DE102015110359B4 - Method for detecting radiation-emitting particles - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln (3), welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen, wobei die elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert wird, wobei ein erstes Signal mit Hilfe einer ersten Strukturierungseinrichtung (5, 10) erfasst wird, wobei die erste Strukturierungseinrichtung (5, 10) entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel (3) entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Signal mit Hilfe einer zweiten Strukturierungseinrichtung (11) erfasst wird, wobei die zweite Strukturierungseinrichtung (11) entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel (3) entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dass das erste und das zweite Signal miteinander korreliert werden und aus dem korrelierten Signal Rückschlüsse auf die Anzahl und/oder die Geschwindigkeit der Partikel (3) gezogen werden.Method for detecting particles (3) moving along a trajectory, which generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field, wherein the electromagnetic radiation, the electric field or the magnetic field is detected, a first signal having Using a first structuring device (5, 10) is detected, the first structuring device (5, 10) either ensures that the particles (3) along a trajectory section essentially only in first non-periodic spatial intervals electromagnetic radiation, an electrical Generating a field or a magnetic field or at least influencing or ensuring that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is essentially only detected in first non-periodic spatial distances along the trajectory section, characterized in that a second signal with the aid of a second structuring device (11), the second structuring device (11) either ensuring that the particles (3) along a trajectory section essentially only generate electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field at second non-periodic spatial intervals or at least influence or ensure that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is essentially only detected in second non-periodic spatial intervals along the trajectory section, that the first and the second signal are correlated with one another and conclusions can be drawn from the correlated signal on the number and/or the speed of the particles (3) can be drawn.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln, welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung oder das elektrische oder das magnetische Feld detektiert. Des Weiteren wird eine Strukturierungseinrichtung verwendet, die entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang der Trajektorie im Wesentlichen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder das magnetische Feld im Wesentlichen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang der Trajektorie detektiert wird.The present invention relates to a method for detecting particles moving along a trajectory which generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field. In this case, the electromagnetic radiation or the electric or the magnetic field is detected. Furthermore, a structuring device is used, which either ensures that the particles along the trajectory essentially only at non-periodic spatial intervals generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field, or ensures that the electromagnetic Radiation, the electric or the magnetic field is essentially only detected at non-periodic spatial intervals along the trajectory.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise in Durchflusszytometern verwendet. Bei der Durchflusszytometrie wird eine Zellsuspension durch eine Durchflussmesszelle geleitet. Die Zellsuspension wird mit einer Lichtquelle, bestehend meist aus mehreren Lasern, bestrahlt, wodurch die zu detektierenden Zellen oder ein an den Zellen gebundener Farbstoff angeregt werden und Fluoreszenzsignale emittieren. Als Strukturierungseinrichtung wird häufig eine nicht-periodische, strukturierte Maske, auch Schattenmaske genannt, verwendet und die Partikel werden an einer Seite der Maske mit einer Geschwindigkeit v vorbeigeführt und auf der anderen Seite wird die durch die Maske tretende elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder das magnetische Feld mit einem geeigneten Detektor detektiert.Such a method is used, for example, in flow cytometers. In flow cytometry, a cell suspension is passed through a flow cell. The cell suspension is irradiated with a light source, usually consisting of several lasers, whereby the cells to be detected or a dye bound to the cells are excited and emit fluorescence signals. A non-periodic, structured mask, also known as a shadow mask, is often used as the structuring device, and the particles are guided past one side of the mask at a speed v and on the other side the electromagnetic radiation, the electrical or the magnetic radiation, passing through the mask Field detected with a suitable detector.
Es versteht sich aber, dass die Strukturierungseinrichtung keine Schattenmaske sein muss. Es wäre beispielsweise auch denkbar, dass die zu detektierenden Partikel mit Hilfe einer strukturierten Anregungsstrahlung angeregt werden müssen, um elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Diese Anregungsstrahlung könnte beispielsweise mit Hilfe von diffraktiven optischen Elementen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang der Trajektorie zur Verfügung gestellt werden, so dass im Wesentlichen auch nur an diesen Orten die zu detektierende elektromagnetische Strahlung emittiert wird. Die Strukturierungseinrichtung besteht dann aus den diffraktiv optischen Elementen.However, it goes without saying that the structuring device does not have to be a shadow mask. It would also be conceivable, for example, for the particles to be detected to have to be excited using structured excitation radiation in order to generate electromagnetic radiation. This excitation radiation could be made available, for example with the aid of diffractive optical elements, only at non-periodic spatial distances along the trajectory, so that the electromagnetic radiation to be detected is essentially only emitted at these locations. The structuring device then consists of the diffractive optical elements.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Verfahrens zur Detektion von strahlungsemittierenden Partikeln beschrieben. Dennoch kann das Verfahren auch zur Detektion von beispielsweise ein Magnetfeld oder ein elektrisches Feld erzeugende oder beeinflussende Teilchen verwendet werden. Auch wäre es denkbar, elektromagnetische Strahlung durch die Maske zu leiten und zu detektieren, so dass die vorbeigeführten Partikel die gerichtete elektromagnetische Strahlung beim Passieren der Masken kurzzeitig abschwächen oder zumindest beeinflussen.The present invention is described below using a method for detecting radiation-emitting particles. Nevertheless, the method can also be used to detect particles that generate or influence a magnetic field or an electric field, for example. It would also be conceivable to conduct electromagnetic radiation through the mask and to detect it, so that the particles guided past briefly weaken or at least influence the directed electromagnetic radiation when passing through the masks.
