CN107430265A - 高内涵成像系统以及操作高内涵成像系统的方法 - Google Patents

Abstract

公开了高内涵成像系统以及操作高内涵成像系统的方法。显微镜具有第一物镜和第二物镜，并且物镜数据库具有分别与第一物镜和第二物镜相关联的第一转换值和第二转换值。显微镜控制器用第一物镜操作显微镜来形成采集参数的第一值。配置模块使用采集参数的第一值、与第一物镜相关联的第一转换值以及与第二物镜相关联的第二转换值自动地确定采集参数的第二值。显微镜控制器使用第二物镜和采集参数的第二值来操作显微镜。

Description

高内涵成像系统以及操作高内涵成像系统的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年1月30日提交的标题为“A High Content Imaging Systemand a Method of Operating the High Content Imaging System”的美国临时申请No.62/109,708的优先权。

技术领域

本主题涉及高内涵成像系统的配置，并且更具体地，涉及用于

高内涵成像系统采集设置的配置。

背景技术

高内涵成像系统(HCIS)可以用于半自动或者自动地采集显微术样品的图像。典型的HCIS包括具有不同放大倍数的物镜的显微镜、一个或多个照明光源以及例如电荷耦合装置或者互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片的图像采集装置，以产生显微样本的图像。照明光源可以包括用聚焦光扫描显微术样品的激光或者其他的光源，并且从显微术样品反射的光和/或透射通过显微术样品的光通过图像采集装置来成像。在一些情况下，照明光源可以使显微术样品发出荧光，并且由这种荧光发射出的光可以由图像采集装置采集。

此外，显微术样品可以处在样品架的各种测量位置(例如，孔(well))处。一旦HCIS被配置具有针对所选择的物镜和照明光源的采集参数值，HCIS可以使用所选择的物镜和照明光源自动地对多个显微术样品进行成像。这种采集参数值可以包括用以产生特定强度的图像的每个波长的光的曝光时间、物镜的焦平面与照明光源焦点位置之间的距离、以及激光自动对焦曝光时间。

典型地，每次选择不同的物镜用于显微术样品时，用于成像的采集参数值可能需要基于新的物镜进行调整。采集参数值的这种调整可能必须由用户使用由HCSI采集的一个或多个样本图像来指定，因而降低了HCSI的效率。

发明内容

根据一个方面，一种高内涵成像系统包括具有第一物镜和第二物镜显微镜、物镜数据库、显微镜控制器以及配置模块。物镜数据库具有分别与第一物镜和第二物镜相关联的第一转换值和第二转换值。显微镜控制器使用第一物镜来操作显微镜以形成采集参数的第一值。配置模块使用采集参数的第一值、与第一物镜相关联的第一转换值以及与第二物镜相关联的第二转换值自动地确定采集参数的第二值。此后，显微镜控制器使用第二物镜和采集参数的第二值来操作显微镜。

根据另一方面，一种操作包括显微镜、第一物镜、第二物镜和图像采集装置的高内涵成像系统的方法包括使用第一物镜来操作显微镜以形成采集参数的第一值的步骤。该方法还包括使用采集参数的第一值、与第一物镜相关联的第一转换值以及与第二物镜相关联的第二转换值自动地确定采集参数的第二值的步骤。此外，该方法还包括使用第二物镜和采集参数的第二值来操作显微镜的步骤。

附图说明

图1是高内涵成像系统的框图；

图2是用于自动配置图1的高内涵成像系统的处理流程图；以及

图3是用于形成由图1的高内涵成像系统使用的物镜数据库的处理流程图。

具体实施方式

参考图1，HCIS 100包括显微镜102、显微镜控制器104、图形用户界面(GUI)控制器106、配置模块108以及物镜数据库110。显微镜102可以包括一个或多个物镜、一个或多个照明光源、聚焦激光器、聚焦机构、一个或多个滤波器以及图像采集装置。这些元件通常在显微镜102交付给用户之前安装在显微镜102中。在一些情况下，这些元件可以在显微镜102交付之后进行修改，例如作为升级的一部分或者用于特殊的应用。作为美国专利申请公布号2014/0210981A1公布的美国专利申请序列号14/238,121描述了示例HCIS。该申请的全部内容通过引用并入本文。

