CN105308434A - 用于液体样品实时分析的光学系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种适合用于确定包括多个对象的至少部分液体体积的作为时间函数的特性的光学系统。所述光学系统提供液体体积中的改变的快速检测。所述光学系统包括-光学检测组件，包括被配置成采集图像采集区域的图像的至少一个图像采集设备；-样品设备，包括适合用于容纳所述液体体积的样品的至少一个样品容器；-平移装置，被配置成平移所述图像采集区域通过所述样品容器的至少一个部分，以执行沿通过所述样品容器的所述部分的扫描路径的扫描；以及-图像分析处理系统。所述光学系统被编程为执行通过所述样品容器的所述至少一个部分的接连扫描，其中每一次扫描包括通过光学检测组件在图像采集区域沿扫描的至少一个扫描路径平移时，在图像采集区域的多个图像采集位置处采集图像。所述图像分析处理系统被编程为，针对在来自每一个相应扫描的所述图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描确定至少一个导出结果，所述导出结果是从多个值集合导出，并且呈现作为时间函数的从相应接连扫描获得的所述导出结果。

Description

用于液体样品实时分析的光学系统和方法

技术领域

本发明涉及用于执行液体样品的实时分析的光学系统和方法，包括确定作为液体样品的时间函数的特性，所述液体样品包括多个对象。

背景技术

液体样品的实时分析使用在其中期望确定样品中对象改变的许多技术领域内。如果需要高精度结果的话，这样的实时分析通常相当耗时。实时分析特别地用于确定样品中的对象对一个或多个所选物质的敏感性，例如液体样品中的抗生素敏感性，其例如应用于确定样品中所存在的微生物的类型或者确定样品中的微生物是否对所选抗生素敏感，从而找到用于治疗被微生物感染的患者的抗生素。

抗生素敏感性测试使用在医院、健康门诊、医学产品工厂、食品和饮品生产工厂等中。大量的不同化学品和标准化过程以及所执行的海量测试每年为受益于广泛增长的微生物的巨型工业提供了空间。许多现有技术测试非常耗时（例如由于长测试培养周期），要求过多人力（例如用于在有盖培养皿或类似物中隔离和生长微生物），和/或非常昂贵。

由于现有技术敏感性测试通常花费长时间，因此医生往往为被感染的患者开具广谱抗生素的处方而不管很多时候本可以使用直接瞄准疾病成因的较为窄谱的抗生素这一事实。甚至在执行敏感性测试并且找到直接瞄准成因的窄谱抗生素的情况下，通常标准是继续利用广谱抗生素进行治疗，这是因为发现在完成之前停止抗生素治疗是抗生素耐药性的主导成因之一。

由于广谱抗生素的使用增加产生抗多种病原体微生物的风险，因此相比于使用窄谱抗生素时的风险，存在尽可能快地执行敏感性测试的需要。

所执行的最常见的敏感性测试之一是测试尿液以检测尿路感染（UTI）。这样的敏感性测试通常在中心实验室执行，这可能进一步增加测试结果递送时间。

当已经确定用于破坏微生物的最佳抗生素时，通常重要的是确定要开具处方的抗生素浓度（最小抑菌浓度（MIC））。该测试可以增加可以对最优治疗开具处方之前的进一步延迟。

目前的测试方法要求使用大量不同的化学品和标准化过程。美国的标准由CLSI（临床和实验室标准协会）维护。该标准描述了测试细节，诸如如何设置测试，包括接种（浓度）、隔离距离、温度、生长结果的检查、培养周期。测试培养周期可以从几小时（例如16-24小时）改变至若干天（例如3-6天）。

已经做出若干尝试以用于提供改进的实时分析，特别是带有减少测试时间的目的，以使用自动化测试过程或减少成本。

US2008/0268469公开了一种颗粒物分析器，其允许在正向和反向流动方向二者上的流动条件中测量一个或多个经标记的颗粒物。颗粒物的流线（“塞子（plug）”）可以通过例如使毛细管内的流体前后振动而形成在流体体积内；塞子可以被控制以便通过测量区域振动以供分析。

US6,153,400公开了一种用于执行微生物抗生素敏感性测试的方法和装置，包括一次性、多腔敏感性板和自动板处置器以及图像采集和处理仪器。敏感性板接种有微生物并且施加（多个）抗菌试剂，使得微生物暴露于各种浓度或梯度的每一种抗菌试剂。然后将板放置在仪器中，其监视和测量微生物的生长。该数据用于确定微生物对抗生素的敏感性。这样的系统通过使用固体培养基和Kirby-Bauer标准化结果报告来使抗菌敏感性测试自动化。该系统是部分自动的，但是处置用于扩散测试的琼脂板。

US4,448,534公开了一种用于自动电子扫描包含许多液体样品的多井托盘的每一个井的装置。优选地为单个源的光源穿过井而到光敏单元的阵列，每一个井一个光源。还存在接收光的校准或比较单元。电子装置顺序读取每一个单元，快速完成扫描而没有任何部分的物理移动。将结果得到的信号与来自比较单元的信号和与其它信号或所存储的数据比较，做出确定结果并且显示或打印出来。由此可以实现作为药物的最小抑菌浓度（MIC）和微生物的标识这样的事项。

US2012/0244519公开了用于执行微生物敏感性测试的系统和方法，其中系统能够确定描述液体样品中的各个生物有机体的微生物活动的至少一个参数的值。所述系统包括用于采集图像以形成液体样品中的生物有机体的至少第一光学区段，并且用于分析图像以确定描述样品中的各个生物有机体的微生物活动的值的扫描装备。所述系统可以同时应用于若干样品。扫描和值确定可以在充足的时段内重复直到采集到充足的信息。

以上描述的敏感性测试系统和方法在许多情形中显示出是有效的，然而，仍旧存在对于特别是关于执行非常快且可靠的实时分析的改进的需要。

发明内容

本发明的目的是提供用于执行包括多个对象的液体样品的实时分析的光学系统和方法，其中分析可以快速执行而同时仍旧提供高度可靠的结果。

另外的目的是提供可以应用于执行既快速又提供高度可靠结果的敏感性测试的光学系统和方法。

这些和其它目的已经通过如权利要求中限定并且如本文在以下所描述的发明得以解决。

已经发现，本发明和/或其实施例具有数个附加优点，其将从以下描述中而对本领域技术人员清楚可见。

应当强调的是，术语“包括/包含”在使用在本文中时要解释为开放术语，即其应当被理解为指定诸如（多个）元件、（多个）单元、（多个）整数、（多个）部件及其（多个）组合之类的（多个）具体陈述的特征的存在，但是不排除一个或多个其它陈述的特征的存在或添加。

术语“基本上”在本文中应当理解成意指包括普通产品变动和容差。

本发明的光学系统适合用于确定包括多个对象的至少一部分液体体积的作为时间函数的一个或多个特性。

关于液体体积或其部分所使用的术语“特性”在本文中用于意指可以在光学上确定或者可以从其导出的任何性质或性质的组合。以下提供合适特性的实例。有利地，所应用的特性是涉及液体体积中的对象的某个性质的特性，诸如在对象是微生物情况下的状态或生长，或者在对象是金属情况下的侵蚀状态。

在以下描述中，术语“特性”当以单数使用时应当解释成还包括该术语的复数含义，除非从文本清楚可见其意指单个特性。

术语“对象”意指未溶解在液体中并且可以在光学上检测（例如通过光散射光学系统或光吸收光学系统）的液体体积中的任何物质。有利地，对象是颗粒或颗粒的集群。以下描述颗粒的实例。在实施例中，对象是气泡。

在以下描述中，术语“对象”当以单数使用时也应当解释成还包括该术语的复数含义，除非从文本清楚可见其意指单个对象。

本发明的光学系统包括

-光学检测组件，包括被配置成采集图像采集区域的图像的至少一个图像采集设备；

-样品设备，包括适合用于容纳所述液体体积的样品的至少一个样品容器；

-平移装置，被配置成平移所述图像采集区域通过所述样品容器的至少一个部分，以执行沿通过所述样品容器的所述部分的扫描路径的扫描；以及

-图像分析处理系统。

所述光学系统被编程为执行通过所述样品容器的所述至少一个部分的接连扫描，其中每一次扫描包括通过光学检测组件在图像采集区域沿扫描的至少一个扫描路径平移时，在图像采集区域的多个位置处采集所述图像采集区域的图像。

