CN112611701B - 一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，所述装置包括：利用光学多模态图像采集与成像模块，同时采集并记录动态血流中的激光散斑图像以及荧光图像；通过金纳米棒包被循环肿瘤细胞增强散斑信号强度，利用采集到的散斑图像经数字全息术重构后的幅度谱与相位谱衡量激光散斑信号的强度及变化频率；选取不同波段的荧光信号实现对不同种类的循环肿瘤细胞的检测，采用多模态信息融合将测量到的图像进行融合，综合定量评价血液中的循环肿瘤细胞。本发明可以实现循环肿瘤细胞的高精度实时动态检测。

Description

一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置
技术领域
本发明涉及细胞检测领域，尤其涉及一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置。
背景技术
《2020年世界癌症报告》中指出，癌症是导致全球134个国家中人口过早死亡(即年龄在30-69岁之间)的第一或第二大原因。各国或各地区在癌症死亡率方面存在明显差异。对于大多数高收入国家，癌症的死亡率正在下降，这主要得益于有效的预防、早期发现和治疗干预措施。相比之下，中低收入国家的许多癌症类型的死亡率仍在上升，造成这种现象的原因一方面是由于预防措施的实施力度不够，另一方面是由于癌症发展到后期阶段才进行诊断而不在早期阶段进行及时的诊断与治疗。因此癌症的早期发现与治疗干预是降低癌症致死率的关键。
循环肿瘤细胞是外周血中由于自发或诊疗操作脱离实体瘤原发病灶或转移灶而存在的肿瘤细胞。研究表明在原发癌诊断前循环肿瘤细胞可能已在循环系统中存活。对血液中循环肿瘤细胞检测的研究有助于在形成转移灶之前发现患者外周血中存在的循环肿瘤细胞，提高癌症早期诊断几率，对癌症治疗过程中的分期评价、疗效评估与治疗方向指导都具有十分重大的意义。
虽然循环肿瘤细胞能够在多种肿瘤患者的外周血中检测出来，但是相比于血细胞的数量，循环肿瘤细胞在血液中的占比非常低，而且其数量也因患者所患的癌症类型不同或患者自身身体条件的差异而不同。传统的免疫荧光方法仅对一部分类型的癌症较为敏感，如乳腺癌、前列腺癌等，而对其他一些癌症类型的敏感性较低。造成该现象的原因是传统的免疫荧光方法主要通过细胞的上皮表型EpCAM来识别循环肿瘤细胞，而有些类型的循环肿瘤细胞容易发生表型异质而造成漏检。还有部分正常细胞可能因表达同样的标志物产生假阳性，这给后续的处理与分析带来很大干扰。
发明内容
本发明提供了一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，本发明可以实现循环肿瘤细胞的高精度实时动态检测，详见下文描述：
一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，所述装置包括：
利用光学多模态图像采集与成像模块，同时采集并记录动态血流中的激光散斑图像以及荧光图像；
通过金纳米棒包被循环肿瘤细胞增强散斑信号强度，利用采集到的散斑图像经数字全息术重构后的幅度谱与相位谱衡量激光散斑信号的强度及变化频率；
选取不同波段的荧光信号实现对不同种类的循环肿瘤细胞的检测，采用多模态信息融合将测量到的图像进行融合，综合定量评价血液中的循环肿瘤细胞。
其中，所述光学多模态图像采集与成像模块包括：激光光源、分光一体式微流控、反射镜、高速相机、以及相应的滤光轮，
滤光轮上安装具有不同通带的滤光片，将得到的图像经过内部图像采集单元的编程数字信号传输入计算机中，得到循环肿瘤细胞相干动态散射信号。
进一步地，所述激发光源，反射镜，滤光片与高速相机组成了荧光强度成像单元，用于实现激发荧光信号采集。
进一步地，所述单色激光光源，反射镜与高速相机组成了散斑强度成像单元，用于实现激光相干散斑图像的采集。
其中，所述分光一体式微流控包括：顺序连接的进样管、金纳米棒反应管、楔形流道与出样管。
进一步地，所述实现激发荧光信号采集具体为：
将获得的荧光图像进行二维梯度变换，得到均衡化的梯度直方图，选取最大类间方差作为评价函数，依次搜索评价函数的最大值，得到荧光信号阈值；