显微镜控制器104可以提供数字命令或者电子信号来配置用于特定应用的显微镜102。这样的配置可以包括如上所述的物镜、照明光源和/或一个或多个采集参数的值的规范的选择。

在一些实施例中，GUI控制器106可以与例如由用户操作的计算机112的屏幕耦接。GUI控制器106可以在计算机112的屏幕上显示当前配置显微镜102的采集参数的值。此外，GUI控制器106可以允许用户使用与计算机112相关联的输入装置来修改这些采集参数的值。

在HCIS 100的操作期间，用户将显微术样品加载到HCIS 100中，并且使用计算机112的输入装置指定物镜、照明光源等来用于使用显微镜100成像。GUI控制器106将这些采集参数提供给显微镜控制器104，其相应地配置显微镜102。此后，显微镜控制器104指导显微镜将所选择的物镜加载到显微术样品和图像采集装置之间的光路上，并且指导显微镜100的图像采集装置采集显微术样品至少一部分的评估图像。显微镜控制器104接收来自图像采集装置的评估图像，并且将这样的图像提供到GUI控制器106以用于在与计算机112相关联的屏幕上显示。

评估图像可以以比HCIS 100能产生的更低的分辨率成像和/或仅是显微术样品的一部分的图像。用户可以对评估图像进行评估，并且如果评估图像的强度、焦点和其他的方面如用户所期望，则使用计算机112的输入装置来指导HCIS 100对整个显微术样品进行成像。GUI控制器106、显微镜控制器104和显微镜102如上所述进行操作，以产生全分辨率和/或包括整个样品的显微术样品的最终图像。这样的最终图像可以在计算机112的屏幕上显示、在与HCIS 100相关联的存储介质(未示出)上记录、在与计算机112相关联的存储介质(未示出)上记录和/或发送至另一个系统(未示出)用于进一步处理。

然而，如果用户对评估图像的质量不满意，用户可以使用计算机112的输入装置修改一个或多个采集参数的值，并且指导HCIS 100采集另一评估图像。用户可以以这种方式重复直到所采集的评估图像满足用户的期望，之后用户可以指导HCIS 100采集如上所述的显微术样品的最终图像。

如本领域普通技术人员所理解，使用低放大倍数的物镜可以更容易做到对例如焦距、曝光时间等采集参数的值的调整。因此，用户可以指导HCIS 100使用低放大倍数物镜对评估图像进行采集和评估，并且然后使用具有更高放大倍数的物镜指导HCIS 100采集最终图像。类似地，用户可以使用如上所述的低放大倍数物镜指导HCIS 100配置HCIS 100的采集参数的值，然后使用低放大倍数物镜指导HCIS 100采集一个或多个最终图像，并且使用一个或多个其他的物镜采集另外的图像。

在用户使用第一物镜采集显微术样品的一个或多个评估图像和/或配置显微镜100的参数，然后指导HCIS 100使用第二物镜采集显微术样品的另一图像的那些情况下，配置模块108可以从与第一物镜一起使用的采集参数的值自动地获得与第二物镜一起使用的采集参数的值。这种采集参数的值的自动获得可以节省用户评估使用第二物镜通过HCIS100采集的图像和/或手动地确定与第二物镜一起使用的参数的时间和精力。

配置模块108使用存储在物镜数据库110中的信息根据与第一物镜一起使用的采集参数的值自动地确定与第二物镜一起使用的采集参数的值。特别地，物镜数据库110包括针对安装在显微镜102中的物镜的规范。在一个实施例中，对于每个采集参数，物镜数据库110包括指定相对于第一物镜的这样参数的值与相对于其他的物镜的这样参数的值之间关系的转换值。例如，物镜数据库110可以指定在550nm波长处的采集参数曝光时间、对于10XPlan Flour镜头100％的转换值、对于20X S Flour镜头140％的转换值以及对于40X PlanApo镜头180％的转换值。

