CN116046649A - 一种基于流体动力聚焦的成像系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种基于流体动力聚焦的成像系统，包括：照明光场发生模块用于产生预设空间分布的目标结构光场；流体聚焦模块用于对流动细胞样本进行聚焦，控制流动细胞样本沿直线流经检测区域，其中检测区域是目标结构光场照射的区域；收光模块用于收集流动细胞样本经目标结构光场照射后产生的光信号；分光模块用于将光信号分离为荧光信号和非荧光信号并将荧光信号分离为空间上分立的荧光光谱信号；光电探测模块用于探测荧光光谱信号和非荧光信号并将荧光光谱信号和非荧光信号转化为电信号；采集处理模块用于对电信号进行分析处理，确定流动细胞样本对应的荧光标记光谱图像和无标记图像。通过本公开实施例能够实现高通量的流式光谱成像和无标记成像。

Description

一种基于流体动力聚焦的成像系统
技术领域
本公开涉及流式成像技术领域，尤其涉及一种基于流体动力聚焦的成像系统。
背景技术
流式细胞仪和荧光显微镜是生物研究和临床应用中两种重要仪器。其中，流式细胞仪能够以极高的通量分析细胞，但缺乏细胞的形态学信息；而荧光显微镜能够获得细胞的形态学信息，但其检测通量较低。成像流式细胞仪是一种结合了二者优势的仪器，能够以极高的速度获取细胞的图像。但是，成像流式细胞仪需要对以m/s速度流动的细胞进行显微荧光成像，其通量和通道数往往较低，且无法获得完整的细胞荧光光谱信息。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种基于流体动力聚焦的成像系统的技术方案。
根据本公开的一方面，提供了一种基于流体动力聚焦的成像系统，包括：照明光场发生模块，用于产生预设空间分布的目标结构光场；流体聚焦模块，用于对流动细胞样本进行聚焦，控制所述流动细胞样本沿直线流经检测区域，其中，所述检测区域是所述目标结构光场照射的区域；收光模块，用于收集所述流动细胞样本经所述目标结构光场照射后产生的光信号；分光模块，用于将所述光信号分离为荧光信号和非荧光信号，并将所述荧光信号分离为空间上分立的荧光光谱信号；光电探测模块，用于探测所述荧光光谱信号和所述非荧光信号，并将所述荧光光谱信号和所述非荧光信号转化为电信号；采集处理模块，用于对所述电信号进行分析处理，确定所述流动细胞样本对应的荧光标记光谱图像和无标记图像。
在一种可能的实现方式中，所述照明光场发生模块包括：激光光源，用于产生预设波长的连续激光；衍射光学器件，用于将所述连续激光调制为所述预设空间分布的第一结构光场；聚焦透镜，用于对所述第一结构光场进行聚焦，得到所述目标结构光场。
在一种可能的实现方式中，所述分光模块包括：荧光光谱分光子模块和非荧光分光子模块；所述荧光光谱分光子模块，用于将所述荧光信号分离为空间上分立的所述荧光光谱信号；所述系统还包括：无标记成像模块；所述非荧光分光子模块，用于分离所述非荧光信号，并将分离后的所述非荧光信号输入至所述无标记成像模块。
在一种可能的实现方式中，所述荧光光谱分光子模块为多棱镜色散分光子模块、光栅色散分光子模块、衍射光学器件色散分光子模块，以及多二向色镜和滤光片分光子模块中的一种。
在一种可能的实现方式中，所述无标记成像模块包括：明场通道单元、前向散射通道单元、侧向散射通道单元、背向散射通道单元和相差成像通道单元中的至少一种。
在一种可能的实现方式中，所述非荧光信号包括：激光光强信号、前向散射光信号、侧向散射光信号、背向散射光信号和相位差信号中的至少一种；所述明场通道单元，用于根据所述激光光强信号进行明场成像；所述前向散射通道单元，用于根据所述前向散射光信号进行前向散射成像；所述侧向散射通道单元，用于根据所述侧向散射光信号进行侧向散射成像；所述背向散射通道单元，用于根据所述背向散射光信号进行背向散射成像；所述相差成像通道单元，用于根据所述相位差信号进行相差成像。
在一种可能的实现方式中，所述光电探测模块包括：荧光光谱探测器，用于探测所述荧光光谱信号，并将所述荧光光谱信号转化为第一电信号，其中，所述荧光光谱探测器包括预设数量的探测通道，每个所述探测通道对应预设波长的所述荧光光谱信号；非荧光信号探测器，用于探测所述非荧光信号，并将所述非荧光信号转化为第二电信号。
在一种可能的实现方式中，所述采集处理模块包括：采集卡，用于采集所述第一电信号，并将所述第一电信号转换为对应的第一数字信号；计算机子模块，用于对所述第一数字信号进行分析重建，确定原始光谱图像。
在一种可能的实现方式中，所述计算机子模块，用于对所述原始光谱图像进行光谱解混，确定所述荧光标记光谱图像。
在一种可能的实现方式中，所述采集卡，用于采集所述第二电信号，并将所述第二电信号转换为对应的第二数字信号；所述计算机子模块，用于对所述第二数字信号进行分析重建，确定所述无标记图像。
本公开实施例的基于流体动力聚焦的成像系统，基于流体动力学原理，利用流体聚焦模块对流动细胞样本进行聚焦，控制流动细胞样本沿直线流经照明光场发生模块产生的预设空间分布的目标结构光场，可以产生相应的光信号，由于流体聚焦模块中流动细胞样本的流速较快，从而可以实现极高的检测通量；收光模块收集光信号并传输至分光模块，通过分光模块将光信号分离为荧光信号和非荧光信号，并将荧光信号分离为空间上分立的荧光光谱信号；光电探测模块可以探测多通道的荧光光谱信号和非荧光信号，并将荧光光谱信号和非荧光信号转化为电信号；采集处理模块对电信号进行分析处理，可以根据多种荧光染料的混合光谱图像信息解析出每种荧光染料的图像信息，从而快速确定流动细胞样本对应的荧光标记光谱图像，实现高通量光谱成像，此外也可以确定无标记图像。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。
图1示出根据本公开实施例的一种基于流体动力聚焦的成像系统的结构示意图；
图2示出根据本公开实施例的一种传统流式细胞仪流动室的结构示意图；
图3示出根据本公开实施例的一种微流控芯片的结构示意图；
图4示出根据本公开实施例的一种照明光场发生模块的结构示意图；
图5示出根据本公开实施例的一种目标结构光场的示意图；
图6示出根据本公开实施例的一种多棱镜色散分光子模块的结构示意图；
图7示出根据本公开实施例的一种光栅色散分光子模块的结构示意图；
图8示出根据本公开实施例的一种衍射光学器件色散分光子模块的结构示意图；
图9示出根据本公开实施例的一种多二向色镜和滤光片分光子模块的结构示意图；
图10示出根据本公开实施例的一种明场通道单元的原理示意图；
图11示出根据本公开实施例的一种散射光通道单元的原理示意图；
图12示出根据本公开实施例的一种相差成像通道单元的原理示意图；
图13示出根据本公开实施例的一种确定荧光标记光谱图像的原理示意图；
图14示出根据本公开实施例的一种基于流体动力聚焦的成像系统的结构示意图；
