CN1685211A - 利用时间延时和积分成像的微小移动物体光学层析成像 - Google Patents

利用时间延时和积分成像的微小移动物体光学层析成像 Download PDF

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Abstract

三维重建以恒定速度移动的感兴趣物体(1)。感兴趣物体(1)被居中。用围绕感兴趣物体(1)以多个投影角度定位的光学点光源(27)、协同离感兴趣物体(1)一定距离的对面时间延时和积分图像传感器成像感兴趣物体(1)，使得在成像过程中，在感兴趣物体(1)内没有焦平面。每个TDI传感器(25)具有与感兴趣物体(1)恒定速度同步的线移动速度。

Description

利用时间延时和积分成像的微小移动物体光学层析成像
相关申请
本申请是Alan C.Nelson在2001年8月10日提交的未决美国申请号为09/927,151、在2003年7月8日公布的现在的专利号为6,522,775、题为“利用光学层析成像来成像流体中微小物体的装置和方法(Apparatus and Method for Imaging Small Objects in a FlowStream Using Optical Tomography)”的部分继续申请。
技术领域
本发明大体涉及光学层析成像成像系统，尤其涉及利用光学层析成像和时间延时和积分使物体成像的光学层析成像。
背景技术
Alan Nelson在2002年4月19日提交的题为“微小物体的可变动作光学层析成像(Variable-Motion Optical Tomography of SmallObjects)”的美国申请10/126,026在此并入作为参考。在Nelson的申请中，通过传统的CCD或CMOS图像检测器数字地捕获影像的投影图像。在成像移动物体时，这种图像传感器要求短的曝光来“停止动作”，以便降低动作模糊，但短暂的曝光限制成像移动物体时所获的信噪比。
光学层析成像(OT)对成像移动物体例如用于高通过量分析的流体或在刚性介质中传输是有优越性的。另外，在刚性介质中传输的物体的情况下，就显示或样品定位器的设计来说，恒速运动比迅速停停走走运动要简单些。而且，在此系统中，恒速运动要比停停走走运动产生更少振动。
总而言之，时间延迟和积分(TDI)成像是基于这样的理念：累积同一运动物体的多次曝光，因而有效地增加可利用的聚集入射光的积分时间。物体的运动必须与曝光同步以确保得到一个清晰的图像。一般，TDI检测器包括排列成行和列的像素。电信号与投影到装置上的移动图像同步一行行地移动。同步的信号导致积分时间延长，而且没有模糊。
于2001年6月19日出版、授予Basiji等人的美国专利6,249,341，题为“诸如细胞之类的微小可移动物体的成像与分析参数(Imaging andAnalyzing Parameters of Small Moving Objects Such as Cells)”公开了这样一种仪器：聚集和扩散来自物体例如移过成像系统的细胞的光，使它能成像到时间延时和积分(TDI)检测器。Basiji等人将TDI检测器定义为这样的像素化装置：其中响应对准该装置的辐射所产生的信号能以控制方式引起移动。Basiji等人未致力于光学层析成像，一个本发明所克服的缺陷。
发明内容
本发明提供一种用于三维(3D)重建恒速移动的感兴趣物体的装置和方法。感兴趣物体被居中。用围绕感兴趣物体以多个投影角度定位的光学点光源、协同离感兴趣物体一定距离的对面时间延时和积分(TDI)图像传感器来成像感兴趣物体，使得在成像过程中，在感兴趣物体内没有焦平面。每个TDI传感器具有与感兴趣物体恒定速度同步的线移动速度。