在上面的示例中，如果第一物镜是10X Plan Flour镜头，第二物镜是40X PlanApo镜头，并且用户使用10X Plan Flour确定1s的曝光是合适的曝光，配置模块108使用与这样的物镜相关联并且存储在物镜数据库110中的转换值以确定使用40X Plan Apo镜头显微镜应该被配置为使用1.8s(即，1秒的180％/100％倍)的曝光。

下面的表格示出了可以将转换值存储在物镜数据库110中的采集参数的示例以及这样的转换值的单位。表格还示出了配置模块108如何将与第一物镜O1一起使用的特定采集参数的第一值转换为与第二物镜O2一起使用的采集参数的第二值。使用分别与第一物镜和第二物镜相关联并且与采集参数相关联的第一转换值TV(O1)和第二转换值TV(O2)确定这样的转换值。对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，转换值可以存储在与显微镜100的每个物镜相关联的条目中的物镜数据库110中。

可以针对多个波长中的每一个波长的光指定一些采集参数，例如曝光时间和焦平面偏移，的转换值。在一些实施例中，HCIS 100可以将由样品发射或者反射的光的波长范围的光与通道相关联，其中每个通道与光谱的部分相对应。在这样的实施例中，物镜数据库108可以包括针对每个这样的通道的转换值。在一些实施例中，物镜数据库108可以包括与在荧光显微术中发射和成像的光的多个波长(或者多个通道)相关联的转换值，以及与在明场显微术中反射和成像的光的多个波长相关联的附加的转换值。例如激光自动聚焦曝光时间的其他的转换值可以不随着光波长变化，并且因此物镜数据库108可以包括无关光的波长而使用的一个转换值。

在一些实施例中，在配置模块108根据与第一物镜一起使用的采集参数的第一值确定与第二物镜一起使用的采集参数的第二值之后，HCIS 100的GUI控制器106可以显示采集参数的第二值以供用户检查。用户之后可以要求HCIS 100使用第二物镜和采集参数的第二值采集显微术样品的评估图像。GUI控制器106可以在计算机112的屏幕上显示这样的评估图像，并且允许用户在采集显微术样品的最终图像之前一次或者多次地调整采集参数的第二值。

参考图2，流程图200示出了如上所描述的HCIS 100的操作。在框202处，GUI控制器106从用户接收初始物镜的选择。

在框204处，HCIS 100形成初始物镜的显微镜采集参数。特别地，显微镜控制器104可以指导显微镜100采集评估图像。GUI控制器106可以在与计算机112相关联的屏幕上显示评估图像，并且从用户接收用于产生评估图像的对采集参数的值的调整。在一些情况中，用户可以使用与计算机112相关联的输入装置指导HCIS 100使用如上所述的初始物镜来采集、存储和/或显示显微术样品的最终图像。

在框206处，GUI控制器106接收来自用户对另一物镜的选择，并且向显微镜控制器104提供这样的选择。显微镜控制器104指导配置模块108形成与另一物镜一起使用的采集参数的值。

在框208处，配置模块108从物镜数据库110中重新获得分别与初始物镜和另一物镜相关联的第一转换值和第二转换值，以用于每个采集参数。在框210处，配置模块108使用与初始显微镜镜头一起使用采集参数的值以及与这些参数相关联的第一转换值和第二转换值来确定与另一物镜一起使用的采集参数的值。向显微镜控制器104提供与另一物镜一起使用的采集参数的这些值，显微镜控制器104相应地配置显微镜100。

在框212处，显微镜控制器104配置显微镜102以使用在框206处选择的另一物镜以及在框210处确定的采集参数的值，并且指导显微镜104采集显微术样品的一个或者多个图像。在框212处，显微镜控制器还接收一个或多个这样的采集图像并且存储所采集的图像和/或在与计算机112相关联的屏幕上显示所采集的图像。

