EA044111B1 - METHODS AND DEVICES FOR NON-DESTRUCTIVE DETECTION OF UNDISSOLVED PARTICLES IN A FLUID - Google Patents
METHODS AND DEVICES FOR NON-DESTRUCTIVE DETECTION OF UNDISSOLVED PARTICLES IN A FLUID Download PDFInfo
- Publication number
- EA044111B1 EA044111B1 EA202192044 EA044111B1 EA 044111 B1 EA044111 B1 EA 044111B1 EA 202192044 EA202192044 EA 202192044 EA 044111 B1 EA044111 B1 EA 044111B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- particle
- particles
- container
- image
- vessel
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims description 727
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 155
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title claims description 143
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 61
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 140
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 58
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 33
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 22
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 11
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 5
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 claims description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 55
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 51
- 230000008569 process Effects 0.000 description 46
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 41
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 41
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 37
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 35
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 34
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 33
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 31
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 description 28
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 27
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 26
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 23
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 22
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 21
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 19
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 18
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 14
- 230000006870 function Effects 0.000 description 14
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 14
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 13
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 12
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- 230000004313 glare Effects 0.000 description 12
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 11
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 11
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 10
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 10
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 9
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 9
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 8
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 7
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 7
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 7
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 239000000825 pharmaceutical preparation Substances 0.000 description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 6
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 6
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 5
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 4
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 4
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 4
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 241000894007 species Species 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 3
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 3
- 229940126534 drug product Drugs 0.000 description 3
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000011192 particle characterization Methods 0.000 description 3
- 229940127557 pharmaceutical product Drugs 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 3
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DHMQDGOQFOQNFH-UHFFFAOYSA-N Glycine Chemical compound NCC(O)=O DHMQDGOQFOQNFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013583 drug formulation Substances 0.000 description 2
- 238000003708 edge detection Methods 0.000 description 2
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000000816 peptidomimetic Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 229920001184 polypeptide Polymers 0.000 description 2
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-K Citrate Chemical compound [O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 description 1
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 description 1
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 102100026816 DNA-dependent metalloprotease SPRTN Human genes 0.000 description 1
- 101710175461 DNA-dependent metalloprotease SPRTN Proteins 0.000 description 1
- 229920004943 Delrin® Polymers 0.000 description 1
- FEWJPZIEWOKRBE-JCYAYHJZSA-N Dextrotartaric acid Chemical compound OC(=O)[C@H](O)[C@@H](O)C(O)=O FEWJPZIEWOKRBE-JCYAYHJZSA-N 0.000 description 1
- 239000004471 Glycine Substances 0.000 description 1
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 1
- 102000007330 LDL Lipoproteins Human genes 0.000 description 1
- 108010007622 LDL Lipoproteins Proteins 0.000 description 1
- 102000015636 Oligopeptides Human genes 0.000 description 1
- 108010038807 Oligopeptides Proteins 0.000 description 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- 102000007079 Peptide Fragments Human genes 0.000 description 1
- 108010033276 Peptide Fragments Proteins 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- 241001085205 Prenanthella exigua Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 235000013361 beverage Nutrition 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 description 1
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000001010 compromised effect Effects 0.000 description 1
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 235000009508 confectionery Nutrition 0.000 description 1
- 239000012611 container material Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000013079 data visualisation Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- -1 fingerprints Substances 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 125000001475 halogen functional group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003709 image segmentation Methods 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 238000003921 particle size analysis Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 1
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000000135 prohibitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012372 quality testing Methods 0.000 description 1
- 239000000700 radioactive tracer Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000012898 sample dilution Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 238000006748 scratching Methods 0.000 description 1
- 230000002393 scratching effect Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 1
- 235000014214 soft drink Nutrition 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 229940095064 tartrate Drugs 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
- 238000010865 video microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Description
Предшествующий уровень техникиPrior Art
Для определения качества рецептуры лекарственного средства важна дифференциация различных видов частиц. Например, вследствие низкой специфичности при дифференциации, такие объекты, как пластинки стекла, могут быть приняты за твердые белковые частицы. Высокая специфичность системы дифференциации необходима для принятия точных решений в отношении рецептуры. При отсутствии данных о виде или видах частиц в определенном лекарственном средстве, выбор точной рецептуры лекарственного средства может быть затруднен.To determine the quality of a drug formulation, differentiation of different types of particles is important. For example, due to low specificity during differentiation, objects such as glass plates may be mistaken for solid protein particles. High specificity of the differentiation system is necessary to make accurate formulation decisions. In the absence of data on the species or species of particles in a particular drug, selecting the exact formulation of the drug may be difficult.