一般所期望的是，在多个位置中的每一个处采集一个图像。这些位置在下文中还称为图像采集区域的“图像采集位置”。

图像分析处理系统被编程为，针对在来自每一个相应扫描的所述图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描确定至少一个导出结果。所述导出结果是从多个值集合导出，并且呈现作为时间函数的从相应接连扫描获得的所述导出结果。

扫描路径可以具有任何期望的长度。扫描路径通过平移单元的编程和样品设备与光学检测组件之间的位置限定。术语“接连扫描”意指紧接在彼此之后或者以一个或多个所选时间间隔执行的多次扫描。接连扫描可以是相等的或者它们可以彼此不同。

术语“特征”在本文中意指液体体积的对象的性质。特征涉及对象而非整个液体体积或在其上执行确定的部分。特征集合意指针对同一对象的数个特征。特征集合以值集合的形式确定，这样使得可能甚至在特征具有相当不同类型的情况下操作和执行数据的处理。

虽然针对相应对象确定特征集合，但是针对从多个值集合导出的每一次扫描确定导出结果。这意味着导出结果不是各个对象的度量，而是在确定中同时使用的所有对象的度量。

本发明的光学系统显示出非常快速且可靠，并且已经发现可以令人惊喜地快速且以非常高的可靠性标识和分析液体体积中的对象改变的确定。认为该高级效果的原因是由于以下事实：光学系统在相应对象上执行确定，而导出结果是在确定中使用的所有对象的度量。在单独对象的特征例如以长时间间隔（例如1小时）经受改变的情况下，针对多个这样对象的包括所讨论特征的导出结果将在统计上更快得多地反映对象的改变。同时，可以大幅降低所不期望的噪声，因为光学系统在各个对象上执行光学测量。

针对其确定值集合的对象可以具有类似的类型或者它们可以是不同的。在实施例中，针对其确定值集合的对象具有相同的材料或相同的生物学家族。在相应图像采集位置处采集的图像包括多个对象的图像，优选地为针对每一次扫描的多个对象。

在相应扫描中成像的对象可以相等或者它们可以彼此不同。

在实施例中，导出结果从具有预选放大率的多个值集合导出。

在实施例中，以预选放大率导出导出结果，其中放大率被选择成相对于预期改变而放大导出结果，其中预期改变是被适配成被监视的改变——例如生长率或磨损的改变。

在其中预期改变可以由特征的变化指示的实施例中，以包括导出结果包含针对相应特征集合的至少一个特征的值的变化的预选放大率导出所述导出结果。

在实施例中，以包括导出结果包含针对相应特征集合的至少一个特征的值的变化以及针对相应特征集合的相同的至少一个特征的值的平均值和/或中值的预选放大率导出导出结果。

在实施例中，以预选偏置的形式的预选放大率导出导出结果。

以预选偏置导出导出结果意味着针对相应特征集合的至少一个特征的值以预选偏置应用在导出结果的确定中。

短语“针对相应特征集合的至少一个特征的值”意指针对每一个对象的所讨论的特征的每一个值。预选偏置可以是任何偏置，只要针对相应特征集合的一个或多个特征的值未以相等权重应用即可。预选偏置可以例如是特征的最低值的分数被加权低于该特征的最高值的分数。在实施例中，预选偏置包括忽略某个阈值以上或以下的值。在实施例中，预选偏置包括来自值集合的值子集合的基值。

有利地，偏置被选择成放大导出结果，其指示特征的（多个）预期改变，其中预期改变是被适配成被测试的改变的（多个）改变——例如生长率或磨损的改变。

通过以预选偏置从多个值集合获得导出结果，将甚至比以相等权重应用值集合的情况更快地观察到特性的改变，这是因为在以预选偏置获得导出结果的情况下，几个对象的甚至微小的改变将是可见的。

有利地，在一个接连扫描中成像的多个对象同样在多个其它接连扫描中成像。由此，可以发现所讨论特性的任何改变的非常快速的确定。有利地并且为了高分辨率，在相应扫描中成像的对象基本上等同，这意味着在一次扫描中成像的大约至少90%的对象也在其它扫描中成像，优选地在接连扫描的所有其它扫描中成像。

在实施例中，液体样品构成要检测的整个液体体积。然而，在大多数情形中，在液体体积的部分上执行确定是足够的。

在实施例中，样品表示较大的液体体积，其中样品中的改变被预期为在较大的液体体积中。在实施例中，液体样品是整个液体体积的部分体积。在液体体积基本上均匀的情况下，确定整个液体体积的样品部分上的特性可能是足够的。

在原理上，液体样品相对于整个液体体积的体积可以根据整个液体体积的大小而具有任何值，诸如从0.0001%并且直至100%。在实施例中，液体样品是可选地稀释以得到增加的分辨率的液体体积的特定回收样品。液体样品的体积可以例如为几微升或甚至更少，诸如从0.1μl到1ml。

在实施例中，液体样品是液体体积的步进式或连续改变的部分。在该实施例中，样品设备有利地包括用于将液体样品馈送至样品设备和/或从样品设备回收液体样品的至少一个开口，可选地该一个或多个开口包括用于调节和/或控制通过（多个）开口的流动的阀门。样品设备还可以包括用于调节和/或控制通过（多个）开口的流动的泵。样品容器例如可以如WO2011/107102中所描述的那样。关于WO2011/107102中所描述的样品设备的形状和操作的描述通过引用并入本文。

由于系统的简化性，已经发现光学系统可以以非常紧凑且成本有效的方式提供，这使得其适合用于相对快速地执行照护点敏感性测试而同时仍旧提供高度可靠的结果。

作为时间函数的从相应接连扫描获得的导出结果可以以任何合适的方式呈现在例如屏幕上或纸面上。通常计算机用于呈现。呈现可以以曲线的形式或者以数字列表的形式。

图像分析处理系统优选地被编程为将导出结果与诸如给定设置点或曲线或类似物之类的参考比较。如果样品对于某个微生物、抗生素反应或与测试相关的其它物是正面的，参考例如是预期结果的指示。在实施例中，作为时间函数的从相应接连扫描获得的导出结果可以以其与参考的关系的形式呈现。

术语“作为时间函数”用于指示导出结果以偏移时间而在时间上移位，如以下所讨论的那样。

在实施例中，对象是颗粒或颗粒的集群。颗粒可以是生物起源的或非生物起源的或者它们可以是混合物。在实施例中，颗粒选自非生物颗粒，诸如金属颗粒、聚合物颗粒、晶体及其混合物。在实施例中，颗粒选自生物颗粒，诸如细菌、原始细菌、酵母、真菌、花粉、病毒、白细胞的颗粒，诸如粒细胞、单核细胞、红细胞、血小板、卵母细胞、精子、受精卵、干细胞、体细胞、恶性细胞、脂肪滴及其混合物。

如本领域技术人员应当清楚的，颗粒在原理上可以是任何种类的颗粒，然而，一般优选的是颗粒是在经受所选条件时能够相对快速地经历改变的颗粒。

颗粒集群（为了简化还称为集群）在本文中意指相比于来自另一颗粒集群的颗粒或并非颗粒集群部分的颗粒在物理上彼此更相互关连的颗粒组。颗粒集群将典型地包括比来自另一颗粒集群的颗粒或并非颗粒集群部分的颗粒更明显靠近颗粒集群的其它颗粒的颗粒。术语“明显更靠近”在本文中意指更靠近至少大约10%。有利地，颗粒集群被确定为包括具有从集群的颗粒到从颗粒集群排除的最靠近颗粒的最小距离的大约10%或更小的到集群另一最靠近颗粒的距离的颗粒。在大多数情形中哪些颗粒形成集群的部分是直观明显的。通常，颗粒集群的颗粒在物理上彼此接触。