图15示出根据本公开实施例的一种基于流体动力聚焦的成像系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
流式细胞仪和荧光显微镜，是生物研究和临床应用领域中重要的两种仪器。其中，流式细胞仪能够以较高的检测通量对细胞进行分析，但是缺乏获取细胞的形态学信息的能力；而荧光显微镜能够获得细胞的形态学信息，但其检测通量较低。
成像流式细胞仪，是将二者结合同时具备较高的检测通量和空间分辨率的一种仪器，能够以极高的速度获取细胞的图像。但是，由于成像流式技术需要对以m/s速度流动的细胞进行显微荧光成像，因此，其检测通量和检测通道数通常较低，并且无法获得完整的细胞荧光光谱信息。相关技术中，通过单像素成像方法提高荧光成像的检测通量，例如，使用结构光照明实现单像素成像，但是无法将成像功能扩展到光谱域。
本公开提供了一种基于流体动力聚焦的成像系统，可以用于进行细胞的荧光光谱成像和无标记成像。下面详细介绍本公开提供的基于流体动力聚焦的成像系统。
图1示出根据本公开实施例的一种基于流体动力聚焦的成像系统的结构示意图。如图1所示，沿光线传播方向，该系统100包括：
照明光场发生模块101，用于产生预设空间分布的目标结构光场；
流体聚焦模块102，用于对流动细胞样本进行聚焦，控制流动细胞样本沿直线流经检测区域，其中，检测区域是目标结构光场照射的区域；
收光模块103，用于收集流动细胞样本经目标结构光场照射后产生的光信号；
分光模块104，用于将光信号分离为荧光信号和非荧光信号，并将荧光信号分离为空间上分立的荧光光谱信号；
光电探测模块105，用于探测荧光光谱信号和非荧光信号，并将荧光光谱信号和非荧光信号转化为电信号；
采集处理模块106，用于对电信号进行分析处理，确定流动细胞样本对应的荧光标记光谱图像和无标记图像。
其中，流动细胞样本可以是经过荧光染色的样本细胞液。经过荧光染色后，流动细胞样本中细胞的表面或内部产生对应的荧光标记，荧光标记可以在光照作用下激发出对应的荧光信号。荧光染色可以参考相关现有技术中常用的荧光染色剂的实施方式进行，例如荧光蛋白、荧光抗体等，本公开对此不做具体限定。
照明光场发生模块101，可以产生预设空间分布的目标结构光场，并控制该目标结构光场照射到流体聚焦模块102的目标位置，即检测区域。后文会结合本公开可能的实现方式，对照明光场发生模块101和目标结构光场进行详细描述，此处不做赘述。
流体聚焦模块102可以基于流体动力学的方式，将流动细胞样本中分散的悬浮细胞进行聚焦，使悬浮细胞排列形成单细胞轴流，以直线的形式依次通过被目标结构光场照射的检测区域。由于流体聚焦模块102中细胞流动速度能够达到m/s量级，因此，系统100可以实现10000cell/s以上的检测通量。
示例性的，流体聚焦模块102，可以是基于传统流式细胞仪流动室的聚焦模块。
图2示出根据本公开实施例的一种传统流式细胞仪流动室的结构示意图。如图2所示，传统流式细胞仪流动室200由锥形流动池201和直流道203构成，锥形流动池201侧壁设置有位置对称的两个输入口202。流动细胞样本注入锥形流动池201时，两路鞘液通过对称的两个输入口202注入锥形流动池201。鞘液可以包裹流动细胞样本流动，经过锥形流动池201约束后，形成单细胞轴流并进入直流道203，通过被目标结构光场照射的检测区域204。
示例性的，流体聚焦模块102，可以是基于微流控技术的聚焦模块。
图3示出根据本公开实施例的一种微流控芯片的结构示意图。如图3所示，微流控芯片300包括中央流道301和两侧位置对称的微流道302。两路鞘液从对称的微流道302注入芯片300，流动细胞样本通过中央流道301注入芯片300。在两路鞘液的流体压缩作用下，可以将流动细胞样本转化为恒定的单细胞轴流，并通过被目标结构光场照射的检测区域303。通过微流控芯片对流动细胞样本进行聚焦，具有全封闭无污染的优势。
其中，鞘液可以参考相关技术中的实施方式，例如采用无荧光本底的平衡电解质溶液等，本公开对此不做具体限定。
除了上述方式外，也可以基于流体动力学原理，根据其他方式实现流体聚焦模块102，例如单鞘流方式等，本公开对此不做具体限制。
在实际的使用过程中，还可以通过降低流动细胞样本的浓度，降低流体聚焦模块102中发生多个细胞重叠通过的概率。如果细胞在流体聚焦模块102中发生重叠，可以在成像时进行分析处理，从而区分重叠的细胞。
经过流体动力聚焦的流动细胞样本通过检测区域时，在目标结构光场的作用下，流动细胞样本中的细胞的荧光标记被激发，可以发出相应的荧光信号。此外，在细胞的作用下，目标结构光场还会产生非荧光信号，例如散射光信号等。
收光模块103，可以收集流动细胞样本经目标结构光场照射后产生的光信号，并将光信号传输至分光模块104。对于收光模块103的结构，可以根据实际的使用需求进行设置，例如包括预设数量的收光物镜和聚焦透镜等，本公开对此不做具体限定。
分光模块104，可以将从收光模块103接收到的光信号分离为荧光信号和非荧光信号，并对荧光信号进一步进行荧光光谱分光，将荧光信号中不同波段的荧光成分分离为空间上分立的荧光光谱信号，用于荧光光谱成像。后文会结合本公开可能的实现方式，对分光模块104进行详细描述，此处不做赘述。
光电探测模块105，可以对经过分光模块104分离处理后的荧光光谱信号进行探测，可以探测多个通道的荧光光谱信号，并将荧光光谱信号转化为电信号。例如，可以根据荧光光谱信号的光强，输出与光强成正比的电压信号。由于光电探测模块105具有较高的光谱探测通道数，因此，系统100可以探测的荧光染色剂种类和数量极多。示例性的，光电探测模块105可以具有32～200个光谱探测通道，系统100中流动细胞样本可以使用32～200种不同的荧光染色剂对细胞进行染色。
相应的，光电探测模块105也可以探测非荧光信号，并将非荧光信号转化为对应的电信号。后文会结合本公开可能的实现方式，对光电探测模块105进行详细描述，此处不做赘述。
采集处理模块106，可以接收并存储来自光电探测模块105的电信号，对电信号进行分析处理，进而可以确定流动细胞样本对应的荧光标记光谱图像和无标记图像。后文会结合本公开可能的实现方式，对采集处理模块106进行详细描述，此处不做赘述。
本公开实施例的基于流体动力聚焦的成像系统，基于流体动力学原理，利用流体聚焦模块对流动细胞样本进行聚焦，控制流动细胞样本沿直线流经照明光场发生模块产生的预设空间分布的目标结构光场，可以产生相应的光信号，由于流体聚焦模块中流动细胞样本的流速较快，从而可以实现极高的检测通量；收光模块收集光信号并传输至分光模块，通过分光模块将光信号分离为荧光信号和非荧光信号，并将荧光信号分离为空间上分立的荧光光谱信号；光电探测模块可以探测多通道的荧光光谱信号和非荧光信号，并将荧光光谱信号和非荧光信号转化为电信号；采集处理模块对电信号进行分析处理，可以根据多种荧光染料的混合光谱图像信息解析出每种荧光染料的图像信息，进而可以快速确定流动细胞样本对应的荧光标记光谱图像，实现高通量光谱成像，此外也可以确定无标记图像。