К сожалению, современные приемы обнаружения частиц не подходят для обнаружения белковых агрегатов и других мелких и/или хрупких частиц. Частицы размером менее примерно 100 мкм обычно не могут быть вручную обнаружены человеком. Автоматизированные приемы исследования обычно являются разрушающими; другими словами, указанные приемы включают удаление исследуемой текучей среды из ее емкости, после чего она обычно непригодна для терапевтического использования. Кроме того, в известных неразрушающих системах исследования для определения наличия или отсутствия частиц используется лишь одно фотографическое изображение емкости, что зачастую приводит к неточным измерениям размера частиц и/или их числа. Известные приемы исследования могут также включать разрушение более хрупких частиц, таких как белковые агрегаты. Например, высокоскоростное (например, 2000 об/мин или выше в течение нескольких секунд) центрифугирование пробирки с текучей средой может приводить к разрыву белковых агрегатов в текучей среде.Unfortunately, current particle detection techniques are not suitable for detecting protein aggregates and other small and/or fragile particles. Particles smaller than approximately 100 microns typically cannot be manually detected by humans. Automated research techniques are usually destructive; in other words, these techniques involve removing the test fluid from its container, after which it is generally unsuitable for therapeutic use. Additionally, prior art non-destructive testing systems use only a single photographic image of a container to determine the presence or absence of particles, which often results in inaccurate measurements of particle size and/or number. Known assay techniques may also involve breaking up more fragile particles such as protein aggregates. For example, high-speed (eg, 2000 rpm or higher for several seconds) centrifugation of a tube containing fluid may result in rupture of protein aggregates in the fluid.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Один из вариантов реализации раскрытой в настоящем изобретении технологии относится к устройству для неразрушающего обнаружения частицы (т.е. нерастворенной частицы) в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, такой как текучая среда на водной основе, эмульсия, нефтепродукт и органический растворитель. В настоящем описании, термин обнаружение или обнаруживать включает обнаружение, определение характеристик, дифференциацию, различение или идентификацию наличия, числа, местоположения, природы, размера, формы (например, удлинения или округлости), цвета, флуоресцентности, контраста, коэффициента поглощения света, коэффициента отражения света или другой характеристики, или комбинации двух, трех, четырех, пяти, шести, семи, восьми, девяти, десяти, одиннадцати, двенадцати или более указанных характеристик частицы. В приведенных вариантах реализации, устройство содержит устройство формирования изображения с целью получения данных временного ряда, отображающих траекторию частицы в текучей среде. Данные временного ряда сохраняются в памяти, находящейся в рабочей связи с устройством формирования изображения, а процессор, находящийся в рабочей связи с памятью, обнаруживает и/или идентифицирует частицу. В частности, процессор реверсирует временной порядок данных временного ряда с образованием данных обратного временного ряда, оценивает траекторию частицы на основании данных обратного временного ряда, и определяет наличие или вид частицы на основании ее траектории. В настоящем описании, данные обратного временного ряда включают кадры данных временного ряда, представленные в обратном хронологическом порядке таким образом, что событие, произошедшее последним, отображается первым (и наоборот).One embodiment of the technology disclosed herein relates to a device for non-destructively detecting a particle (ie, an undissolved particle) in a vessel at least partially filled with a fluid, such as an aqueous fluid, an emulsion, a petroleum product, and an organic solvent. As used herein, the term detect or detect includes detecting, characterizing, differentiating, distinguishing or identifying the presence, number, location, nature, size, shape (eg elongation or roundness), color, fluorescence, contrast, light absorption coefficient, reflectance light or other characteristic, or combination of two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten, eleven, twelve or more of these characteristics of the particle. In the illustrated embodiments, the device includes an imaging device for the purpose of obtaining time series data depicting the trajectory of a particle in a fluid. The time series data is stored in a memory in operative communication with the imager, and a processor in operative communication with the memory detects and/or identifies the particle. Specifically, the processor reverses the temporal order of the time series data to produce reverse time series data, estimates a particle trajectory based on the reverse time series data, and determines the presence or type of a particle based on its trajectory. As used herein, reverse time series data includes frames of time series data presented in reverse chronological order such that the event that occurred last is displayed first (and vice versa).
