CN115803606A - 获得运动中的样本的图像的装置和方法 - Google Patents

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S·洪
M·休
吕少平
J·穆恩
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Abstract

本发明提供了一种方法，该方法用于基于一次或多次曝光生成移动样本的分析图像。当样本移动穿过视场时，照射源照射相机的视场一个或多个脉冲。在这些一个或多个脉冲中的每个脉冲期间，由样本移动的距离可小于由相机捕获的图像中的一个像素的尺寸。

Description

获得运动中的样本的图像的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年11月6日提交的名称为“获得运动中的样本的图像的装置和方法(Apparatus and Method of Obtaining an Image of a Sample in Motion)”的美国临时专利申请63/110,720的权益，该美国临时专利申请以引用的方式全文并入本文。
背景技术
本部分中讨论的主题不应仅因为在本部分中有提及就被认为是现有技术。类似地，在本部分中提及的或与作为背景技术提供的主题相关联的问题不应被认为先前在现有技术中已被认识到。本部分中的主题仅表示不同的方法，这些方法本身也可对应于受权利要求书保护的技术的具体实施。
对于待成像的对象，必须在该对象处于成像设备的视场中时收集光子。这继而需要对对象进行照射。当待成像的对象仅在有限的时间内处于视场中时，成像系统必须确保在对象处于视场中的时间期间通过照射施加的能量足以收集必要的光子。高精度运动样本台、延时积分(TDI)相机和二极管泵浦固态(DPSS)激光器是用于实现这一目标的部件之一。
发明内容
本文公开的示例涉及用于照射对象的技术，并且具体地集中于用于照射待测序的遗传物质的样本的技术。
一种具体实施涉及一种机器，该机器包括相机，该相机用于捕获包括像素的图像，该像素中的每个像素具有对应于在样本台上在样本容器的移动方向上的距离的像素尺寸。该机器还包括该样本台，该样本台用于将该样本容器相对于与该样本台重叠的该相机的视场移动，其中该样本容器包括具有在该样本容器的该移动方向上的节距长度的特征阵列。该机器还包括照射源，该照射源用于照射该相机的该视场。该机器还包括控制器，该控制器用于通过执行动作来获得分析图像，该动作包括当来自该特征阵列的特征处于该相机的该视场中并且相对于该视场运动时，获得该特征的一次或多次曝光。获得该特征的一次或多次曝光可通过针对该一次或多次曝光中的每次曝光执行动作来执行。该动作可包括：将该相机的传感器暴露于照射第一持续时间；以及在具有第二持续时间的在该相机的该传感器暴露于照射时发生的时段期间，用该照射源照射该相机的该视场。在这种机器中，从具有该第二持续时间的该时段的开始到结束，该特征在该相机的该视场中的位移小于或等于在该样本容器的该移动方向上的该节距长度。
在一些具体实施中，在诸如前文所述的机器中，从具有该第二持续时间的该时段的开始到结束，该特征在该相机的该视场中在该样本容器的该移动方向上的位移可小于或等于该像素尺寸。
在诸如本发明内容的前两段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，获得该特征的一次或多次曝光包括获得该特征的多次曝光。该控制器用于执行的该动作包括基于该特征的该多次曝光中的一次或多次曝光的转换来叠加该特征的该多次曝光。
在诸如本发明内容的前一段中所描述的机器的一些具体实施中，该控制器用于执行的该动作包括对于每次曝光，当用该照射源照射该相机的该视场时，获得针对该样本容器的位置的对应值。在一些此类具体实施中，该控制器用于基于该曝光的针对该样本容器的位置的对应值之间的差异来转换该特征的该多次曝光中的一次或多次曝光。
在诸如本发明内容的前一段中所描述的机器的一些具体实施中，该机器包括编码器以提供针对该样本容器的位置的值。在一些此类具体实施中，该控制器用于对于每次曝光，当用来自该编码器的该照射源照射该相机的该视场时，获得针对该样本容器的位置的该对应值。
在诸如本发明内容的前一段中所描述的机器的一些具体实施中，该编码器具有分辨率，用于区分开小于该样本台上对应于该像素尺寸的该距离的距离，并且叠加该特征的该多次曝光包括以该编码器的该分辨率共同配准该多次曝光中的每次曝光。
在诸如本发明内容的前一段中所描述的机器的一些具体实施中，以该编码器的该分辨率共同配准该多次曝光中的每次曝光包括对于该一次或多次曝光中的至少一次曝光，通过对该曝光进行快速傅里叶变换来获得频率空间表示。以该编码器的该分辨率共同配准该多次曝光中的每次曝光还包括对于该一次或多次曝光中的至少一次曝光，将该频率空间表示转换该距离，该距离并非该样本台上对应于该像素尺寸的该距离的整数倍。以该编码器的该分辨率共同配准该多次曝光中的每次曝光还包括对于该一次或多次曝光中的至少一次曝光，对转换后的频率空间表示执行快速傅里叶逆变换。
在诸如本发明内容的前两段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，以该编码器的该分辨率共同配准该多次曝光中的每次曝光包括对于该多次曝光中的每次曝光：基于在像素之间内插数据将该曝光上采样到该编码器的该分辨率；以及在上采样之后转换该曝光中的一次或多次曝光。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，该样本容器可包括多个基准点，并且该控制器可用于基于曝光之间该基准点的位置差异来转换该特征的该多次曝光中的一次或多次曝光。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，该分析图像包括多个像素，每个像素具有第一位深度。在一些此类具体实施中，该多次曝光中的每次曝光包括多个像素，该多个像素中的每个像素具有第二位深度，该第二位深度小于该第一位深度。
在诸如前一段中所描述的机器的一些具体实施中，由该相机捕获的每个图像所包括的每个像素具有第三位深度，其中该第三位深度大于该第二位深度。获得该特征的该多次曝光包括对于每次曝光：在该照射源照射该相机的该视场时用该相机捕获图像；以及从由该相机捕获的该图像中截断该像素的多个最高有效位，其中该截断的最高有效位的数量等于该第三位深度与该第二位深度之间的差值。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，对该特征进行成像需要阈值照射能量剂量。对于该特征的该一次或多次曝光中的每次曝光，用该照射源照射该相机的该视场包括以某个功率激活该照射源，该功率：当乘以该第二持续时间时，提供小于用于对该特征成像的该阈值照射能量剂量的单独曝光能量剂量；以及当乘以该第二持续时间并乘以该多次曝光中的曝光次数时，提供大于用于对该特征成像的该阈值照射能量剂量的总曝光能量剂量。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，该控制器用于执行的该动作包括用该相机获得参考对象的图像，其中该参考对象包括具有已知位置的多个特征。该控制器用于执行的该动作还包括：通过执行动作来创建畸变图，该动作包括将该参考对象所包括的该多个特征的该已知位置与该参考对象的该图像中的该多个特征的表观位置进行比较；以及将该畸变图应用于该特征的该一次或多次曝光中的每次曝光。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，该样本台使用滚珠轴承安装在该机器的框架上，该相机用于使用互补金属氧化物半导体传感器来捕获图像，并且该照射源是二极管激光器。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，该特征是纳米孔。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，该分析图像是多个分析图像中的一个分析图像；该控制器用于执行多个测序循环，其中来自该多个分析图像的每个分析图像对应于单个测序循环；该控制器用于基于该多个分析图像针对该样本容器中的每个特征确定簇多核苷酸；并且该控制器用于基于针对来自该样本容器的该特征确定的该簇多核苷酸来确定与该样本容器相关联的样本的完整多核苷酸。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，该样本容器所包括的该特征阵列具有垂直于该样本容器的该移动方向的节距，该节距小于该样本容器的该移动方向上的该节距。
在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的机器的一些具体实施中，该机器包括电机，以通过在具有该第二持续时间的该时段期间在该样本容器的该移动方向上转换该相机的该视场来抵消该样本台的移动。
