CN102288530B - 测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统 - Google Patents

Abstract

一种测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，有测量样品流中运动微粒产生的相干散射光空间分布的衍射成像装置；测量运动微粒速度的测速装置；与测量运动微粒速度的测速装置相连，自动产生测速电脉冲序列信号的测速脉冲装置；与测速脉冲装置相连，产生同步触发时钟信号的同步触发脉冲装置；与同步触发脉冲装置相连，获得衍射图像的时间延迟积分图像传感器；与行像素图像信号读出装置相连，将数字衍射图像信号传输至图像处理存储装置的图像信号处理传输装置。本发明能够消除在曝光时间内的衍射图像模糊，延长有效曝光时间，获得与微粒三维结构高度相关的具有较高对比度的衍射图像数据。提高由微粒相干散射光空间分布形成的衍射图像信噪比和对比度。

Description

测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统

技术领域

本发明涉及一种时间延迟积分成像系统。特别是涉及一种可消除由于被测微粒运动造成的衍射图像模糊，从而提高由微粒相干散射光形成的衍射图像信噪比和对比度的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统。

背景技术

微粒群落通常含有大量线性尺度为0.1微米至数百微米的微粒。在细胞生物学研究，生物技术研究，药物研发，环境污染监测，大气科学等许多领域内研究人员需要可快速准确分析辨别微粒群落中单个微粒的方法及仪器系统。很多情况下，包括以细胞为代表的生物微粒在内的微粒之功能或其对与外界的相互作用常常与其三维结构形态紧密关联。因此观察测量微粒三维结构形态并对比其特征差异是分析辨别微粒的最佳方法之一。例如光学显微镜是人类用于观察微粒结构形态最早也是目前最常用的仪器之一。但由于下述原因，使用光学显微镜分析辨别微粒的方法具有局限性，很难用于对包含大量微粒的微粒群落进行快速分析辨别。第一，常用的光学显微镜(如荧光显微镜，明视场或暗视场显微镜等)是基于非相干成像原理设计的，其图像是通过对微粒三维结构的二维投影而形成，利用这种图像所测量得到的微粒结构特征为结构二维投影特征，无法真实反映微粒的三维结构形态与特征。第二，由于显微图像为微粒三维结构的二维投影，据此图像分析辨别微粒通常需要非常复杂的图像分析过程，在分析具有复杂三维结构形态的细胞时更是如此，一般需要人工操作，因而基于光学显微镜的图像分析方法很难自动化，而且相关的光学显微镜操作与图像测量也需人工操作，费时，易产生误差且分析速度极低。第三，包括细胞在内的许多微粒在可见光及近红外光波长范围内不含特征吸收或可发荧光的分子，因此必须在染色后才能在光学显微镜下观察其结构形态，染色往往需要昂贵的试剂和复杂费时的工序，并有可能对所观察的生物微粒如细胞等产生干扰效应。近年来，光学显微镜技术取得了新进展，例如使用共聚焦技术，可获取多幅景深很短的二维图像，通过二维图像叠加重建微粒的三维结构形态。但共聚焦光学显微镜技术只解决了上述第一个问题，且需要更长的时间，其他问题依然未解决。

上世纪六十年代以来对以细胞为代表的微粒在携载流体层流内快速流动状态下进行了深入的光学测量研究。在这些研究基础之上，形成了流式细胞仪技术，为一种集流体力学，激光技术，光电测量以及数据处理研究成果之大的可对大量单个细胞进行快速测量分析的仪器。流式细胞仪利用同心喷嘴和流体压强差在样品室内形成由样品流和鞘流组成的层流。环包在样品流外的鞘流通过压强差减小含有微粒的样品流直径，迫使所携载的微粒以单列方式流动通过激发光束，被激发光束照射的微粒会产生与激发光波长相同的散射光，其强度随散射角度变化而变化。这种波长与激发光波长相等的散射光也称为弹性散射光，是由于微粒内部的被激发光束电磁场感应而形成的分子电偶极子产生的辐射。微粒内部的感应分子电偶极子浓度分布由其内部的光折射率分布表达，因此微粒内部三维结构可通过其光折射率三维分布表达。如微粒内部的光折射率三维分布不均匀或与其所悬浮的载体材料光折射率不同，散射光即存在，并且通常是微粒被光照的条件下所产生的各种光信号中最强的信号。被激发光束照射的微粒如含有荧光分子还会产生荧光，是由于微粒内部的荧光分子被激发后产生的辐射光，其波长一般大于激发光波长。许多包括细胞在内的微粒不含或含有很少的荧光分子，所以这些微粒只有在染色后才可产生足够强度荧光信号。目前流式细胞仪技术主要通过测量染色后微粒产生的荧光信号对微粒进行快速分析辨别，其处理速度可达每秒数千个微粒。在分析包含大量微粒的群落时，流式细胞仪方法可做单微粒分析，其速度远大于光学显微分析方法，因此在获得具有统计意义的数据方面有其独特的优势。自上世纪八十年代以来，流式细胞仪在细胞生物学研究，污染监测和其他领域领域内得到广泛应用。