Другие примеры реализации включают способ и соответствующий компьютерный программный продукт для неразрушающего обнаружения нерастворенной частицы в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой. Выполнение способа включает реверсирование временного порядка данных временного ряда, отображающих траекторию частицы в текучей среде, для получения данных обратного временного ряда, например, посредством процессора, выполняющего команды, зашифрованные в энергонезависимой памяти компьютерного программного продукта. Способ также включает оценку траектории частицы на основании данных обратного временного ряда и последующее обнаружение и/или идентификацию частицы на основании ее траектории.Other embodiments include a method and associated computer program product for non-destructively detecting an undissolved particle in a vessel at least partially filled with a fluid. Implementation of the method includes reversing the temporal order of time series data representing the trajectory of a particle in a fluid to obtain reverse time series data, for example, by means of a processor executing commands encrypted in the non-volatile memory of a computer program product. The method also includes estimating a particle's trajectory based on the reverse time series data and then detecting and/or identifying the particle based on its trajectory.
Еще один вариант реализации представляет собой устройство для неразрушающего обнаружения нерастворенной частицы в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, содержащее:Another embodiment is a device for non-destructively detecting an undissolved particle in a vessel at least partially filled with a fluid, comprising:
(а) по меньшей мере два устройства формирования изображения, размещенные с обеспечением формирования изображения частицы с различных ракурсов, причем каждое устройство формирования изображения выполнено с возможностью получения одного или более двухмерных изображений частицы в текучей среде;(a) at least two imaging devices arranged to form images of the particle from different angles, each imaging device configured to obtain one or more two-dimensional images of the particle in a fluid;
(б) память, находящуюся в рабочей связи с устройством формирования изображения, и выполненную с возможностью хранения временного ряда; и (в) процессор, находящийся в рабочей связи с памятью, и выполненный с возможностью обнаружения частицы путем:(b) a memory in operative communication with the imaging device and configured to store a time series; and (c) a processor in operative communication with the memory and configured to detect the particle by:
(i) комбинирования двухмерных изображений, полученных по меньшей мере от трех устройств формирования изображения, для определения трехмерных данных, указывающих на местоположение частицы в сосуде; и (ii) обнаружения частицы по меньшей мере частично на основании трехмерных данных.(i) combining two-dimensional images obtained from at least three imaging devices to determine three-dimensional data indicative of the location of the particle in the container; and (ii) detecting the particle based at least in part on the three-dimensional data.