另一具体实施涉及一种方法，该方法包括：在移动方向上相对于相机的视场转换样本台上的特征，其中该相机具有对应于在该样本台上在该移动方向上的距离的像素尺寸，其中该特征是样本容器中的特征阵列所包括的，该特征阵列具有在该移动方向上的节距长度。该方法还包括通过执行动作来生成分析图像，该动作包括当该特征处于该相机的该视场中并且相对于该视场运动时，通过针对该特征的一次或多次曝光中的每次曝光，执行动作来获得该一次或多次曝光。该动作包括：将该相机的传感器暴露于照射第一持续时间；以及在具有第二持续时间并且在该相机的该传感器暴露于照射时发生的时段期间，用照射源照射该相机的该视场。在这种方法中，从具有该第二持续时间的该时段的开始到结束，该特征在该相机的该视场中的位移小于或等于在该移动方向上的该节距长度。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的前一段中所描述的方法中，从具有该第二持续时间的时段的开始到结束，该特征在该移动方向上的位移小于或等于该像素尺寸。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的前两段中的任一段中所描述的方法中，获得该特征的一次或多次曝光包括获得该特征的多次曝光。该方法还包括叠加该特征的该多次曝光以通过执行动作来创建该特征的该分析图像，该动作包括转换该特征的该多次曝光中的一次或多次曝光。
在一些具体实施中，在诸如前一段中所描述的方法中，该方法包括对于每次曝光，当用该照射源照射该相机的该视场时获得针对该样本容器的位置的对应值；以及基于该曝光的针对该样本容器位置的对应值之间的差异来转换该特征的该多次曝光中的一次或多次曝光。
在一些具体实施中，在诸如前一段中所描述的方法中，对于每次曝光，从编码器获得当用该照射源照射该相机的该视场时针对该样本容器的位置的该对应值。
在一些具体实施中，在诸如前一段中所描述的方法中，该编码器具有分辨率，用于区分开小于该样本台上对应于该像素尺寸的该距离的距离，并且叠加该斑点的该多次曝光包括以该编码器的该分辨率共同配准该多次曝光中的每次曝光。
一些具体实施中，在诸如本发明内容的前一段中所描述的方法中，以该编码器的该分辨率共同配准该多次曝光中的每次曝光包括对于该一次或多次曝光中的至少一次曝光，通过对该曝光进行快速傅里叶变换来获得频率空间表示。以该编码器的该分辨率共同配准该多次曝光中的每次曝光还包括对于该一次或多次曝光中的至少一次曝光，将该频率空间表示转换该距离，该距离并非该样本台上对应于该像素尺寸的该距离的整数倍；以及对转换后的频率空间表示执行快速傅里叶逆变换。
在一些具体实施中，在诸如前两段中的任一段中所描述的方法中，共同配准该多次曝光中的每次曝光包括对于该多次曝光中的每次曝光：基于在像素之间内插数据将该曝光上采样到该编码器的该分辨率；以及在上采样之后转换该曝光中的一次或多次曝光。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，该样本容器包括多个基准点，并且该方法包括基于曝光之间该基准点的位置差异来转换该特征的该多次曝光中的一次或多次曝光。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，该分析图像包括多个像素，每个像素具有第一位深度；并且该多次曝光中的每次曝光包括多个像素，该多个像素中的每个像素具有第二位深度，其中该第二位深度小于该第一位深度。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的前一段中所描述的方法的，由该相机捕获的每个图像所包括的每个像素具有第三位深度，其中该第三位深度大于该第二位深度。另外，获得该特征的该多次曝光包括对于每次曝光：在该照射源照射该相机的该视场时用该相机捕获图像；以及从由该相机捕获的该图像中截断该像素的多个最高有效位，其中该截断的最高有效位的数量等于该第三位深度与该第二位深度之间的差值。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，对该特征进行成像需要阈值照射能量剂量。另外，在这种方法中，对于该特征的该一次或多次曝光中的每次曝光，用该照射源照射该相机的该视场包括以某个功率激活该照射源，该功率：当乘以该第二持续时间时，提供小于用于对该特征成像的该阈值照射能量剂量的单独曝光能量剂量；以及当乘以该第二持续时间并乘以该多次曝光中的曝光次数时，提供大于用于对该特征成像的该阈值照射能量剂量的总曝光能量剂量。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，该方法包括用该相机获得参考对象的图像，其中该参考对象包括具有已知位置的多个特征。该方法还可包括通过执行动作来创建畸变图，该动作包括将该参考对象所包括的该多个特征的该已知位置与该参考对象的该图像中的该多个特征的表观位置进行比较。该方法还可包括将该畸变图应用于该特征的该一次或多次曝光中的每次曝光。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，该样本台使用滚珠轴承安装在固定框架上，该相机用于使用互补金属氧化物半导体传感器来捕获图像，并且该照射源是二极管激光器。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，该特征是纳米孔。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，该分析图像是多个分析图像中的一个分析图像。在一些此类具体实施中，该方法还包括：执行多个测序循环，其中来自该多个分析图像的每个分析图像对应于单个测序循环；基于该多个分析图像针对该样本容器中的每个特征确定簇多核苷酸；以及基于针对来自该样本容器的该特征确定的该簇多核苷酸来确定与该样本容器相关联的样本的完整多核苷酸。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，该样本容器所包括的该特征阵列具有垂直于该样本容器的移动方向的节距，该节距小于该样本容器的该移动方向上的该节距。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的先前段中的任一段中所描述的方法中，该方法包括通过在具有该第二持续时间的该时段期间在该移动方向上转换该相机的该视场来抵消该样本台的移动。
另一具体实施涉及一种机器，该机器包括样本台，该样本台用于将样本相对于与该样本台重叠的相机的视场移动。该机器还包括该相机，该相机用于捕获包括像素的图像，该像素中的每个像素具有对应于该样本台上的距离的像素尺寸。该机器还包括照射源，该照射源用于照射该相机的该视场。该机器还包括用于使用脉冲照射获得连续移动样本的分析图像的装置。
在一些具体实施中，在诸如本发明内容的前一段中所描述的机器中，该用于使用脉冲照射获得该连续移动样本的该分析图像的装置包括用于转换和叠加多个亚阈值曝光的装置。
根据以下结合附图的详细描述，所公开技术的其他特征和方面将变得显而易见，附图以举例的方式示出了根据所公开的技术的示例的特征。本发明内容并非旨在限制本文档或任何相关文档提供的任何保护范围，该范围由相应文档的权利要求和等同物定义。
应当理解，前述概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文公开的发明主题的一部分。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。
附图说明
参考以下附图详细描述根据一个或多个各种示例的本公开。提供这些附图仅仅是为了说明的目的，并且仅描述典型的或示例性的具体实施。
图1在一个示例中示出了示例性图像扫描系统的一般化框图，利用该图像扫描系统可实现本文公开的系统和方法。
图2是示出可在特定具体实施中实现的示例性双信道行扫描模块化光学成像系统的框图。
图3示出了可根据本文公开的具体实施成像的图案化样本的示例性配置。
图4示出了其中使用相机对连续移动穿过其视场的样本进行成像的示例性场景。
图5示出了组合多次曝光的示例性过程。
图6示出了可用于实现本公开中描述的具体实施的各种特征的示例性计算模块。
图7A至图7C示出了其中使用透镜和反射镜将来自特征的照射聚焦在相机上的配置。
附图并非穷举性的，并且不将本公开限制为所公开的精确形式。
具体实施方式
如本文所用以指代样本时，术语“斑点”或“特征”旨在表示图案中的点或区域，其可根据相对位置与其他点或区域区分开来。单个斑点可包括一种或多种特定类型的分子。例如，斑点可包含具有特定序列的单个靶核酸分子，或者斑点可包含具有相同序列(和/或其互补序列)的若干核酸分子。
如本文所用以指代结合方向指代斑点或特征时，术语“节距”旨在表示该斑点或该特征与该方向上的其他斑点或特征的分离。例如，如果样本容器具有在成像期间容器将移动的方向上彼此分开650nm的特征阵列，则该方向上的特征的“节距”可称为650nm。
如本文所用，术语“xy平面”旨在表示由笛卡尔坐标系中的直线轴x和y限定的2维区域。当参考检测器和检测器所观察的对象使用时，该区域可被进一步指定为与检测器和所检测的对象之间的观察方向正交。当在本文用于指代行扫描仪时，术语“y方向”表示扫描方向。