目前流式细胞仪产品可按其光学信号测量方式分为角度积分型与非相干图像型两种。绝大多数现有流式细胞仪为角度积分型，在这种流式细胞仪中，流动微粒在入射光束照射下产生的散射光信号和荧光信号由不同的单体光电传感器(如光电二极管，光电倍增管等)接受而产生相应的输出电信号。单体传感器为只输出1个电信号的传感器，其信号强度正比于散射光或荧光信号强度在传感器面积相对于光源所形成的立体角度内的积分值，简称为散射光或荧光信号。荧光信号与微粒内部包含的特定分子(如细胞中的可与荧光分子结合的某种蛋白质分子)存在与否以及数量有关，而角度积分后的散射光信号则只与微粒体积和内部光折射率均匀度即颗粒度有关，无法反映微粒内部光折射率的三维分布。将散射光和荧光信号结合，通过计算机进行数据分析，可对包含大量微粒的群落进行自动分析辨别，达到将群落中的微粒进行快速种类区分的目的。目前角度积分型流式细胞仪通常可测量2到10个荧光信号以及2个散射光信号。荧光信号不包含结构信息，虽然2个散射光信号(前向与侧向散射光信号)可提供体积和内部颗粒度的信息，但其结构信息含量极其有限，因而角度积分型流式细胞仪主要依靠荧光信号对微粒进行快速分析辨别。

近年来图像测量技术开始在流式细胞仪中得到应用，已经出现了非相干成像型流式细胞仪产品。这种流式细胞仪基于传统的光学显微镜方法，利用如电荷耦合器件(CCD)相机类图像传感器测量非相干光信号在空间的角度分布，可输出荧光，明视场和暗视场等图像数据，但这些图像均为微粒三维结构的二维投影。与角度积分型流式细胞仪相比，非相干图像型流式细胞仪可对每个运动微粒测量并输出多幅图像，其包含的结构信息显然大为增加，因此可对微粒结构进行更细致的分析。但非相干光信号成像型流式细胞仪具有与传统的光学显微镜方法类似的局限性，如无法根据微粒三维结构位形态特征分析辨别微粒，需要对微粒染色才能获得荧光图像等。更为重要的是，由于二维投影图像与三维结构之间的关系非常复杂，通常需要人工分析，因此无法实现通过计算机软件对包含大量微粒的群落进行自动图像数据分析，也无法达到将群落中的微粒进行快速分类的目的。由于非相干成像型流式细胞仪可以每秒测量几百至上千个微粒，其图像信号数据总量非常大，由于无法实现自动图像信号分析，其应用受到极大的限制。