在实施例中，颗粒集群包括颗粒的若干类型的颗粒。这样的多类型颗粒集群可以被视为一个对象，或者可替换地，将类型颗粒集群子划分成相应类型的颗粒的子集群。有利地，基于多类型颗粒集群的对象是以包括所选类型颗粒的这样子集群的形式。在该实施例中，一个或多个其余子集群可以形成分离的对象和/或一个或多个其余子集群可以作为噪声被丢弃。

在实施例中，颗粒集群是相同类型的颗粒集群，并且液体体积可选地包括被视为噪声的其它颗粒。

在实施例中，颗粒包括病原体，诸如选自病毒病原体、细菌病原体、寄生虫、真菌病原体、prionic病原体及其组合的病原体。已经发现，本发明的光学系统对于执行针对这样的病原体的敏感性测试高度有效。

（多个）病原体可以是可以在液体样品中的任何种类的病原体或病原体的组合。病原体的实例是由美国的国立变态反应与传染病研究所（NIAID）列出的病原体。

病原体可以例如是食物污染病原体，诸如蜡样芽胞杆菌、空肠弯曲杆菌、肉毒梭状芽胞杆菌、梭状芽孢杆菌产气荚膜杆菌、隐孢子虫孢子、大肠杆菌0157:H7、兰伯氏贾第虫、甲型肝炎、单核细胞增多性李斯特氏菌、诺瓦克、类诺瓦克、或诺瓦克病毒、沙门氏菌病、葡萄球菌、志贺氏杆菌、弓形虫、弧菌、耶尔森氏鼠疫杆菌。

本发明在对象是或包括导致人类或动物疾病的病原体的情况下特别有利。

导出结果涉及待确定特性，使得确定为时间函数（即利用一个或多个所选时间间隔确定）的导出结果提供关于特性的信息。导出结果可以包括关于若干特性的信息，如果期望的话。导出结果可以以所讨论的特性的值或若干值的形式，或者其可以以符号的形式，诸如接通/关断标记、是/否标记、真/假标记或类似的二进制标记。

在光学系统的实施例中，一个或多个特性包括以下中的一个或多个：几何特性，诸如大小或形状；光相互作用特性，诸如对比度、光散射性质、吸收、透明度、集群中颗粒的数目、集群中颗粒之间的距离、集群之间的距离、颗粒或颗粒集群的形成或再形成或者样品的均匀性/非均匀性。

确定为时间函数的特性在原理上可以是可以随时间改变的任何特性。根据要测试的样品并且鉴于应当针对什么测试样品来有利地选择特性。如果例如针对随时间改变形状的微生物的存在而测试样品，特性有利地包括几何特性，而在针对其衰减影响其光相互作用的颗粒衰减测试样品的情况下，特性有利地包括光相互作用特性。

在实施例中，特性是多特征确定，其为液体样品和液体样品中的颗粒的特定条件提供指纹。当特性在改变时，指纹改变并且从而可以得出结论，液体样品和颗粒的条件也在改变。

指纹可以例如是瞬时条件的指纹或者其可以是发展条件下的指纹。

在实施例中，特性是如果相应对象的一个或多个颗粒经受磨损、衰减生长或死亡则将经历改变的特性。

在其中样品包括针对例如样品在扫描之间或扫描期间可以经受的化学和/或机械影响之下的磨损（诸如侵蚀或肿胀）而测试的材料颗粒的实施例中，（多个）特性被有利地选择成包括一个或多个几何特性和/或一个或多个光相互作用特性。

在其中样品最初不包括任何颗粒但是其中颗粒预期通过例如结晶形成的实施例中，（多个）特性被有利地选择成包括一个或多个几何特性和/或一个或多个光相互作用特性。直到形成第一若干个颗粒之前，导出结果正常将为0或用于0的符号。此后颗粒的生长可以跟随有作为时间函数的导出结果。

在其中怀疑样品包括在生长期间形成生物膜的微生物的实施例中，特性被选择成包括颗粒或颗粒集群的形成或再形成。由此当从相应扫描获得的导出结果以扫描顺序呈现时，如果一个或多个生物膜已经或即将形成，其可以被观察到。有利地，导出结果还包括涉及这样的生物膜位置的信息，其可以提供关于样品中的生物体的附加信息。

在实施例中，如果相应对象的一个或多个颗粒是或包括存活颗粒，特性是将经历改变的特性。

在实施例中，特性提供示出对象是否是或包括存活颗粒的指纹。有利地，特性提供示出生长条件的指纹，诸如生长率、营养消耗、营养状态、死亡率或其它生长条件。

液体体积可以是任何类型的液体体积，其中液体样品在执行扫描的时间处至少部分是液体。

光学系统可以是包括如权利要求中所限定的那样编程的光学检测组件、样品设备和平移装置以及图像分析处理系统的任何种类的光学系统。在实施例中，光学系统如US2011/0261164、US2012/0327404、US2012/0244519或在共同未决申请DKPA201270800中所描述的那样，具有将光学系统编程为执行通过样品容器的部分的接连扫描的修改，其中每一次扫描包括通过光学检测组件沿扫描的至少一个扫描路径采集图像采集区域的图像采集位置处的图像；并且图像分析处理系统被编程为，针对来自相应扫描的图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描确定至少一个导出结果，所述导出结果是从多个值集合导出，以及呈现作为时间函数的从相应接连扫描获得的导出结果。

光学系统有利地包括布置成优选地沿光轴光照样品使得电磁波被引导朝向样品设备和图像采集设备的光照设备。光照设备可以是——或者其可以包括——发射任何种类的电磁波——可见或不可见——的任何类型的光源。光源可以是激光，例如超连续光源、普通光或适合用于要执行测试的任何其它光源。

光照设备可以连接到或者合并到光学检测组件，或者其可以是分离的光照设备。光学系统可以包括若干光照设备。光照设备在实施例中以静止连接安装到光学检测组件。

光照设备和光学检测组件在实施例中布置成维持作为反射图像的图像，即光照设备和光学检测组件布置在样品设备的相同侧上。

光学系统被编程为通过包括样品的样品容器的至少一个部分执行接连扫描，使得样品的全部或部分被扫描多次。在原理上，多个接连扫描可以是样品的不同部分的扫描，特别是在样品相对均匀的情况下。有利地，多个接连扫描包括样品的第一部分的若干扫描。在实施例中，光学系统被编程为执行样品的第一部分的若干扫描和样品的第二部分的若干扫描，从而提供用于观察样品是否不均匀或者其是否以不均匀的方式发展的基础。在实施例中，样品在确定之间——连续或步进地——部分或全部改变。

优选地，光学系统被配置成在所述多个位置处采集所述图像采集区域的所述图像，其中所述图像采集区域相对于样品容器静止。

短语“其中所述图像采集区域相对于样品容器静止”意指图像采集区域按步平移并且静止，即在采集图像的时间处的平移步之间。

根据本发明，已经发现，在所述图像采集区域在其中采集相应图像的位置处相对于样品容器静止的情况下，本发明的系统甚至更加被优化，以用于快速且以非常高的可靠性确定液体体积中的对象的改变。

在实施例中，样品容器被构造成在扫描期间基本上静止地容纳样品。

短语样品基本上静止意指液体样品未经受流动或动荡的移动。样品中的颗粒可以例如由于布朗噪声和/或各个存活对象的移动和/或由平移装置导致的移动而移动。

样品容器有利地成形以确保其中容纳的液体样品的尽可能小的移动，使得样品在扫描期间不经受流动或动荡。在实施例中，容器被成形有仅一个开口，例如具有或没有盖子的腔体。

有利地，光学系统被配置成在所述多个位置处采集所述图像采集区域的所述图像，其中样品容器中的样品基本上静止。

通过采集图像而同时样品基本上静止，确保图像采集将尽可能地锐利，从而导致非常高的分辨率，其使得对象的标记过量。

在实施例中，光学系统被编程为以相应扫描之间的时间偏移来执行接连扫描。

时间偏移被确定为相应扫描的发起之间的时间。

有利地，两次扫描之间的时间偏移至少大约0.1秒，诸如从大约1秒到大约24小时，诸如从大约5秒到大约10小时。

接连扫描以接连扫描之间的时间偏移执行。时间偏移可以相同或彼此不同。接连扫描之间的最优时间偏移特别地取决于样品和样品中的对象。在原理上，时间偏移可以如光学检测组件所准许的那样短。然而，如果彼此之后的若干扫描已经示出没有所讨论的特性的改变，则在随后扫描中应用较长的时间偏移通常将是适当的，直到已经观察到所讨论的特性的改变。