如本文所用，术语“z坐标”旨在表示指定沿着正交于xy平面的轴的点、线或区域的位置的信息。在特定具体实施中，z轴正交于检测器所观察的对象的区域。例如，光学系统的焦点方向可沿z轴指定。
如本文所用，术语“扫描线”旨在表示检测对象在xy平面内的2维横截面，该横截面为矩形或长圆形，并引起横截面与对象之间的相对移动。例如，在荧光成像的情况下，可在扫描中的给定时间点特定地激发具有矩形或长圆形形状的对象的区域(在排除其他区域的情况下)和/或可特定地获取来自该区域的发射(在排除其他区域的情况下)。
本文公开的具体实施涉及在运动时对待成像的对象的照射。可针对一个或多个短暂间隔提供照射，并且可组合对应于多个照射短暂间隔的数据以生成图像。
图1是其中可实现本文公开的技术的示例性成像系统100。示例性成像系统100可包括用于获得或产生样本图像的设备。图1中概述的示例示出了背光设计具体实施的示例性成像配置。应当指出的是，尽管本文可在示例性成像系统100的上下文中不时地描述系统和方法，但这些仅是可实现本文公开的照射和成像技术的具体实施的示例。
如在图1的示例中可以看到的，受试者样本位于样本容器110(例如，如本文所述的流动电池)上，该样本容器定位在样本台170上，该样本台安装在物镜142下方的框架190上。光源160和相关联光学器件将光束(诸如激光)引导到样本容器110上的选定样本位置。样本发出荧光，并且所得光由物镜142收集并被引导到相机系统140的图像传感器以检测荧光。样本台170相对于物镜142移动以将样本容器110上的下一个样本位置定位在物镜142的焦点处。样本台170相对于物镜142的移动可通过移动样本台本身、物镜、成像系统的一些其他部件或前述的任何组合来实现。另外的具体实施还可包括将整个成像系统移动到固定样本上。
流体递送模块或设备180可将试剂(例如，荧光标记的核苷酸、缓冲液、酶、裂解试剂等)流引导到(并通过)样本容器110和废液阀120。样本容器110可包括在其上提供样本的一个或多个基底。例如，在用于分析大量不同核酸序列的系统的情况下，样本容器110可包括待测序的核酸在其上结合、附着或相关的一个或多个基底。在各种具体实施中，该基底可包括核酸可附着到其上的任何惰性基底或基质，例如玻璃表面、塑料表面、胶乳、葡聚糖、聚苯乙烯表面、聚丙烯表面、聚丙烯酰胺凝胶、金表面和硅晶片。在一些应用中，该基底在位于样本容器110上以矩阵或阵列形成的多个位置处的通道或其他区域内。
在一些具体实施中，样本容器110可包括使用一种或多种荧光染料成像的生物样本。例如，在特定具体实施中，样本容器110可被实现为图案化流动池，包括半透明盖板、基底和夹置在其间的液体，并且生物样本可位于半透明盖板的内表面或基底的内表面处。流动池可包括大量(例如，数千、数百万或数十亿)的孔或其他类型的斑点(例如，垫、草皮)，这些孔或其他类型的斑点在基底上被设计成限定阵列(例如，六边形阵列、矩形阵列等)。每个斑点可形成可例如使用边合成边测序来测序的生物样本(诸如DNA、RNA或另一基因组材料)的簇(例如，单克隆簇)。流动池可进一步被划分为多个间隔开的泳道(例如，八个泳道)，每个泳道包括六边形阵列的簇。美国专利8,778,848中描述了可用于本文公开的具体实施中的示例性流动池。
该系统还包括可任选地调节样本容器110内的流体条件的温度的温度站致动器130和加热器/冷却器135。可包括相机系统140以监视和跟踪样本容器110的测序。相机系统140可例如被实现为电荷耦合器件(CCD)相机(例如，时间延迟积分(TDI)CCD相机)，该CCD相机可与过滤器切换组件145、物镜142和聚焦激光/聚焦激光组件150内的各种过滤器交互。相机系统140不限于CCD相机，并且可使用其他相机和图像传感器技术。在特定具体实施中，相机传感器可具有介于约5μm与约15μm之间的像素尺寸，但在一些情况下也可使用其他像素尺寸，诸如2.4μm。
来自相机系统140的传感器的输出数据可被传送到实时分析模块(未示出)，该实时分析模块可被实现为分析图像数据(例如，图像质量评分)、向图形用户界面(GUI)报告或显示激光束的特性(例如，焦点、形状、强度、功率、亮度、位置)，并且如下文进一步描述，动态地校正图像数据中的畸变的软件应用程序。
可包括光源160(例如，任选地包括多个激光器的组件内的激发激光器)或其他光源，以经由通过光纤接口(其可任选地包括一个或多个重成像透镜，光纤安装件等)的照射来照射样本内的荧光测序反应。低瓦特灯165和聚焦激光器150也在所示示例中呈现。在一些具体实施中，聚焦激光器150可在成像期间关闭。在其他具体实施中，替代的聚焦配置可包括第二聚焦相机(未示出)，该第二聚焦相机可以是象限检测器、位置敏感检测器(PSD)或类似的检测器，以在数据收集的同时测量从表面反射的散射光束的位置。
尽管示为背光设备，但其他示例可包括来自激光器或其他光源的光，该光通过物镜142被引导到样本容器110上的样本上。样本容器110可最终安装在样本台170上，以提供样本容器110相对于物镜142的移动和对准。样本台可具有一个或多个致动器，以允许其以三个维度中的任一者移动。例如，就笛卡尔坐标系而言，可提供致动器以允许该样本台相对于物镜在X、Y和Z方向上移动。这可允许样本容器110上的一个或多个样本位置定位成与物镜142光学对准。
聚焦(z轴)部件175在该示例中示为被包括在内以控制光学部件在聚焦方向(通常称为z轴或z方向)上相对于样本容器110的定位。聚焦部件175可包括物理耦合到光学样本台或样本台或两者的一个或多个致动器，以相对于光学部件(例如，物镜142)移动样本台170上的样本容器110，以便为成像操作提供适当的聚焦。例如，致动器可物理耦合到相应样本台，例如通过机械、磁性、流体或其他附着或者直接或间接接触该样本台或与其接触。该一个或多个致动器可在z方向上移动样本台，同时将样本台维持在同一平面中(例如，维持垂直于光轴的水平或水平姿态)。该一个或多个致动器还可使该样本台倾斜。例如，这可以进行，使得样本容器110可动态地调平以考虑其表面上的任何斜率。
系统的聚焦通常是指将物镜的焦平面与待成像的样本在选定的样本位置处对准。然而，聚焦也可指对系统的调整，以获得样本表示的期望特性，诸如例如测试样本图像的期望清晰度或对比度水平。由于物镜的焦平面的可用景深可能很小(有时为大约1μm或更小)，因此聚焦部件175紧密地跟随正在成像的表面。由于样本容器并非如固定在器械中那样完全平坦，因此聚焦部件175可被设置为在沿扫描方向(本文称为y轴)移动时遵循该轮廓。
在正在成像的样本位置处从测试样本发出的光可被引导到相机系统140的一个或多个检测器。可包括并定位光圈以仅允许从聚焦区域发出的光传递到检测器。可包括光圈以通过过滤掉从聚焦区域之外的区域发出的光的分量来提高图像质量。发射过滤器可包括在过滤器切换组件145中，其可被选择为记录确定的发射波长并切断任何杂散激光。
尽管未示出，但可提供控制器来控制扫描系统的操作，该控制器可被实现为诸如下文在图6的上下文中讨论的计算模块。控制器可被实现为控制系统操作的各方面，诸如例如聚焦、样本台移动和成像操作。在各种具体实施中，控制器可使用硬件、算法(例如，机器可执行指令)或前述的组合来实现。例如，在一些具体实施中，控制器可包括一个或多个CPU或具有相关联存储器的处理器。又如，控制器可包括硬件或其他电路以控制操作，诸如计算机处理器和其中存储有机器可读指令的非暂态计算机可读介质。例如，该电路可包括以下中的一者或多者：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑设备(PLD)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、可编程阵列逻辑(PAL)或其他类似处理设备或电路。又如，控制器可包括该电路与一个或多个处理器的组合。
当实现所公开的技术时，也可使用其他成像系统。例如，图2是示出其中可实现所公开技术的各方面的示例性双信道行扫描模块化光学成像系统200的框图。在一些具体实施中，系统200可用于核酸的测序。可应用的技术包括其中核酸附着在阵列中的固定位置(例如，流动池的孔)并且在阵列相对于成像系统200中的相机的视场运动时对阵列反复成像的技术。在此类具体实施中，系统200可获得两个不同颜色通道中的图像，这些图像可用于将特定核苷酸碱基类型与另一种碱基类型区分开来。更具体地，系统200可实现被称为“碱基判读”的过程，该过程通常指在成像循环中针对图像的给定斑点位置确定碱基判读(例如，腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(g)或胸腺嘧啶(T))的过程。在双信道碱基判读期间，从两个图像中提取的图像数据可用于通过将碱基身份编码为两个图像强度的组合来确定四种碱基类型中的一种碱基类型的存在。对于两个图像中的每个图像中的给定斑点或位置，可基于信号标识的组合是[开，开]、[开，关]、[关，开]还是[关，关]来确定碱基身份。