Beispielsweise kann die zeitliche Modulation des Fluoreszenzsignals durch eine entlang der Bewegungsrichtung des Partikels strukturierte Schattenmaske erzeugt werden. Fenster in dieser Schattenmaske erlauben die Transmission des Fluoreszenzlichtes und entsprechen dem Transmissionszustand „1“. Geschlossene Bereiche der Maske verhindern die Transmission und entsprechen dem Zustand „0“. Die räumliche Strukturierung der Maske wird mathematisch beschrieben durch sogenannte binäre Sequenzen, d. h. durch Folgen aus Nullen und Einsen. Daher wird die strukturierte Maske auch als binäre Maske bezeichnet. Grundsätzlich wären aber auch Bereiche mit verminderter Transmission, den dann ein Zwischenzustand von zum Beispiel „1/2“ zugewiesen werden könnte, denkbar. Auch wenn die Erfindung im Folgenden am Beispiel von binären Masken erläutert wird, wären auch strukturierte Masken mit Zwischenzuständen denkbar.For example, the temporal modulation of the fluorescence signal can be generated by a shadow mask structured along the direction of movement of the particle. Windows in this shadow mask allow the transmission of the fluorescent light and correspond to the transmission state "1". Closed areas of the mask prevent transmission and correspond to the "0" state. The spatial structuring of the mask is described mathematically by so-called binary sequences, i. H. by sequences of zeros and ones. The structured mask is therefore also referred to as a binary mask. In principle, however, areas with reduced transmission, which could then be assigned an intermediate state of, for example, “1/2”, would also be conceivable. Even though the invention is explained below using binary masks as an example, structured masks with intermediate states would also be conceivable.
Im Grunde genommen wird das Messsignal durch die Strukturierungseinrichtung kodiert. Der Code, also zum Beispiel die binäre Sequenz, wird dabei von der Strukturierungseinrichtung zur Verfügung gestellt.Basically, the measurement signal is encoded by the structuring device. The code, for example the binary sequence, is made available by the structuring device.
Die derart kodierten Fluoreszenzsignale werden detektiert und ausgewertet, um Rückschlüsse auf Anzahl, Art, Intensität und Geschwindigkeit der einzelnen Partikel zu ziehen.The fluorescence signals encoded in this way are detected and evaluated in order to draw conclusions about the number, type, intensity and speed of the individual particles.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise beschrieben in Kiesel et al., Appl. Phys. Lett. 94, 041107-1 (2009), in der
Aus Kiesel et al., Cytometry Part A, Vol. 79A, 2011, S. 317-324 ist bekannt, mit dem beschriebenen Aufbau gleichzeitig zwei Messungen durchzuführen, wobei mit jeder Messung unterschiedliche Teilchen detektiert werden.It is known from Kiesel et al., Cytometry Part A, Vol. 79A, 2011, pp. 317-324, to carry out two measurements simultaneously with the structure described, with different particles being detected with each measurement.
Das detektierte Signal ist naturgemäß unipolar, da es bei der Fluoreszenzemission keine negativen Amplituden geben kann.The detected signal is naturally unipolar since there can be no negative amplitudes in the fluorescence emission.
Die Verwendung von nicht-periodischen Masken bzw. Signalverläufen dient der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sowie der zeitlichen Pulskompression. Allerdings treten bei diesem Verfahren Signal-Nebenkeulen bei Korrelationssignalen auf, was die Entdeckungswahrscheinlichkeit schwach fluoreszierender Objekte in Gegenwart von größeren, stärker leuchtenden Objekten deutlich erschwert.The use of non-periodic masks or signal curves serves to improve the signal-to-noise ratio and temporal pulse compression. However, with this method, signal sidelobes occur with correlation signals, which makes it much more difficult to detect weakly fluorescent objects in the presence of larger, more luminous objects.