通过荧光信号阈值与Marr-Hildreth算子将经高斯滤波后的荧光图像像素分为两类，将处理后的各波段荧光信号图像进行融合。
进一步地，所述实现激光相干散斑图像的采集具体为：
在频谱图中选取散斑信号的区域对原始信号进行重构，得到散斑信号的功率谱与相位谱，其中，功率谱如下：
在频域中选取与散射相关的长为P宽为Q的矩形区域，选取后的频谱为：
Figure BDA0002828426240000021
利用该目标区域重构散斑信号，得到图像：
Figure BDA0002828426240000022
其中，Ξ(u,v)为选取后的频谱，(u,v)为频谱中任意点的坐标，(u′,v′)为选取的矩形区域中心点的坐标，M为采集到的图像的高度，N为采集到的图像的宽度，(k,l)为高速相机采集到的单帧图像中任意点的坐标，Ω(k,l)为高速相机采集到的单帧图像，Π(x,y)为重构的复数图像，(x,y)为重构图像中任意点的坐标。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明采用特征信号提取技术对血液中的循环肿瘤细胞进行检测，可以有效消除血细胞产生的散斑信号，提高循环肿瘤细胞的检测精度；
2、本发明采用动态相干散斑成像技术，不仅可以实现对血液中细胞表型的重建，还可以根据血细胞的动态散射强度得出实时的血流速度，并实现对血液中循环肿瘤细胞的计数；
3、本发明采用荧光检测可以捕获血液中的循环肿瘤细胞，同时标记特征荧光判断循环肿瘤细胞的种类，并且根据细胞荧光相关信号得到其生长阶段；
4、本发明采用多模态信息融合可以对血液中的循环肿瘤细胞进行全方面的检测与判别。
附图说明
图1为一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置的结构示意图；
图2为分光一体微流控装置的结构示意图；
图3为基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测的整体流程图；
图4为动态散斑处理方法示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：激光光源； 2：分光一体式微流控；
3：反射镜； 4：高速相机；
5：滤光轮。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
目前，小型化、自动化、智能化已成为生物医学检测领域发展的一大趋势。这就要求检测方法具有动态实时、高灵敏度、高分辨率、多手段结合等优点，从而实现循环肿瘤细胞实时高精度检测。由于血液中循环肿瘤细胞的含量较少，且其中含有大量具有干扰效果的血细胞，为了提高方法的特异性检测能力，需使用多种参数以提高循环肿瘤细胞的检测精度。光学动态检测技术结合微流控生物芯片技术具有实时无损、灵敏度高、操作简单、检测迅速等优点，在癌症的早期监测及治疗中具有较好的应用前景。
在血液流动的过程中，血液中细胞的流速会造成散射信号强度的起伏，通过一定的处理，可以对血流速度进行分析。对于血液中的循环肿瘤细胞而言，其与血液中的血细胞具有较大的形态学差异，可以通过采集图像特征获取其形态特征，利用图像处理方法将其与血细胞信号区分出来，并结合血流速度的分析实现对循环肿瘤细胞的计数。对于不同种类的循环肿瘤细胞，其细胞形态特征也会存在一定的差异，从而引起散射信号的相位变化，可以利用动态散斑相位谱反映细胞的形态学特征，从而达到对不同循环肿瘤细胞进行区分的目的。当循环肿瘤细胞包被含有荧光信标的金纳米棒时，利用金纳米棒的高散射特性可以对循环肿瘤细胞的散斑信号进行增强，同时利用单克隆抗体的特异性结合和荧光信标种类的不同可以对检出的循环肿瘤细胞进行进一步的分类矫正。
实施例1
本发明实施例提供了一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，参见图1，该装置包括：
一、光学多模态图像采集与成像
利用光学多模态图像采集与成像模块，同时采集并记录动态血流中的激光散斑图像以及荧光图像。该模块组成如图1所示，主要包括：激光光源1、分光一体式微流控2、反射镜3、高速相机4、以及相应的滤光轮5(即高速相机4与滤光轮5组成了图像采集功能)，滤光轮5上安装具有不同通带的滤光片。通过各个成像模块得到的图像经过内部图像采集单元的编程数字信号传输入计算机(即高速相机4与计算机相连接)中，得到循环肿瘤细胞相干动态散射信号并进行下一步处理。