再次参考成像系统200，该系统包括其中设置有两个光源211和212的线生成模块(LGM)210。光源211和212可以是相干光源，诸如输出激光束的激光二极管。光源211可发射第一波长(例如，红色波长)的光，并且光源212可发射第二波长(例如，绿色波长)的光。从激光源211和212输出的光束可被引导穿过一个或多个光束整形透镜213。在一些具体实施中，可使用单个光整形透镜对从两个光源输出的光束进行整形。在其他具体实施中，可针对每个光束使用单独的光束整形透镜。在一些示例中，光束整形透镜是鲍威尔透镜，使得光束被整形为线图案。LGM 210或其他光学部件成像系统的光束整形透镜可将光源211和212发射的光整形为线图案(例如，通过使用一个或多个鲍威尔透镜或其他光束整形透镜、衍射或散射部件)。
LGM 210还可包括反射镜214和半反射镜215，以将光束穿过单个接口端口引导到发射光学器件模块(EOM)230。光束可穿过快门元件216。EOM 230可包括物镜235和z样本台236，该z样本台使物镜235纵向移动得更靠近或更远离目标250。例如，目标250可包括液体层252和半透明盖板251，并且生物样本可位于半透明盖板的内表面处以及位于液体层下方的基底层的内表面处。然后，z样本台236可移动物镜以将光束聚焦到流动池的任一内表面上(例如，聚焦在生物样本上)。类似地，在一些具体实施中，目标250可安装在可在xy平面内相对于物镜235移动的样本台上，或者可包括该样本台。生物样本可以是DNA、RNA、蛋白质或本领域已知的对光学测序有响应的其他生物材料。
EOM 230可包括半反射镜233，以将从焦点跟踪模块(FTM)240发射的焦点跟踪光束反射到目标250上，然后将从目标250返回的光反射回到FTM 240中。FTM 240可包括聚焦跟踪光学传感器，以检测返回的聚焦跟踪光束的特性并生成反馈信号以优化物镜235在目标250上的聚焦。
EOM 230还可包括半反射镜234，以引导光穿过物镜235，同时允许从目标250返回的光穿过。在一些具体实施中，EOM 230可包括镜筒透镜232。透射穿过镜筒透镜232的光可穿过过滤器元件231并进入相机模块(CAM)220。CAM 220可包括一个或多个光学传感器221以检测响应于入射光束从生物样本发射的光(例如，响应于从光源211和212所接收的红光和绿光的荧光)。
来自CAM 220的传感器的输出数据可被传送到实时分析模块225。在各种具体实施中，实时分析模块执行用于分析图像数据(例如，图像质量评分、碱基判读等)、向图形用户界面(GUI)报告或显示光束的特性(例如，焦点、形状、强度、功率、亮度、位置)等的计算机可读指令。这些操作可在成像循环期间实时地执行，以最小化下游分析时间，并在成像运行期间提供实时反馈和故障排除。在具体实施中，实时分析模块可以是通信地耦合到成像系统200并控制该成像系统的计算设备(例如，计算设备1000)。在下面进一步描述的具体实施中，实时分析模块225可另外执行用于控制目标250的照射并且任选地用于将在光学传感器221的多次曝光期间收集的数据集成到图像中的计算机可读指令。
图3示出了可根据本文公开的具体实施成像的样本容器300的示例性配置。在该示例中，样本容器300被图案化为具有有序斑点310的六边形阵列，这些有序斑点可在成像运行期间同时成像。尽管在该示例中示出了六边形阵列，但在其他具体实施中，可使用直线阵列、圆形阵列、八边形阵列或一些其他阵列图案来对样本容器进行图案化。为了便于说明，样本容器300示为具有数十至数百个斑点310。然而，如本领域技术人员可以理解的，样本容器300可具有有数千、数百万或数十亿个被成像的斑点310。此外，在一些情况下，样本容器300可以是多平面样本，其包括在成像运行期间采样的斑点310的多个平面(垂直于聚焦方向)。
在特定具体实施中，样本容器300可以是流动池，其图案化有数百万或数十亿个被分成通道的孔。在该特定具体实施中，流动池的每个孔都可能包含生物材料，该生物材料使用边合成边测序进行测序。
如上文所讨论的，通过高精度运动样本台、时间延迟积分(TDI)相机和二极管泵浦固态激光器，已实现相对于成像设备的视场的运动对象的照射和成像。然而，所公开的技术的具体实施可实现相同的目标，同时放宽由这些类型的部件满足的通常严格的公差和性能要求。例如，在一些具体实施中，可使用不同类型的相机(诸如使用互补金属氧化物半导体传感器的消费者相机)，而不是利用在样本容器移动时连续地对其成像的TDI相机来在某个时刻捕获样本的图像。在这种具体实施中，具体实施的光源(例如，图1中的光源160或图2中的光源211、212)的操作可能不同于使用连续地对移动目标成像的相机的具体实施中的光源的操作。
为了说明在具有捕获单个时刻的图像的相机的具体实施中可以修改光源的操作的原因，考虑图4的场景，其中用于对样本进行成像的相机具有帧速率和分辨率，该帧速率允许其在样本容器的特征(例如，纳米孔)位于其视场内时捕获三次曝光，该分辨率允许其在样本容器的移动方向上将其视场分为6个像素。在这种场景中，如果样本容器在相机的视场中时被连续地照射(即，从时间T1到时间T6连续地照射)，则可能得到两个模糊图像，因为在第一帧期间捕获的曝光可能包括当特征处于视场中的第一像素、第二像素和第三像素时的光子，而在第二帧期间捕获的曝光可能包括当特征处于视场中的第四像素、第五像素和第六像素时的光子。这种模糊可能导致图像不可用。例如，如图4所示，如果样本容器包括三个特征，并且这些特征中的每个特征被隔开单个像素的距离，则相机的帧序列可能导致来自多个特征的光子被混合(例如，来自特征1在T1的光子可与来自特征3在帧1中的T3的光子混合)。这可防止在所得图像中将各个特征彼此区分开来。
如上所述，可采取各种措施来解决模糊问题。在一些具体实施中，在样本容器上的特征之间在样本容器的运动方向上的距离可以增加，使得给定相机的帧速率，来自多个特征的光子不会混合。在特征之间在运动方向上的距离的增加可能伴随着垂直于运动方向的节距的增加，或者其可仅在运动方向上进行，其中垂直于运动方向的节距保持不变(或以某种其他方式改变)。如果诸如通过在样本容器的运动方向上将特征之间的距离从一个像素增加到两个像素，将该方法应用于图4的场景，则即使相机的帧速率导致模糊，也可以区分开各个特征。类似地，在一些具体实施中，可降低样本容器的移动速度。例如，如果图4的场景中的运动速度降低50％，则无论帧率导致的模糊如何，相机拍摄的图像中的各个特征都可彼此区分开来。
还可以通过使用短暂的照射时段而不是样本容器的连续照射来避免模糊的影响。例如，在使用一个或多个激光光源(诸如图1中的光源160或图2中的光源211和212)的具体实施中，这些光源可使用脉冲激光器而不是连续波激光器来实现，或者光源可配备附加部件(诸如光学斩波器)，以允许它们即使在连续波模式下操作也能提供短暂的照射时段。如下所述，这些类型的方法可允许在离散时刻捕获样本容器的图像的相机与连续移动样本容器一起使用，即使当单个模糊像素可能导致所得图像不可用时也是如此。虽然下面的描述解释了使用非连续照射可如何允许避免模糊像素，但在其中多于一个模糊像素是可接受的具体实施中也可使用相同的技术。例如，如上所述，一种减轻模糊的方法可以是增加特征在样本容器运动方向上的节距。如果这种类型的节距扩展不足以避免来自不同特征的光子的混合(例如，如果帧内的模糊距离大于节距)，则可将扩展间距的方法与使用短暂的照射时段的方法相结合来解决这种附加模糊。下面的讨论应被理解为是使用短暂照射时段来解决模糊的方法的说明，而不应被视为暗示该方法只能应用于不超过一个像素的模糊是可接受的情况。
在对连续移动样本容器成像时避免上述模糊的一种方法是用足够强度的脉冲来照射样本容器，以允许在某个时段期间收集图像所需的光子，该时段足够短，使得样本容器在受到照射时移动的距离小于一个像素。例如，如果将这种类型的方法应用于图4的场景，则样本容器可能仅在T1期间(或具有相同或更短持续时间的某个其他时段内)受到照射，而不是如在使用TDI相机或设计成对运动中的目标连续地成像的类似设备的具体实施中的情况那样从T1至T6受到照射。另外，照射强度可被设置为使得在时间段T1期间提供的剂量与在使用TDI相机或设计成对运动中的目标连续地成像的类似设备的具体实施中从T1至T6可以提供的剂量相同。以此方式，遵循此方法的具体实施可避免因试图从跨像素收集的光子产生图像而可能发生的模糊，同时仍收集足够的光子以允许由相机捕获的图像可用于其预期目的(例如，以允许诸如在图1和图2的上下文中讨论的成像系统对样本进行测序)。
使用短暂照射以避免模糊的其他变型形式也是可能的。例如，在一些具体实施中，当样本容器处于相机的视场中时，可用多个脉冲来照射样本容器，其中每个脉冲照射样本容器某个时段，该时段足够短，使得样本容器在被该脉冲照射时移动的距离小于一个像素。例如，可以这样做，以避免需要具有足够高功率的激光器在比移动一个像素的距离所花费的时间更短的时间内完全照射特征，以考虑用于对正在成像的样本进行测序的染料的饱和限值，或者由于在特定情况下可能适用的其他原因。在遵循这种方法的一些具体实施中，当样本容器处于视场中时，可针对相机的每一帧照射样本容器一次。以这种方式，可生成多次曝光，其中每次曝光仅基于从对于样本容器来说太短而不能移动完整像素的照射时段收集的光子。为了说明，如果将该方法应用于图4的场景，则可在时段T1和T4中照射样本容器。照射的强度也可以与上述类似的方式增加。也就是说，可设置照射强度，使得从每个照射时段收集的光子可允许每次曝光以提供可用的图像。