在一种可能的实现方式中，照明光场发生模块101包括：激光光源，用于产生预设波长的连续激光；衍射光学器件，用于将连续激光调制为预设空间分布的第一结构光场；聚焦透镜，用于对第一结构光场进行聚焦，得到目标结构光场。
图4示出根据本公开实施例的一种照明光场发生模块的结构示意图。如图4所示，照明光场发生模块101，包括激光光源1011、衍射光学器件1012和聚焦透镜1013。
激光光源1011，可以产生至少一种预设波长的连续激光光束，且连续激光光束的功率在预设范围内。连续激光光束的数量，以及每个连续激光光束的波长，可以根据对流动细胞样本进行荧光染色时使用的荧光染色剂的数量和种类进行设置，本公开对此不做具体限定。激光光源1011可以参考相关现有技术中的实施例，例如商用激光源等，本公开对此不做具体限定。
示例性的，连续激光光束的波长可以是355nm、375nm、405nm、488nm、530nm、561nm和640nm等，连续激光光束的激光功率可以在毫瓦级别范围内。
衍射光学器件1012的表面使用微加工的方式加工出浮雕结构或纳米级微结构。激光光源1011产生的连续激光光束照射到衍射光学器件1012表面后，被调制成为预设空间分布的第一结构光场。其中，衍射光学器件1012可以是衍射光学元件(Diffractive OpticalElement，DOE)，也可以是功能相同的其他光学器件，本公开对此不做具体限定。
第一结构光场的光束入射到聚焦透镜1013后，投射在聚焦透镜1013的焦平面1014上，形成相应的目标结构光场。目标结构光场可以用于照射经过荧光染色剂染色的流动细胞样本，激发出荧光信号，并在细胞的作用下产生非荧光信号。
除了上述光学器件外，照明光场发生模块101中还可以根据实际的使用需求，适应性增加其他光学器件，例如合束镜、光阑等，本公开对此不做具体限制。
通过改变衍射光学器件1012的浮雕结构或纳米级微结构的模式，可以将目标结构光场调制成为具有预设规律的线阵光斑，或伪随机的点阵光斑。
图5示出根据本公开实施例的一种目标结构光场的示意图。如图5中的(a)所示，目标结构光场可以是在沿细胞运动方向上等间隔排列，且在垂直于细胞运动方向上随机排列的规律二维点阵光斑。规律二维点阵光斑共包括n个光斑，分别为光斑1至光斑n。
在焦平面1014上，可以以细胞流动方向为x轴，以垂直于细胞流动方向为y轴，以任意一点为原点建立平面直角坐标系。进而，规律二维点阵光斑中光斑1的坐标可以确定为(x1，y1)，光斑2的坐标可以确定为(x2，y2)，以此类推，光斑n的坐标可以确定为(xn，yn)。沿细胞流动方向，规律二维点阵光斑中相邻光斑之间的间隔，即规律二维点阵光斑中相邻光斑的横坐标差值Δx相等。
示例性的，沿细胞流动方向，规律二维点阵光斑中光斑2与光斑1之间的间隔为Δx2-1＝x2-x1，光斑3与光斑2之间的横向为Δx3-2＝x3-x2，Δx2-1与Δx3-2相等。
如图5中的(b)所示，目标结构光场可以是沿直线等间隔排列，且与细胞运动方向具有预设夹角的一维线阵光斑。一维线阵光斑在垂直于细胞运动方向上也呈现为等间隔排列，也就是说，一维线阵光斑中相邻光斑的纵坐标差值Δy相等。
示例性的，垂直于细胞流动方向，一维线阵光斑中光斑2与光斑1之间的间隔为Δy2-1＝y2-y1，一维线阵光斑中光斑3与光斑2之间的间隔为Δy3-2＝y3-y2，Δy2-1与Δy3-2相等。
为了确保同一细胞在同一时刻只能被一个光斑照射，沿细胞流动方向，规律二维点阵光斑或一维线阵光斑中，相邻光斑之间的间隔应大于流动细胞样本中的细胞的尺寸。另一方面，为了确保单个细胞的每个部分在流动过程中都能被光斑覆盖，垂直于细胞流动方向，规律二维点阵光斑或一维线阵光斑中，光斑n与光斑1之间的总偏移应大于流动细胞样本中的细胞的尺寸。
示例性的，流动细胞样本中的细胞可以是人体细胞，常见的人体细胞尺寸在20μm至30μm范围内。因此，沿细胞流动方向相邻光斑之间的间隔，即相邻光斑的横坐标差值Δx大于30μm。垂直于细胞流动方向光斑n与光斑1之间的总偏移，即光斑n与光斑1的纵坐标差值ΔY＝yn-y1大于30μm。对于一维线阵光斑，垂直于细胞流动方向光斑n与光斑1之间的总偏移，还可以表示为(n-1)Δy。
当流动细胞样本中的细胞经过规律二维点阵光斑或一维线阵光斑时，依次经过光斑1至光斑n，在垂直于细胞运动方向上，细胞表面或内部的荧光标记会分别被每个光斑按照预设的顺序激发，产生对应的荧光信号。通过探测荧光信号，可以将荧光标记的分布编码到时域中。通过对荧光信号在时域上的拆分和重组，可以重建细胞的图像。相应的，对非荧光信号也可以进行类似的处理。
如图5中的(c)所示，目标结构光场还可以是随机二维点阵光斑。随机二维点阵光斑是在预设区域内随机静态分布的一系列点阵光斑。当流动细胞样本中的细胞流经随机二维点阵光斑时，细胞表面或内部的荧光标记会分别被每个光斑激发，产生对应的荧光信号。荧光信号的光强分布随机二维点阵光斑模式的卷积。基于已知的光斑的光强分布模式，通过反卷积运算可以确定荧光信号的光强分布，进而可以重建细胞的图像。相应的，对非荧光信号也可以进行类似的处理。其中，确定荧光信号的光强分布的过程可以通过压缩感知求解逆问题的算法进行，例如两步阈值收缩迭代算法(Two-Step Iterative Shrinkage/Thresholding，TwIST)等，也可以根据其他算法实现，本公开对此不做具体限定。
基于目标结构光场的特定空间分布，当流动细胞样本中的细胞经过目标结构光场时，通过产生的光信号的特定规律，可以将细胞的图像编码到时域上，便于进行处理和分析。
在一种可能的实现方式中，分光模块104包括：荧光光谱分光子模块和非荧光分光子模块；荧光光谱分光子模块，用于将荧光信号分离为空间上分立的荧光光谱信号；系统100还包括：无标记成像模块；非荧光分光子模块，用于分离非荧光信号，并将分离后的非荧光信号输入至无标记成像模块。
以前述图1为例，如图1所示，分光模块104包括荧光光谱分光子模块1041和非荧光分光子模块1042。
分光模块104可以从收光模块103接收到的光信号中，分离出荧光信号。分离出的荧光信号将入射至荧光光谱分光模块1041。荧光光谱分光模块1041可以对荧光信号进一步进行荧光光谱分光，将荧光信号中不同波段的荧光成分分离为空间上分立的荧光光谱信号。后文会结合本公开可能的实现方式，对荧光光谱分光模块1041进行详细描述，此处不做赘述。
进一步的，系统100中还包括无标记成像模块。分离出荧光信号后，非荧光分光子模块1042可以根据非荧光信号的具体类型，例如散射光信号，激光光强信号等，在光信号中分离出至少一种非荧光信号，并将该非荧光信号输入至无标记成像模块。无标记成像模块可以根据非荧光信号进行无标记成像，并将成像后的非荧光信号传递给光电探测模块105。后文会结合本公开可能的实现方式，对非荧光分光子模块1042进行详细描述，此处不做赘述。