Также раскрыт способ неразрушающего обнаружения нерастворенной частицы в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, включающий:Also disclosed is a method for non-destructively detecting an undissolved particle in a vessel at least partially filled with a fluid, comprising:
- 1 044111 (а) использование по меньшей мере двух устройств формирования изображения для формирования изображения частицы с различных ракурсов таким образом, что каждое устройство формирования изображения соответственно получает одно или более двухмерных изображений частицы в текучей среде;- 1 044111 (a) using at least two imaging devices to image the particle from different angles such that each imaging device respectively obtains one or more two-dimensional images of the particle in the fluid;
(б) комбинирование двухмерных изображений, полученных по меньшей мере от двух устройств формирования изображения, для определения трехмерных данных, указывающих на местоположение частицы в сосуде; и (в) обнаружение частицы по меньшей мере частично на основании трехмерных данных.(b) combining two-dimensional images obtained from at least two imaging devices to determine three-dimensional data indicative of the location of the particle in the container; and (c) detecting the particle based at least in part on the three-dimensional data.
Еще одни варианты реализации настоящего изобретения включают установку, способ и компьютерный программный продукт для неразрушающего обнаружения (одного или более) прозрачных или светоотражающих объектов (например, пластинок стекла) в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой. Устройство формирования изображения получает данные, отображающие свет, отраженный от нескольких пространственных расположений в сосуде, в виде функции времени, и сохраняет данные в памяти, находящейся в рабочей связи с устройством формирования изображения. Процессор, находящийся в рабочей связи с памятью, обнаруживает объекты (например, пластинки стекла), возможно, в ответ на указания, зашифрованные в компьютерном программном продукте, основанные на данных, путем идентификации соответствующего максимального количества отраженного света для каждой точки из множества точек, представленных в данных. Затем процессор определяет наличие или отсутствие объектов (например, пластинок стекла) в сосуде на основании числа пространственных расположений, в которых соответствующее максимальное количество отраженного света превышает предварительно заданное значение.Still other embodiments of the present invention include an apparatus, method, and computer program product for non-destructively detecting (one or more) transparent or reflective objects (eg, glass plates) in a container at least partially filled with a fluid. The imaging apparatus receives data representing light reflected from multiple spatial locations in the vessel as a function of time, and stores the data in a memory in operative communication with the imaging apparatus. The processor, in operative communication with the memory, detects objects (for example, glass plates), possibly in response to instructions encoded in the data-based computer program product, by identifying the corresponding maximum amount of reflected light for each point among the plurality of points represented in the data. The processor then determines the presence or absence of objects (eg, glass slabs) in the container based on the number of spatial locations in which the corresponding maximum amount of reflected light exceeds a predetermined value.
Еще один вариант реализации изобретения представляет собой способ неразрушающего подсчета и определения размера нерастворенных частиц в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой. Способ включает:Another embodiment of the invention is a method for non-destructively counting and determining the size of undissolved particles in a vessel at least partially filled with a fluid. The method includes:
(а) получение по меньшей мере одного изображения частиц в сосуде, полученного в заданных условиях формирования изображения;(a) obtaining at least one image of particles in the vessel obtained under specified imaging conditions;
(б) обнаружение частиц и определение информации, указывающей на видимый размер обнаруженных частиц на изображении, на основании указанного по меньшей мере одного изображения;(b) detecting particles and determining information indicative of the apparent size of the detected particles in the image based on the at least one image;
(в) определение информации о популяции частиц видимого размера, указывающей на распределение видимого размера обнаруженных частиц; и (г) определение информации о популяции частиц фактического размера, указывающей на распределение фактического размера обнаруженных частиц, на основании:(c) determining apparent size particle population information indicative of the apparent size distribution of detected particles; and (d) determining actual size particle population information indicative of the actual size distribution of detected particles based on:
(i) информации о популяции частиц видимого размера, и (ii) данных о калибровочной популяции, указывающих на распределение видимого размера одной или более совокупностей частиц стандартного размера, изображение которых получено в условиях, соответствующих заданным условиям формирования изображения.(i) visible size particle population information, and (ii) calibration population data indicating the apparent size distribution of one or more populations of standard size particles imaged under conditions corresponding to specified imaging conditions.