有利地，光学系统被编程为根据从一个或多个之前执行的扫描获得的导出结果，设置即将执行的扫描之间的时间偏移，优选地使得如果来自两个或更多之前执行的扫描的导出结果基本上等同，则即将执行的扫描之间的时间偏移相对长，并且使得如果来自两个或更多之前执行的扫描的导出结果不同于彼此，则即将执行的扫描之间的时间偏移相对短。

光学系统优选地被编程为在例如利用第一少数扫描的确定的开始中应用相对低的时间偏移。如果导出结果不改变，则光学系统优选地被编程为增加时间偏移，直到观察到导出结果的改变，此后时间偏移降低以获得导出结果改变的良好分辨率。

每一次扫描包括通过光学检测组件沿扫描的至少一个扫描路径在图像采集区域的多个图像采集位置处采集图像。针对每一次扫描所采集的图像数目可以是提供合适分辨率的任何数目。在实施例中，针对每一次扫描所采集的图像数目至少为大约5，诸如直至数千。针对每一次扫描所采集的图像的最优数目取决于液体和对象的大小和类型以及对象的浓度和要执行的测试类型。本领域技术人员将能够选择对于给定测试而言既充足又适宜的数目。

图像分析处理系统有利地包括将所采集的图像存储在其上的存储器。有利地，还存储关于所采集图像的位置的数据，使得关于所采集图像和可选地子图像的位置的数据可以被检索以供存储。子图像意指图像的区段。大小和其它相关数据可以例如存储为子图像中的元数据。

图像分析处理系统被有利地编程为分析所采集的图像，例如通过将它们分段成进一步分析的子图像。分段有利地包括将数字图像划分成多个段（像素集合，还已知为超级像素）的过程。分段的目标是将图像的表示简化和/或改变成更有意义并且更易于分析的某物。图像分段典型地用于定位图像中的颗粒和边界（线、曲线等）。在实施例中，图像分段包括向图像中的每一个像素分配标签的过程，使得具有相同标签的像素共享某些视觉特性。

有利地，首先针对诸如具有欠佳的光水平的区、其中样品容器外部的物项可能遮挡图像的区、在图像采集期间具有流动迹象的区等之类的劣质区来扫描所采集的图像。然后从过程的其余部分丢弃这些区。随后，在所采集的图像的其余部分中执行颗粒的分段。

分段有利地包括可能看起来是颗粒的图像的图像中每一个段的标识。优选地，从图像的其余部分复制每一个所标识的段，并且将该子图像有利地应用到数个滤波器，诸如形状滤波器、大小滤波器、对比度滤波器、强度滤波器等。

当接受到包括例如颗粒的对象（在焦点中或焦点外）的图像的子图像时，接受该子图像用于进一步处理。当原始图像中的所有可能颗粒已经被标识和记录时，可以存储原始图像以供稍后使用。

在实施例中，如果子图像经过一个或多个滤波器并且子图像然后候选包括颗粒图像，则接受包括颗粒图像的子图像，并且因此记录和存储子图像。所接受的子图像可以经受进一步的处理，诸如在共同未决的专利申请DKPA201270800中所描述的那样。在实施例中，与形状、颜色、大小、在焦点中或在焦点外或者其它光学可检测性质有关地进一步对所接受的子图像进行分类，并且有利地，堆叠同一扫描的多个子图像中发现的同一对象的子图像，并且最终确定针对相应对象的特征集合。术语“子图像”在本文中用于意指包括焦点中或焦点外的对象的所采集图像的区段。术语“子图像的堆叠”用于意指在同一扫描中获得的同一对象的数个子图像。

在实施例中，针对特定对象的扫描确定的特征集合如共同未决的专利申请DKPA201270800中所描述的那样获得。如DKPA201270800中所使用的术语“对象”意指所接受的子图像，而在本文中其具有如以上所限定的含义。

用于相应扫描的扫描路径可以相等或彼此不同。为了较简单的确定，用于相应扫描的扫描路径基本上相等，即在相同或相反扫描方向上经过相同的路径。有利地，扫描路径是笔直路径或圆形路径。在实施例中，平移装置被配置成通过移动样品容器来将图像采集区域平移通过样品容器中的样品。在实施例中，沿一个或多个笔直路径移动样品容器。在实施例中，通过旋转移动样品容器。样品容器可以包括若干样品容器区段，每一个样品容器区段用于分离的样品。在实施例中，样品容器包括布置在围绕中心的圆形图案中的多个样品容器区段，并且平移装置被配置成通过关于作为中心轴的中心旋转样品容器，来将图像采集区域平移通过样品容器区段中的样品。旋转运动可以同时用于通过将物质预先布置在从中心到一个或多个样品的方向上引导的通道中，来向一个或多个样品添加物质。当样品容器以所选旋转速率旋转时，物质将被离心力迫使进入一个或多个样品容器中。

在实施例中，图像分析处理系统被编程为确定包括至少N个特征的预确定的特征集合的值集合，其中N为1或更大，诸如2或更大，诸如3或更大，诸如4或更多，诸如高达大约100。

数目N可以是任何整数。在大多数情形中N将被选择成从大约3到大约100。

值集合的确定可以例如如DKPA201270800中所描述的那样确定。

在实施例中，特征和特征集合如DKPA201270800中所描述的那样。

特征可以是单独或与其它特征组合地可以用于确定所讨论特性的任何特征。

可以限定和实现许多不同的特征。许多特征中的每一个可以被确定，例如针对扫描的每一个颗粒进行计算，但是通常将有限数目的特征选择为特征集合。特征集合中的特征应当被有利地选择成提供关于所讨论特性的同样多的信息。