除了上述结构外，分光模块104还可以根据实际的使用需求，适应性增加其他光学器件，例如二向色镜、光纤和反射镜等，本公开对此不做具体限定。
在一种可能的实现方式中，荧光光谱分光子模块1041为多棱镜色散分光子模块、光栅色散分光子模块、衍射光学器件色散分光子模块，以及多二向色镜和滤光片分光子模块中的一种。
荧光光谱分光模块1041可以对荧光信号进一步进行荧光光谱分光，将荧光信号中不同波段的荧光成分分离为空间上分立的荧光光谱信号。荧光光谱分光子模块1041，可以是多棱镜色散分光子模块、光栅色散分光子模块、衍射光学器件色散分光子模块，以及多二向色镜和滤光片分光子模块中的任意一种。
图6示出根据本公开实施例的一种多棱镜色散分光子模块的结构示意图。如图6所示，多棱镜色散分光子模块600包括多棱镜组601和聚光透镜602。多棱镜组601中包括预设数量的棱镜。荧光信号经过准直后入射至多棱镜组601，由于荧光信号中包括不同波段的荧光成分，经过棱镜的色散效应作用后，荧光信号中的不同波段的荧光成分从多棱镜组601的出射角度不同，再经过聚光透镜602出射，在聚光透镜602的焦平面处形成空间上分立的荧光光谱信号。
其中，多棱镜组601中棱镜的预设数量，可以根据光电探测模块105的对荧光光谱的探测分辨率，以及系统100的空间尺寸进行设置，本公开对此不做具体限定。聚光透镜602的参数，例如尺寸和焦距等，可以根据实际的使用需求进行设置，本公开对此不做具体限定。
除了上述结构外，多棱镜色散分光子模块还可以根据实际的使用需求，适应性增加其他光学器件，例如透镜、光纤和反射镜等，本公开对此不做具体限定。
图7示出根据本公开实施例的一种光栅色散分光子模块的结构示意图。如图7所示，光栅色散分光子模块700包括反射色散光栅701和聚光透镜702。荧光信号入射至反射色散光栅701后，经过色散光栅701色散分光，荧光信号中的不同波段的荧光成分从色散光栅701反射的角度不同。再经过聚光透镜702出射，在聚光透镜702的焦平面处形成空间上分立的荧光光谱信号。
其中，反射色散光栅701的参数，例如色散率和尺寸等，可以根据实际的使用需求进行设置，本公开对此不做具体限定。聚光透镜702的参数，例如尺寸和焦距等，可以根据实际的使用需求进行设置，本公开对此不做具体限定。
除了上述结构外，光栅色散分光子模块还可以根据实际的使用需求，适应性增加其他光学器件，例如透镜、光纤和反射镜等，本公开对此不做具体限定。
图8示出根据本公开实施例的一种衍射光学器件色散分光子模块的结构示意图。如图8所示，衍射光学器件色散分光子模块800包括衍射光学器件801和聚光透镜802。衍射光学器件801表面有微加工的浮雕结构，可加工出类似于透射光栅的结构。荧光信号入射至衍射光学器件801后，荧光信号中不同波段的荧光成分将以不同的角度从射衍射光学器件801出射，再经过聚光透镜802出射，在聚光透镜802的焦平面处形成空间上分立的荧光光谱信号。
其中，衍射光学器件801可以是衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)，也可以是其他器件，衍射光学器件801的参数，例如尺寸等，可以根据时间的使用需求进行设置，本公开对此不做具体限定。聚光透镜802的参数，例如尺寸和焦距等，可以根据实际的使用需求进行设置，本公开对此不做具体限定。
除了上述结构外，衍射光学器件色散分光子模块还可以根据实际的使用需求，适应性增加其他光学器件，例如透镜、光纤和反射镜等，本公开对此不做具体限定。
图9示出根据本公开实施例的一种多二向色镜和滤光片分光子模块的结构示意图。如图9所示，多二向色镜和滤光片分光子模块900包括二向色镜组、带通滤光片组和聚光透镜组。二向色镜组包括预设数量的二向色镜，分别为二向色镜9011至二向色镜901n。其中，二向色镜的类型可以相同也可以不同，能够满足每个二向色镜的截止波长各不相同，使荧光信号中不同波段的荧光成分在空间上分立即可，本公开对此不做具体限定。带通滤光片组包括预设数量的带通滤光片，分别为带通滤光片9021至带通滤光片902n。聚光透镜组包括预设数量的聚光透镜，分别为聚光透镜9031至聚光透镜903n。
其中，二向色镜组中二向色镜的预设数量、带通滤光片组中带通滤光片的预设数量，以及聚光透镜组中聚光透镜的预设数量相同，并可以根据光电探测模块105对荧光光谱的探测分辨率，以及系统100的空间尺寸进行设置，本公开对此不做具体限定。
示例性的，二向色镜组中二向色镜的类型可以全部是长通二向色镜，二向色镜9011至二向色镜901n的截止波长可以分别确定为λ1至λn。荧光信号包括n个不同波长的荧光成分，波长分别为λ1至λn。荧光信号入射到二向色镜9011时，由于二向色镜9011的截止波长为λ1，荧光信号中波长小于λ1的荧光成分被反射，经过带通滤光片9021出射，被聚光透镜9031聚焦射出。荧光信号中波长不小于λ1的荧光成分可以通过二向色镜9011，并入射到二向色镜9012，由于二向色镜9011的截止波长为λ2，荧光信号中波长小于λ2的荧光成分被反射，经过带通滤光片9022出射，被聚光透镜9032聚焦射出；荧光信号中波长不小于λ2的荧光成分可以通过二向色镜9012，并入射到二向色镜9013。以此类推，荧光信号中不同波段的成分经过由一系列截止波长紧密排列的二向色镜和带通滤光片分光之后，可以被分离成空间上分立的荧光光谱信号。
示例性的，二向色镜组中二向色镜的类型可以全部是短通二向色镜，二向色镜9011至二向色镜901n的截止波长可以分别确定为λ1至λn。荧光信号包括n个不同波长的荧光成分，波长分别为λ1至λn。荧光信号入射到二向色镜9011时，由于二向色镜9011的截止波长为λ1，荧光信号中波长大于λ1的荧光成分被反射，经过带通滤光片9021出射，被聚光透镜9031聚焦射出。荧光信号中波长不大于λ1的荧光成分可以通过二向色镜9011，并入射到二向色镜9012，由于二向色镜9011的截止波长为λ1，荧光信号中波长大于λ2的荧光成分被反射，经过带通滤光片9022出射，被聚光透镜9032聚焦射出；荧光信号中波长不大于λ2的荧光成分可以通过二向色镜9012，并入射到二向色镜9013。以此类推，荧光信号中不同波段的成分经过由一系列截止波长紧密排列的二向色镜和带通滤光片分光之后，可以被分离成空间上分立的荧光光谱信号。
其中，二向色镜组中每个二向色镜的参数、带通滤光片组中每个带通滤光片的参数，以及聚光透镜组中每个聚光透镜的参数，例如截止波长、尺寸和焦距等，可以根据实际的使用需求进行设置，本公开对此不做具体限定。
除了上述结构外，多二向色镜和滤光片分光子模块还可以根据实际的使用需求，适应性增加其他光学器件，例如透镜、光纤和反射镜等，本公开对此不做具体限定。
在一种可能的实现方式中，无标记成像模块包括：明场通道单元、前向散射通道单元、侧向散射通道单元、背向散射通道单元和相差成像通道单元中的至少一种。