如前所述，在激发光束照射下的微粒会产生波长与激发光波长相同的散射光。如果激发光束为一具有高度相干性的光束，在波长相等的条件下散射光也具有高度相干性。含有荧光分子的微粒也会同时产生荧光，其波长与激发光束波长不同，即使在激发光束具有高度相关性的条件下也不具有相干性。如使用具有高度相干性的激光束作为激发光束，微粒内部的感应分子电偶极子产生的具有高度相干性的散射光电磁场会在空间内形成由于相位差造成的光强度随角度变化的衍射分布，相干散射光的衍射分布及偏振态由激发光束波长与偏振态以及微粒内部的光折射率与其悬浮介质折射率差的三维分布决定，因此相干散射光强的衍射分布及偏振态与微粒内部三维结构形态高度相关，也与激发光束波长及偏振态有关。利用图像传感器测量相干散射光的衍射分布即为衍射图像。通过多幅衍射图像计算分析微粒三维结构特征，可重建微粒三维结构形态或获得相关信息。这种方法的最早应用为可见光波长范围内的激光全息成像技术以及在X光波长范围内推算重建生物大分子三维结构的X射线衍射技术。一般情况下，重建微粒三维结构需要在不同激发光束入射角度下获得足够多幅(5至10幅或更多)衍射图像后再做复杂的三维结构重建计算。在细胞流式仪中由于微粒快速流动，很难同时得到足够多幅不同角度的衍射图像数据，即使能够获得足够多幅的图像，也不可能在数秒或更短时间内完成三维结构重建计算。此外微粒在层流流体携载条件下流过入射光束时，其附近经常会存在曲率半径极小的光学界面，包括鞘流与流体室材料如玻璃等的折射率不同造成的界面等。这些曲率半径极小的光学界面通常会引起成为图像噪音的散射光场，一般可大于或远大于微粒所产生的衍射光强分布，使得所测量到的衍射图像与微粒结构有关的信号对比度很小。获得高质量的与微粒结构有关的光学衍射图像需要减小或消除由于这些光学界面所产生的图像噪音，为一个很难解决的技术问题。此外如何利用所获得的衍射图像数据，得到与微粒三维结构特征高度相关的信息并据此快速分析包含大量微粒的群落并分类，也是一个很难解决的问题。由于这些问题，尽管目前商用流式细胞仪大多使用激光束作为激发光束，但均无法通过测量与分析衍射图像的方式辨别微粒。在角度积分型流式细胞仪中，其所测得的散射光信号为角度积分，因此由于散射光相干性造成的随角度变化的衍射分布在经过角度积分后的信号中基本消失，所得到的结构特征只包括体积和内部颗粒度类的简单特征；而在非相干成像型流式细胞仪中，其荧光图像由于荧光波长相对于激发光束波长的变化为非相干图像，而明视场或暗视场图像则一般是在非相干白光照射条件下获得的，也属于非相干图像。

最近在对包括细胞在内的微粒光散射的理论和实验进行多年研究基础之上，一种新型衍射成像型流式细胞仪方法已经公布，详细讨论可见参考文献(例如X.H.Hu，K.M.Jacobs，J.Q.Lu，“Flow cytometer apparatus for three dimensional diffraction imaging andrelated methods”，PCT Application No.WO2009／151610by East Carolina University)。这种新型衍射成像型流式细胞仪提出了将层流控制在主要由液体形成的流体室内流动的设计概念，使用如电荷耦合器件相机等图像传感器纪录微粒所产生相干散射光的角度分布，可获得高对比度的衍射图像信号。实验结果表明这种新型衍射成像信号型流式细胞仪可根据微粒衍射图像信号分析辨别具有不同三维结构的微粒，详细讨论可见参考文献(例如K.M.Jacobs，L.V.Yang，J.Ding，A.E.Ekpenyong，R.Castellone，J.Q.Lu，X.H.Hu，“Diffraction imaging of spheres and melanoma cells with a microscope objective”，Journal ofBiophotonics，vol.2,pp.521-527(2009)；K.M.Jacobs，J.Q.Lu，X.H.Hu，“Development of adiffraction imaging flow cytometer”，Optics Letters，vol.34，pp.2985-2987(2009))。通过基于经典电动力学理论的微粒光散射模型和大规模数值计算，现已证明由衍射图像型流式细胞仪所获得的微粒二维衍射图像与其三维结构高度相关，可以从中提取许多与微粒三维结构特征相关的图像特征，详细讨论可见参考文献(例如J.Q.Lu，P.Yang，X.H.Hu，“Simulations of Light scattering from a biconcave red blood cell using the FDTD method”，Journal of Biomedical Optics，vol.10，024022(2005)；R.S.Brock，X.H.Hu，D.A.Weidner,J.R.Mourant，J.Q.Lu，″Effect of detailed cell structure on light scattering distribution：FDTD studyof a B-cell with3D structure constructed from confocal images"，Journal of QuantitativeSpectroscopy&Radiative Transfer,vol.102，pp.25-36(2006))。此外，最近已经提出了通过测量多幅衍射图像，分析其灰度关联并提取与微粒三维结构高度相关的图像特征，从而快速准确分析辨别微粒的测量分析系统和方法，详细讨论可见参考文献(董珂，胡新华：“自动辨别微粒的衍射图像测量分析系统及方法”，中国发明专利申请号：201010221714.7)。与此相关的利用具有时间延迟积分功能的图像传感器测量运动微粒所产生的非相干图像也已见报道，详细讨论可见参考文献(E.K.Zuba-Surma，M.Kucia，W.Wu，I.Klich，J.W.Lillard，Jr.，J.Ratajczak，and M.Z.Ratajczak，″Very small embryonic-likestem cells are present in adult murine organs：ImageStream-based morphological analysis anddistribution studies,″Cytometry A,vol.73A，PP.1116-1127(2008))。但如何测量运动微粒所产生相干散射光形成的衍射图像，同时消除图像模糊和延长有效曝光时间以获得具有高对比度的衍射图像，尚无有效的测量系统与方法。