通过几个实验，本领域技术人员可以能够选择合适的特征和特征集合以用于给定测试。

在实施例中，特征集合包括基于焦点中的阈值子图像的特征，诸如：

·诸如面积、周界长度、闭合圆的面积等之类的空间描述符和/或

·诸如凸形、离心率、形状因子等之类的形态学描述符和/或

·二叉矩量。

在实施例中，特征集合包括基于焦点中的子图像的灰度级版本的特征，诸如

·对比度、光散射性质、吸收等和/或

·各种类型的灰度矩（grayscalemoments）和/或

·在聚焦灰度图像的傅里叶空间中提取的特征，和/或

·粒度。

在实施例中，特征集包括基于焦点中的子图像的彩色版本的特征，例如

·主要颜色图案和/或

·色调。

在实施例中，特征集合包括基于来自焦点中和焦点外的同一对象的子图像堆叠的信息的特征，诸如

·子图像的各种对焦曲线的符号差/描述符，诸如FWHM、AUC、曲线与平滑曲线之间的差异等和/或

·子图像的各种强度曲线的符号差/描述符，诸如FWHM、AUC、曲线与平滑曲线之间的差异等和/或

·通过将灰度级/二元特征应用于子图像堆叠中的单独子图像而产生的曲线的符号差/描述符，

·堆叠的时间参数的评价，

·相位和吸收映射、布朗移动和自推进特性，和/或

在实施例中，图像分析处理系统被编程为确定包括以下中的至少一个的特征集合的值

·涉及子图像的堆叠的焦点外子图像的特征，

·涉及焦点中子图像的灰度级版本的特征，

·涉及焦点中对象的彩色版本的特征，

·涉及焦点中子图像的限阈版本的特征和/或

·涉及焦点中和焦点外子图像二者的特征。

在实施例中，涉及焦点外子图像的特征可以包括以下中的一个

·颗粒的圆周（形状），

·颗粒的大小（横截面面积），

·最大和最小直径之间的比，

·颜色变化（颜色变化程度）和/或

·主要颜色图案。

在实施例中，涉及焦点中子图像的特征包括以下中的至少一个

·颗粒的圆周（形状），

·颗粒的大小（横截面面积），

·最大和最小直径之间的比，

·颜色变化（颜色变化程度），

·主要颜色图案，和/或

·颗粒圆周内部的子颗粒的数目。

在实施例中，涉及焦点外子图像和焦点中子图像二者的特征包括以下中的至少一个

·从子图像堆叠中的一个子图像到另一个子图像的颗粒的圆周（形状）中的（多个）差异，

·从子图像堆叠中的一个子图像到另一个子图像的颗粒的大小（横截面面积）中的（多个）差异，

·从子图像堆叠中的一个子图像到另一个子图像的最大和最小直径之间的比中的（多个）差异，

·从子图像堆叠中的一个子图像到另一个子图像的颜色变化（颜色变化程度）中的（多个）差异，

·从子图像堆叠中的一个子图像到另一个子图像的主要颜色图案中的（多个）差异，

·从子图像堆叠中的一个子图像到另一个子图像的颜色中的（多个）差异，和/或

·相应对象之间的距离。

导出结果从特征集合的值集合导出。至少两个值集合被用于获得导出结果，并且有利地为了得到高精度，扫描的所有值集合被用于获得导出结果。诸如预设常量或放大参数或算法之类的其它参数可以使用在获得针对扫描的导出结果中。

导出结果在一个值或多个值的形式中是有利的。导出结果在实施例中是以类似或指示如以上所描述的所讨论特性的一个或多个二进制信号、一个或多个频率的形式。

在实施例中，导出结果是以数目为N₂的值的形式，优选地值的数目N₂为从2到针对特征集合的相应N个特征的相应值集合的值的数目N。

在实施例中，N₂大于N₁。在实施例中N₂比N₁大高达5个值，附加值可以例如包括用于针对其确定特征集合的对象数目的值。

在实施例中，光学系统布置成使得样品容器中的样品（即被检验的液体体积的部分）可以在接连扫描期间经受外部暴露，外部暴露例如是加热、冷却、辐照、磁场暴露、电场暴露、压力、离心力、振动或其它机械力，诸如迫使样品通过压缩以产生缩流效应。

通过使样品经受外部暴露，测试可以例如被加速或者样品容器中的元素可以混合。

在实施例中，光学系统被配置成确定液体样品中的作为时间函数的多个特性。

有利地，光学系统被配置成确定包括多个第一对象和多个第二对象的液体样品的作为时间函数的一个或多个特性。由此针对两个或更多对象类型（即第一对象和第二对象）的特性可以同时确定。优选地，图像分析处理系统被编程为，针对在来自相应扫描的图像上捕获的多个第一对象中的每一个，确定值集合形式的特征集合，以及针对在来自相应扫描的图像上捕获的多个第二对象中的每一个，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描确定至少一个导出结果。

第一对象和第二对象优选地为不同类型，例如不同类型的微生物，其中图像分析处理系统能够区分第一对象和第二对象。在实施例中，光学系统被配置成确定作为包括若干类型对象中多个每一类型对象的液体样品的时间函数的一个或多个特性，诸如3种或更多类型的对象。对象类型在至少一个光学可检测性质方面不同于彼此。

在实施例中，光学系统被配置成同时确定至少两个样品的作为时间函数的一个或多个特性。由此可以同时执行若干测试，例如用于测试敏感性。系统优选地被编程为继续执行接连扫描，直到针对一个样品的导出结果与针对另一个样品的导出结果明显不同。

在实施例中，光学系统被配置成同时确定从2到200个样品的作为时间函数的一个或多个特性。针对给定传染病的完整敏感性测试可以通过这样的光学系统非常快速地（可选地在几分钟内）执行。系统优选地被编程为在接连扫描之前、期间或之间向一个或多个样品添加至少一种物质和/或将一个或多个样品暴露于外部暴露。

物质可以例如是营养素、试剂（生物杀灭剂、抗生素等）、稀释液体、ph调节剂、表面活性剂及其组合。在实施例中，系统被编程为从一个或多个样品移除至少一种物质。移除可以例如通过从（多个）样品过滤液体来执行。

在实施例中，光学系统被适配用于确定和用于调节作为包括多个对象的至少一部分液体体积的时间函数的特性。在该实施例中，光学系统还包括布置成响应于所确定的特性而使样品和/或液体体积经受影响的反馈配置。

该影响有利地为修改全部液体体积或者仅仅部分液体体积的影响。

在实施例中，影响包括一个或多个外部暴露，诸如加热、冷却、辐照、磁场暴露、电场暴露、压力、离心力、振动或其它机械力。在实施例中，影响包括添加一种或多种物质，诸如营养素、试剂（生物杀灭剂、抗生素等）、稀释液体、ph调节剂或表面活性剂。在实施例中影响包括移除一种或多种物质，诸如使液体经由过滤器。通过该实施例，反应、改变或缺少改变可以被遵循并且几乎没有时间延迟地调整/调节。

在实施例中，光学系统被编程为根据预选模式调节特性，所述预选模式可以是静止模式或者作为时间函数而改变的模式。

模式可以例如对应于用于发酵过程或液体体积中的另一发展过程的发展的优选参数。

在实施例中，预选模式是单个或多个特征参数范围，其中模式中的每一个点提供液体的条件和/或液体中的对象的指纹。模式可以被选择成非常窄，使得在原理上其表示一个单个指纹，或者其可以被设置成较大以包括类似但不等同的指纹范围。单个指纹可以例如是每个对象的营养量的指纹，而类似指纹的范围可以是每个对象的营养量的范围。

在实施例中，光学系统被编程为将特性调节成基本上恒定。

在实施例中，光学系统被编程为仅调节液体样品的特性。

在实施例中，光学系统被编程为调节整个液体体积的特性。

在实施例中，光学系统被编程为调节水体积的特性，特性提供液体体积的清洁度的指纹，并且光学系统被编程为通过向水体积添加尽可能少的物质来根据预选设置点保持水体积足够清洁。该实施例可以例如应用在水池或饮用水系统中，其中所添加的诸如氯化物之类的化学品的量应当保持尽可能低。

本发明还涉及确定包括多个对象的液体体积的作为时间函数的特性的方法。

该方法包括使用被配置成采集图像采集区域的图像的至少一个图像采集设备来执行通过液体体积的至少一部分液体样品的接连扫描，其中每一次扫描包括沿通过样品的至少一个部分的至少一个扫描路径平移图像采集区域以及采集图像采集区域的多个图像采集位置处的图像，以及

针对来自每一个相应扫描的图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描确定至少一个导出结果，导出结果是从多个值集合导出，并且呈现作为时间函数的从接连扫描获得的导出结果。

本发明的方法可以有利地使用以上所描述的光学系统来执行。该方法还可以利用如以上所描述的各种优选来执行。

有利地，该方法包括假定当采集所述多个位置处的所述图像采集区域的所述相应图像时，所述图像采集区域相对于样品容器静止。

为了确保图像的高分辨率，期望图像采集区域在其中采集图像的图像采集区域的每一个位置处相对于样品容器静止。由此液体体积中的对象改变的确定变得更加迅速，并且具有非常高的可靠性。

在实施例中，该方法包括在扫描期间基本上静止地容纳样品。

通过在扫描期间基本上静止地容纳样品进一步贡献于改进分辨率，并且从而改进确定的速度和可靠性。虽然液体样品不经受流动或动荡移动，其可以与样品容器一起移动，优选地按步移动，使得相应图像有利地在平移移动的各步之间采集。

为了确保非常高的分辨率，期望的是该方法包括在相应图像的采集期间，在图像采集区域的图像采集位置处基本上静止地容纳样品。

通过在样品基本上静止的同时采集图像，确保图像采集将尽可能地锐利，从而进一步贡献于使对象的标记过量的高分辨率。

在实施例中，该方法包括在预确定的时间内连续执行接连扫描，时间可以与预期在液体体积中的对象类型有关地设置。当执行磨损测试时，扫描的次数通常是期望的设置点。

在实施例中，该方法包括继续执行接连扫描直到已经执行了预选数目的扫描。

在实施例中，该方法包括连续执行接连扫描直到特性达到以从第一扫描到接连扫描的最后一次扫描的导出结果之间的所选差异形式的所选改变。由此扫描可以是连续的，直到例如已经观察到明显改变，例如直到某个抗生素是否有效是清楚的。