一方面，本发明提供用于三维重建在层流中的感兴趣物体。感兴趣物体注入层流中，使得物体在层流内居中并以恒速移动。感兴趣物体用至少一个围绕层流定位的光学点光源、协同至少一个位于至少一个光学点光源对面且离层流一定距离的对面时间延迟和积分(TDI)图像传感器来取样感兴趣物体，使得在取样过程中，在感兴趣物体内没有焦平面。当感兴趣物体流过至少一个光学点光源和至少一个对面TDI图像传感器之间时，通过感兴趣物体的多个投影角度被取样。用TDI图像传感器形成至少一个投影图像，TDI图像传感器的线移动速度与感兴趣物体的流动速度同步。
另一方面，本发明通过提供利用光学点光源或平行光束投影和时间延时与积分(TDI)图像传感器用于三维光学层析成像的方法和系统来克服现有技术的不足。更具体地说，提供利用光学层析成像来成像在流体或在刚性介质上传输的微小物体(包括生物细胞)的系统。
本发明的动机是利用TDI图像传感器追踪移动物体的能力，提高在动态光学层析成像系统中的投影图像信噪比。
另一方面，本发明利用TDI图像传感器追踪在传感器的电荷转移方向移动的物体和与图像传感器的线移动速度同步的能力。在一个实施例中，本发明提供在具有时间延时和积分(TDI)图像传感器的光学层析成像仪器中获取或数字化投影图像或影像的方法，当细胞在计算机控制下通过层流或机械传输显示到重建柱体时，图像传感器定向成线移动矢量平行于细胞的移动矢量。
附图说明
图1示意性地示出由本发明实施例构建的流体光学层析成像(FOT)系统的实例图。
图2示意性地示出本发明实施例构建的可变运动光学层析成像(VOT)系统的实例图。
图3示意性地示出本发明实施例构建的重建柱体的实例图。
图4示意性地示出另一重建柱体的实例的局部顶视图的实例图。
图5示意性地示出在不同平面上具有点光源和TDI图像传感器的重建柱体的实例图。
图6示意性地示出说明TDI成像传感器操作的流程图实例。
具体实施方式
本发明在此描述涉及生物学细胞特定实例，但是，应该理解，这些实例是为了解释本发明的原理，而并不限制本发明。在一个实例中，在显微镜下的空间中构建光密度的三维分布能够量化和确定感兴趣的结构、分子或分子探针的所在位置。通过使用作标记的分子探针，可以测定在显微镜下物体中附于特定结构上的探针数量。出于说明的目的，诸如生物细胞的物体可以用至少一个斑点或作标记的分子探针进行标记，对这些探针的数量和位置进行测量可以获得有关细胞疾病状态的重要信息。包括各种癌症，例如肺癌、乳腺癌、前列腺癌、宫颈癌和卵巢癌，但不限于此。
参照图1，图1示意性地示出本发明实施例构建的流式光学层析成像(Flow Optical Tomography，FOT)系统的实例图。本发明提供一种装置和方法，其利用光学点光源或平行光束投影、时间延时和积分(TDI)图像传感器以及断层图像重建来成像在流体中或在刚性介质中传输的的微小物体。在一个典型的实施例中，光学层析成像(OT)系统包括流式细胞仪，其包括围绕毛细管2的重建柱体12。
该系统参照一个有x、y和z方向坐标的坐标系40定位。操作时，细胞1注入到注射管3。毛细管在注射端5较宽，并包括一个压力帽6。鞘液7进入管8中，在毛细管2中形成层流。第一光学源9a和第一光检测器10a与脉冲高度分析器11一起工作，以作为触发装置操作。当它移过管子时，脉冲高度分析器11工作以提供用于细胞开始的第一信号30a，和用于细胞结束的第二信号30b。信号30a、30b、31a和31b代表光强，在脉冲高度分析器11中“I”比“TIME”的函数。在相对移动物体的速度和光检测器与重建柱体12之间的距离延时后，在脉冲高度分析器11中产生多个信号14，其被送入计算机13中，计算机13将触发信号15传送到重建柱体12，以开始和结束用于具体细胞的数据采集。另外，第二光学源9b和第二光检测器10b有利地位于离第一组已知距离的下游，使得发出第三信号31a的细胞和发出第四个信号31b的细胞之间的间隔可以有利地用于计算细胞的速度，并作为定时信号来同步TDI图像传感器的线移动速度。定时信号以多个信号14传输到计算机13。计算机13可以是任何有用的个人电脑或等同物，其依次把同步信号16传送到重建柱体12。这样，细胞沿流体轴20的移动与电荷从TDI传感器的一个步骤到下一个步骤的移动速度相匹配。下面参照图6更详细地描述和图示。