光电图像传感器如电荷耦合器件(CCD)传感器等由许多位于不同行和列的单个像素组成，每个像素在曝光时间内接受到达所在位置上的入射子光束内所含的光子后转换为电荷信号，然后再将传感器所有像素电荷信号逐行移动至读出寄存器后输出电流脉冲序列信号成为模拟图像信号。图像传感器行电荷的移动输出过程也称为图像读出过程。在拍摄静止物体时，普通电荷耦合器件传感器在图像读出过程中一般会通过电学或机械遮光的方法避免移动中的像素在此段时间再将入射光束的光子转换为电荷信号。否则输出图像信号会由于其中的像素电荷在移动过程中接受不同位置上的入射子光束光子转换得到的部分电荷而造成图像模糊。

运动微粒在相干光激发条件下所产生的相干散射光在空间的分布会随着微粒移动而移动，通过光学成像系统后的相干散射光空间分布也随之移动。如果使用普通图像传感器时，相干散射光空间分布在曝光时间内的移动会造成普通图像传感器同一像素在不同时间接受其空间分布内来自于多个不同空间位置的子光束光子转换得到的电荷，造成衍射图像模糊和衍射图像对比度下降。尽管可通过减小曝光时间降低相干散射光空间分布移动的影响和图像模糊程度，但也会同时造成接受到的图像信号光子数量减小，使得衍射图信噪比或对比度下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过选择特殊适当的成像位置、采用具有时间延迟积分功能的图像传感器及同步触发和图像信号读出电路的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统。

本发明所采用的技术方案是：一种测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，包括有用于测量样品流中运动微粒产生的相干散射光空间分布的衍射成像装置，还包括有：

测量运动微粒速度的测速装置，用于产生样品流中运动微粒的两路或多路测速电脉冲信号；

测速脉冲装置，与测量运动微粒速度的测速装置相连，根据运动微粒两路以上测速电脉冲信号自动产生测速电脉冲序列信号；

同步触发脉冲装置，与测速脉冲装置相连，根据测速电脉冲序列信号产生同步触发时钟信号，该同步触发时钟信号包括测量运动微粒产生的相干散射光空间分布所需的触发时间和利用时间延迟积分方法所需的确定行像素转移速率的重复频率；

时间延迟积分图像传感器，与同步触发脉冲装置相连，根据同步触发脉冲装置发出的同步触发时钟信号的触发时间和重复频率，测量通过成像装置采集的由运动微粒产生的相干散射光空间分布而获得衍射图像，该衍射图像的行像素信号输出至行像素图像信号读出装置，该行像素图像信号读出装置将模拟行像素图像信号转换为数字行像素图像信号；

图像信号处理传输装置，与行像素图像信号读出装置相连，用于将所获得的数字衍射图像信号传输至图像处理存储装置。

所述的测量运动微粒速度的测速装置，是采用通过样品流的两个或多个测速光束以及相应的光传感器，在运动微粒通过测速光束时产生两个或多个测速电脉冲信号；或者是采用置于样品流附近的两个或多个测速电传感器，在运动微粒通过测速电传感器时产生两个或多个测速电脉冲信号。