在实施例中，该方法包括在接连扫描的执行之前、期间或之间向样品添加至少一种物质，该物质优选地如以上所描述的那样。

在实施例中，该方法包括在接连扫描期间使样品经受外部暴露，外部暴露例如如以上所描述的那样。

在实施例中，该方法包括同时确定作为至少两个样品中的时间函数的一个或多个特性，例如如以上所描述的那样。优选地，该方法包括在所选时段内连续执行接连扫描，例如如以上所描述的那样，直到针对一个样品的导出结果明显不同于针对另一个样品的导出结果。

在实施例中，该方法包括从第一次扫描到最后一次扫描连续执行接连扫描，直到来自最后一次扫描的导出结果明显不同于来自第一次扫描的导出结果，优选地具有预选的最大测试时间，即使没有观察到来自最后一次扫描的导出结果与来自第一次扫描的导出结果之间的差异，该方法仍然终止。

在实施例中，该方法包括同时确定从2到200个样品的作为时间函数的一个或多个特性，该方法优选地包括在接连扫描之前、期间或之间向一个或多个样品添加至少一种物质，诸如以上所描述的那样，和/或使一个或多个样品暴露于外部暴露。

在实施例中，该方法包括确定和调节作为包括多个对象的至少部分液体体积的时间函数的特性，该方法包括响应于所确定的特性而使样品和/或液体体积经受影响。该影响有利地为如以上描述的作为反馈调整而恶意应用的修改。

包括范围和优选范围的本发明的所有特征在本发明的范围内可以以各种方式组合，除非存在特定理由不组合这样的特征。

附图说明

以下将结合优选实施例和实例进一步解释本发明。

图1示出根据本发明实施例的光学系统的示意性透视图，

图2示出根据本发明实施例的另一光学系统的示意性透视图。

图3示出根据本发明实施例的光学系统的元件的示意性概图。

图4a，4b，4c是如实例4中所描述的酵母样品的相应图像扫描的图像。

图4d是如实例4中所描述的酵母样品的生长曲线。

图5a，5b，5c是如实例5中所描述的嗜酸细菌样品的相应图像扫描的图像。

图5d是如实例5中所描述的嗜酸细菌样品的生长曲线。

各图是示意性的并且可以为了清楚起见而进行简化。自始至终，相同的附图标记用于相同或对应的部分。

图1中所示的光学系统包括光学检测组件15，其中仅示出其几个元件。光学检测组件15包括图像采集设备16和布置成将光朝向图像采集设备16聚焦的透镜14。光学系统还包括图像光照设备24。图像光照设备24包括未示出的光源，其可以是任何种类的光源。光学系统还包括适合用于容纳液体体积的样品12的样品容器18。光照设备24发射朝向样品容器18定向的合适的光束。样品容器18被图示有上部第一限域26和下部第二限域28，其限定坐标系统的Z方向上的高度，其中坐标系统的X方向对准在样品容器18的长度方向上，并且坐标系统的Y方向对准在样品容器18的宽度方向上。第一限域26和第二限域28由对来自光照设备24的电磁波透明的材料制成。优选地，样品容器18的其它限域壁也对来自光照设备24的电磁波透明。

光学系统还包括未示出的平移装置。光学检测组件15和样品容器18布置成使得图像采集区域10至少部分地产生在样品容器18中的样品12内。优选地，光照设备定位在相对于光学检测组件15的固定位置中。

光学系统还包括未示出的图像分析处理系统，其被编程为针对来自每一次相应扫描的图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描，确定如以上所描述的至少一个导出结果。从相应接连扫描获得的导出结果通过部署在未示出的PC的屏幕上而被有利地呈现。

在使用中，光照设备24朝向样品设备18内的样品12发射光。光沿光轴13传输通过样品12并且朝向透镜14和图像采集设备16，图像采集设备16可以获得图像采集区域10的图像。为了获得扫描，光学检测组件15和样品容器18通过未示出的平移装置平移，以将图像采集区域10沿扫描路径移动，扫描路径可以是在X、Y或Z方向中的任何一个或其组合上的路径。在所示的实施例中，优选的是，扫描路径沿方向20或相反方向上的X方向。扫描可以例如在方向20上或相反方向上交替。当采集区域10沿扫描路径移动时，通过图像采集设备16采集多个图像。有利地，平移是以步进式平移的形式，其中图像采集设备16针对每一步采集图像。可以针对给定样品有利地选择步长。

图像采集区域10可以例如延伸超过样品设备18，或者至少延伸超过样品设备18的第一限域26和第二限域28。所采集的图像可以由此包括两个限域的图像，并且该信息可以用于确定图像采集区域10的高度。

图2中所示的光学系统类似于图1的光学系统，并且包括光学检测组件35和光照设备44。光学检测组件35和光照设备44优选地布置成使得它们具有相同的中心轴，即光轴33。

光学检测组件35包括相机36和透镜系统44以用于将光聚焦到相机36。在光学检测组件35与光照设备44之间，光学系统包括样品容器38，其在所示实施例中包含具有多个对象31的样品。

光学系统还包括未示出的平移装置，其被布置成关于彼此平移光学检测组件35和样品容器38，例如如箭头所指示的那样。光学检测组件35和样品容器38布置成使得沿样品容器38中的扫描路径产生图像采集区域的多个图像采集位置。

光学系统还包括未示出的如以上所描述的那样编程的图像分析处理系统。

图3中所示的光学系统包括光学检测组件55和光照设备54。光学检测组件55和光照设备54优选地布置成使得它们具有相同的中心轴，即光轴。

光学系统还包括布置在光学检测组件55与光照设备54之间的多个样品容器58。光学系统还包括平移装置57，其被布置成关于彼此平移光学检测组件55和样品容器58，例如如箭头所指示的那样移动样品容器。光学检测组件55和样品容器58布置成使得沿相应样品容器38中的扫描路径产生图像采集区域的多个图像采集位置。

平移装置57连接到平移控制器51，平移控制器51被编程为控制平移装置57的平移。

光学系统还包括图像分析处理系统52，图像分析处理系统52被编程为针对来自每一个相应扫描的所述图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且确定针对每一次扫描的至少一个导出结果，导出结果是从多个值集合导出，并且向诸如屏幕或打印机之类的呈现单元56传输作为时间函数的从相应接连扫描获得的导出结果。

平移控制器51优选地与图像分析处理系统52集成，图像分析处理系统52还被编程为执行通过所述样品容器的至少一个部分的接连扫描，其中每一次扫描包括通过光学检测组件沿相应样品容器58中的至少一个扫描路径在图像采集区域的多个图像采集位置处采集图像。

实例

实例1

啤酒酿造的监视

啤酒酿造包括数个步骤，包括发酵步骤。酿造中的发酵是通过使用酵母、细菌或其组合在无氧条件下将碳水化合物转换成酒精和二氧化碳或有机酸。

发酵在大槽中执行。如以上所描述的光学系统安装在槽上，使得来自槽的样品可以连续提取到光学系统的样品容器。

将要发酵的麦芽汁和可选地其它成分添加到槽。添加一定量的酵母并且开始发酵过程。当发酵连续开始时，从槽传递样品以便以例如5ml/min的低速度按步传递通过样品容器。在采集样品的位置处，样品的流动暂时停止使得样品在采集期间基本上静止。将样品流返回到槽。

光学系统被编程为确定存活且活动的酵母细胞的浓度以及存活与死亡酵母细胞之间的关系。提供对用于添加糖和磷酸（H3PO4）的供给布置的馈送包调整。通过添加糖和磷酸（H3PO4），可以调整酵母细胞的增殖和成活并且从而可以获得期望的酒精含量。还可以通过反馈布置添加其它成分。