在一些实施例中，GUI控制器106可以显示与在框210处确定的另一物镜一起使用的采集参数的值和/或使用这样的值采集的评估图像，并且允许用户在如上所述的框212处显微镜控制器104操作显微镜102之前修改这些值。

当显微镜102装配有物镜时，例如在制造显微镜102期间，可以将转换值填充到物镜数据库110。替代地，可以在显微镜控制器104协助的配置过程期间，将转换值填充到物镜数据库110。

参考图3，流程图300示出了如何使用HCIS 100形成存储在物镜数据库110中的转换值。在框302处，选择显微镜102的物镜中的一个作为参考物镜。所选择的物镜可以是例如相比于显微镜102的其他的镜头具有最低放大倍数的物镜。

在框304处，在用户的协助下，HCIS 100形成与参考物镜一起使用的采集参数的值。如上所描述的，评估图像可以被采集并且呈现给用户，可以允许用户调整参数，并且另一个评估图像可以被采集并且呈现给用户。HCIS 100可以以此方式进行重复直到用户满意由HCIS100采集的评估图像，并且将这样的评估图像看作是如下所述的参考图像。与具有百分比单位的参考物镜相关联的转换值被设置为百分之百。与具有与距离相关联的单位的参考相关联的转换值设置为0。

在框306处，用户可以从安装在显微镜102中的那些物镜中选择一个目标物镜用于形成转换值。在一些实施例中，物镜数据库110可以被配置为具有制造商为安装在显微镜中的每个物镜提供的信息。这样的制造商提供的信息可以包括物镜的标识符(例如，型号)、物镜的数值孔径、物镜的放大倍数以及与物镜相关联的X和Y像素尺寸。X和Y像素尺寸是在显微镜102的图像采集装置的焦平面处的像素尺寸的测量。如果这样的制造商提供的信息先前没有存储在目标物镜的物镜数据库110中，然后在框308处，GUI控制器106可以从用户请求这样的信息。配置模块108在与在物镜数据库110中的目标物镜相关联的条目中记录这样的信息。

在框310处，对于每个波长，显微镜控制器104指导显微镜在各曝光时间使用目标物镜采集图像。GUI控制器106向用户显示采集的图像，并且向用户请求具有最接近参考图像的图像强度的图像的选择。在一些实施例中，配置模块108可以自动地评估采集的图像的强度，并且选择强度最接近参考图像的强度的图像。对于每个波长，配置模块108计算与所选择的图像相关联的曝光时间与用于采集参考图像的曝光时间之间的百分比差，并且存储这样的百分比差作为与曝光时间参数和波长相关联的转换值。

在框312处，对于每个波长，显微镜控制器104指导显微镜采集目标物镜与激光聚焦的焦平面之间各距离的图像。向用户显示这样的图像，并且使用GUI控制器106请求用户选择处于最佳焦平面的图像。也就是说，请求用户选择最对焦的图像。在一些实施例中，配置模块108可以自动地评估这样的采集的图像的焦点，并且选择具有最佳焦点或者最靠近参考图像焦点的焦点的图像。对于每个波长，构造模块108计算从与所选择的图像相关联的焦平面的距离和从用于采集参考图像的焦平面的距离的差，并且存储这样的偏移差作为与焦平面偏移参数和波长相关联的转换值。

在框314处，显微镜控制器104指导显微镜以各种激光自动聚焦曝光时间采集图像，直到从参考样品或者保持参考样品的板的表面存在对激光产生的光点的足够的反射来为激光自动聚焦系统确定参考样品或者表面的焦平面。配置模块108确定使用目标物镜提供足够反射的激光自动聚焦曝光时间与用于产生参考图像的激光自动聚焦曝光时间之间的百分比差，并且记录这样的百分比差作为与目标物镜相关联的激光自动聚焦曝光时间所关联的转换值。