应当理解，上述方法以及可如何应用这些方法的示例仅旨在进行说明，并且其他方法以及所描述方法的变型形式是可能的并且可在一些具体实施中应用。为了说明，考虑在具体实施中提供的照射强度，该具体实施在样本容器处于相机的视场中时用多个短脉冲来照射样本容器。在这种类型的一些具体实施中，可将照射强度设置在可能不允许针对每次曝光收集足够数量的光子以提供可用图像的水平。例如，可将照射设定在较低的强度，以降低因将样本反复暴露于高峰值功率激光照射所引起的光损伤的风险，或者避免使样本测序中使用的磷光染料达到光饱和。在这种类型的具体实施中，可使用诸如图5所示的过程来允许组合来自多次曝光的数据以获得样本的(至少)一个可用图像。
图5是示出可被实现用于根据多次曝光导出可用图像的示例性方法500的流程图。在图5的方法500中，可在框501处捕获曝光。这可例如通过曝光相机的传感器并在移动样本容器处于相机的视场中时在短暂时段内对其进行照射来实现，如上文在避免模糊的方法的上下文中所描述。在框502处，可确定捕获曝光时样本容器的位置。这可例如通过在样本容器安装在以恒定速度移动的精密运动控制样本台上的情况下，将样本台的已知速度乘以在捕获曝光时在扫描过程中已经经过的时间量来实现。在框503处，可存储此位置信息连同曝光本身。此过程可在扫描正在进行的同时反复循环，其中框501、502和503的每次迭代优选地对应于使用相机的单个帧来捕获曝光。
在扫描完成之后，诸如图5所示的方法500可在框504中继续定义参考位置。这可例如通过将捕获第一次曝光时的样本容器的位置定义为参考位置来实现。然后，在定义了参考位置的情况下，可在框505处确定在框505-507处未处理的曝光的偏移量。这可例如通过在针对正在处理的曝光所存储的位置与先前在框504处存储的参考位置之间取差来完成。在框506处，可将正在处理的曝光转换偏移量。这可例如通过将在框505处确定的偏移量添加到正在处理的曝光中的数据的坐标来实现。然后，在框507处，可将转换后的曝光与来自任何先前处理过的叠加的数据叠加。这可例如通过将来自转换后的曝光的数据与来自任何先前处理过的曝光的数据逐像素相加来实现，利用了转换可能已将所有曝光置于由参考位置定义的一致坐标系中的事实。然后，可针对每次曝光重复框505、506和507的操作。一旦所有曝光都被叠加，则诸如图5所示的方法500可在框508处结束，并且可将与来自所有处理过的曝光的组合数据的叠加视为样本容器的图像以供进一步分析。
图5的方法500的变型形式和修改也是可能的。例如，在一些具体实施中，一些具体实施可利用其他类型的转换，而不是如上文在框506的上下文中所描述的通过添加将曝光转换偏移量。例如，在其中可以子像素准确度确定在捕获曝光时样本容器的位置的具体实施中，可通过以下操作来实现诸如框506中的曝光的转换：对待转换的曝光进行傅立叶变换；将频率空间中曝光的表示乘以定义为exp(-idk)的复指数，其中d为转换量并且k为频率空间中的位置；以及然后对转换后的频率空间表示执行快速傅里叶逆变换。类似地，在其中可以子像素准确度确定在捕获曝光时样本容器的位置的一些具体实施中，可在框506处执行的转换可包括执行线性内插以确定如何可将子像素测量值转换成由参考位置定义的坐标系中的全部像素测量值。其他变型形式也是可能的，并且可在一些具体实施中使用，所述其他变型形式诸如放大曝光以具有与位置分辨率匹配的像素分辨率，以及使用内插(例如，线性、双线性或三次内插)在转换前针对原始图像中像素之间的位置填充数据。因此，上述各种转换方法的示例应被理解为仅是例示性的，而不应被视为限制性的。
还可实现变型形式以提供曝光的表示和/或处理的优化。为了说明，考虑一种具体实施，其中样本容器的图像由帧速率为1000Hz且位深度为12位的1000万像素相机捕获。在这种情况下，则可以每秒120千兆位的速率生成待处理的数据。为了帮助减轻传送、存储和处理这一数量的数据所带来的困难，一些具体实施可基于针对每次曝光提供的照射量来截断由相机提供的输出的位深度。例如，如果相机的帧速率与样本容器的速度的关系使得当样本容器的特征处于相机的视场中时，可捕获样本容器的特征的125次曝光，则可将照射设置在可提供可用图像所需的照射的每次曝光1/125的水平。由于这种较低的照射水平，来自任何曝光的像素中没有一个像素可能具有超过六位的数据，并且因此可从相机的输出的每个像素中截断数据的六个最高有效位，然后再如先前在图5的上下文中所描述的那样处理或存储该输出。随后，当在框507中叠加曝光时，可以每像素12位的位深度对叠加图像进行编码，由此反射由相机捕获的所有光子，即使单独的曝光中没有一个曝光以可能存储该数据的方式被存储或编码。类似地，在一些具体实施中，可应用一些附加或替代类型的压缩。例如，在其中通常重复扩展的位序列(例如，零序列)的具体实施中，可诸如通过使用霍夫曼编码或其他类型的替换来将这些序列替换为更紧凑的表示，以减少表示相关数据所需的数据量。
可包括在一些具体实施中的另一类型的变型形式是添加附加处理动作以进一步说明可使用的部件的要求。例如，在一些具体实施中，相机可使用高精度低畸变光学器件来捕获样本容器的图像。然而，在其他具体实施中，可执行附加处理动作来解决使用具有不太精确制造的透镜的相机捕获曝光可能引入的缺陷，而不是使用低畸变光学器件。例如，在一些具体实施中，在使用诸如图5所示的方法对样本容器成像之前，可执行校准过程，在该校准过程中可使用图5的方法来对以已知配置(例如，图3中所示特征310的图案)以光刻方式图案化有多个孔的校准目标进行成像。然后，可将相机捕获的目标图像中的孔图案与已知的孔图案进行比较，并且可根据该比较创建表示由相机透镜中的缺陷引入的翘曲的多项式图。随后，当相机用于对样本容器成像时，可应用此多项式映射来反转由透镜在样本容器的图像中引入的畸变，由此允许在一些具体实施中放宽诸如图1或图2中所示的系统中的低畸变光学器件通常所需的公差。作为另一示例，在一些具体实施中，在样本容器移动的距离达到捕获样本容器图像的相机中的像素尺寸之前，光源可用多个脉冲来照射样本容器。例如，如果光源不能在样本容器移动一个像素的距离所需的时间期间连续提供足够强的照射，但可在该时间内提供多个更高强度但更短的脉冲，则可使用该方法。
在一些具体实施中还可以或另选地包括附加部件，以解决和/或减轻由不连续照射提供的约束。例如，在一些情况下，图像稳定技术可用于使样本容器在相机的视场中看起来是静止的，由此减少容器移动的影响并潜在地增加容器在任何帧期间可受到照射的时间量。这可例如通过使用电机以与样本台的移动同步的方式移动相机(或相机的透镜)来实现，由此在帧期间移动相机的视场，使得样本容器看起来是静止的(或移动小于一个像素的距离)。另选地，在使用这种类型的图像稳定方法的一些情况下，可将压电或检流计反射镜放置在样本容器的发射路径中，再次有效地允许相机的视场以抵消样本容器受到照射时的帧部分期间样本台的移动的方式移动。当样本容器不再受到照射时，电机可重置下一帧的视场，并且可在成像运行的持续时间内重复该过程。
为了说明可如何潜在地使用图像稳定来减轻由不连续照射提供的约束的潜在具体实施，考虑图7A至图7C。在这些图中，图7A示出了特征701、其视场被分离成12个像素的相机702和用于图像稳定的可移动反射镜(例如，检流计反射镜)703的关系。在该图中，当光从特征发射时，该光将由第一透镜704引导到反射镜703，从反射镜703反射到第二透镜705，并由第二透镜705聚焦到相机702的第一像素上，在该第一像素处将检测到该光。图7B示出了特征701在大于或等于相机702上的像素尺寸的距离上移动的结果，如果该特征已被连续地照射，则反射镜703保持静止，并且相机702在该移动时段期间仅捕获单次曝光。如图7B所示，这可能导致来自特征701的信号跨相机702上的多个像素散布，并且可能潜在地在第二特征(图7B中未示出)已与图7A和图7B所示的特征701相邻的情况下导致信号重叠。相比之下，图7C示出了当特征701在相机702上移动大于一个像素的距离时移动反射镜703的结果。如图7C所示，通过移动反射镜703以补偿特征701的移动，从特征发射的光可连续地聚焦在单个像素上，由此避免图7B所示的模糊。如先前所述，这也可经由相机702或用于引导或聚焦来自特征的照射的透镜(例如，图7A至图7C所示的第一透镜704或第二透镜705)的移动来实现。因此，图7A至图7C中所示的具体配置和部件应被理解为仅是例示性的，而不应被视为限制性的。