Еще один вариант реализации представляет собой устройство для подсчета и определения размера нерастворенных частиц в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, содержащее по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью:Another embodiment is a device for counting and determining the size of undissolved particles in a vessel at least partially filled with a fluid, containing at least one processor configured to:
(а) получения по меньшей мере одного изображения частиц в сосуде, полученного в заданных условиях формирования изображения;(a) obtaining at least one image of particles in the vessel obtained under specified imaging conditions;
(б) обнаружения частиц и определения информации, указывающих на видимый размер обнаруженных частиц на изображении, на основании указанного по меньшей мере одного изображения;(b) detecting particles and determining information indicative of the apparent size of the detected particles in the image based on the at least one image;
(в) определения информации о популяции частиц видимого размера, указывающей на распределение видимого размера обнаруженных частиц; и (г) определения информации о популяции частиц фактического размера, указывающей на распределение фактического размера обнаруженных частиц, на основании (i) информации о популяции частиц видимого размера, и (ii) данных о калибровочной популяции, указывающих на распределение видимого размера одной или более совокупностей частиц стандартного размера, изображение которых получено в условиях, соответствующих заданным условиям формирования изображения.(c) determining apparent size particle population information indicative of the apparent size distribution of the detected particles; and (d) determining actual size particle population information indicative of the actual size distribution of the detected particles based on (i) apparent size particle population information, and (ii) calibration population information indicative of the apparent size distribution of one or more populations particles of a standard size, the image of which was obtained under conditions corresponding to the specified imaging conditions.
Еще один вариант реализации изобретения представляет собой компьютерный программный продукт для неразрушающего подсчета и определения размера нерастворенных частиц в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, содержащий энергонезависимые машинно-считываемые указания, которые при исполнении их процессором обеспечивают следующие действия процессора:Another embodiment of the invention is a computer program product for non-destructively counting and determining the size of undissolved particles in a vessel at least partially filled with a fluid, containing non-volatile machine-readable instructions that, when executed by a processor, cause the processor to do the following:
(а) получения по меньшей мере одного изображения частиц в сосуде, полученного в заданных условиях формирования изображения;(a) obtaining at least one image of particles in the vessel obtained under specified imaging conditions;
(б) обнаружения частиц и определения данных, указывающих на видимый размер обнаруженных частиц на изображении, на основании указанного по меньшей мере одного изображения;(b) detecting particles and determining data indicative of the apparent size of the detected particles in the image based on the at least one image;
(в) определения информации о популяции частиц видимого размера, указывающей на распределение видимого размера обнаруженных частиц; и (г) определения информации о популяции частиц фактического размера, указывающей на распределение фактического размера обнаруженных частиц, на основании(c) determining apparent size particle population information indicative of the apparent size distribution of the detected particles; and (d) determining actual size particle population information indicative of the actual size distribution of detected particles based on
- 2 044111 (i) информации о популяции частиц видимого размера, и (ii) данных о калибровочной популяции, указывающих на распределение видимого размера одной или более совокупностей частиц стандартного размера, изображение которых получено в условиях, соответствующих заданным условиям формирования изображения.- 2 044111 (i) visible size particle population information, and (ii) calibration population data indicating the apparent size distribution of one or more populations of standard size particles imaged under conditions corresponding to specified imaging conditions.