可以对可用于显微镜102的每个物镜重复在框306到框314处采用的步骤，以形成与这些物镜相关联的转换值。这些转换值可以形成一次并且存储在物镜数据库110中随后使用。这样的转换值不需要重新形成，除非改变显微镜102的操作特性。操作特性可以包括新元件的引入或者包括物镜、照明光源、图像采集装置等的HCIS 100的元件的修改。操作特性还可以包括改变参考样品和图像采集装置之间的光路的修改。

对于本领域技术人员显而易见的是，相同的样品(例如参考样品)应该加载到显微镜102中以形成与每个物镜相关联的转换值。这样的参考样品可以由用户选择或者HCIS100的制造商提供。可以根据HCIS 100使用的测试样品选择参考样品。参考样品可以具有从图像采集到另一个的一致的成像响应。此外，参考样品可以将在测试样品中期望出现的代表材料(例如，荧光染料)与HCIS 100要使用的材料合并。

对于本领域技术人员显而易见的是，硬件和/或软件的任何组合可以用于实现本文描述的HCIS 100。可以理解和领会的是，结合图1到图3中描述的处理、子处理和处理步骤的一个或者多个可以由一个或者多个电子或者数字控制装置上的硬件、软件或者硬件和软件的组合执行。软件可以驻留在合适的电子处理元件或者系统(例如，在图1到图3中示意性描绘的功能性系统、控制器、装置、元件、模块或者子模块的一个或多个)中的软件存储器(未示出)中。软件存储器可以包括用于实现逻辑功能的可执行指令的有序列表(即，可以以例如数字电路系统或者源代码的数字形式或者以例如模拟源(例如模拟电气、声音或者视频信号)的模拟形式实现“逻辑”)。指令可以在处理模块或者控制器(例如，图1的显微镜控制器104、GUI控制器106和构造模块108)中执行，其包括例如微处理器、通用处理器、处理器组合、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)中的一个或多个。此外，示意框图描述了具有不受功能的架构或者物理布局限制的物理(硬件和/或软件)实现的功能的逻辑划分。在该应用系统中描述的示例系统可以以各种构造来实现并且在单个的硬件/软件单元或者在单独的硬件/软件单元作为硬件/软件元件运行。

可执行指令可以被实现为具有存储在其中的指令的计算机程序产物，当由电子系统的处理模块执行时，该指令指示电子系统执行指令。计算机程序产物可以选择性地体现在任何非暂时的计算机可读存储介质中，以供指令执行系统、设备或装置(诸如基于电子计算机的系统、包含处理器的系统或可以选择性地获取来自指令执行系统、设备或装置获取指令并执行指令的其他系统)使用或与指令执行系统、设备或装置结合使用。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质是可以存储由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序的任何非暂时性的构件。非暂时性计算机可读存储介质可以选择性地例如是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或装置。非暂时性计算机可读介质的更具体示例的非详尽列表包括：具有一个或多个导线的电连接(电子)；便携式电脑磁盘(磁性)；随机访问，即易失性存储器(电子)；只读存储器(电子)；可擦除可编程只读存储器，例如闪存(电子)；诸如CD-ROM，CD-R，CD-RW(光学)的光盘存储器；和数字通用光盘存储器，即DVD(光学)。

还将理解，在本文档中使用的信号的接收和发送意味着两个或多个系统、装置、元件，模块或子模块能够经由某种类型的信号路径传输的彼此通信的。信号可以是通信、功率、数据或能量信号，其可以将信息、功率或能量从第一系统、装置、元件、模块或子模块沿着第一系统、装置、元件、模块或子模块和第二系统、装置、元件、模块或子模块之间的信号路径传送到第二系统、装置、元件、模块或子模块。信号路径可以包括物理、电、磁、电磁、电化学、光学、有线或无线连接。信号路径还可以包括在第一系统、装置、元件、模块或子模块和第二系统、装置、元件、模块或子模块或子模块之间的附加系统、装置、元件、模块或子模块或子模块。

