样本流和鞘液流的压力在一个很短的时间内达到平衡；而本发明的粒子分析仪只要用压力源将待测样本液通过液路推送通过层流池即可，本发明只需要对一种流体的流动状况进行控制，且无需考虑压力平衡问题，大大简化了液路元件，本发明的粒子分析仪相对于现有的粒子分析仪结构更简单。此外，本发明的粒子分析仪中的不同的成像视场可以依靠粒子的流动来实现而不是推片(smear)的移动，依靠粒子的流动来实现时可以避免采用繁琐的机械结构并且可以消除抖动误差。

所述光照射单元20包括白光光源21、激光光源24和合光器23。白光光源21、激光光源24分别发射出一个波段的光束，所述样本液(经染色处理后的)中的某类粒子在某波段光照射下具有区别于其他类粒子的图像特征。所述合光器23用于将白光光源21和激光光源24发出的光束合成一路从而可以使两种不同光谱的光同时照射到粒子上。所述白光光源21可采用卤素灯，在白光光源21的照射下可以提取出包括粒子染色后的尺寸、颜色信息和内、外部形态的图像。在白光光源21和合光器23之间还可设置准直器22。作为能量高度集中的光源，所述激光光源24可以被用来与粒子中某些特殊物质结合的荧光标记物激发出荧光，进行荧光成像。

不同类型的粒子的白光图像和荧光图像的特征是不同的，因此可以通过这两种图像上的特征提取将粒子进行分类。对于某些异常粒子来说荧光图像表现的更加显著一些，因此通过激光光源24形成的荧光图像可以增加对异常细胞的判断能力，当然它也可作为正常细胞的特征之一，对正常细胞进行识别分类。

本具体实施方式采用两种光谱成像，进而可以得到两种不同类型的图像，从而可以通过较多的特征对不同粒子进行识别。如果希望得到更多不同类型的图像，可以相应增加发射不同波段的光源。各个光源的光谱波段可以部分重叠，以是否可以体现出粒子的特征为原则。

对于荧光成像来说要求照射光束充满这个成像区域(视场)并且在成像区域中的任何一个位置上的强度是均匀的，否则会导致不同位置的粒子荧光量产生差异。所以，本发明的光照射单元20还包括扩束器25和整形器26，所述激光光源24出射的激光依次经过扩束器25、光束整形器26、合光器23射向位于流动室内的粒子。所述扩束器25可以增加激光光源24的照射区域，再经过光束整形器26使激光在照射区域内的光强均匀分布。如图2a、2b和2c所示：在a处，激光光源24发出的原始光束的束径较小，不足以充满成像区域的整个视场；在b处经过扩束器25扩束后的光束的束径被增大了，可以使其充满成像区的整个视场；在c处，经过光束整形器26整形之后的光束的横截面上的光强度分布为均匀分布。这样，落在视场中的粒子就不会因不同位置的照射强度的不同而导致同样的粒子所产生的图像不同，从而避免测量误差。

所述放大成像单元30包括显微镜31和图像记录器件。所述显微镜31优选为大口径、大视场、放大倍率可调的显微物镜，显微镜31将粒子在光谱下的光学成像进行放大并送往图像记录器件；所述图像记录器件优选为电荷藕合器件图像传感器(Charge Coupled Device，简称CCD)，所述显微镜31将粒子在光谱下的光学成像进行放大并送往图像记录器件，所述图像记录器件将放大后的光学成像以电信号的形式记录并输出。通过上述放大成像单元就可以将尺寸非常小的被测粒子进行放大成像，从而能够识别到粒子的特征。

当光照射单元20包括至少两个可以发射不同波段光的光源时，所述放大成像单元30相应要增加分光装置，以光照射单元20包括两个可以发射不同波段光的光源为例，此时图像记录器件就相应包括第一图像记录器件33和第二图像记录器件34，所述显微镜31就设置在流动室和分光装置之间。所述分光装置包括分光棱镜321、反射镜322。所述显微镜31将粒子在光谱下的成像进行放大并送至分光棱镜321，所述分光棱镜321将接收的图像分成两路，第一路直接送至第二图像记录器件34进行记录，第二路经反射镜322反射后送至第一图像记录器件33进行记录。当然，如果改变第一图像记录器件33的位置，所述反射镜322也可去掉或者用透射镜取代。