Zur Verdeutlichung wird auf die
Dieses Signal wird üblicherweise mit einem Optimalfilter bearbeitet, wodurch sich das in
Das Signal des ersten Teilchens (P1) ist deutlich zu erkennen, während das schwächere Signal des zweiten Partikels (P2) nur schwach ausgeprägt ist. Für eine automatisierte Teilchendetektion wird in der Regel ein Grenzwert festgelegt und Signale, die stärker als der festgelegte Grenzwert sind, werden als Teilchendetektion interpretiert. Insbesondere bei der Detektion von mehreren Teilchen mit unterschiedlichen Signalstärken ist dies jedoch nicht möglich. Beispielhaft sind in
Daher wird üblicherweise das gefilterte Signal nach der Zeit abgeleitet, wodurch das in
Das bekannte Verfahren hat jedoch eine Reihe von Nachteilen:
- 1. Aufgrund der Abschattungseigenschaft der binären Maske, wird nicht das vollständige, zur Verfügung stehende Fluoreszenzlicht genutzt. Wird beispielsweise eine „balancierte Maske“, d.h. eine Maske mit der gleichen Anzahl von Nullen und Einsen, genutzt, so werden circa 50 % des zur Verfügung stehenden Fluoreszenzlichtes nicht genutzt. Könnte dieses Licht genutzt werden, würde sich das Signal-Rausch-Verhältnis um einen Faktor √2 verbessern.
- 2. Das bekannte Verfahren mit der binären Maske liefert lediglich ein unipolares Signal, so dass aus der Radartechnik bekannte Detektionsverfahren nicht angewendet werden können.
- 3. Durch die Verwendung eines einzelnen Detektors fließt dessen Rauschhintergrund immer direkt in das Signal mit ein und verfälscht somit das eigentliche Messsignal und erschwert die Detektion.
- 4. In der Praxis ist die Partikelgeschwindigkeit nicht bekannt. Zudem wird bei der Messung mehrerer Partikel eine Geschwindigkeitsverteilung beobachtet, so dass deren Verweildauer im Detektionsbereich, das heißt die zeitliche Ausdehnung des gemessenen Signals nicht nur unbekannt ist, sondern sich auch noch von Partikel zu Partikel unterscheiden kann. Daher muss ein breiter Geschwindigkeitsbereich abgefragt werden, in dem das gemessene Signal mit verschiedenen, zeitlich unterschiedlich ausgedehnten Filtern korreliert wird. Dieser Vorgang ist mit erheblichem Rechenaufwand verbunden.
- 1. Due to the shading properties of the binary mask, not all of the available fluorescent light is used. If, for example, a "balanced mask", ie a mask with the same number of zeros and ones, is used, around 50% of the available fluorescent light is not used. If this light could be used, the signal-to-noise ratio would improve by a factor of √2.
- 2. The known method with the binary mask only supplies a unipolar signal, so that detection methods known from radar technology cannot be used.
- 3. By using a single detector, its noise background always flows directly into the signal and thus falsifies the actual measurement signal and makes detection more difficult.
- 4. In practice, the particle velocity is not known. In addition, when measuring several particles, a velocity distribution is observed, so that their dwell time in the detection area, i.e. the temporal extension of the measured signal, is not only unknown, but can also differ from particle to particle. Therefore, a wide speed range must be queried, in which the measured signal is correlated with various filters with different temporal extensions. This process is associated with considerable computational effort.
Die
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, dass zumindest einen Teil der beschriebenen Nachteile verringert.Proceeding from the prior art described, it is therefore the object of the present invention to provide a method that reduces at least some of the disadvantages described.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, bei dem ein zweites Signal mithilfe einer zweiten Strukturierungseinrichtung erfasst wird, wobei die zweite Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang eines Trajektorienabschnittes im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in zweiten, nicht periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnittes detektiert wird, wobei das erste und das zweite Signal miteinander korreliert werden und aus dem korrelierten Signal dann Rückschlüsse auf die Anzahl und/oder die Geschwindigkeit der Partikel gezogen werden.According to the invention, this object is achieved by a method according to
Erfindungsgemäß wird somit ein zweites Signal erfasst und die beiden erfassten Signale miteinander korreliert.According to the invention, a second signal is thus detected and the two detected signals are correlated with one another.