无标记成像模块，可以包括明场通道单元、前向散射通道单元、侧向散射通道单元、背向散射通道单元和相差成像通道单元中的至少一种。非荧光分光子模块1042可以根据非荧光信号的具体类型，在光信号中分离出至少一种非荧光信号，并将该非荧光信号输入至对应的通道单元，进行对应的无标记成像过程。后文会结合本公开可能的实现方式，对明场通道单元、前向散射通道单元、侧向散射通道单元、背向散射通道单元和相差成像通道单元进行详细描述，此处不做赘述。
无标记成像模块中通道单元的数量，可以根据实际的使用需求进行设置，本公开对此不做具体限定。
在一种可能的实现方式中，非荧光信号包括：激光光强信号、前向散射光信号、侧向散射光信号、背向散射光信号和相位差信号中的至少一种；明场通道单元，用于根据激光光强信号进行明场成像；前向散射通道单元，用于根据前向散射光信号进行前向散射成像；侧向散射通道单元，用于根据侧向散射光信号进行侧向散射成像；背向散射通道单元，用于根据背向散射光信号进行背向散射成像；相差成像通道单元，用于根据相位差信号进行相差成像。
流体细胞样本中细胞经过检测区域时，会对目标结构光场的激光产生多种作用，从而产生不同类型的非荧光信号。非荧光信号可以包括激光光强信号、散射光信号和相位差信号，其中，散射光信号根据散射角度的不同，可以包括前向散射光信号、侧向散射光信号和背向散射光信号。每种非荧光信号与细胞的不同信息相关，因此，可以根据非荧光信号，通过进行对应的无标记成像，生成表达相应细胞信息的图像。
流体细胞样本中细胞经过检测区域，通过目标结构光场时，细胞会对目标结构光场的激光总强度产生一定的扰动，产生相应的激光光强信号。根据激光光强信号所成的图像，与细胞的轮廓等相关。
流体细胞样本中细胞经过检测区域，通过目标结构光场时，细胞会对目标结构光场的激光产生一定的散射，产生相应的散射光信号，散射光信号可以用于对细胞进行散射光成像。根据散射角度的不同，散射光信号可以包括前向散射光信号、侧向散射光信号和背向散射光信号。根据前向散射光信号所成的图像，与细胞的尺寸等相关；根据侧向散射光信号所成的图像，与细胞的粒度等相关；根据背向散射光信号所成的图像，与细胞的尺寸和形态结构等相关。
流体细胞样本中细胞经过检测区域，通过目标结构光场时，由于细胞引起的折射率变化会对目标结构光场的激光引入相位延迟，通过引入其他的相位延迟，可以产生相应的相位差信号。
无标记成像模块中的每一种通道单元，可以用于对应的非荧光信号的无标记成像。具体的，明场通道单元用于根据激光光强信号进行明场成像；前向散射通道单元用于根据前向散射光信号进行前向散射成像；侧向散射通道单元用于根据侧向散射光信号进行侧向散射成像；背向散射通道单元用于根据背向散射光信号进行背向散射成像；相差成像通道单元用于根据相位差信号进行相差成像。
图10示出根据本公开实施例的一种明场通道单元的原理示意图。如图10所示，聚焦透镜1001的焦平面处产生目标结构光场。当流体细胞样本中的细胞流经目标结构光场时，会使目标结构光场的激光强度产生衰减，从而产生可以体现目标结构光场的激光强度衰减的激光光强信号。激光光强信号被收光物镜1002接收后，出射到由一对透镜组成的4f系统1003。4f系统1003将收光物镜1002出瞳处的激光光强信号转换到4f系统1003焦平面上。在4f系统1003后放置一个光阑1004对激光光强信号的强度进行衰减，以达到适宜的探测范围。当细胞流经目标结构光场时，激光光强信号的强度在时域上表现为一系列的负脉冲。通过对激光光强信号进行拆分和重组，即可实现细胞明场图像的重建。
除了上述描述中提到的光学器件外，明场通道单元还可以根据实际的使用需求，适应性添加其他光学器件，如透镜等，本公开对此不做具体限定。
图11示出根据本公开实施例的一种散射光通道单元的原理示意图。如图11所示，聚焦透镜1101的焦平面处产生目标结构光场。当流体细胞样本中的细胞流经目标结构光场时，会在各个角度上产生散射光。与目标结构光场的传播方向同向传播的散射光，为前向散射光信号。沿着与目标结构光场的传播方向存在预设夹角的方向传播的散射光，为侧向散射光信号，其中，预设夹角的范围是大于0°且小于180°。与目标结构光场的传播方向背向传播的散射光，即向后传播的散射光，为背向散射光信号。
如图11中的(a)所示，前向散射通道单元的收光物镜1102a可以接收前向散射光信号，收光物镜1102a后方放置有一个遮光装置1103。遮光装置1103用于遮蔽直射激光，避免损坏光电探测模块105的探测器件。其中，收光物镜1102a的输入孔径大于聚焦透镜1101的输出孔径，确保收光物镜1102a能够收到比聚焦透镜1101的目标结构光场的角度范围更大的散射光；遮光装置1103的尺寸小于收光物镜1102a的输出孔径。前向散射光信号可以从收光物镜1102a的剩余孔径范围内透过，经过聚光透镜1104a聚焦后入射至光电探测模块105的探测器件中，进行前向散射光成像。
除了上述描述中提到的光学器件外，前向散射通道单元还可以根据实际的使用需求，适应性添加其他光学器件，如透镜等，本公开对此不做具体限定。
如图11中的(b)所示，侧向散射通道单元的收光物镜1102b放置在与目标结构光场的传播方向存在预设夹角的方向上，可以接收侧向散射光信号。由于侧向散射光信号避开了直射的激光，因此收光物镜1102b后方不需要设置遮光装置。侧向散射光信号经过聚光透镜1104b聚焦后入射至光电探测模块105的探测器件中，进行侧向散射光成像。其中，收光物镜1102b放置的预设角度可以根据实际的使用需求进行设置，例如90°、60°和30°等，只要能够收集到侧向散射光信号即可，本公开对此不做具体限定。
除了上述描述中提到的光学器件外，侧向散射通道单元还可以根据实际的使用需求，适应性添加其他光学器件，如透镜等，本公开对此不做具体限定。
如图11中的(c)所示，背向散射光信号会被聚焦透镜1101收集，沿与目标结构光场的传播方向背向传播，并经过背向散射通道单元的分光镜1106反射，再经过聚光透镜1104c聚焦之后入射至光电探测模块105的探测器件中，进行背向散射成像。
除了上述描述中提到的光学器件外，背向散射通道单元还可以根据实际的使用需求，适应性添加其他光学器件，如分光镜和透镜等，本公开对此不做具体限定。
图12示出根据本公开实施例的一种相差成像通道单元的原理示意图。如图12所示，在聚焦透镜1202之前放置一个用于产生相差环形照明的环形相位透光板1201。环形相位透光板1201的存在导致目标结构光场的激光光束产生180°的相位延迟，当流体细胞样本中的细胞流经目标结构光场时，由于细胞引起的折射率变化会导致目标结构光场的激光光束产生新的相位延迟，与目标结构光场相互干涉，产生相位差信号。相位差信号经过相位环1204和聚光透镜1205后，入射至光电探测模块105的探测器件中，进行相差成像。
除了上述描述中提到的光学器件外，相差成像通道单元还可以根据实际的使用需求，适应性添加其他光学器件，如透镜等，本公开对此不做具体限定。