本发明除了用第一图像记录器件33对粒子在白光下形成的常规染色图像进行记录之外，还用第二图像记录器件34对被荧光标定物标定之后的粒子在激光照射下发出的荧光图像进行记录，这样可以提取细胞的多种图像特征，从而增加细胞特征的维度，使分类和识别更加容易，尤其在识别幼稚细胞时优势更加明显。因为幼稚细胞和荧光标定物结合的量比正常细胞要多，那么其荧光图像的亮度要显著高于正常细胞。荧光图像还可以作为临床医生对细胞进行镜检分析的辅助手段。图3和图4给出了用荧光图像对细胞进行辅助识别的一个例子。从图4中可以看到明显的两个亮点A和B，这是幼稚细胞的一种，而在图3中这两个细胞的特征并不显著，这说明荧光图像可以增强某些系统的特征，使它们更易于被分离。

为将照射激光的谱线滤掉以降低荧光图像和常规图像的背景亮度，本发明还设有第一滤色片37和第二滤色片38。所述第一滤色片37位于所述反射镜322和第一图像记录器件33之间，所述第二滤色片38位于所述分光棱镜321和第二图像记录器件34之间。降低背景亮度的另外一种方式是让照射激光和成像光路在同侧，也就是说让激光光束和成像光束共路，只是方向不同。

所述特征提取分析单元40对第一图像记录器件33和第二图像记录器件34所记录的两种图像进行特征提取并根据其特征对粒子进行识别和分类。对所有图像中的所有粒子识别、分类之后就形成了整个样本的统计特性。样本的统计特性可以直观的用二维或多维散点图来显示。

为了便于用户对粒子在特定光谱下形成的图像进行回溯查询，本发明还可以设有存储器50。所述存储器50用于对放大成像单元输出的图像进行存储，即将第一图像记录器件33和第二图像记录器件34所记录的每个视场的图像都存储下来。当用户需要进行回溯查询时，就可以从存储器50中将图像取出，进行更进一步的分析。为节约存储器50的存储空间，本发明还可在存储器50内设置压缩器，通过压缩器对所有图像进行数据压缩。

本发明的粒子分析仪还可以包括模拟/数字(A/D)转换器60。所述A/D转换器60输入端与第一图像记录器件33和第二图像记录器件34，输出端分别与特征提取分析单元40和存储器50相连。第一图像记录器件33和第二图像记录器件34记录下来的模拟电信号形式的图像经过A/D转换器60转换成数字电信号形式的图像之后分成两路，一路进行压缩编码存储于存储器中，以便进行特殊分析的时候回放；另外一路输入特征提取分析单元40，特征提取分析单元40通过一定的算法将各类粒子的特征提取出来之后进行分类，并将分类的结果显示出来。

为了能够对某单个粒子进行更为细致的分析，随时可以将这个粒子的图像取出进行观察，本发明还设有回放控制单元。所述回放控制单元将每个粒子进行标记，并根据标记信号从存储器中读取所对应的粒子的图像。

所述回放控制单元可以是特征提取分析单元40的一部分。如图6a所示，特征提取分析单元40在对某一帧图像上的粒子进行识别的时候，其内的回放控制单元可以首先记录下这个帧的序号(帧号)fk，当通过一定的算法识别到这帧图像上的某个粒子i时，回放控制单元就记录下这个粒子在这个帧上的坐标(xi，yi)，假设在这帧图像上提取了粒子的T个特征，则可以用一个T+3维的标记向量(fk，xi，yi，S1i，S2i，...，STi)来唯一地标记这个粒子，其中S1，S2，...，ST表示从这个图像上提取出的T个特征量。这样，每个粒子都有一个向量与之一一对应，这个向量包含了这个粒子的图像位置向量(fk，xi，yi)和粒子本身的特征向量(S1i，S2i，...，STi)，所有粒子都能被唯一地标记。这些标记信息(即上述向量)被顺序存储在回放控制单元中。

当特征提取分析单元40要对所有粒子进行分类的时候只需要考察所有粒子的特征向量，根据同一类粒子的特征向量类似的原则将所有粒子分成不同的子类。图5表达了一种利用一个二维特征向量对外周血细胞进行分类的例子，从中可以看到同一类的细胞其二维特征向量是近似的，而不同类的细胞之间的特征向量差别较远。