所述的测速装置包括有：

测速输入光束，用于照射样品流；

分光器，位于样品流远离测速脉冲装置的一侧，使测速输入光束被分为两束或多束测速光束后再通过样品流；

第一测速光传感器和第二测速光传感器，并排位于样品流另一侧，输入端分别接收样品流内运动微粒穿过相应测速光束时产生的散射光，输出端分别与测速脉冲装置相连将所产生的测速电脉冲信号，送至测速脉冲装置。

所述的测速装置包括有：分别对应的设置在样品流两侧的第一测速电传感器的两个电极，以及分别对应的设置在样品流两侧的第二测速电传感器的两个电极，用于获得两个测速电脉冲信号。

所述的同步触发脉冲装置所产生的同步触发时钟信号由多组时钟信号组成，所述多组时钟信号中的行像素移动时钟信号的时间间隔由所测相干散射光空间分布移动速度决定，所述多组时钟信号中的行像素读出时钟信号的脉冲个数由时间延迟积分图像传感器的行像素个数决定。

本发明的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，采用具有时间延迟积分功能的图像传感器及同步触发和图像信号读出电路，在行像素电荷转移读出过程中允许像素在与运动微粒相干散射光同步运动的条件下继续接受入射光子并将所转化的电荷相加或积分，消除在曝光时间内由于被测微粒运动造成的衍射图像模糊，从而延长有效曝光时间，获得与微粒三维结构高度相关的并具有较高对比度的衍射图像数据。该系统可消除由于被测微粒运动造成的衍射图像模糊，从而提高由微粒相干散射光空间分布形成的衍射图像信噪比和对比度。

附图说明

图1是基于光学测速原理的运动粒子衍射图像的时间延迟积分测量系统的结构示意图；

图2是电学测速原理示意图；

图3是测速脉冲装置的原理示意图；

图4是衍射图像时间延迟积分测量原理的示意图。

其中：

1：运动微粒            2：样品流

3：测速输入光束        4：分光器

5：第一测速光束        6：第二测速光束

7：第一测速光传感器    8：第二测速光传感器

9：测速脉冲装置        10：测速电脉冲序列信号输出线

11：同步触发脉冲装置   12：同步触发时钟信号输出线

20：相干激发光束       21：相干散射光束

22：成像装置           23：时间延迟积分图像传感器

24：行像素图像输出线        25：行像素图像读出装置

26：行像素图像信号输出线    27：图像信号处理传输装置

28：图像数据输出线          29：图像处理存储装置

31：第一测速电传感器        32：第二测速电传感器

33：第一电脉冲信号整形器    34：第二电脉冲信号整形器

35：时钟信号发生器          40：a散射子光束

41：b散射子光束             42：读出寄存器

Q1：t₁时的A行像素电荷        Q2：t₂时的B行像素电荷

Q3：t₂时的A行像素电荷        Q4：t₃时的B行像素电荷

Q5：t₃时的A行像素电荷

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统做出详细说明。

本发明的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，需要测量运动微粒在通过相干激发光束20之前的运动速度。测量运动微粒速度的一种实现方法可使用两束通过样品流的光束测量流动微粒的速度。两束测速光束可来自于同一光束，也可用两个光源各自产生。

如图1所示，本发明的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，包括有：

衍射成像装置，用于测量样品流2中运动微粒1在相干激发光束20激发下所产生的相干散射光空间分布的；

测量运动微粒速度的测速装置，用于产生样品流2中运动微粒1的两路或多路测速电脉冲信号，其起始时间可用于触发图像传感器，其电脉冲信号之间的延迟时间与运动微粒速度成反比，因此可用于测量微粒速度；

测速脉冲装置9，通过导线与与测量运动微粒速度的测速装置相连，根据运动微粒两路以上测速电脉冲信号自动产生测速电脉冲序列信号；

同步触发脉冲装置11，通过测速电脉冲序列信号输出线10与测速脉冲装置9相连，根据测速电脉冲序列信号产生同步触发时钟信号，该信号包括测量运动微粒产生的相干散射光空间分布所需的触发时间和利用时间延迟积分方法所需的确定行像素转移速率的重复频率；可根据测速脉冲装置9输出的测速电脉冲信号之间的延迟时间决定时间延迟积分图像传感器所需的同步触发时钟信号的重复频率，使得在同步触发时钟信号控制下的行像素电荷移动至位于传感器输出端的读出寄存器的速度与相干散射光空间分布的移动速度相同；