Еще один вариант реализации изобретения представляет собой способ неразрушающего обнаружения нерастворенной частицы в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, включающий:Another embodiment of the invention is a method for non-destructively detecting an undissolved particle in a vessel at least partially filled with a fluid, comprising:
(а) использование по меньшей мере одного устройства формирования изображения для формирования изображения частицы;(a) using at least one imaging device to form an image of the particle;
(б) обработку изображения для определения данных о местоположении, указывающих на местоположение частицы в сосуде;(b) processing the image to determine location data indicative of the location of the particle in the container;
(в) обнаружение частицы по меньшей мере частично на основании данных о местоположении, причем обнаружение частицы по меньшей мере частично на основании данных о местоположении включает определение наличия частицы на участке сосуда;(c) detecting the particle at least in part based on the location data, wherein detecting the particle at least in part based on the location data includes determining the presence of the particle at a site of the vessel;
(г) использование датчика для определения характеристики частицы при расположении частицы на указанном участке сосуда, (д) создание данных характеристики частицы, указывающих на определенную характеристику; и (е) соотношение данных характеристики частицы с данными идентификации частицы.(d) using a sensor to determine a particle characteristic when the particle is located at a specified area of the vessel, (e) generating particle characteristic data indicative of the particular characteristic; and (e) relating the particle characterization data to the particle identification data.
Еще один вариант реализации изобретения представляет собой устройство для неразрушающего обнаружения нерастворенной частицы в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, содержащую:Another embodiment of the invention is a device for non-destructively detecting an undissolved particle in a vessel at least partially filled with a fluid containing:
(а) по меньшей мере одно устройство формирования изображения, расположенное с возможностью формирования изображения частицы;(a) at least one imaging device positioned to form an image of the particle;
(б) по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью определения характеристики частицы при расположении частицы на указанном участке сосуда;(b) at least one sensor configured to determine the characteristics of the particle when the particle is located in a specified area of the vessel;
(в) по меньшей мере один процессор, находящийся в рабочей связи с каждым из по меньшей мере одного устройства формирования изображения и датчиком, и выполненный с возможностью:(c) at least one processor in operative communication with each of the at least one imaging device and sensor, and configured to:
обр аботки изображения для определения данных о местоположении, указывающих на местоположение частицы в сосуде;processing the image to determine location data indicative of the location of the particle in the container;
обн аружения частицы по меньшей мере частично на основании данных о местоположении, и определения наличия частицы на участке сосуда;detecting the particle at least in part based on the location data, and determining the presence of the particle at a portion of the vessel;
использования сигнала от датчика для определения характеристики частицы при расположении частицы на указанном участке сосуда, создания данных характеристики частицы, указывающих на определенную характеристику; и соотношения данных характеристики частицы с данными идентификации частицы.using a signal from the sensor to determine a particle characteristic when the particle is located at a specified portion of the vessel, generating particle characteristic data indicative of the particular characteristic; and the relationship of particle characterization data with particle identification data.
Еще один вариант реализации изобретения представляет собой устройство для неразрушающего обнаружения нерастворенной частицы в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, в которой сосуд содержит прозрачную трубчатую стенку сосуда, проходящую вдоль продольной оси, а устройство содержит: устройство формирования изображения, выполненное с возможностью получения одного или более изображений частицы в текучей среде, причем устройство формирования изображения содержит по меньшей мере один оптический элемент для формирования изображения, расположенный с возможностью формирования изображения частицы на датчик; источник освещения, расположенный по меньшей мере частично в плоскости, проходящей через сосуд, и по существу ортогональной относительно продольной оси сосуда, причем источник освещения выполнен с возможностью по существу полного устранения лучей света, испускаемых источником и отражающихся или преломляющихся от поверхности стенки сосуда, изображение которых по меньшей мере один оптический элемент формирует на датчик.Another embodiment of the invention is an apparatus for non-destructively detecting an undissolved particle in a vessel at least partially filled with a fluid, wherein the vessel comprises a transparent tubular vessel wall extending along a longitudinal axis, and the device comprises: an imaging device configured to obtain one or more images of a particle in a fluid, the imaging device comprising at least one optical imaging element positioned to form an image of the particle onto the sensor; a light source located at least partially in a plane passing through the vessel and substantially orthogonal to the longitudinal axis of the vessel, wherein the light source is configured to substantially completely eliminate rays of light emitted by the source and reflected or refracted from the surface of the wall of the vessel, the image of which at least one optical element forms per sensor.