由于本发明所记录的每个细胞的特征向量与其位置向量是关联的，所以在散点图上可以明确地看到各类粒子的特征量的同时，也暗示着我们可以根据其特征量将其图像的位置确定下来。如图5中D类的某粒子P，其特征向量为(i，j)，也就是S1＝i，S2＝j，在回放控制单元中按照(S1＝i，S2＝j)的规则查找到这个粒子，则根据其位置向量很容易定位到它出现在哪帧图像的哪个位置，见图6b。用户可根据这个位置向量将其在图像存储器上定位出来快速回放，对细胞的信息进行进一步的观察，以方便对某些临床病例进行更精确地判断。通过上述方法，本发明能将任意一个粒子定位到某帧图像的具体位置，并直接调出该粒子的图像进行回放、观察，方便用户的分析。如果只需要将任意一个粒子定位到含有该粒子的某帧图像时，则可以只用一个T+1维的标记向量(fk，S1i，S2i，...，STi)来唯一地标记这个粒子。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种粒子分析仪，其特征在于：包括用于供含有粒子的样本液流过的流动室、用于驱动样本液流过流动室的驱动单元、用于向流动室内的粒子发射特定光谱的光照射单元、包括放大成像单元和特征提取分析单元，所述特征提取分析单元与所述放大成像单元相连，所述放大成像单元用于采集所述粒子在特定光谱下形成的图像放大后输出至特征提取分析单元，所述特征提取分析单元用于对所述图像进行特征提取并根据所述特征对粒子进行识别和分类。

2.根据权利要求1所述的粒子分析仪，其特征在于：还包括存储器，所述存储器与所述放大成像单元相连，用于对放大成像单元输出的图像进行存储。

3.根据权利要求2所述的粒子分析仪，其特征在于：还包括回放控制单元，所述回放控制单元与存储器相连，所述回放控制单元用于将每个粒子进行标记，并根据所述标记从存储器中读取相应的图像。

4.根据权利要求2或3所述的粒子分析仪，其特征在于：所述放大成像单元包括显微镜和图像记录器件，所述图像记录器件与显微镜相连，所述显微镜用于将粒子在光谱下的光学成像进行放大并送往图像记录器件，所述图像记录器件用于将放大后的光学成像以电信号的形式记录并输出至所述特征提取分析单元和存储器。

5.根据权利要求4所述的粒子分析仪，其特征在于：所述光照射单元包括激光光源和白光光源，所述放大成像单元还包括分光装置，所述图像记录器件至少有两个；所述分光装置位于显微镜和各个图像记录器件之间，所述分光装置将从显微镜处接收的图像分成至少两路并分别送至各个图像记录器件进行记录。

6.根据权利要求1-3中任一所述的粒子分析仪，其特征在于：所述流动室包括两个平行的透光片状物，所述两片状物在光照射方向上的距离仅供粒子单层流过。

7.根据权利要求1-3中任一所述的粒子分析仪，其特征在于：所述驱动单元包括液路和压力源，所述压力源与液路相连，所述压力源用于将样本液通过液路注射到流动室中，并提供动力使样本中的粒子按照一定的方向匀速流过流动室。

8.一种粒子分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

A.驱动含有粒子的样本液流过流动室，向所述流动室内的粒子发射特定光谱；

B.采集所述粒子在特定光谱下形成的图像并进行放大；

C.对所述图像进行特征提取并根据所述特征对粒子进行识别和分类。

9.根据权利要求7所述的粒子分析方法，其特征在于：所述步骤B之后还包括如下步骤：将放大后的图像存入存储器内。

10.根据权利要求7所述的粒子分析方法，其特征在于：所述步骤C之后还包括如下步骤：对粒子进行标记，所述标记用于在从存储器中读取粒子的图像时，获取该标记所对应的粒子的图像。

11.根据权利要求8-10中任一所述的粒子分析方法，其特征在于：所述特定光谱包括至少两个波段，所述样本液中的某类粒子在所述至少两个波段光谱中的某个波段光照射下具有区别于其他类粒子的图像特征。

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