虽然以上示例和讨论集中于照射和图像捕获部件的变型形式，但应当理解，在一些具体实施中也可使用其他类型的部件的变型形式。为了说明，考虑用于将样本容器移动穿过成像设备的视场的样本台。在一些具体实施中，该样本台可用诸如交叉滚子轴承的部件来实现，以使其运动能够得到精确控制(例如，基于关于样本台运动的均匀性的假设，在捕获曝光时确定样本容器位置的具体实施)。然而，在其他具体实施中，可使用具有较不精确的运动控制的样本台，诸如基于摩擦的样本台或安装在具有滚珠轴承的成像系统的框架上的样本台，并且可引入诸如编码器的附加部件，以在捕获样本容器的曝光时的特定时间点确定样本台的位置。在这种具体实施中，诸如图5的框502中所示的确定曝光的位置可通过在样本容器受到照射以进行曝光时向编码器查询样本台的位置来执行，而不是通过基于时间确定位置来执行。也可使用替代的位置确定特征。例如，在一些变型形式中，样本容器可装备有一组亮珠，该组亮珠可作为基准参考点操作，以允许确定在不同图像中捕获的样本容器的相对位置，使得这些图像中的特征可如上所述彼此共同配准。
当然，这一方面的变型形式也是可能的。例如，在一些具体实施中，曝光可与时间信息一起存储，而不是与其位置一起存储，如框503中所述。在这种类型的具体实施中，曝光的实际位置可能仅在随后需要诸如通过乘以如先前在框502的上下文中描述的已知移动速度，或者通过将曝光时间与在扫描期间从编码器收集的带时间戳的位置信息相匹配来计算偏移量时才确定。在一些具体实施中，其他变型形式也是可能的，诸如捕获每个照射脉冲的多个位置(例如，在脉冲的开始和结束处)，并且然后对它们进行平均以获得脉冲的对应曝光的位置，或者省略位置确定并通过比较基准参考点的位置来确定曝光偏移量。因此，以上提供的示例应被理解为仅是例示性的，而不应被视为限制性的。
一些具体实施还可以不同于图5的方法的总体结构的方法为特征。例如，在一些具体实施中，偏移量的确定、偏移量的转换和转换后的曝光的叠加可在捕获每次曝光时在逐次曝光的基础上实时执行，而不是捕获和存储多次曝光，并且然后叠加先前捕获和存储的曝光。在这种具体实施中，可在扫描进行的同时反复执行诸如先前在框501、502、504、505、506和507的上下文中描述的动作，潜在地允许用户在捕获曝光时看到样本成像的进度。
为了进一步说明如何在实践中应用所公开技术的各方面，考虑一种场景，其中生物样本在具有624nm的移动方向上的节距长度的阵列中被分离成纳米孔中的簇，并且从纳米孔捕获的数据将用于边合成边测序的DNA测序。在这种情况下，如果样本容器在以10mm/s移动穿过1000Hz相机的1×1mm视场的同时成像，并且相机中的每个像素对应于视场中0.3μm的距离，则使用诸如图5中所示的方法的具体实施可基于相机的帧速率、相机的视场和样本容器的移动速度，在每个测序循环中每个纳米孔处于相机的视场中时，捕获每个纳米孔的100次曝光(即，曝光＝相机的帧速率*视场长度/移动速度)。另外，在这种具体实施中，基于相机像素的尺寸、样本的移动速度和相机的帧速率，每次曝光时，可对样本容器照射0.03ms或更短时间(即，照射时间＝(像素尺寸/移动速度)*帧速率)。在这种场景中，如果需要大约1-5J/cm2的阈值剂量来正确成像每个纳米孔，则遵循图5的方法的具体实施可通过使用具有3.3-16.5W范围内的连续波功率的激光器结合光学斩波器来照射样本，以基于所需剂量、视场(FOV)和每个照射脉冲的持续时间(即，功率＝剂量*FOV面积/脉冲持续时间)来控制照射持续时间，从而获得每个测序循环的样本的可用图像。这可以多种方式提供，包括如先前所述的二极管泵浦固态(DPSS)激光器，或者使用较便宜的部件(诸如二极管激光器)。然后，可使用这些图像来识别每个纳米孔中的簇中的核苷酸序列，然后可组合这些簇，因为它们可通过合成进行预先存在的测序，诸如可使用采用样本的连续照射所收集的数据来执行。
图6示出了可用于实现本文公开的系统和方法的各种特征(诸如方法400和450的一个或多个方面的前述特征和功能)的示例性计算部件。例如，计算部件可被实现为实时分析模块225。
如本文所用，术语模块可描述可根据本申请的一个或多个具体实施来执行的给定功能单元。如本文所用，模块可利用任何形式的硬件、软件或其组合来实现。例如，可实现一个或多个处理器、控制器、ASIC、PLA、PAL、CPLD、FPGA、逻辑部件、软件例程或其他机制来组成模块。在具体实施中，本文描述的各种模块可被实现为离散模块，或者所描述的功能和特征可在一个或多个模块之间部分或全部共享。换句话讲，如本领域普通技术人员在阅读本说明书后可能显而易见的，本文描述的各种特征和功能可在任何给定应用中实现，并且可以各种组合和排列在一个或多个单独或共享的模块中实现。即使各种特征或功能元件可能被单独地描述为或受权利要求书保护为单独的模块，但本领域的普通技术人员将理解，这些特征和功能可在一个或多个公共软件和硬件元件之间共享，并且此类描述不应要求或暗示使用单独的硬件或软件部件来实现此类特征或功能。
在应用的部件或模块全部或部分地使用软件来实现的情况下，在一个具体实施中，这些软件元件可被实现为与能够执行关于其描述的功能的计算或处理模块一起操作。图6中示出一个这样的示例性计算模块。根据此示例性计算模块1000来描述各种具体实施。在阅读本说明书之后，对于相关领域的技术人员来说，如何使用其他计算模块或架构来实现应用将变得显而易见。
现在参考图6，计算模块1000可表示例如在以下项中发现的计算或处理能力：样本台式计算机、膝上型计算机、笔记本计算机和平板计算机；手持式计算设备(平板电脑、PDA、智能电话、手机、掌上电脑等)；大型机、超级计算机、工作站或服务器；或任何其他类型的专用或通用计算设备，其对于给定的应用或环境可能是期望的或适当的。计算模块1000还可表示嵌入在给定设备内或以其他方式可用于给定设备的计算能力。例如，计算模块可在其他电子设备中找到，诸如例如数字相机、导航系统、蜂窝电话、便携式计算设备、调制解调器、路由器、WAP、终端和可包括某种形式的处理能力的其他电子设备。
计算模块1000可包括例如一个或多个处理器、控制器、控制模块或其他处理设备诸如处理器1004。处理器1004可使用通用或专用处理引擎(诸如例如微处理器、控制器或其他控制逻辑)来实现。在所示的示例中，处理器1004连接到总线1002，但可使用任何通信介质来促进与计算模块1000的其他部件的交互或外部通信。
计算模块1000还可包括一个或多个存储器模块，本文称为主存储器1008。例如，优选地，随机存取存储器(RAM)或其他动态存储器可用于存储处理器1004待执行的信息和指令。主存储器1008还可用于在执行处理器1004待执行的指令期间存储临时变量或其他中间信息。计算模块1000同样可包括只读存储器(“ROM”)或耦合到总线1002的其他静态存储设备，用于存储处理器1004的静态信息和指令。
计算模块1000还可包括一个或多个各种形式的信息存储机构1010，该信息存储机构可包括例如介质驱动器1012和存储单元接口1020。介质驱动器1012可包括用于支持固定或可移动存储介质1014的驱动器或其他机构。例如，可提供硬盘驱动器、固态驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器、CD或DVD驱动器(R或RW)或其他可移动或固定介质驱动器。因此，存储介质1014可包括例如硬盘、固态驱动器、磁带、盒式磁带、光盘、CD、DVD或蓝光，或由介质驱动器1012读取、写入或访问的其他固定或可移动介质。如这些示例所示，存储介质1014可包括其中存储有计算机软件或数据的计算机可用存储介质。
在替代具体实施中，信息存储机构1010可包括用于允许将计算机程序或其他指令或数据加载到计算模块1000中的其他类似工具。此类工具可包括例如固定的或可移动的存储单元1022和接口1020。此类存储单元1022和接口1020的示例可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口、可移动存储器(例如，闪存存储器或其他可移动存储器模块)和存储器插槽，PCMCIA插槽和卡以及允许将软件和数据从存储单元1022传送到计算模块1000的其他固定或可移动存储单元1022和接口1020。
计算模块1000还可包括通信接口1024。通信接口1024可用于允许软件和数据在计算模块1000和外部设备之间传送。通信接口1024的示例可包括调制解调器或软调制解调器、网络接口(诸如以太网、网络接口卡、WiMedia、IEEE 802.XX或其他接口)、通信端口(诸如例如USB端口、IR端口、RS232端口、
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接口或其他端口)或其他通信接口。经由通信接口1024传送的软件和数据通常可承载在信号上，这些信号可以是电子信号、电磁信号(包括光学信号)或能够由给定通信接口1024交换的其他信号。这些信号可经由信道1028提供给通信接口1024。此信道1028可承载信号并且可使用有线或无线通信介质来实现。信道的一些示例可包括电话线、蜂窝链路、RF链路、光链路、网络接口、局域网或广域网以及其他有线或无线通信信道。
在本文档中，术语“计算机可读介质”、“计算机可用介质”和“计算机程序介质”通常用于指易失性或非易失性的非暂态介质，诸如例如存储器1008、存储单元1022和介质1014。这些和其他各种形式的计算机程序介质或计算机可用介质可涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理设备以供执行。此类体现在介质上的指令一般称为“计算机程序代码”或“计算机程序产品”(其可以计算机程序或其他分组的形式进行分组)。在被执行时，此类指令可使得计算模块1000能够执行如本文所讨论的本申请的特征或功能。