在一种可能的实现方式中，光电探测模块105包括：荧光光谱探测器，用于探测荧光光谱信号，并将荧光光谱信号转化为第一电信号，其中，荧光光谱探测器包括预设数量的探测通道，每个探测通道对应预设波长的荧光光谱信号；非荧光信号探测器，用于探测非荧光信号，并将非荧光信号转化为第二电信号。
以前述图1为例，如图1所示，光电探测模块105包括荧光光谱探测器1051和非荧光信号探测器1052。
荧光光谱探测器1051可以用于探测荧光光谱信号，并将荧光光谱信号转化为第一电信号。其中，荧光光谱探测器1051包括预设数量的探测通道，每个探测通道对应预设波长的荧光光谱信号。
荧光光谱探测器1051，可以由阵列光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)，或者阵列雪崩光电管(Avalanche Photon Diode,APD)构成。其中，阵列光电倍增管中光电倍增管的数量，或阵列雪崩光电管中雪崩光电管的数量，可以根据荧光信号中不同波段荧光成分的数量进行设置，本公开对此不做具体限定。
以前述图6为例，如图6所示，荧光光谱探测器1051a是阵列光电倍增管或阵列雪崩光电管构成的探测器，包括n个探测通道，分别对应波长为λ1至λn的荧光成分。每个探测通道可以将对应的预设波长的荧光光谱信号转化为第一电信号。
荧光光谱探测器1051，也可以由预设数量的分立的光电倍增管，或雪崩光电管构成。其中，分立的光电倍增管或雪崩光电管的数量，可以根据荧光信号中不同波段荧光成分的数量进行设置，本公开对此不做具体限定。
以前述图9为例，如图9所示，荧光光谱探测器1051b是分立的光电倍增管或雪崩光电管构成的探测器，包括n个分立的光电倍增管或雪崩光电管，每一个分立的光电倍增管或雪崩光电管可以是一个探测通道，分别对应波长为λ1至λn的荧光成分。每个分立的光电倍增管或雪崩光电管可以将对应的预设波长的荧光光谱信号转化为第一电信号。
系统100通过使用光谱色散和多通道的荧光光谱探测器结合的方式，可以实现极高的光谱探测通道数，例如32-200个荧光光谱信号探测通道。也就是说，系统100可以探测的荧光染色剂种类和数量极多，可以实现极高内涵的流式分析应用。
非荧光信号探测器1052可以用于探测非荧光信号，并将非荧光信号转化为第二电信号。非荧光信号探测器1052也可以包括多个探测通道，其数量取决于无标记成像模块中通道单元的数量，本公开对此不做具体限定。非荧光信号探测器可以参考相关现有技术中的光电探测器，本公开对此不做具体限定。
以前述图10为例，如图10所示，激光光强信号经过明场通道单元入射至非荧光信号探测器1052a，非荧光信号探测器1052a将激光光强信号转化为第二电信号。
以前述图11为例，如图11中的(a)所示，前向散射光信号经过前向散射通道单元入射至非荧光信号探测器1052b，非荧光信号探测器1052b可以将前向散射光信号转化为第二电信号。如图11中的(b)所示，侧向散射光信号经过侧向散射通道单元入射至非荧光信号探测器1052c，非荧光信号探测器1052c可以将侧向散射光信号转化为第二电信号。如图11中的(c)所示，背向散射光信号经过前向散射通道单元入射至非荧光信号探测器1052d，非荧光信号探测器1052d可以将背向散射光信号转化为第二电信号。
以前述图12为例，如图12所示，相位差信号经过相差成像通道单元入射至非荧光信号探测器1052e，非荧光信号探测器1052e可以将相位差信号转化为第二电信号。
在一种可能的实现方式中，采集处理模块106包括：采集卡，用于采集第一电信号，并将第一电信号转换为对应的第一数字信号；计算机子模块，用于对第一数字信号进行分析重建，确定原始光谱图像。
以前述图1为例，如图1所示，采集处理模块106包括采集卡1061和计算机子模块1062。采集卡1061具有与光电探测模块105的探测通道相同数量的采集通道。
采集卡1061可以用于从荧光光谱探测器1051中采集第一电信号，将第一电信号转换为对应的第一数字信号，并存储在计算机子模块1062中。采集卡1061可以参考相关现有技术中的实施方式，本公开对此不做具体限定。
计算机子模块1062用于对第一数字信号进行分析重建，确定原始光谱图像。
图13示出根据本公开实施例的一种确定荧光标记光谱图像的原理示意图。如图13中的(a)所示，制作流动细胞样本时使用了n种荧光染色剂，每种荧光染色剂用于对细胞的不同结构进行染色。每种荧光染色剂在目标结构光场的照射下，会激发出波长互不相同的荧光光谱信号。
示例性的，流动细胞样本中的细胞可以是某种动物细胞，荧光染色剂1用于对细胞膜进行染色，荧光染色剂2用于对细胞核进行染色，荧光染色剂3用于对线粒体进行染色，以此类推，荧光染色剂n-1用于对高尔基体进行染色，荧光染色剂n用于对染色内质网进行染色。细胞表面或内部的结构在这些荧光染色剂的作用下，产生不同的荧光标记。在目标结构光场的照射下，细胞中的荧光标记会激发出波长互不相同的荧光光谱信号。这些荧光光谱信号经过探测和采集后，转换为多个第一数字信号，计算机子模块1062，可以根据第一数字信号进行分析重建，确定能够初步显示细胞结构信息的原始光谱图像。
如图13中的(b)所示，采集卡1061可以是包括32个采集通道的采集卡，可以采集32个不同的荧光光谱信号对应的第一电信号，将其转换为第一数字信号并存储在计算机子模块1062中。计算机子模块1062可以对这些第一数字信号进行分析重建，从而确定细胞的32个通道原始光谱图像。
在一种可能的实现方式中，计算机子模块1062，用于对原始光谱图像进行光谱解混，确定荧光标记光谱图像。
计算机子模块1062，可以通过对原始光谱图像进行光谱解混，确定细胞中每个结构的具体的荧光标记光谱图像。
以前述图13为例，如图13中的(c)和(d)所示，确定细胞的32个通道原始光谱图像后，计算机子模块1062可以确定原始光谱图像中每个像素上不同波长荧光光谱的强度。由于每种荧光染色剂的发射光谱已知，则可以根据已知的荧光光谱反向求解原始光谱图像中每个像素上每种荧光染料的强度值，即进行荧光光谱解混，进而可以确定细胞的具体结构的荧光标记光谱图像。
其中，计算机子模块1062进行荧光光谱解混的过程，可以参考现有技术中的荧光光谱解混方法，例如主成分分析、非负最小二乘法等方法，本公开对此不做具体限定。
在一种可能的实现方式中，采集卡，用于采集第二电信号，并将第二电信号转换为对应的第二数字信号；计算机子模块，用于对第二数字信号进行分析重建，确定无标记图像。
采集卡1061可以用于从非荧光信号探测器1052中采集第二电信号，将第二电信号转换为对应的第二数字信号，并存储在计算机子模块1062中。计算机子模块1062可以对第二数字信号进行拆分、重组以及后续处理确定无标记图像。其中，无标记图像可以包括明场图像、前向散射光图像、侧向散射光图像、背向散射光图像和相差图像中的至少一种，本公开对此不做具体限定。