So können beispielsweise die erste und die zweite Strukturierungseinrichtung eine nicht-periodische, strukturierte Maske verwenden und die Partikel an einer Seite der Maske vorbeigeführt werden und auf der anderen Seite die durch die Maske tretende elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert werden. Hierzu könnte ein Strahlteiler verwendet werden, welcher einen Teil des Fluoreszenzlichtes der ersten Strukturierungseinrichtung zuführt, während der andere Teil der zweiten Strukturierungseinrichtung zugeführt wird. Im Ergebnis hat man dann zwei codierte Signale, die - gegebenenfalls nach vorheriger Filterung - miteinander korreliert werden.For example, the first and the second structuring device can use a non-periodic, structured mask and the particles can be guided past one side of the mask and the electromagnetic radiation passing through the mask, the electric field or the magnetic field can be detected on the other side. A beam splitter could be used for this purpose, which feeds part of the fluorescent light to the first structuring device, while the other part is fed to the second structuring device. The result is then two coded signals, which - if necessary after prior filtering - are correlated with one another.
Durch die Verwendung von zwei separaten Detektoren wird der Rauschhintergrund eines einzelnen Detektors reduziert, wodurch die Auflösung des Verfahrens verbessert wird.By using two separate detectors, the noise floor of a single detector is reduced, improving the resolution of the method.
Allerdings geht durch die Verwendung der Schattenmasken nach wie vor ein Teil des Signals verloren. Der Nachteil der ausgeblendeten Signalintensität kann beispielsweise durch Verwendung eines räumlich strukturierten Detektors überwunden werden. So könnte ein räumlich strukturierter Detektor aus zwei ineinandergreifenden Flächensequenzen bestehen, die jeweils einem Detektorausgang zugeordnet sind. Hierbei liefert der eine Detektorausgang stets inverse Signale zu dem anderen Detektorausgang, da diejenigen Flächenabschnitten, die nicht dem einen Detektorausgang zugeordnet sind und daher für diesen eine „0“ darstellen, dem anderen Detektorausgang zugeordnet werden und daher für jenen eine „1“ darstellen.However, some of the signal is still lost when shadow masks are used. The disadvantage of the masked signal intensity can be overcome, for example, by using a spatially structured detector. A spatially structured detector could consist of two intermeshing surface sequences, each of which is assigned to a detector output. In this case, one detector output always supplies inverse signals to the other detector output, since those surface sections that are not assigned to one detector output and therefore represent a "0" for this are assigned to the other detector output and therefore represent a "1" for that one.
Ein solcher Aufbau erzeugt ein analoges Messsignal. Nachteil ist jedoch, dass durch die räumliche Strukturierung des Detektors für diesen Detektor die Modulationssequenz und daher die Codierung feststeht.Such a structure generates an analog measurement signal. The disadvantage, however, is that the modulation sequence and therefore the coding are fixed for this detector due to the spatial structuring of the detector.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als erste und/oder zweite Strukturierungseinrichtung ein Detektor-Array verwendet. Ein Detektor-Array besteht aus einer Mehrzahl von Detektoren (Pixeldetektoren), die selektiv ausgelesen werden können. Durch analoges oder digitales Zusammenfassen einzelner Pixeldetektoren („Binning“), kann ein räumlich strukturierter Code implementiert werden, wodurch die Strukturierungseinrichtung leicht modifiziert und anwendungsspezifisch verwendet werden kann. Neben dem Vorteil der einfachen Softwareimplementierung hat dieses Detektionsschema weiterhin den Vorteil, dass sich das Rauschen bedingt durch die Zahl der Detektoren weiter verringert.In a particularly preferred embodiment, a detector array is used as the first and/or second structuring device. A detector array consists of a number of detectors (pixel detectors) that can be read out selectively. A spatially structured code can be implemented by analogously or digitally combining individual pixel detectors (“binning”), as a result of which the structuring device can be easily modified and used in an application-specific manner. In addition to the advantage of simple software implementation, this detection scheme also has the advantage that the noise caused by the number of detectors is further reduced.
Da zudem das Fluoreszenzsignal nicht lokal ausgeblendet wird, sondern die gesamte Information erhalten bleibt, kann das Zusammenfassen von Zellen softwaretechnisch parallel in vielen verschiedenen Variationen durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann dasselbe Signal parallel nahezu mit beliebig vielen Codes, wie z.b. binären Sequenzen codiert werden, so dass eine Mehrzahl von codierten Signalen für eine Korrelation und anschließende Auswertung zur Verfügung stehen.In addition, since the fluorescence signal is not masked out locally, but the entire information is retained, the combining of cells can be carried out in parallel in many different variations using software. In other words, the same signal can be processed in parallel with almost any number of codes, e.g. binary sequences are encoded, so that a plurality of encoded signals are available for correlation and subsequent evaluation.