在权利要求中，短语“用于使用脉冲照射获得连续移动样本的分析图像的装置”应被理解为如35U.S.C.§112(f)中所提供的装置加功能限制，其中该功能是使用脉冲照射获得连续移动样本的分析图像，并且对应结构是如在图4的上下文中描述的照射源、相机、移动样本台和计算机，以引起子像素照射脉冲，并以其他方式避免由连续照射引起的模糊。
在权利要求中，短语“用于转换和叠加多个亚阈值曝光的装置”应被理解为如35U.S.C.§112(f)中所提供的装置加功能限制，其中该功能是“转换和叠加多个亚阈值曝光”，并且对应结构是计算机执行如在图5的框505-507的上下文中所描述的动作，以及如包括在一些具体实施中的以上所描述的那些动作的变型形式。
尽管以上根据各种具体实施进行了描述，但应当理解，在单独具体实施中的一个或多个单独具体实施中描述的各种特征、方面和功能在它们对描述它们的特定具体实施的适用性方面不受限制，而是可单独地或以各种组合应用于本申请的其他具体实施中的一个或多个其他具体实施，而不管此类具体实施是否被描述以及此类特征是否被呈现为所描述的具体实施的一部分。因此，本文档或任何相关文档所提供的保护的广度和范围不应受任何上述具体实施的限制。
应当理解，前述概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文公开的发明主题的一部分。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。
在本公开(包括权利要求)通篇中使用的术语“基本上”和“约”用于描述和说明有小波动，诸如由于处理中的变化引起的。例如，它们可以指小于或等于±5％，诸如小于或等于±2％，诸如小于或等于±1％，诸如小于或等于±0.5％，诸如小于或等于±0.2％，诸如小于或等于±0.1％，诸如小于或等于±0.05％。
在适用的范围内，本文中的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于将这些术语所描述的各个对象显示为单独的实体，并不意味着暗示时间顺序的意义，除非本文另有明确说明。
除非另有明确说明，否则本文档中使用的术语和短语及其变型形式应被解释为开放式的而非限制性的。作为前述示例：术语“包括”应理解为意指“包括但不限于”等；术语“示例”用于提供所讨论的项目的实例，而非其穷举或限制性列表；术语“一”或“一个”应理解为意指“至少一个”、“一个或多个”等；并且诸如“预先存在”、“传统”、“正常”、“标准”、“已知”等形容词以及具有类似含义的术语不应被解释为将所描述的项目限制在给定时间段内或限制在给定的时间段内可用的项目，而应被理解为包括预先存在的、传统的、正常的或者现在或将来任何时候可用或已知的标准技术。同样，在本文档涉及本领域普通技术人员可能显而易见或已知的技术的情况下，此类技术包括本领域技术人员现在或将来任何时候显而易见的或已知的那些技术。
在一些情况下，出现诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其他类似短语的扩大词和短语不应被理解为意味着在可能不存在此类加宽短语的情况下预期或需要较窄的情况。术语“模块”的使用并不意味着作为模块的一部分描述或受权利要求书保护的部件或功能都配置在公共包装中。实际上，模块的各种部件中的任一个或全部，无论是控制逻辑还是其他部件，都可组合在单个包装中或单独维护，并且还可以多个分组或包装分布或跨多个位置分布。
另外，根据框图、流程图和其他图示来描述本文中阐述的各种具体实施。如本领域普通技术人员在阅读本文档后将显而易见的，可在不局限于所示示例的情况下实现所示具体实施及其各种替代方案。例如，框图及其随附的描述不应被解释为对特定架构或配置的强制要求。
虽然以上已描述了本公开的各种具体实施，但应当理解，它们仅以举例而非限制的方式来呈现。同样，各个图可描绘本公开的示例性架构或其他配置，这样做是为了帮助理解可包括在本公开中的特征和功能。本公开不限于所示的示例性架构或配置，但可使用各种替代架构和配置来实现期望的特征。实际上，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可如何实现替代的功能、逻辑或物理分区和配置以实现本公开的期望特征。此外，除了本文描述的那些之外的许多不同的组成模块名称可应用于各种分区。另外，关于流程图、操作描述和方法权利要求，除非上下文另有规定，否则本文中呈现的动作的次序不应强制实施各种具体实施以相同次序执行所述功能。

Claims (38)

1.一种机器，所述机器包括：
相机，所述相机用于捕获包括像素的图像，所述像素中的每个像素具有对应于在样本台上在样本容器的移动方向上的距离的像素尺寸；
样本台，所述样本台用于将所述样本容器相对于与所述样本台重叠的所述相机的视场移动，其中所述样本容器包括具有在所述样本容器的移动方向上的节距长度的特征阵列；
照射源，所述照射源用于照射所述相机的所述视场；和
控制器，所述控制器用于通过执行动作来获得分析图像，所述动作包括当来自所述特征阵列的特征处于所述相机的所述视场中并且相对于所述视场运动时，通过针对所述特征的一次或多次曝光中的每次曝光，执行动作来获得所述一次或多次曝光，所述动作包括：
将所述相机的传感器暴露于照射第一持续时间；以及
在具有第二持续时间并且在所述相机的所述传感器暴露于照射时发生的时段期间，用所述照射源照射所述相机的所述视场；
其中从具有所述第二持续时间的所述时段的开始到结束，
所述特征在所述相机的所述视场中的位移小于或等于在所述样本容器的所述移动方向上的所述节距长度。
2.根据权利要求1所述的机器，其中从具有所述第二持续时间的所述时段的开始到结束，所述特征在所述相机的所述视场中在所述样本容器的所述移动方向上的位移小于或等于所述像素尺寸。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的机器，其中：
获得所述特征的一次或多次曝光包括获得所述特征的多次曝光；
所述控制器用于执行的所述动作包括基于所述特征的所述多次曝光中的一次或多次曝光的转换来叠加所述特征的所述多次曝光。
4.根据权利要求3所述的机器，其中：
所述控制器用于执行的所述动作包括对于每次曝光，当用所述照射源照射所述相机的所述视场时，获得针对所述样本容器的位置的对应值；并且
所述控制器用于基于所述曝光的针对所述样本容器的位置的对应值之间的差异来转换所述特征的所述多次曝光中的一次或多次曝光。
5.根据权利要求4所述的机器，其中：
所述机器包括编码器以提供针对所述样本容器的位置的值；
所述控制器用于对于每次曝光，当用来自所述编码器的所述照射源照射所述相机的所述视场时，获得针对所述样本容器的位置的所述对应值。
6.根据权利要求5所述的机器，其中：
所述编码器具有分辨率，用于区分开小于所述样本台上对应于所述像素尺寸的所述距离的距离；并且
叠加所述特征的所述多次曝光包括以所述编码器的所述分辨率共同配准所述多次曝光中的每次曝光。
7.根据权利要求6所述的机器，其中以所述编码器的所述分辨率共同配准所述多次曝光中的每次曝光包括对于所述一次或多次曝光中的至少一次曝光：
通过对所述曝光进行快速傅里叶变换来获得频率空间表示；
将所述频率空间表示转换所述距离，所述距离并非所述样本台上对应于所述像素尺寸的所述距离的整数倍；以及
对转换后的频率空间表示执行快速傅里叶逆变换。
8.根据权利要求6所述的机器，其中以所述编码器的所述分辨率共同配准所述多次曝光中的每次曝光包括对于所述多次曝光中的每次曝光：
基于在像素之间内插数据将所述曝光上采样到所述编码器的所述分辨率；以及
在上采样之后转换所述曝光中的一次或多次曝光。
9.根据权利要求3所述的机器，其中：
所述样本容器包括多个基准点；并且
所述控制器用于基于曝光之间所述基准点的位置差异来转换所述特征的所述多次曝光中的一次或多次曝光。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的机器，其中：
所述分析图像包括多个像素，每个像素具有第一位深度；并且
所述多次曝光中的每次曝光包括多个像素，所述多个像素中的每个像素具有第二位深度，其中所述第二位深度小于所述第一位深度。
11.根据权利要求10所述的机器，其中：
由所述相机捕获的每个图像所包括的每个像素具有第三位深度，其中所述第三位深度大于所述第二位深度；
获得所述特征的所述多次曝光包括对于每次曝光：
在所述照射源照射所述相机的所述视场时用所述相机捕获图像；以及
从由所述相机捕获的所述图像中截断所述像素的多个最高有效位，其中所截断的最高有效位的数量等于所述第三位深度与所述第二位深度之间的差值。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的机器，其中：
对所述特征进行成像需要阈值照射能量剂量；