现在参照图2，示意性地示出本发明可替换实施例构建的可变动作光学层析成像(VOT)系统的实例图。VOT系统100利用机械定位器一次一个地显示在管中的刚性介质中传送的细胞。与参考图1所描述的FOT系统相比，在VOT系统100中仅需要一个包括光学源9和光检测器10的触发机构，因为细胞速度被精确地控制以与重建柱体12中的TDI传感器同步。触发器在此被脉冲高度分析器11和计算机13所操控，用于启动和停止数据收集。如双箭头线所示，在本实施例中的毛细管被计算机控制的电机17驱动的螺纹驱动器18沿Z轴通过重建柱体12移动。计算机控制的电机17接收来自于计算机13的控制信息。本领域的技术人员通过本发明所披露的内容应当理解，任何能够以恒速线性移动毛细管的机构都能用于代替螺纹驱动器。
利用计算机化的层析成像图像重建技术可以直接分析或处理来自重建柱体的信号，以提供细胞的二维或三维信息。
现在参照图3，示意性示出本发明实施例构建的重建柱体的实例图。重建柱体12包括多个可选波长的光学点光源27，其围绕毛细管2设置并与毛细管2同心。多个光学点光源27与对面的对可选择部分光谱敏感的时间延时和积分(TDI)图像传感器25协同工作，其中当包括任何在毛细管中移动的物体(诸如细胞)通过毛细管2后，设置TDI图像传感器以接收来自多个光学点光源27的光。传统的TDI传感器型号为CCD525和/或CCD582可从位于美国加利福尼亚州米尔皮塔斯的Fairchild Imaging Inc购得，根据公知的原理，特性积分寄存器提供信号信息作为处理图像的可获得输出。这种装置特性是快速线移动速度可以由使用者控制和同步。
在操作时，在移过重建柱体1的过程中，细胞1至少经过一个光学点光源。本发明的特征在于：多个可选波长的光学点光源27围绕毛细管2设置并与毛细管2同心。光学点光源27与对面的对可选择部分光谱敏感的时间延时和积分(TDI)图像传感器25协同工作，因此，可以获得透过细胞1的光的投影21。用这种方式，可以产生一系列投影光线，其中投影光线可以被描述为连接点光源与单个传感元件的直线。出于说明的目的，一个实例光线表示为光线53。沿特定的投影光线离开点光源的光学数目与特定的传感元件接收的光学数目之差，与投影光线路径上毛细管内的细胞及其它成份相互作用造成的光学损失数目或衰减有关。
要注意光的散射、光学能量偏移、几何特性缺陷和准直性差会带来一些问题，当多个光源点同时激发时，来自不同光源的光学到达特定的传感元件。例如通过利用上述点光源及其对面检测器的图案的几何特性，和通过适当定时或多个点光源的多路激励以及传感器阵列的读出来构建重建柱体，可以减少由于这些问题造成的光学污染。
例如没有细胞时，光学污染可以通过系统的校准来解决。即，每个光源可以依次照明，并且可以测量其对每个传感器的影响，从而提供用于标准化系统的偏移数据。另需要额外的校准步骤，例如对乳胶多聚体颗粒或其它微球体或扁圆球体成像，它们的光学特性是公知的，并具有细胞成像的感兴趣的密度范围。
图3是特定几何特性和排列的点光源和传感器的简化示意图。为了简化附图，仅仅图示了有限数量的点光源和检测器，以便更好地说明本发明的原理。从本公开得到启示的本领域的技术人员应该明白，另外的点光源和检测检测可以有利地组合在一起，多个这种单元以预定辐射位移有利地层叠在一起，以获得达到或者超过180投影的足够投影透视图。