图14示出根据本公开实施例的一种基于流体动力聚焦的成像系统的结构示意图。如图14所示，系统1400是一种基于微流控芯片、前向检测光路结构，具备两束不同波长的连续激光光束、一个明场通道单元以及32个荧光光谱信号探测通道的成像系统。
两束不同波长的连续激光光束，分别通过衍射光学器件1401a和1401b调制为预设空间分布的第一结构光场。调制后的两束连续激光光束分别经过聚焦透镜1402a和1402b出射，在合束镜1403处进行合束。合束后的连续激光光束通过光阑1404，入射至聚焦透镜1405。其中，聚焦透镜1405分别与聚焦透镜1402a和1402b构成两个4f系统，光阑1404放置在两个4f系统的共同焦平面处，用于滤除衍射光学器件1401a和1401b的激光光斑高衍射级次。从聚焦透镜1405出射的连续激光光束进入聚焦透镜1406，并在聚焦透镜1406的焦平面处形成目标结构光场。微流控芯片1407放置在聚焦透镜1406的焦平面处，被目标结构光场照射检测区域。流动细胞样本中经过微流控芯片1407聚焦后形成单细胞轴流，细胞依次经过检测区域，在目标结构光场的照射下产生光信号，其中包括荧光信号和非荧光信号。光信号被收光物镜1408收集后，经过二向色镜1409分离为荧光信号和非荧光信号。
荧光信号经过透镜1410耦合进入光纤1411，从输出装置1412出射并准直进入多棱镜色散分光子模块的多棱镜组1413。在多棱镜组1413的作用下，荧光信号中不同波段的荧光成分以不同角度输出，并入射至多棱镜色散分光子模块的聚光透镜1414。为了实现系统的小型化，可以在聚光透镜1414后设置反射镜组1415折叠光路。最终，经过色散分光后形成的荧光光谱信号入射至由阵列光电倍增管构成的荧光光谱探测器1416。荧光光谱探测器1416共有32个探测通道，可以实现对各个波段的荧光光谱信号进行探测，将荧光光谱信号转化为对应的第一电信号，提供给采集处理模块进行存储和处理，生成荧光标记光谱图像。
非荧光信号被二向色镜1409反射至下方由两个透镜构成的4f系统1417，将非荧光信号转换至光阑1418处，光阑1418可以对非荧光信号的光强进行衰减。衰减后的非荧光信号进入明场探测器1419，明场探测器1419通过探测细胞对目标结构光场总光强的扰动和吸收来进行成像，即通过激光光强信号进行成像。明场探测器1419将激光光强信号转化为对应的第二电信号，提供给采集处理模块进行存储和处理，生成明场图像，明场图像能够较好地表示细胞的轮廓。
图15示出根据本公开实施例的一种基于流体动力聚焦的成像系统的结构示意图。如图15所示，系统1500是一种基于传统流式细胞仪流动室、侧向荧光检测光路结构，具备三束不同波长的连续激光光束、一个明场通道单元、一个前向散射通道单元、一个侧向散射通道单元、一个背向散射光通道单元、一个相差成像通道单元以及32个荧光光谱信号探测通道的成像系统。
三束不同波长的连续激光光束，分别通过衍射光学器件1501a、1501b和1501c调制为预设空间分布的第一结构光场。调制后的三束连续激光光束分别经过对应的聚焦透镜1502a、、1502b和1502c，并经过由两个合束镜构成的合束装置1503进行合束。合束后的连续激光光束通过光阑1504，入射至聚焦透镜1506。其中，聚焦透镜1506分别与聚焦透镜1502a、、1502b和1502c构成三个4f系统，光阑1504放置在三个4f系统的共同焦平面处，用于滤除衍射光学器件1501a、1501b和1501c产生的激光光斑高衍射级次。从聚焦透镜1506出射的连续激光光束进入聚焦透镜1508，并在聚焦透镜1508的焦平面处形成目标结构光场。传统流式细胞仪流动室1509放置在聚焦透镜1508的焦平面处，被目标结构光场照射检测区域。流动细胞样本中经过传统流式细胞仪流动室1509聚焦后形成单细胞轴流，细胞依次经过检测区域，在目标结构光场的照射下产生光信号，其中包括荧光信号和非荧光信号。光信号会分别被收光物镜1510a和1510b收集。
收光物镜1510a放置在光信号的前向光路上，主要收集非荧光信号，收集到的荧光信号强度相对于非荧光信号的强度可以忽略不计。
聚焦透镜1506和聚焦透镜1508之间还放置有环形相位透光板1507，用于进行相差成像。从收光物镜1510a出射的非荧光信号，经过分光镜1511进行一次非荧光信号的分离。经过分光镜1511分光后改变传播方向的非荧光信号，经过一个相位环1512，并由聚光透镜1513聚焦到探测器1514上。相位环1512的存在将增强细胞流经目标结构光场时的相位扰动。探测器1514将相位差信号转化为对应的第二电信号，提供给采集处理模块进行存储和处理，生成相差图像，相差图像通常具有较好的立体感，对细胞内的结构折射率较为敏感。
经过分光镜1511分光后沿原传播方向的非荧光信号，经过光强分束镜1515再次进行非荧光信号的分离。光强分束镜1515不具备波长选择性，只会对入射的非荧光信号按照预设的比例进行反射和透射。其中，光强分束镜1515的分光比例可以根据实际的使用需求进行设置，例如50％/50％或90％10％等，本公开对此不做具体限定。
从光强分束镜1515反射出的非荧光信号，入射至下方由两个透镜构成的4f系统1516，将非荧光信号转换至光阑1517处，光阑1517可以对非荧光信号的光强进行衰减。衰减后的非荧光信号进入明场探测器1518，明场探测器1518通过探测细胞对目标结构光场总光强的扰动和吸收来进行成像，即通过激光光强信号进行成像。明场探测器1518将激光光强信号转化为对应的第二电信号，提供给采集处理模块进行存储和处理，生成明场图像，明场图像能够较好地表示细胞的轮廓。
从光强分束镜1515的透射出的非荧光信号，经过遮光条1519入射至聚光透镜1520。遮光条1519可以遮挡非荧光信号中的直射激光，仅保留大角度的前向散射光信号。前向散射光信号入射至前向散射光探测器1521，进行前向散射光成像。前向散射光探测器1521将前向散射光信号转化为对应的第二电信号，提供给采集处理模块进行存储和处理，生成前向散射光图像，前向散射光图像可以表示细胞的尺寸和轮廓。
光阑1504与聚焦透镜1506之间，还放置有分光镜1505。细胞经过目标结构光场时，会产生各个角度的散射光。其中，背向散射光信号会被聚焦透镜1508接收，并经过环形相位透光板1507和聚焦透镜1506入射至分光镜1505，通过分光镜1505可以控制背向散射光信号入射至聚焦透镜1522。经过聚焦后的背向散射光信号入射至背向散射光探测器1523，进行背向散射光成像。背向散射光探测器1523将背向散射光信号转化为对应的第二电信号，提供给采集处理模块进行存储和处理，生成背向散射光图像，背向散射光图像可以表示细胞的尺寸和轮廓。其中，分光镜1505的分光比可以根据实际的使用需求进行设置，例如50％/50％或90％10％等，本公开对此不做具体限定。