二、相干动态散斑图像处理
基于循环肿瘤细胞相干动态散射信号的处理，采用数字全息术计算其动态散斑功率谱及相位谱，从而获得血液中各种细胞的表型参数用以对循环肿瘤细胞进行分类。动态散斑信号是由动态血流中的细胞结构及折射率变化引起的，相干散斑信号在空间上的强度起伏反映了细胞表型，其在时间上的相位变化反映了血流的不同模态。利用金纳米棒包被循环肿瘤细胞可以增强循环肿瘤细胞的散斑信号强度以更好地将循环肿瘤细胞信号从血细胞信号中提取出来。可以利用采集到的散斑图像经数字全息术重构后的幅度谱与相位谱来衡量激光散斑信号的强度级变化频率。
三、荧光强度图像处理
不同种类的循环肿瘤细胞会与特定的单克隆抗体特异性结合。利用包被(即用单克隆抗体和荧光信标修饰过的金纳米棒)有不同种类的循环肿瘤细胞单克隆抗体及荧光信标的金纳米棒与不同种类的循环肿瘤细胞结合，在一定波长的单色激光激发下，会产生荧光信号，荧光信号的强度与循环肿瘤细胞的数量有关。利用滤光轮选取不同波段的荧光信号可以实现对不同种类的循环肿瘤细胞的检测。
四、多模态信息融合与定量评价
利用多模态光学成像系统及相应处理方法得到的相干动态散斑图像以及荧光强度图像可以反映血液中的细胞表型及血液流动模态。在本发明实施例中，进一步采用多模态信息融合方法，将各种不同方法测量到的图像进行融合，从而能够综合定量评价血液中的循环肿瘤细胞。
实施例2
下面结合图2-图4对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
一、基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测的微型装置
1)分光一体式微流控单元(即分光一体式微流控)：主要包括：顺序连接的进样管、金纳米棒反应管、楔形流道与出样管，可对不同种类的循环肿瘤细胞进行包被和实现血液流动的同时进行分光。
2)激光相干散斑成像单元：主要包括：单色激光光源1，反射镜3与高速相机4，主要功能是实现激光相干散斑图像的采集。
3)荧光强度成像单元，主要包括：激发光源1，反射镜3，滤光片5与高速相机4，主要功能是实现激发荧光信号采集。
二、血液中循环肿瘤细胞的动态散斑图像处理方法
利用基于幅相频域重建以及基于特征提取的动态散斑处理方法对测量到的动态相干散斑图像进行分析，可以得到重建功率谱与相位谱的动态信号，并以此为依据对血液中的循环肿瘤细胞进行检测。
本发明实施例中利用光学多模态图像采集与成像模块得到的动态相干散斑图像可以表示成M×N的矩阵形式，其可以看作是测量光场Φo与参考光场Φr的叠加，可以表示为：
Ω(k,l)＝|Φr|2+|Φo|2-2|Φr||Φo|cos[(ko-kr)·r+φ] (1)
其中，Ω(k,l)为高速相机采集到的单帧图像，ko为测量光场平均光波矢，kr为参考光场平均光波矢，r为光波矢，φ为初相位。
在本发明实施例中，动态散射信号的频域信息与血流速度和细胞形态有关，可根据在频谱图中选取散斑信号的区域对原始信号进行重构，即可得到散斑信号的功率谱与相位谱，其原理如下。
若在频域中选取与散射相关的长为P宽为Q的矩形区域，则选取后的频谱可表示为：
Figure BDA0002828426240000061
其中，Ξ(u,v)为选取后的频谱，(u,v)为频谱中任意点的坐标，(u′,v′)为选取的矩形区域的中心点坐标，M为采集到的图像的高度，N为采集到的图像的宽度，(k,l)为高速相机采集到的单帧图像中任意点的坐标。
利用该目标区域重构散斑信号，则可得到图像：
Figure BDA0002828426240000062
其中，Π(x,y)为重构的复数图像，(x,y)为重构图像中任意点的坐标。
由此可得到重建功率谱为：
P(x,y)＝Re[Π(x,y)]2+Im[Π(x,y)]2 (4)
其中，P(x,y)为重建功率谱，重建相位谱为：
Figure BDA0002828426240000063
其中，Ψ(x,y)为重建相位谱。
通过上述步骤得到的功率谱与相位谱中还含有静态散斑信息、血液的动态散斑信息、循环肿瘤细胞的动态散斑信息以及背景噪声信息等。利用基于重建功率谱与相位谱的动态特征提取，能有效地去除背景及血流信号的干扰。