现在参照图4，示意性地示出重建柱体12另一实施例局部顶视图的实例图。重建柱体12A的每个部分都包括TDI图像传感器25。在这个实例中，多个投影21(在此高达3个投影)能在每个传感器上成像，这样15个投影可以供给重建柱体的每个180°宽度部分。在优选实施例中使用两个这种180°宽度部分。从本公开得到启示的本领域的技术人员应该明白，用不同几何特性或排列的点光源和传感器能够获得基本类似的结果，只要从能够层析成像重建的足够数量的辐射透视图获得细胞的投影图像。
参照图5，示出本发明实施例构建的重建柱体12B的特别有用的设计。这里点光源27的环围绕毛细管2设置，并且TDI图像传感器25的环位于点光源下方的平面上。尽管在图中仅示出4个点光源，应该明白，TDI图像传感器的环可以有利地包括更多的数目，其足以能够使移动物体图像的层析成像重建。另外，TDI图像传感器可在点光源平面的上方或下方。点光源可以有利地形成锥形光束35。通过将点光源和TDI图像传感器设置在分开的平面上，在柱体对面的点光源不会与其它投影锥形光束发生物理干涉。
毛细管2的弯曲表面起着产生聚焦效果的柱面镜的作用，该效果在投影系统中是不期望的。从本公开得到启示的本领域的技术人员应该明白，如果点光源和管之间以及管与检测器之间的空间28用折射率与毛细管匹配的物质填充，实质上能够减少通过毛细管2光学的弯曲。另外，管可以与空间填充物质光学耦合。这种光学耦合例如可以用油或凝胶来实现。
现在参照图6，示意性地示出说明TDI图像传感器的流程图50的实例。对应于细胞的图像元件的电荷与图像同步转移到像素元件51的列中。电荷转移连续发生，直到从列中累积的电荷被传感器的底部寄存器读出为止。
本发明构建的光学层析成像系统的一个实施中，多个TDI传感器25被定向成每个传感器具有与沿Z轴的细胞移动20相同的线移动19方向。TDI图像传感器的线移动速率被来自计算机13的定时或时钟信号控制与细胞的速率同步。
工作流程示出沿时间线34在不同时间的移动细胞1和它相对TDI传感器25的位置，在时间＝0时，细胞1正好在TDI传感器25上方且没有图像被传感。在时间＝1时，细胞1部分地被TDI传感器25成像。细胞1的影像51一次被成像一线。对应于每图像线的电荷22与图像传感器从时间＝0到时间＝5向下的图像线的移动同步移到传感器像素元件23的下一线。这样，对应于每像素的电荷累积到TDI图像传感器的各列24，直到它在时间＝5时被底部的寄存器26读出。
根据TDI图像传感器中的线数或级数，信号得以增强(例如，用96级TDI传感器高达96交叠，诸如可从加拿大安大略省沃特卢市的DALSA购得的DALSA IL-E2传感器)。TDI图像传感器的线移动速率可以达到53KHz。它相当于53,000帧/秒的帧速。
光源
优选每个光源具有相同的特性：
·可以是近似一个小圆点光源；
·可以具有已知光谱成份的亮度；
·由光源发射的光学可以形成已知几何特性的光束，例如5°～10°小锥角的锥形或所有光纤平行的笔形光束。
每个光源产生用于一个投影角度的数据。当细胞移过模块时，沿毛细管的中心轴螺旋排列的多个光源从多个投影角度产生数据。根据传感器的几何特性，几个点光源可以在同一个圆周上共线排列，这样投影不会在传感器上重叠。期望的光源数目是在每个平面重建或立体重建内所需分辨率的函数。另外，光源的波长可以选用各种二极管或其它激光器，或白光或其它宽带的带通滤光光源。例如用水银灯或氙气弧光灯。
构成光源点时可以采取以下措施：
·在激光器或其它高亮度光源之前的孔径；
·在针孔的入射侧和出射侧利用光学的表面等离子体聚焦的孔径；
·具有小横截面的光纤；
·在光源前的短焦距透镜；
·照射磷面上一点的电子束(CRT形式)；和
·以上因素的各种组合。