所述的同步触发脉冲装置11所产生的同步触发时钟信号由多组时钟信号组成，所述多组时钟信号中的行像素移动时钟信号的时间间隔由所测相干散射光空间分布移动速度决定，所述多组时钟信号中的行像素读出时钟信号的脉冲个数由时间延迟积分图像传感器23每行内的像素个数决定。

时间延迟积分图像传感器23，通过同步触发时钟信号输出线12与同步触发脉冲装置11相连，根据同步触发脉冲装置11产生的同步触发时钟信号的触发时间和重复频率，测量通过成像装置22采集的相干散射光空间分布，所形成的衍射图像逐行移动至输出端的读出寄存器作为模拟行像素图像信号输入至行像素图像信号读出装置25，该行像素图像信号读出装置25可根据同步触发时钟信号将读出寄存器输出的行像素电荷模拟信号进行放大后转换为数字行像素图像信号输出。行像素图像信号读出装置25可由前置放大器(如Analog Devices公司生产的ADA4841-1运算放大器)和数模转换器(如Analog Devices公司生产的AD9273-25)组成；

图像信号处理传输装置27，通过行像素图像信号输出线26与行像素图像信号读出装置25相连，读入存储预定行数的行像素图像信号，通过图像数据输出线28将所组成的数字图像信号按照所选择的通讯协议传输至图像处理存储装置29，图像信号处理传输装置27的功能可由图像接收板实现(如Active Silicon公司生产的AS-PHX-D24CL-PE1)。

其中，

所述的测量运动微粒速度的测速装置，采用通过样品流2的两个或多个测速光束及相应的光传感器或置于样品流2附近的两个或多个测速电传感器在运动微粒通过测速光束或测速电传感器时产生两个或多个测速电脉冲信号。

具体的，所述的测速装置包括有：测速输入光束3，用于照射样品流2中的运动微粒1；分光器4，位于样品流2远离测速脉冲装置9的一侧，使测速输入光束3被分为两束或多束测速光束后再通过样品流2；第一测速光传感器7和第二测速光传感器8，并排位于样品流2另一侧，其输入端分别接收样品流2中运动微粒通过第一和第二测速光束时产生的散射光，其输出端分别与测速脉冲装置9相连将所产生的测速电脉冲信号，送至测速脉冲装置9。

或者如图2所示，所述的测速装置包括有：分别对应的设置在样品流2两侧的第一测速电传感器31的两个电极，以及分别对应的设置在样品流2两侧的第二测速电传感器32的两个电极，用于获得两个测速电信号脉冲。

所述的具有时间延迟积分功能的时间延迟积分图像传感器23为特殊设计的图像传感器(如Hamamatsu公司生产的型号为S10201-04的图像传感器)，其垂直于图像读出移动方向的行像素电荷可在输入的同步触发时钟信号控制下在同一个方向上与运动微粒产生的相干散射光空间分布同步移动直至到达位于传感器输出端的读出寄存器，行像素电荷在移动过程中可连续地接受由同步运动的相干散射光空间分布转换得到的信号电荷，从而可同时消除微粒运动造成的图像模糊并提高衍射图像信噪比或对比度。