假定样品代表槽中的整个体积。

光学系统执行通过样品容器中的样品流的接连扫描，其中每一次扫描包括沿通过样品流的至少一个扫描路径平移图像采集区域，以及在图像采集区域的多个图像采集位置处采集图像。图像在光学系统的图像分析处理系统中进行分析并且包括，针对来自每一次相应扫描的图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且确定针对每一次扫描的至少一个导出结果，其中从多个值集合导出所述导出结果。特征集合被选择成使得其反映下面特性中的至少一个：a）存活且活动的酵母细胞的浓度，或b）存活与死亡酵母细胞之间关系。以馈送包布置的形式并且通过在监视器上示出来呈现作为时间函数的从接连扫描获得的导出结果，以追踪发酵过程的发展。

实例2

啤酒酿造的监视

如实例1中那样执行发酵，其中差异在于光学系统附加地编程为当发酵发展时监视槽中液体中的某些所选物质之间的所选比例（指纹），以达到用于终止发酵的所选口味和质地。光学系统确定作为时间函数的针对指纹的一个或多个特性。当达到指纹时终止发酵过程。

实例3

水纯度的监视

来自湖泊或川流或类似水库的水通常不完全纯净，而是包括许多不同的颗粒，包括微生物。通常纯度基本上稳定，但是可能发生的是其例如由于污染、例如由于化肥或其它化学品排放而突然改变。通过监视水，将非常快速地发现这样的污染，并且可选地可以触发警报。

监视将通过取得所讨论的水库的“基线”来实现。基线是当水处于被视为其标准条件的条件中时，由水的多个特性提供的指纹。指纹通过确定标准条件中的水库的数个样品、和例如通过向标准条件的样品添加潜在污染元素而获得的污染条件中的水库的数个样品的数个特性来获得。

当发现水的指纹时，光学系统被编程为确定在接连步骤中从水库取得的样品的多个特性或者可替换地确定来自水库的连续水样品流的多个特性。

实例4

监视酵母的生长

使用如图2中所示的光学系统在30小时的时段内监视包含酵母细胞的液体样品。将液体样品添加到样品容器38并且光学系统被编程为执行通过样品容器38的接连扫描，其中每一次扫描包括通过光学检测组件在图像采集区域沿扫描的至少一个扫描路径平移时，在图像采集区域的多个位置处采集图像采集区域的图像。在图像采集期间，图像采集区域在图像采集区域的位置处相对于样品容器静止。同时，样品基本上静止。

每十分钟从沿通过样品容器的扫描路径的扫描采集样品的40个图像的图像扫描。在图像分析处理系统中分析每一个图像扫描。对于每一个图像扫描，应用3D图像分段以将焦点中的酵母细胞从背景3D图像分离。3D图像分段包括移除光照分布、局部限阈和形态区域筛选（移除通常大和小对象）。应用聚焦函数以确保仅包括完美地处于焦点中的酵母细胞。然后提取每一个酵母细胞的面积，并且计算总酵母细胞面积。该过程在30小时的时间段内针对所有图像扫描重复，并且最终将总酵母细胞面积绘制为如图4d中所示的时间函数。

图4a，4b和4c示出在三个不同时间点处的酵母样品。

仅显示来自每一次扫描的40个图像中的一个。在图4a，4b，4c中的每一个中，以放大版本显示图像的较小部分。

图4a示出从开始以来0.17小时处的来自扫描的图像。

图4b示出从开始以来6.50小时处的来自扫描的图像。

图4c示出从开始以来28.83小时处的来自扫描的图像。

从图4a，4b和4c中所示的图像可以看到，难以观察到短时间尺度处的明显生长改变，并且显然要求许多小时的扫描以在视觉上确定明显的生长改变。

图4示出作为时间函数的酵母细胞面积。图4d的曲线给出对酵母细胞在30小时期间如何发展的非常详细的洞悉。例如，可以容易地确定并且例如可以看到，生长曲线具有停滞阶段、对数阶段和减速阶段。

另外从曲线还可以看到，可以观察到几小时内的明显改变。

实例5

嗜酸细菌的生长监视

使用如图2中所示的光学系统在20小时的时段内监视包含嗜酸细菌的液体样品。将液体样品添加到样品容器38并且光学系统被编程为执行通过样品容器38的接连扫描，其中每一次扫描包括通过光学检测组件在图像采集区域沿扫描的至少一个扫描路径平移时，在图像采集区域的多个位置处采集图像采集区域的图像。图像采集区域在图像采集期间在图形采集区域的位置处相对于样品容器静止。同时，样品基本上静止。

每五分钟从沿通过样品容器的扫描路径的扫描，采集样品中的20个图像的图像扫描。在图像分析处理系统中分析每一个图像扫描。对于每一个图像扫描，3D分段方法使得能够检测样品中的焦点中的细菌。将聚焦函数应用于每一个对象以确保仅完美聚焦的对象包括在分析中。

对于每一个聚焦对象，应用单独的阈值，从而将细菌从背景分离。细菌的长度从其形态概图提取并且对其进行存储。然后针对每一个图像扫描计算样品中的所有细菌的平均长度。当所有时间流逝时，构造示出作为时间函数的平均长度的曲线，并且将其示出在图5d中。

图5a，5b和5c示出在三个不同时间点处的嗜酸细菌样品。

仅显示来自每一次扫描的20个图像中的一个图像。在图5a，5b，5c中的每一个中，以放大版本显示图像的较小部分以增强可见性。

图5a示出从开始以来0.06小时处的来自扫描的图像。

图5b示出从开始以来12.85小时处的来自扫描的图像。

图5c示出从开始以来19.85小时处的来自扫描的图像。

从图5a，5b和5c中所示的图像可以看到，难以观察到短时间尺度处的明显生长改变，并且显然要求许多小时的扫描以在视觉上确定明显的生长改变。

图5d示出作为时间函数的嗜酸细菌长度并且该曲线给出对酵母细胞在20小时期间如何发展的非常详细的洞悉。另外从曲线还可以看到，可以在几小时内观察到明显改变，这意味着可以使用本发明的光学系统和方法执行非常快速的敏感性测试。

Claims (35)

1.一种用于确定包括多个对象的至少部分液体体积作为时间函数的特性的光学系统，所述光学系统包括

-光学检测组件，包括被配置成采集图像采集区域的图像的至少一个图像采集设备；

-样品设备，包括适合用于容纳所述液体体积的样品的至少一个样品容器；

-平移装置，被配置成平移所述图像采集区域通过所述样品容器的至少一个部分，以执行沿通过所述样品容器的所述部分的扫描路径的扫描；以及

-图像分析处理系统，

其中所述光学系统被编程为执行通过所述样品容器的所述至少一个部分的接连扫描，其中每一次扫描包括通过光学检测组件在图像采集区域沿扫描的至少一个扫描路径平移时，在图像采集区域的多个位置处采集所述图像采集区域的图像；并且

所述图像分析处理系统被编程为，针对在来自每一个相应扫描的所述图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描确定至少一个导出结果，所述导出结果是从多个值集合导出，并且呈现作为时间函数的从相应接连扫描获得的所述导出结果。

2.权利要求1的光学系统，其中所述光学系统被配置成在所述多个位置处采集所述图像采集区域的所述图像，其中所述图像采集区域相对于样品容器静止。

3.权利要求1或权利要求2的光学系统，其中所述样品容器被构造成在扫描期间基本上静止地容纳样品。

4.前述权利要求中任一项的光学系统，其中所述光学系统被配置成在所述多个位置处采集所述图像采集区域的所述图像，其中样品容器中的样品基本上静止。

5.前述权利要求中任一项的光学系统，其中对象是颗粒或颗粒的集群，颗粒选自非生物颗粒，诸如金属颗粒、聚合物颗粒、晶体、脂肪滴及其混合物，和/或颗粒选自生物颗粒，诸如细菌颗粒、原始细菌、酵母、真菌、花粉、病毒、白细胞，诸如粒细胞、单核细胞、红细胞、血小板、卵母细胞、精子、受精卵、干细胞、体细胞、恶性细胞及其混合物。