收光物镜1510b，设置在与光信号的前向光路具有预设角度的位置处，也就是说，收光物镜1510b与收光物镜1510a之间具有预设角度。收光物镜1510b可以收集荧光信号和非荧光信号，其中的非荧光信号主要为侧向散射光信号。收集到的荧光信号和侧向散射光信号通过二向色镜1524进行分离。其中，收光物镜1510b放置的预设角度可以根据实际的使用需求进行设置，例如90°、60°和30°等，只要能够收集到侧向散射光信号即可，本公开对此不做具体限定。
分离后的侧向散射光信号经过聚光透镜1525聚光后，入射至侧向散射光探测器1526，进行侧向散射光成像。侧向散射光探测器1526将侧向散射光信号转化为对应的第二电信号，提供给采集处理模块进行存储和处理，生成侧向散射光图像，侧向散射光图像可以表示细胞内的颗粒度。
分离后的荧光信号经过聚光透镜1527聚光后，耦合进入光纤1528，从输出装置1529出射并准直，进入多棱镜色散分光子模块的多棱镜组1530。在多棱镜组1530的作用下，荧光信号中不同波段的荧光成分以不同角度输出，并入射至多棱镜色散分光子模块的聚光透镜1531。经过反射镜组1532折叠光路后，色散分光形成的荧光光谱信号入射至由阵列光电倍增管构成的荧光光谱探测器1533。荧光光谱探测器1533共有32个探测通道，可以实现对各个波段的荧光光谱信号进行探测，将荧光光谱信号转化为对应的第一电信号，提供给采集处理模块进行存储和处理，生成荧光标记光谱图像。
本公开实施例的基于流体动力聚焦的成像系统，利用流体聚焦模块对流动细胞样本进行聚焦，控制流动细胞样本沿直线流经照明光场发生模块产生的预设空间分布的目标结构光场，可以产生相应的光信号，将细胞的图像编码到时域；由于流体聚焦模块中细胞流动速度在m/s量级，因此具有极高的检测通量；收光模块收集光信号并传输至分光模块，通过分光模块可以将光信号分离为荧光信号和非荧光信号，并将荧光信号分离为空间上分立的荧光光谱信号；分光模块还可以将非荧光信号输入至具有高扩展性的无标记成像模块，进行无标记成像；光电探测模块可以探测多通道的荧光光谱信号和非荧光信号，并将荧光光谱信号和非荧光信号转化为电信号，从而实现高通道数的成像，通过使用光谱色散和多通道的荧光光谱探测器结合的方式，可以实现极高的光谱探测通道数，可以探测的荧光染色剂种类和数量极多；采集处理模块对电信号进行分析处理，可以根据多种荧光染料的混合光谱图像信息解析出每种荧光染料的图像信息；从而快速确定流动细胞样本全波段的荧光标记光谱图像和多种类型的无标记图像。
需要说明的是，尽管以图14和图15作为示例介绍了基于流体动力聚焦的成像系统的结构如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定基于流体动力聚焦的成像系统的具体结构，适应性增减和替换其中的光学器件，只要能够基于上述过程确定荧光标记光谱图像和无标记图像即可。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种基于流体动力聚焦的成像系统，其特征在于，包括：
照明光场发生模块，用于产生预设空间分布的目标结构光场；
流体聚焦模块，用于对流动细胞样本进行聚焦，控制所述流动细胞样本沿直线流经检测区域，其中，所述检测区域是所述目标结构光场照射的区域；
收光模块，用于收集所述流动细胞样本经所述目标结构光场照射后产生的光信号；
分光模块，用于将所述光信号分离为荧光信号和非荧光信号，并将所述荧光信号分离为空间上分立的荧光光谱信号；
光电探测模块，用于探测所述荧光光谱信号和所述非荧光信号，并将所述荧光光谱信号和所述非荧光信号转化为电信号；
采集处理模块，用于对所述电信号进行分析处理，确定所述流动细胞样本对应的荧光标记光谱图像和无标记图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述照明光场发生模块包括：
激光光源，用于产生预设波长的连续激光；
衍射光学器件，用于将所述连续激光调制为所述预设空间分布的第一结构光场；
聚焦透镜，用于对所述第一结构光场进行聚焦，得到所述目标结构光场。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述分光模块包括：荧光光谱分光子模块和非荧光分光子模块；
所述荧光光谱分光子模块，用于将所述荧光信号分离为空间上分立的所述荧光光谱信号；
所述系统还包括：无标记成像模块；
所述非荧光分光子模块，用于分离所述非荧光信号，并将分离后的所述非荧光信号输入至所述无标记成像模块。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述荧光光谱分光子模块为多棱镜色散分光子模块、光栅色散分光子模块、衍射光学器件色散分光子模块，以及多二向色镜和滤光片分光子模块中的一种。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无标记成像模块包括：明场通道单元、前向散射通道单元、侧向散射通道单元、背向散射通道单元和相差成像通道单元中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述非荧光信号包括：激光光强信号、前向散射光信号、侧向散射光信号、背向散射光信号和相位差信号中的至少一种；
所述明场通道单元，用于根据所述激光光强信号进行明场成像；
所述前向散射通道单元，用于根据所述前向散射光信号进行前向散射成像；
所述侧向散射通道单元，用于根据所述侧向散射光信号进行侧向散射成像；
所述背向散射通道单元，用于根据所述背向散射光信号进行背向散射成像；
所述相差成像通道单元，用于根据所述相位差信号进行相差成像。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光电探测模块包括：
荧光光谱探测器，用于探测所述荧光光谱信号，并将所述荧光光谱信号转化为第一电信号，其中，所述荧光光谱探测器包括预设数量的探测通道，每个所述探测通道对应预设波长的所述荧光光谱信号；
非荧光信号探测器，用于探测所述非荧光信号，并将所述非荧光信号转化为第二电信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述采集处理模块包括：
采集卡，用于采集所述第一电信号，并将所述第一电信号转换为对应的第一数字信号；
计算机子模块，用于对所述第一数字信号进行分析重建，确定原始光谱图像。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述计算机子模块，用于对所述原始光谱图像进行光谱解混，确定所述荧光标记光谱图像。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述采集卡，用于采集所述第二电信号，并将所述第二电信号转换为对应的第二数字信号；
所述计算机子模块，用于对所述第二数字信号进行分析重建，确定所述无标记图像。
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