本发明的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统的工作原理如下。

如图1所示，本发明的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，第一测速光束5和第二测速光束6即通过分光器4将测速输入光束3分为两束而获得。随样品流2移动的运动微粒1在经过第一测速光束5和第二测速光束6时会产生各自的散射光脉冲，由第一测速光传感器7和第二测速光传感器8分别转换为测速电脉冲信号后输出至测速脉冲装置9。由于运动微粒通过第一测速光束5和第二测速光束6的时间不同，也即两个测速电脉冲信号之间存在一与运动微粒流动速度成反比的延迟时间。测速脉冲装置9可根据该延迟时间输出一其重复频率与其成反比的测速电脉冲序列信号，该测速电脉冲序列信号的起始时间由测速电脉冲信号起始时间决定，通过测速电脉冲序列信号输出线10输入至同步触发脉冲装置11。而同步触发脉冲装置11在收到测速电脉冲序列信号后，根据其起始时间与重复频率产生多个同步触发时钟信号，其起始时间、脉冲个数和时间间隔分别由时间延迟积分图像传感器23的触发时间、行图像像素个数以及所测相干散射光空间分布移动速度决定。同步触发脉冲装置11可用现场可编程门阵列器件(如Altera公司生产的Cyclone系列产品)实现上述功能。同步触发时钟信号经同步触发时钟信号输出线12输出至时间延迟积分图像传感器23，对移动的相干散射光束21进行同步测量。测量运动微粒速度的另一种实现方法可基于电学测量原理。

如图2所示，即为使用两或多对置于层流或样品流两边的电传感器电极测量运动微粒的速度。电学测速可通过不同方式实现，例如测量运动粒子在电传感器电极之间通过时造成的直流阻抗变化或交流电导率变化所形成的测速电脉冲信号。由于运动粒子通过第一测速电传感器31和第二测速电传感器32的时间不同，所获得两个测速电脉冲信号之间存在与运动微粒流动速度成反比的时间延迟，在与起始时间一同输出至测速脉冲装置9后通过与图1所述的相同方式产生用于对相干散射光束21进行同步测量的同步触发时钟信号。

图3所示为测速脉冲装置9的一种实施方式。通过光传感器7和8所获得的测速电脉冲信号分别输入至第一电脉冲信号整形器33与第二电脉冲信号整形器34。脉冲信号整形器可将测速电脉冲信号放大后变为时钟信号发生器35所能接受的脉冲信号，可用差动电压比较器(如Texas Instruments公司生产的LM311)和其它元件实现这些功能。时钟信号发生器35用于根据输入的脉冲信号的起始时间和延迟时间产生测速电脉冲序列信号，通过测速电脉冲序列信号输出线10传送至同步触发触发装置11。时钟信号发生器35可用单片微控制器(如Philips Semiconductors公司生产的P89V51RD2FA)实现此功能。

图4示意性地介绍了用于测量衍射图像的时间延迟积分图像传感器23所涉及的时间延迟积分测量原理。与普通图像传感器不同，时间延迟积分图像传感器23允许像素在读出移动过程中继续接受通过成像系统后到达传感器的相干散射光。当运动微粒1在t₁时间进入图像传感器视场时由于入射激光束激发而产生相干散射光，其空间分布在图3中由a散射子光束和b散射子光束示意性地代表，分别用实线40和41表示。其中的a散射子光束40在通过成像光学系统(图4中未显示)后到达图像传感器的顶部某一像素位置并在t₁时间转换为A行对应像素电荷。运动微粒在时间为t₂期间移动至新的位置，由图3中的虚线和t₂标志显示。在同步触发时钟信号的控制下，A行像素电荷也相应移动到新的位置，如图3显示的t₂时的A行像素电荷。在与a散射子光束40同步移动过程中，A行对应像素接受同一a散射子光束所含的光子并产生新的电荷，与已移动储存至该像素位置内的电荷连续相加也即对电荷“积分”。类似地，运动微粒产生的b散射子光束41在t₂时进入视场后，对应的t₂时的B行内像素会在同步移动过程连续地接受同一b散射子光束所含的光子并积分电荷。上述电荷积分过程在像素行到达位于时间延迟积分图像传感器23输出端的读出寄存器42时结束，所积分的电荷达到最大值，在图3中由相应像素的灰度增加代表。在同步移动条件下，每一像素所输出的积分电荷完全来自于运动微粒在视场内所产生的同一散射子光束的光子，因此不会造成由于接受来自于不同散射子光束的光子而形成的图像模糊现象。此外由于时间延迟积分图像传感器23可在运动微粒在视场内移动过程中连续曝光，其有效曝光时间可远大于普通图像传感器，从而可提高衍射图像的对比度或信噪比。