利用发散光束的几何特性是：点光源越靠近感兴趣物体(细胞)，放大率越高，因为物体越靠近光源，其对着的几何角度越大。简单的投影系统的放大率大约是M＝(A+B)/A，其中A是点光源和物体(细胞)之间的距离，B是物体和检测器之间的距离。相反，如果要求的分辨率在系统设计之前就已知，那么可以对几何特性进行优化来获得特定的分辨率。作为背景技术，本领域的技术人员可以参考由Blass.M主编由Mcgraw-Hill，2001年出版的《光学手册：纤维光学和非线性光学》第2版，第4卷。
在此相当详细地描述了本发明，目的是为了遵守专利法规，同时为本领域的技术人员提供应用本发明的新颖原理所需的信息，并按要求构建和使用上述实例的和具体的部件。但是，应该明白，本发明可以通过特定的不同设备、装置和重建算法来实现，在不偏离本发明真实精神和范围的情况下，可对设备零件和操作程序作出各种变型。

Claims (20)

1.一种用于三维重建感兴趣物体(1)的方法，包括以下步骤：
(a)将感兴趣物体注入层流中，使得物体居中在层流中并以恒速移动；
(b)用至少一个围绕层流定位的光学点光源(27)，协同至少一个位于该光学点光源(27)对面、离层流一定距离的对面时间延时和积分(TDI)图像传感器(25)来取样感兴趣物体(1)，使得在取样过程中在感兴趣物体(1)内没有焦平面，其中当它们在至少一个光学点光源(27)和至少一个对面光学传感器(25)之间流动时，通过感兴趣物体(1)的多个投影角度被取样；和
(c)用至少一个TDI图像传感器(25)形成至少一个投影图像(51)，TDI图像传感器(25)的线移动速度与感兴趣物体(1)的流速同步。
2.如权利要求1所述的方法，其中感兴趣物体(1)包括细胞或细胞核。
3.如权利要求1所述的方法，其中光学投影光束是锥形光束(35)。
4.一种用于三维重建感兴趣物体(1)的方法，包括以下步骤：
(a)将感兴趣物体(1)装入线性容器(2)；
(b)用至少一个围绕该线性容器(2)定位的光学点光源(27)，协同至少一个位于光学点光源(27)对面、离线性容器(2)一定距离的对面时间延时和积分图像传感器(25)来取样感兴趣物体(1)，使得在取样过程中在感兴趣物体(1)内没有焦平面，其中当感兴趣物体(1)在至少一个光学点光源(27)和至少一个对面光学传感器(25)之间移动时，通过感兴趣物体(1)的多个投影角度被至少一个光学点光源(27)产生的光学投影光束取样；
(c)以恒速移动线性容器(2)，使得感兴趣物体一次一个地移过光学投影光束；和
(d)用至少一个对面TDI图像传感器(25)形成至少一个投影图像(51)，TDI图像传感器(25)的线移动速度与感兴趣物体(1)的流速同步。
5.如权利要求4所述的方法，其中感兴趣物体(1)包括细胞或细胞核。
6.如权利要求4所述的方法，其中将感兴趣物体(1)装入线性容器(2)的步骤还包括将多个细胞装入管中的步骤。
7.如权利要求4所述的方法，其中光学投影光束是锥形光束(35)。
8.一种用于三维重建感兴趣物体(1)的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将感兴趣物体(1)注入恒速的层流中；和
(b)当感兴趣物体(1)流过重建柱体(12)时，以多个角度对至少一个感兴趣物体(1)形成一组投影图像(51)，其中重建柱体(12)包括在第一平面上的多个光学点光源(27)和在第二平面上的多个时间延时和积分图像传感器(25)，其中第一平面和第二平面不同但平行，和其中设置多个光学点光源(27)和多个TDI传感器(25)，以便当感兴趣物体(1)流过重建柱体(12)时，成像感兴趣物体(1)。