Das gleiche Messsignal könnte somit unterschiedlichen Masken zugeordnet werden. Die mehrfache Auswertung des Signales erlaubt es auch verschiedene Informationen aus dem Signal zu entnehmen. Zum Beispiel könnte zunächst eine Partikeldetektion mit einer Autokorrelation von zwei räumlich versetzten LABS und anschließend eine Ermittlung der Partikelgeschwindigkeit mit einem periodischen Binningmuster erfolgen. Dabei versteht man unter LABS sogenannte „low autocorrelation binary sequences“, wie sie beispielsweise in Mertens S, Exhaustive search for low-autocorrelation binary sequences, J.Phys. A - Math. Gen. 29, L473 (1996) definiert werden.The same measurement signal could thus be assigned to different masks. The multiple evaluation of the signal also allows various information to be extracted from the signal. For example, a particle detection with an autocorrelation of two spatially offset LABS could be carried out first and then the particle speed could be determined with a periodic binning pattern. LABS is understood to mean so-called “low autocorrelation binary sequences”, as described, for example, in Mertens S, Exhaustive search for low-autocorrelation binary sequences, J.Phys. A - Math. Gen. 29, L473 (1996).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Strukturierungseinrichtung jeweils derart ausgestaltet sind, dass bei einer Aufteilung des Trajektorienabschnittes in gleichlange Segmente, die Funktion der ersten und zweiten Strukturierungseinrichtung jeweils durch einen Binärcode, d.h. eine Abfolge von Nullen und Einsen geschrieben werden kann, wobei jede Ziffer ein Segment kennzeichnet und Segmente, in denen die jeweilige Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld detektiert wird, mit der Ziffer „1“ bezeichnet werde und alle anderen Segmente mit der Ziffer „0“ bezeichnet werden.Another preferred embodiment provides that the first and second structuring device are each designed such that when the trajectory section is divided into segments of equal length, the function of the first and second structuring device is written by a binary code, ie a sequence of zeros and ones can be, with each digit designating a segment and segments in which the respective structuring device either ensures that the particles generate an electric field or a magnetic field or at least influence or ensures that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is detected will be denoted by the number "1" and all other segments will be denoted by the number "0".
Die Ausgestaltung der Strukturierungseinrichtung wird somit durch eine Abfolge bzw. einen Code bestehend aus Nullen und Einsen gekennzeichnet.The configuration of the structuring device is thus characterized by a sequence or a code consisting of zeros and ones.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist entweder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung gleich der von hinten nach vorne gelesenen Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung oder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung ist gleich der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung, wobei dann beide Abfolgen gleichzeitig einem jeweiligen FIFO-Pufferspeicher zugeführt werden, wobei die beiden FIFO-Pufferspeicher parallel zueinander angeordnet sind, die beiden Abfolgen in entgegengesetzter Richtung zugeführt werden und für die Korrelation jeweils benachbarte Speicherplätze der beiden FIFO-Pufferspeicher korreliert werden.In a further preferred embodiment, either the sequence of the second structuring device is the same as the sequence of the first structuring device read from back to front, or the sequence of the second structuring device is the same as the sequence of the first structuring device, in which case both sequences are then fed simultaneously to a respective FIFO buffer memory, the two FIFO buffer memories being arranged parallel to one another, the two sequences being supplied in opposite directions and respectively adjacent memory locations of the two FIFO buffer memories being correlated for the correlation.
Mit anderen Worten wird der erste Speicherplatz des ersten FIFO-Pufferspeichers mit dem letzten Speicherplatz des zweiten FIFO-Pufferspeichers korreliert, wobei der zweite Speicherplatz „von hinten“ befüllt wird. Durch diese Maßnahme erfolgt im Ergebnis eine Korrelation des zeitinversen Signals mit dem eigentlichen Signal. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis und somit die Detektion von Teilchen verbessert.In other words, the first memory location of the first FIFO buffer memory is correlated with the last memory location of the second FIFO buffer memory, with the second memory location being filled “from behind”. As a result of this measure, the time-inverse signal is correlated with the actual signal. This improves the signal-to-noise ratio and thus the detection of particles.
Dabei ist es im Ergebnis unerheblich, ob das zeitlich inverse Signal mit Hilfe der zweiten Strukturierungseinrichtung erzeugt wird, oder ob die zweite Strukturierungseinrichtung das identische Signal wie die erste Strukturierungseinrichtung erzeugt, das von der zweiten Strukturierungseinrichtung ermittelte Signal jedoch in entgegengesetzter Richtung in einen parallelen FIFO-Pufferspeicher eingegeben wird.The result is irrelevant whether the time-inverse signal is generated using the second structuring device, or whether the second structuring device generates the identical signal as the first structuring device, but the signal determined by the second structuring device is sent in the opposite direction to a parallel FIFO buffer memory is entered.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung die inverse Abfolge zu der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung. Dabei wird vorzugsweise entweder das mit der ersten Strukturierungseinrichtung erfasste Signal oder das mit der zweiten Strukturierungseinrichtung erfasste Signal mit einem Faktor „-1“ multipliziert und danach die beiden erfassten Signale durch Addition miteinander kombiniert, um ein bipolares Signal zu bilden.In a further preferred embodiment, the sequence of the second structuring device is the inverse sequence of the sequence of the first structuring device. In this case, preferably either the signal detected with the first structuring device or the signal detected with the second structuring device is multiplied by a factor “−1” and then the two detected signals are combined with one another by addition to form a bipolar signal.