工业实用性

本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利在此通过引用并入本文，如同每个参考文献被单独地和具体地指出通过引用并入本文并且在本文全部阐述。

在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)使用的术语“一”、“一个”和“该”以及类似的参考应被解释为包括单数和复数，除非本文另有说明或者明显与上下文相矛盾。除非本文另有说明，本文中值的范围的描述仅旨在用作单独提及落在该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独的值并入本说明书中，如图在本文中单独列举一样。本文所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文另有说明或者以其他方式明确地与上下文相矛盾。本文中提供的任何和所有示例的使用或者示例性语言(例如，“例如”)仅旨在更好地说明本公开内容，并且不对本公开的范围构成限制，除非另有说明。说明书中的任何语言不应被解释为表示任何未被要求保护的元素对于本公开的实践是必须的。

鉴于前面的描述，对于本公开的许多变型对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解，所示示例仅是示例性的，并且不应被认为是限制本公开的范围。

Claims (16)

1.一种高内涵成像系统，包括：

显微镜，其具有第一物镜和第二物镜；

物镜数据库，其具有分别与所述第一物镜和所述第二物镜相关联的第一转换值和第二转换值；

显微镜控制器，其使用所述第一物镜操作所述显微镜来形成采集参数的第一值；以及

配置模块，其使用所述采集参数的第一值、与所述第一物镜相关联的第一转换值以及与所述第二物镜相关联的第二转换值自动地确定所述采集参数的第二值；

其中，所述显微镜控制器使用所述第二物镜和所述采集参数的第二值来操作所述显微镜。

2.根据权利要求1所述的高内涵成像系统，还包括图像采集装置。

3.根据权利要求2所述的高内涵成像系统，其中，所述显微镜控制器指导所述显微镜在样品和所述图像采集装置之间的光路中加载所述第二物镜。

4.根据权利要求2所述的高内涵成像系统，其中，所述显微镜控制器从所述图像采集装置接收使用所述第一物镜采集的样品的第一图像以及使用所述第二物镜采集的所述样品的第二图像。

5.根据权利要求1所述的高内涵成像系统，其中，由所述配置模块自动地确定的所述采集参数的第二值中的一个值是与所述第二物镜一起使用的曝光时间、焦平面偏移、激光自动聚焦曝光时间以及像素尺寸中的一个。

6.根据权利要求5所述的高内涵成像系统，其中，所述采集参数的第二值中的所述一个值与特定波长的光或者光谱的通道相关联。

7.根据权利要求1所述的高内涵成像系统，其中，所述第一转换值包括与荧光显微术相关联的值。

8.根据权利要求8所述的高内涵成像系统，其中，所述第一转换值包括与明场显微术相关联的附加值。

9.一种操作高内涵成像系统的方法，其中，所述高内涵成像系统包括显微镜、第一物镜、第二物镜以及图像采集装置，所述方法包括以下步骤：

使用所述第一物镜操作所述显微镜，来形成采集参数的第一值；

使用所述采集参数的第一值、与所述第一物镜相关联的第一转换值以及与所述第二物镜相关联的第二转换值自动地确定所述采集参数的第二值；以及

使用所述第二物镜以及所述采集参数的第二值来操作所述显微镜。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括操作图像采集装置。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括指导所述显微镜在样品和所述图像采集装置之间的光路中加载所述第二物镜。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括接收使用所述第一物镜采集的样品的第一图像以及使用所述第二物镜采集的所述样品的第二图像。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述采集参数的第二值中的一个值是与所述第二物镜一起使用的曝光时间、焦平面偏移、激光自动聚焦曝光时间以及像素尺寸中的一个。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述采集参数的第二值中的所述一个值与特定波长的光或者光谱的通道相关联。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一转换值包括与荧光显微术相关联的值。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一转换值包括与明场显微术相关联的附加值。