三、血液中循环肿瘤细胞的荧光图像处理方法
不同种类的循环肿瘤细胞会与包被有不同荧光信标的金纳米棒结合，在荧光激发光激发下，产生不同种类的荧光信号，利用滤光轮可以得到不同种类循环肿瘤细胞的荧光图像。先将获得的荧光图像进行二维梯度变换，再得到均衡化的梯度直方图，选取最大类间方差作为评价函数，最后依次搜索评价函数的最大值，计算得到荧光信号阈值。最后利用得到的荧光信号阈值与Marr-Hildreth算子将经高斯滤波后的荧光图像像素分为两类，将处理好的各波段荧光信号图像进行融合，以便对检出的循环肿瘤细胞进行进一步的分类矫正。
四、图像融合方法
利用多模态光学成像系统及相应处理方法得到的动态散斑图像以及荧光图像可以反映血流模态以及循环肿瘤细胞的表型及数量。在本发明实施例中，进一步采用多模态信息融合方法，将各种不同方法测量到的图像进行融合，从而能够综合定量评价血液中的循环肿瘤细胞。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，其特征在于，所述装置包括：
利用光学多模态图像采集与成像模块，同时采集并记录动态血流中循环肿瘤细胞的激光散斑图像以及荧光图像；
通过单克隆抗体和荧光信标修饰过的金纳米棒包被循环肿瘤细胞增强散斑信号强度，利用采集到的散斑图像经数字全息术重构后的幅度谱与相位谱衡量激光散斑信号的强度及变化频率；
选取不同波段的荧光信号实现对不同种类及生长阶段的循环肿瘤细胞的检测，采用多模态信息融合将测量到的图像进行融合，综合定量评价血液中的循环肿瘤细胞。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，其特征在于，所述光学多模态图像采集与成像模块包括：激光光源、分光一体式微流控、反射镜、高速相机、以及相应的滤光轮，
滤光轮上安装具有不同通带的滤光片，将得到的图像经过内部图像采集单元的编程数字信号传输入计算机中，得到循环肿瘤细胞动态相干散射信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，其特征在于，所述激光光源，反射镜，滤光片与高速相机组成了荧光强度成像单元，用于实现激发荧光信号采集。
4.根据权利要求2所述的一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，其特征在于，所述激光光源，反射镜与高速相机组成了散斑强度成像单元，用于实现激光相干散斑图像的采集。
5.根据权利要求2所述的一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，其特征在于，所述分光一体式微流控包括：顺序连接的进样管、金纳米棒反应管、楔形流道与出样管。
6.根据权利要求3所述的一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，其特征在于，所述实现激发荧光信号采集具体为：
将获得的荧光图像进行二维梯度变换，得到均衡化的梯度直方图，选取最大类间方差作为评价函数，依次搜索评价函数的最大值，得到荧光信号阈值；
通过荧光信号阈值与Marr-Hildreth算子将经高斯滤波后的荧光图像像素分为两类，将处理后的各波段荧光信号图像进行融合。
7.根据权利要求4所述的一种基于动态相干光学成像技术的循环肿瘤细胞检测装置，其特征在于，所述实现激光相干散斑图像的采集具体为：
在频谱图中选取散斑信号的区域对原始信号进行重构，得到散斑信号的功率谱与相位谱，其中，功率谱如下：
在频域中选取与散射相关的长为P宽为Q的矩形区域，选取后的频谱为：
Figure FDA0003998501410000021
利用该目标区域重构散斑信号，得到图像：
Figure FDA0003998501410000022
其中，Ξ(u,v)为选取后的频谱，(u,v)为频谱中任意点的坐标，(u′,v′)为选取的矩形区域中心点的坐标，M为采集到的图像的高度，N为采集到的图像的宽度，(k,l)为高速相机采集到的单帧图像中任意点的坐标，Ω(k,l)为高速相机采集到的单帧图像，∏(x,y)为重构的复数图像，(x,y)为重构图像中任意点的坐标。
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