Dieses bipolare Signal kann dann mit üblichen, aus der Radartechnik bekannten Verfahren, ausgewertet werden, um ein Teilchen zu detektieren und dessen Geschwindigkeit zu bestimmen. Zum Beispiel können dann LABS verwendet und für enge Geschwindigkeitsverteilungen nach bekannten Verfahren ausgewertet werdenThis bipolar signal can then be evaluated using conventional methods known from radar technology in order to detect a particle and determine its speed. For example, LABS can then be used and evaluated using known methods for narrow velocity distributions
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung komplementär zur Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung ausgebildet. D.h. die, der Strukturierung der beiden Strukturierungseinrichtungen zu Grunde liegenden Binärcodes, sind komplementär zueinander. Zueinander komplementäre Binärcodes besitzen die wesentliche Eigenschaft, dass die Addition ihrer Autokorrelationsfunktionen alle Signalnebenkeulen verschwinden lässt. Lediglich der Hauptpeak addiert sich konstruktiv.In a further preferred embodiment, the sequence of the second structuring device is designed to be complementary to the sequence of the first structuring device. This means that the binary codes on which the structuring of the two structuring devices is based are complementary to one another. Binary codes that are complementary to one another have the essential property that the addition of their autocorrelation functions causes all signal sidelobes to disappear. Only the main peak adds up constructively.
Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn das bipolare Signal vor der weiteren Verarbeitung in einen Manchestercode umgewandelt wird. Manchestercodes sind beispielsweiese definiert in Foster R, Manchester encoding - opposing definitions resolved, Engineering Science & Education Journal 9 (6), 278 (2000).A further improvement can be achieved if the bipolar signal is converted to a Manchester code before further processing. Manchester codes are defined, for example, in Foster R, Manchester encoding - opposing definitions resolved, Engineering Science & Education Journal 9 (6), 278 (2000).
Beispielsweise könnte jede „1“ durch die Abfolge „1,-1“ und jede „-1“ durch die Abfolge „-1,1“ ersetzt werden.For example, every "1" could be replaced with the sequence "1,-1" and every "-1" with the sequence "-1,1".
Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Messung von Intensitäten ist nämlich der Offset, der sich durch das Detektorrauschen, das elektronische Rauschen und die Verstärkung ergibt und in jedem Signal enthalten ist. Bipolare Codes bieten den Vorteil, dass eine konstante Offsetspannung am Detektor weitgehend eliminiert wird, sofern die verwendete binäre Sequenz genauso viele Einsen wie inverse Einsen besitzt. Durch die Autokorrelation (auf dem resonanten Geschwindigkeitskanal) addiert sich ein konstanter Offset daher zu Null, was von Vorteil ist. Bei komplementären Sequenzen weisen beide Codes meist unterschiedliche Signalenergien auf, so dass nach Autokorrelation und Addition der Korrelationssignale ein DC-Offset nicht verschwindet. Durch die Manchestercodierung werden die Sequenzen zwar doppelt so lang, jedoch wird auf diese Weise sichergestellt, dass beide Codes immer balanciert sind, das heißt die Summe ihrer Koeffizienten immer Null ergibt und sich somit ein zeitlich konstanter Detektoroffset aufhebt.An important aspect when measuring intensities is the offset that results from detector noise, electronic noise and amplification and is contained in every signal. Bipolar codes offer the advantage that a constant offset voltage at the detector is largely eliminated if the binary sequence used has as many ones as inverse ones. Due to the autocorrelation (on the resonant velocity channel), a constant offset therefore adds up to zero, which is an advantage. In the case of complementary sequences, both codes usually have different signal energies, so that a DC offset does not disappear after autocorrelation and addition of the correlation signals. The Manchester coding makes the sequences twice as long, but this way it is secured ensures that both codes are always balanced, i.e. the sum of their coefficients is always zero and thus a time-constant detector offset is cancelled.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
-
1 eine vereinfachte Form eines Messsignalsmit der Amplitude 1 ohne Rauschen und Offset, -
2 eine vereinfachte Darstellung eines überlagerten Messsignals, -
3 das mit einem Optimalfilter gefilterte Messsignal, -
4 dasdifferenzierte Signal von 3 , -
5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Durchflusszytometeraufbaus, -
6 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform, -
7 eine schematische Darstellung eines Detektors einer zweiten Ausführungsform, -
8 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform und -
9 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform.