9.如权利要求8所述的方法，其中重建柱体(12)包括多于一个光学点光源(27)平面，其中该多于一个光学点光源(27)平面的每一个协同多于一个的TDI传感器(25)相关平面的每一个工作，以形成感兴趣物体(1)的多个图像。
10.如权利要求9所述的方法，其中多于一个光学点光源(27)平面的每一个和多于一个TDI传感器(25)的相关平面的每一个彼此放射状地偏离，以获取不同的透视图。
11.一种用于三维重建感兴趣物体(1)的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将多个物体装入包括感兴趣物体(1)的线性容器(2)；
(b)按需要居中感兴趣物体(1)；
(c)移动线性容器(2)，直到感兴趣物体(1)位于重建柱体(12)之内，其中重建柱体(12)包括在第一平面上的多个光学点光源(27)和在第二平面上的多个时间延时和积分(TDI)图像传感器(25)，其中第一平面和第二平面不同但平行；
(d)利用多个光学点光源(27)以用多个光学投影光束来照明感兴趣物体(1)，其中设置多个光学点光源(27)和多个TDI传感器(25)，以便当感兴趣物体(1)经过重建柱体(12)时，成像感兴趣物体(1)；及
(e)以多个角度形成一组感兴趣物体(1)的投影图像(51)。
12.如权利要求11所述的方法，其中多个光学点光源(27)位于多于一个平面上，其中在选定平面中的多个光学点光源(27)的每一个协同TDI传感器(25)的相关平面的每一个工作，以形成多个感兴趣物体(1)的图像。
13.如权利要求12所述的方法，其中在选定平面中的多个光学点光源(27)的每一个和TDI传感器(25)的相关平面的每一个分别放射状地偏离至少一个其它光学点光源平面和TDI平面，以便获取感兴趣物体(1)的不同透视图。
14.一种用于三维重建恒速移动的感兴趣物体(1)的方法，该方法包括以下步骤：
(a)使感兴趣物体(1)居中；和
(b)用以多个投影角度围绕感兴趣物体(1)定位的多个光学点光源(27)，协同离感兴趣物体(1)一定距离定位的多个对面时间延时和积分图像传感器(25)成像感兴趣物体(1)，使得在成像过程中，在感兴趣物体(1)内没有焦平面，多个TDI图像传感器(25)的每一个具有与感兴趣物体(1)的流速同步的线移动速度。
15.如权利要求14所述的方法，其中多个光学点光源(27)位于重建柱体(12)中，该重建柱体(12)包括多个基本上同心并协同多个对面的TDI图像传感器(25)工作的可选波长的光学点光源(27)，其中多个对面的TDI图像传感器(25)对可选部分光谱敏感，且其中多个对面的TDI图像传感器(25)设置成在来自多个光学点光源(27)的光通过感兴趣物体(1)后，用以接收该光。
16.如权利要求14所述的方法，其中多个光学点光源(27)构成点光源(27)环，其中多个TDI传感器(25)包括设置在点光源(27)环下面的平面中的TDI图像传感器(25)环。
17.如权利要求14所述的方法，其中成像感兴趣物体(1)的步骤还包括将至少三个投影成像到多个TDI传感器(25)的每一个的步骤。
18.如权利要求4所述的方法，其中取样感兴趣物体(1)的步骤还包括将至少三个投影成像到多个TDI传感器(25)的每一个的步骤。
19.如权利要求4所述的方法，其中至少一个光学点光源(27)还包括点光源(27)环，其中至少一个TDI传感器(25)包括设置在点光源(27)环下面的平面中的TDI图像传感器(25)环。
20.如权利要求4所述的方法，其中至少一个光学点光源(27)位于重建柱体(12)中，该重建柱体(12)包括多个基本上同心并协同至少一个TDI图像传感器(25)工作的可选波长的光学点光源(27)，其中该至少一个TDI传感器(25)对可选部分的光谱敏感。
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