从下述例子可看出使用时间延迟积分图像传感器的益处。考虑一个移动速度v为20毫米／秒，直径d为10微米的细胞。如果使用一个普通图像传感器，当曝光时间t选为100微秒=0.1毫秒时，细胞在曝光时间内移动距离D为2微米，也即细胞的相对移动百分比为D／d=20％。这样大的相对移动会使得所测量到的衍射图像产生相当大的模糊，造成图像对比度下降，可能会影响根据图像特征辨别细胞种类的能力。如采用具有128行像素的时间延迟积分图像传感器，在行像素电荷移动速率与运动微粒通过成像系统后到达传感器上的相干散射光空间分布同步移动的条件下，细胞的相对移动百分比为0，也即完全消除了相对运动造成的图像模糊；而如果时间延迟积分图像传感器的128行像素通过成像系统形成的在微粒移动方向上的视场距离L为100微米=0.1毫米时，则微粒在通过距离L时所需的时间T为L／v=0.2／20=0.01秒=10毫秒，由于时间延迟积分图像传感器可在微粒通过视场距离L时的全部时间内保持曝光，所以时间延迟积分图像传感器所接受的散射光子数为上述普通图像传感器的100(=T／t)倍，因此可极大地提高所测量到的衍射图像信噪比和对比度。

Claims (5)

1.一种测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，包括有用于测量样品流(2)中运动微粒(1)产生的相干散射光空间分布的衍射成像装置，其特征在于，还包括有：

测量运动微粒速度的测速装置，用于产生样品流(2)中运动微粒(1)的两路或多路测速电脉冲信号；

测速脉冲装置(9)，与测量运动微粒速度的测速装置相连，根据运动微粒两路以上测速电脉冲信号自动产生测速电脉冲序列信号；

同步触发脉冲装置(11)，与测速脉冲装置(9)相连，根据测速电脉冲序列信号产生同步触发时钟信号，该同步触发时钟信号包括测量运动微粒产生的相干散射光空间分布所需的触发时间和利用时间延迟积分方法所需的确定行像素转移速率的重复频率；

时间延迟积分图像传感器(23)，与同步触发脉冲装置(11)相连，根据同步触发脉冲装置(11)发出的同步触发时钟信号的触发时间和重复频率，测量通过成像装置(22)采集的由运动微粒产生的相干散射光空间分布而获得衍射图像，该衍射图像的行像素信号输出至行像素图像信号读出装置(25)，该行像素图像信号读出装置(25)将模拟行像素图像信号转换为数字行像素图像信号；

图像信号处理传输装置(27)，与行像素图像信号读出装置(25)相连，用于将所获得的数字衍射图像信号传输至图像处理存储装置(29)。

2.根据权利要求1所述的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，其特征在于，所述的测量运动微粒速度的测速装置，是采用通过样品流(2)的两个或多个测速光束以及相应的光传感器，在运动微粒通过测速光束时产生两个或多个测速电脉冲信号；或者是采用置于样品流(2)附近的两个或多个测速电传感器，在运动微粒通过测速电传感器时产生两个或多个测速电脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，其特征在于，所述的测速装置包括有：

测速输入光束(3)，用于照射样品流(2)；

分光器(4)，位于样品流(2)远离测速脉冲装置(9)的一侧，使测速输入光束(3)被分为两束或多束测速光束后再通过样品流(2)；

第一测速光传感器(7)和第二测速光传感器(8)，并排位于样品流(2)另一侧，输入端分别接收样品流(2)内运动微粒穿过相应测速光束时产生的散射光，输出端分别与测速脉冲装置(9)相连将所产生的测速电脉冲信号，送至测速脉冲装置(9)。

4.根据权利要求2所述的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，其特征在于，所述的测速装置包括有：分别对应的设置在样品流(2)两侧的第一测速电传感器(31)的两个电极，以及分别对应的设置在样品流(2)两侧的第二测速电传感器(32)的两个电极，用于获得两个测速电脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，其特征在于，所述的同步触发脉冲装置(11)所产生的同步触发时钟信号由多组时钟信号组成，所述多组时钟信号中的行像素移动时钟信号的时间间隔由所测相干散射光空间分布移动速度决定，所述多组时钟信号中的行像素读出时钟信号的脉冲个数由时间延迟积分图像传感器(23)的行像素个数决定。

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