-
1 a simplified form of a measurement signal withamplitude 1 without noise and offset, -
2 a simplified representation of a superimposed measurement signal, -
3 the measurement signal filtered with an optimal filter, -
4 the differentiated signal from3 , -
5 a schematic cross-sectional representation of a flow cytometer assembly, -
6 a schematic representation of a first embodiment, -
7 a schematic representation of a detector of a second embodiment, -
8th a schematic representation of a third embodiment and -
9 a schematic representation of a fourth embodiment.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel eines Durchflusszytometers, wie es schematisch in
In
Durch die in
In
Durch die Verwendung eines strukturierten Detektors wird das gesammelte Fluoreszenzlicht des Objektes vollständig genutzt, da keine Abschattung notwendig ist. Im Grunde genommen unterscheidet sich der räumlich strukturierte Detektor von den Schattenmasken dadurch, dass die abgeschatteten Bestandteile nun ebenfalls auf dem Detektor erfasst und dem inversen Signal zugeführt werden. Auch hier ist es möglich, das inverse Signal mit „-1“ zu multiplizieren und zu dem Ursprungssignal zu addieren, sodass ein bipolar codiertes Signal erzeugt wird.By using a structured detector, the fluorescence light collected from the object is fully utilized, since no shading is necessary. Basically, the spatially structured detector differs from the shadow masks in that the shadowed components are now also detected on the detector and fed to the inverse signal. Here, too, it is possible to multiply the inverse signal by "-1" and add it to the original signal, so that a bipolar coded signal is generated.
Bei dieser Ausführungsform wird zwar das Fluoreszenzlicht vollständig genutzt, der strukturierte Detektor 16 hat jedoch eine vorgegebene, nicht änderbare Struktur.Although the fluorescent light is fully utilized in this embodiment, the structured
In einer dritten Ausführungsform, die schematisch in
Da zudem das Signal nicht lokal ausgeblendet wird, sondern die gesamte Information erhalten bleibt, kann das Zusammenfassen von Pixeln softwaretechnisch auch parallel in vielen verschiedenen Variationen durchgeführt werden. Das gleiche Messsignal könnte somit unterschiedlichen Masken zugeordnet werden. Dies ist insbesondere von Vorteil für die Klasse von sogenannten komplementären Binärcodes, wie im Folgenden beschrieben wird, obgleich jede andere Art von Code ebenso implementiert werden kann. Durch die mehrfache parallele Auswertung des Signales ist es zudem möglich, dem Signal unterschiedliche Informationen zu entnehmen. So ist beispielsweise im ersten Schritt eine Partikeldetektion durch eine Autokorrelation von zwei räumlich versetzten LABS möglich und im zweiten Schritte kann dann die Partikelgeschwindigkeit mit einem periodischen Binningmuster ermittelt werden. Insbesondere dann, wenn das bipolare LABS entsprechend kurz ausgewählt wird, kann beispielsweise dreimal das gleiche LABS mittels des Detektors ausgelesen werden und aus der zeitlichen Differenz des Korrelationspeaks die Partikelgeschwindigkeit bestimmt werden.In addition, since the signal is not masked out locally, but the entire information is retained, the combining of pixels can also be carried out in parallel in many different variations using software technology. The same measurement signal could thus be assigned to different masks. This is particularly advantageous for the class of so-called complementary binary codes, as described below, although any other type of code can be implemented as well. Due to the multiple parallel evaluation of the signal, it is also possible to extract different information from the signal. For example, in the first step, particle detection is possible by autocorrelation of two spatially offset LABS, and in the second step, the particle speed can then be determined using a periodic binning pattern. In particular, if the bipolar LABS is selected to be correspondingly short, the same LABS can be read out three times by means of the detector, for example, and the particle velocity can be determined from the difference in time between the correlation peaks.