6.权利要求5的光学系统，其中颗粒包括病原体，诸如选自病毒病原体、细菌病原体、寄生虫、真菌病原体、prionic病原体及其组合的病原体。

7.前述权利要求中任一项的光学系统，其特征在于包括以下中的一个或多个：几何特性，诸如大小或形状；光相互作用特性，诸如对比度、光散射性质、吸收、透明度、集群中颗粒的数目、集群中颗粒之间的距离、集群之间的距离、颗粒或颗粒集群的形成或再形成或者样品的均匀性/非均匀性。

8.前述权利要求中任一项的光学系统，其特征在于如果相应对象的一个或多个颗粒经受磨损、衰减生长或死亡，则特性将经历改变。

9.前述权利要求中任一项的光学系统，其特征在于如果相应对象的一个或多个颗粒是或包括存活颗粒，特性将经历改变。

10.前述权利要求中任一项的光学系统，其中光学系统被编程为以相应扫描之间的时间偏移来执行所述接连扫描，优选地两次扫描之间的时间偏移至少大约0.1秒，诸如从大约1秒到大约24小时，诸如从大约5秒到大约10小时。

11.权利要求7的光学系统，其中光学系统被编程为根据从一个或多个之前执行的扫描获得的导出结果，设置即将执行的扫描之间的时间偏移，优选地使得如果来自两个或更多之前执行的扫描的导出结果基本上等同，则即将执行的扫描之间的时间偏移相对长，并且使得如果来自两个或更多之前执行的扫描的导出结果不同于彼此，则即将执行的扫描之间的时间偏移相对短。

12.前述权利要求中任一项的光学系统，其中所述图像分析处理系统被编程为针对所述完整对象堆叠中的每一个，确定包括至少N个特征的预确定的特征集合的值集合，其中N为1或更大，诸如2或更大，诸如3或更大，诸如4或更多，诸如高达大约100。

13.前述权利要求中任一项的光学系统，其中所述光学系统布置成使得样品容器中的样品可以在接连扫描期间经受外部暴露，外部暴露例如是加热、冷却、辐照、磁场暴露、电场暴露、压力、离心力、振动或其它机械力，诸如迫使样品通过压缩以产生缩流效应。

14.前述权利要求中任一项的光学系统，其中所述光学系统被配置成确定液体样品的作为时间函数的多个特性。

15.前述权利要求中任一项的光学系统，其中所述光学系统被配置成确定包括多个第一对象和多个第二对象的液体样品的作为时间函数的一个或多个特性，优选地，所述图像分析处理系统被编程为，针对来自所述相应扫描的所述图像上捕获的多个第一对象中的每一个，确定值集合形式的特征集合，以及针对在来自所述相应扫描的所述图像上捕获的多个第二对象中的每一个，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描确定至少一个导出结果。

16.前述权利要求中任一项的光学系统，其中所述光学系统被配置成同时确定至少两个样品的作为时间函数的一个或多个特性，所述系统优选地被编程为继续执行接连扫描，直到针对一个样品的导出结果与针对另一个样品的导出结果明显不同。

17.前述权利要求中任一项的光学系统，其中所述光学系统被配置成同时确定从2到200个样品的作为时间函数的一个或多个特性，系统优选地被编程为在接连扫描之前、期间或之间向一个或多个样品添加至少一种物质和/或将一个或多个样品暴露于外部暴露。

18.前述权利要求中任一项的光学系统，用于确定和调节包括多个对象的至少一部分液体体积作为时间函数的特性，所述光学系统还包括布置成响应于所确定的特性而使样品和/或液体体积经受影响的反馈配置，所述影响优选地以一个或多个外部暴露的形式，诸如加热、冷却、辐照、磁场暴露、电场暴露、压力、离心力、振动或其它机械力和/或以添加一种或多种物质的形式，诸如营养素、试剂、稀释液体、ph调节剂或表面活性剂和/或以移除一种或多种物质的形式，诸如使液体经由过滤器。

19.权利要求18的光学系统，其中所述光学系统被编程为根据预选模式调节特性，所述预选模式可以是静止模式或者作为时间函数而改变的模式。

20.权利要求18或权利要求19的光学系统，其中所述光学系统被编程为将特性调节成基本上恒定。

21.权利要求18或权利要求19的光学系统，其中所述光学系统被编程为仅调节液体样品的特性。

22.权利要求18或权利要求19的光学系统，其中所述光学系统被编程为调节整个液体体积的特性。

23.权利要求21的光学系统，其中所述光学系统被编程为调节生产水体积的特性，诸如发酵水体积。

24.权利要求21的光学系统，其中所述光学系统被编程为调节水体积的特性，所述特性提供液体体积的清洁度的指纹，并且光学系统被编程为通过向水体积添加尽可能少的物质来根据预选设置点保持水体积足够清洁。

25.一种确定包括多个对象的液体体积的作为时间函数的特性的方法，所述方法包括

使用被配置成采集图像采集区域的图像的至少一个图像采集设备，来执行通过所述液体体积的至少一部分液体样品的接连扫描，其中每一次扫描包括沿通过所述样品的所述至少一部分的至少一个扫描路径平移所述图像采集区域，以及采集图像采集区域的多个图像采集位置处的图像，以及

针对来自每一个相应扫描的所述图像上捕获的多个对象中的每一个对象，确定值集合形式的特征集合，并且针对每一次扫描确定至少一个导出结果，所述导出结果是从多个值集合导出，并且呈现作为时间函数的从接连扫描获得的所述导出结果。

26.权利要求25的方法，其中所述方法包括假定当采集所述多个位置处的所述图像采集区域的所述相应图像时，所述图像采集区域相对于样品容器静止。

27.权利要求25或权利要求26的方法，其中所述方法包括在扫描期间基本上静止地容纳样品。

28.权利要求25-27中任一项的方法，其中所述方法包括在相应图像的采集期间，在图像采集区域的图像采集位置处基本上静止地容纳样品。

29.权利要求25-28中任一项的方法，其中所述方法包括在预确定的时间内或者直到所述特性达到以从第一扫描到接连扫描的最后一次扫描的导出结果之间的所选差异形式的所选改变之前连续执行接连扫描。

30.权利要求25-29中任一项的方法，其中所述方法包括在接连扫描的执行之前、期间或之间向样品添加至少一种物质，所述物质优选地选自营养素、试剂、稀释液体、ph调节剂、表面活性剂及其组合。

31.权利要求25-30中任一项的方法，其中所述方法包括在接连扫描期间使样品经受外部暴露，所述外部暴露例如是加热、冷却、辐照、磁场暴露、电场暴露、压力、离心力、振动或其它机械力，诸如迫使样品通过压缩以产生缩流效应。

32.权利要求25-31中任一项的方法，其中所述方法包括同时确定至少两个样品中的作为时间函数的一个或多个特性，所述方法优选地包括连续执行接连扫描，直到针对一个样品的导出结果明显不同于针对另一个样品的导出结果。

33.权利要求25-32中任一项的方法，其中所述方法包括从第一次扫描到最后一次扫描连续执行接连扫描直到来自最后一次扫描的导出结果明显不同于来自第一次扫描的导出结果，优选地使用预选的最大测试时间，其中即使没有观察到来自最后一次扫描的导出结果与来自第一次扫描的导出结果之间的差异，但所述方法终止。

34.权利要求25-33中任一项的方法，其中所述方法包括同时确定从2到200个样品的作为时间函数的一个或多个特性，所述方法优选地包括在接连扫描之前、期间或之间向一个或多个样品添加至少一种物质和/或使一个或多个样品暴露于外部暴露。

35.权利要求25-34中任一项的方法，其中所述方法包括确定和调节包括多个对象的至少部分液体体积的作为时间函数的特性，所述方法包括响应于所确定的特性而使样品和/或液体体积经受影响，所述影响优选地以一个或多个外部暴露的形式，诸如加热、冷却、辐照、磁场暴露、电场暴露、压力、离心力、振动或其它机械力和/或以添加一种或多种物质的形式，诸如营养素、试剂（生物杀灭剂、抗生素等）、稀释液体、ph调节剂或表面活性剂和/或以移除一种或多种物质的形式，诸如使液体经由过滤器。