对于所述特征的所述一次或多次曝光中的每次曝光，用所述照射源照射所述相机的所述视场包括以某个功率激活所述照射源，所述功率：
当乘以所述第二持续时间时，提供小于用于对所述特征成像的所述阈值照射能量剂量的单独曝光能量剂量；以及
当乘以所述第二持续时间并乘以所述特征的所述多次曝光中的曝光次数时，提供大于用于对所述特征成像的所述阈值照射能量剂量的总曝光能量剂量。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的机器，其中：
所述控制器用于执行的所述动作包括：
用所述相机获得参考对象的图像，其中所述参考对象包括具有已知位置的多个特征；以及
通过执行动作来创建畸变图，所述动作包括将所述参考对象所包括的所述多个特征的所述已知位置与所述参考对象的所述图像中的所述多个特征的表观位置进行比较；以及
将所述畸变图应用于所述特征的所述一次或多次曝光中的每次曝光。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的机器，其中：
所述样本台使用滚珠轴承安装在所述机器的框架上；
所述相机用于使用互补金属氧化物半导体传感器来捕获图像；并且
所述照射源是二极管激光器。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的机器，其中所述特征是纳米孔。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的机器，其中：
所述分析图像是多个分析图像中的一个分析图像；
所述控制器用于执行多个测序循环，其中来自所述多个分析图像的每个分析图像对应于单个测序循环；并且
所述控制器用于基于所述多个分析图像针对所述样本容器中的每个特征确定簇多核苷酸；并且
所述控制器用于基于针对来自所述样本容器的所述特征确定的所述簇多核苷酸来确定与所述样本容器相关联的样本的完整多核苷酸。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的机器，其中所述样本容器所包括的所述特征阵列具有垂直于所述样本容器的移动方向的节距，所述节距小于所述样本容器的所述移动方向上的所述节距。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的机器，其中所述机器包括电机，以通过在具有所述第二持续时间的所述时段期间在所述样本容器的所述移动方向上转换所述相机的所述视场来抵消所述样本台的移动。
19.一种方法，所述方法包括：
在移动方向上相对于相机的视场转换样本台上的特征，其中所述相机具有对应于在所述样本台上在所述移动方向上的距离的像素尺寸，其中所述特征是所述样本容器中的特征阵列所包括的，所述特征阵列具有在所述移动方向上的节距长度；
通过执行动作来生成分析图像，所述动作包括当所述特征处于所述相机的所述视场中并且相对于所述视场运动时，通过针对所述特征的一次或多次曝光中的每次曝光，执行动作来获得所述一次或多次曝光，所述动作包括：
将所述相机的传感器暴露于照射第一持续时间；
在具有第二持续时间并且在所述相机的所述传感器暴露于照射时发生的时段期间，用照射源照射所述相机的所述视场；
其中从具有所述第二持续时间的所述时段的开始到结束，
所述特征在所述相机的所述视场中的位移小于或等于在所述移动方向上的所述节距长度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中从具有所述第二持续时间的时段的开始到结束，所述特征在所述移动方向上的位移小于或等于所述像素尺寸。
21.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，其中：
获得所述特征的一次或多次曝光包括获得所述特征的多次曝光；
所述方法包括叠加所述特征的所述多次曝光以通过执行动作来创建所述特征的所述分析图像，所述动作包括转换所述特征的所述多次曝光中的一次或多次曝光。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述方法包括：
对于每次曝光，当用所述照射源照射所述相机的所述视场时获得针对所述样本容器的位置的对应值；以及
基于所述曝光的针对所述样本容器位置的对应值之间的差异来转换所述特征的所述多次曝光中的一次或多次曝光。
23.根据权利要求22所述的方法，其中对于每次曝光，从编码器获得当用所述照射源照射所述相机的所述视场时针对所述样本容器的位置的所述对应值。
24.根据权利要求23所述的方法，其中：
所述编码器具有分辨率，用于区分开小于所述样本台上对应于所述像素尺寸的所述距离的距离；
叠加所述特征的所述多次曝光包括以所述编码器的所述分辨率共同配准所述多次曝光中的每次曝光。
25.根据权利要求24所述的方法，其中以所述编码器的所述分辨率共同配准所述多次曝光中的每次曝光包括对于所述一次或多次曝光中的至少一次曝光：
通过对所述曝光进行快速傅里叶变换来获得频率空间表示；
将所述频率空间表示转换所述距离，所述距离并非所述样本台上对应于所述像素尺寸的所述距离的整数倍；以及
对转换后的频率空间表示执行快速傅里叶逆变换。
26.根据权利要求24所述的方法，其中以所述编码器的所述分辨率共同配准所述多次曝光中的每次曝光包括对于所述多次曝光中的每次曝光：
基于在像素之间内插数据将所述曝光上采样到所述编码器的所述分辨率；以及
在上采样之后转换所述曝光中的一次或多次曝光。
27.根据权利要求21所述的方法，其中：
所述样本容器包括多个基准点；并且
所述方法包括基于曝光之间所述基准点的位置差异来转换所述特征的所述多次曝光中的一次或多次曝光。
28.根据权利要求21至27中任一项所述的方法，其中：
所述分析图像包括多个像素，每个像素具有第一位深度；并且
所述多次曝光中的每次曝光包括多个像素，所述多个像素中的每个像素具有第二位深度，其中所述第二位深度小于所述第一位深度。
29.根据权利要求28所述的方法，其中：
由所述相机捕获的每个图像所包括的每个像素具有第三位深度，其中所述第三位深度大于所述第二位深度；
获得所述特征的所述多次曝光包括对于每次曝光：
在所述照射源照射所述相机的所述视场时用所述相机捕获图像；以及
从由所述相机捕获的所述图像中截断所述像素的多个最高有效位，其中所截断的最高有效位的数量等于所述第三位深度与所述第二位深度之间的差值。
30.根据权利要求19至28中任一项所述的方法，其中：
对所述特征进行成像需要阈值照射能量剂量；
对于所述特征的所述一次或多次曝光中的每次曝光，用所述照射源照射所述相机的所述视场包括以某个功率激活所述照射源，所述功率：
当乘以所述第二持续时间时，提供小于用于对所述特征成像的所述阈值照射能量剂量的单独曝光能量剂量；以及
当乘以所述第二持续时间并乘以所述多次曝光中的曝光次数时，提供大于用于对所述特征成像的所述阈值照射能量剂量的总曝光能量剂量。
31.根据权利要求19至30中任一项所述的方法，其中所述方法包括：
用所述相机获得参考对象的图像，其中所述参考对象包括具有已知位置的多个特征；以及
通过执行动作来创建畸变图，所述动作包括将所述参考对象所包括的所述多个特征的所述已知位置与所述参考对象的所述图像中的所述多个特征的表观位置进行比较；以及
将所述畸变图应用于所述特征的所述一次或多次曝光中的每次曝光。
32.根据权利要求19至31中任一项所述的方法，其中：
所述样本台使用滚珠轴承安装在固定框架上；
所述相机使用互补金属氧化物半导体传感器来捕获图像；并且
所述照射源是二极管激光器。
33.根据权利要求19至32中任一项所述的方法，其中所述特征是纳米孔。
34.根据权利要求19至33中任一项所述的方法，其中：
所述分析图像是多个分析图像中的一个分析图像；
所述方法包括：
执行多个测序循环，其中来自所述多个分析图像的每个分析图像对应于单个测序循环；
基于所述多个分析图像针对所述样本容器中的每个特征确定簇多核苷酸；以及
基于针对来自所述样本容器的所述特征确定的所述簇多核苷酸来确定与所述样本容器相关联的样本的完整多核苷酸。
35.根据权利要求19至34中任一项所述的方法，其中所述样本容器所包括的所述特征阵列具有垂直于所述样本容器的移动方向的节距，所述节距小于所述样本容器的所述移动方向上的所述节距。
36.根据权利要求19至35中任一项所述的方法，其中所述方法包括电机，所述电机通过在具有所述第二持续时间的所述时段期间在所述移动方向上转换所述相机的所述视场来抵消所述样本台的移动。
37.一种机器，所述机器包括：
样本台，所述样本台用于将样本相对于与所述样本台重叠的相机的视场移动；
相机，所述相机用于捕获包括像素的图像，所述像素中的每个像素具有对应于所述样本台上的距离的像素尺寸；
照射源，所述照射源用于照射所述相机的所述视场；和
用于使用脉冲照射获得连续移动样本的分析图像的装置。
38.根据权利要求37所述的机器，其中所述用于使用脉冲照射获得所述连续移动样本的所述分析图像的装置包括用于转换和叠加多个亚阈值曝光的装置。
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