Durch die Umwandlung des zunächst unipolaren Signals in ein bipolares Signal können aus der Radartechnik bekannte Verfahren zur Teilchendetektion und zur Geschwindigkeitsbestimmung der Teilchen verwendet werden. Mit Vorteil wird das Messsignal in komplementäre Binärcodes umgewandelt. Diese besitzen die wesentliche Eigenschaft, dass die Addition ihrer Autokorrelationsfunktionen alle Signalnebenkeulen verschwinden lässt. Lediglich der Hauptpeak addiert sich konstruktiv. Beispiele und Definitionen von komplementären Binärcodes finden sich beispielsweise in „Radar signals“, Levanon, Nadav, and Eli Mozeson, John Wiley & Sons, 2004.und in M. J. I. Golay, „Complementary series“, IRE Trans. Inform. Theory, IT-7, Seiten 82 bis 87 (1961).By converting the initially unipolar signal into a bipolar signal, methods known from radar technology for particle detection and for determining the speed of the particles can be used. The measurement signal is advantageously converted into complementary binary codes. These have the essential property that the addition of their autocorrelation functions makes all signal sidelobes disappear. Only the main peak adds up constructively. Examples and definitions of complementary binary codes can be found, for example, in "Radar signals", Levanon, Nadav, and Eli Mozeson, John Wiley & Sons, 2004. and in M.J.I. Golay, "Complementary series", IRE Trans. Inform. Theory, IT-7 , pp. 82-87 (1961).
Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Gesichtspunkt bei der Messung von Intensitäten ist der Offset, der sich durch das Detektorrauschen, durch elektronisches Rauschen und die Verstärkung ergibt und somit in jedem Signal enthalten ist.Another aspect that should not be neglected when measuring intensities is the offset that results from detector noise, electronic noise and amplification and is therefore contained in every signal.
Die hier beschriebenen bipolaren Codes bieten den Vorteil, dass eine konstante Offsetspannung am Detektor weitgehend eliminiert wird. Durch die Autokorrelation (auf dem resonanten Geschwindigkeitskanal) addiert sich ein konstanter Offset zu Null, was von Vorteil ist. Bei komplementären Sequenzen weisen jedoch beide Codes meistens unterschiedliche Signalenergien auf, sodass nach Autokorrelation und Addition im Korrelationssignal ein DC-Offset nicht verschwindet. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist eine Manchester-Encodierung der komplementären Sequenzen vorzunehmen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass jede Eins „1“ ersetzt wird durch die Abfolge „1, -1“, während eine inverse Eins „-1“ ersetzt wird durch die Ziffernfolge „-1, 1“. Dadurch werden die Sequenzen zwar doppelt so lang, jedoch wird auf diese Weise sichergestellt, dass beide Codes immer balanciert sind, d.h. die Manchester-Encodierte binäre Sequenz genauso viele Einsen „1“ wie inverse Einsen „-1“ aufweist und die Summe ihrer Koeffizienten daher immer Null ergibt und somit ein zeitlicher konstanter Detektoroffset eliminiert wird.The bipolar codes described here offer the advantage that a constant offset voltage at the detector is largely eliminated. Due to autocorrelation (on the resonant velocity channel), a constant offset adds to zero, which is beneficial. In the case of complementary sequences, however, both codes usually have different signal energies, so that a DC offset does not disappear in the correlation signal after autocorrelation and addition. One way to get around this is to Manchester encode the complementary sequences. This can be done, for example, by replacing each one "1" with the sequence "1, -1", while an inverse one "-1" is replaced with the digit sequence "-1, 1". Although this makes the sequences twice as long, it ensures that both codes are always balanced, i.e. the Manchester-encoded binary sequence has as many ones "1" as inverse ones "-1" and the sum of its coefficients therefore always results in zero and thus a time-constant detector offset is eliminated.
In
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Substratsubstrate
- 22
- Mikrokanalmicrochannel
- 33
- Objekteobjects
- 44
- Anregungszoneexcitation zone
- 55
- optisches Amplitudengitter (binärer Filter)optical amplitude grating (binary filter)
- 66
- optischer Filteroptical filter
- 77
- Detektordetector
- 88th
- Fluoreszenzlichtstrahlfluorescent light beam
- 99
- Strahlteilerbeam splitter
- 1010
- Maskemask
- 1111
- Maskemask
- 1212
- Detektordetector
- 1313
- Detektordetector
- 1414
- Multiplikatormultiplier
- 1515
- Addiereradder
- 1616
- Detektordetector
- 1717
- erster Detektorausgangfirst detector output
- 1818
- zweiter Detektorausgangsecond detector output
- 1919
- Detektorflächedetector surface
- 2020
- Detektordetector
- 2121
- Pixelpixel
- 2222
- erster Pixelbereichfirst pixel area
- 2323
- zweiter Pixelbereichsecond pixel area
- 2424
- Beleuchtungsoptiklighting optics
- 2525
- Laserstrahllaser beam
- 2626
- Anregungslichtfilterexcitation light filter
- 2727
- Powell-LinsePowell lens
- 2828
- asphärische Linseaspheric lens
- 2929
- Fluoreszenzlichtfluorescent light
- 3030
- optischer Filteroptical filter
- 3131
- GRIN-ArrayGRIN array
- 3232
- Makropixelmacro pixels
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