Еще один вариант реализации изобретения представляет собой способ неразрушающего обнаружения нерастворенной частицы в сосуде, по меньшей мере частично заполненном текучей средой, в которой сосуд содержит прозрачную трубчатую стенку сосуда, проходящую вдоль продольной оси, а способ включает: использование устройства формирования изображения для получения одного или более изображений частицы в текучей среде, причем устройство формирования изображения содержит по меньшей мере один оптический элемент для формирования изображения, расположенный с возможностью формирования изображения частицы на датчик; и освещение сосуда посредством источника освещения, расположенного по меньшей мере частично в плоскости, проходящей через сосуд, и по существу ортогональной относительно продольной оси сосуда, причем источник освещения выполнен с возможностью по существу полного устранения лучей света, испускаемых источником и отражающихся или преломляющихся от поверхности стенки сосуда, изображение которых по меньшей мере один оптический элемент формирует на датчик.Another embodiment of the invention is a method for non-destructively detecting an undissolved particle in a vessel at least partially filled with a fluid, wherein the vessel comprises a transparent tubular vessel wall extending along a longitudinal axis, and the method includes: using an imaging device to obtain one or more imaging a particle in a fluid, the imaging device comprising at least one optical imaging element positioned to form an image of the particle onto the sensor; and illuminating the vessel by means of a light source located at least partially in a plane passing through the vessel and substantially orthogonal to the longitudinal axis of the vessel, wherein the illumination source is configured to substantially completely eliminate rays of light emitted by the source and reflected or refracted from the wall surface vessels, the image of which is formed by at least one optical element on the sensor.
В отличие от других систем и технологий обнаружения частиц, системы и технологии согласно настоящему изобретению являются неразрушающими - нет необходимости в удалении текучей среды из сосуда для обнаружения, подсчета и идентификации частиц в сосуде. В результате, системы и техноло- 3 044111 гии согласно настоящему изобретению могут быть использованы для исследования изменений и взаимодействий между частицами, текучей средой и сосудом в течение длительных промежутков времени, например, в течение нескольких минут, часов, дней, месяцев или лет. Кроме того, системы и технологии согласно настоящему изобретению не обязательно подразумевают или приводят к разрушению еще более хрупких частиц, таких как мелкие белковые агрегаты, в сосуде. Настоящие системы и технологии также позволяют получать данные временного ряда, т.е. данные, отображающие траектории частиц в движущейся текучей среде. Вследствие того, что в настоящих системах использованы данные временного ряда вместо однокадровых фотографических изображений сосуда, настоящие системы позволяют обеспечивать более точную оценку количества частиц в сосуде и размеров частиц. Настоящие системы также позволяют получать дополнительные данные о каждой из частиц, такие как морфология частицы и состав частицы, на основании данных о перемещении частицы. Например, тонущие частицы обычно обладают большей плотностью по сравнению с всплывающими частицами.Unlike other particle detection systems and technologies, the systems and technologies of the present invention are non-destructive - there is no need to remove fluid from the vessel to detect, count and identify particles in the vessel. As a result, the systems and technologies of the present invention can be used to study changes and interactions between particles, fluid and vessel over long periods of time, for example, minutes, hours, days, months or years. In addition, the systems and technologies of the present invention do not necessarily imply or result in the destruction of even more fragile particles, such as small protein aggregates, in the vessel. These systems and technologies also make it possible to obtain time series data, i.e. data representing the trajectories of particles in a moving fluid. Because the present systems use time series data instead of single-frame photographic images of the vessel, the present systems can provide more accurate estimates of the number of particles in the vessel and particle sizes. The present systems also allow additional data to be obtained about each of the particles, such as particle morphology and particle composition, based on particle movement data. For example, sinking particles usually have a higher density compared to floating particles.
Настоящее краткое описание является исключительно иллюстративным, и не должно считаться каким-либо образом ограничивающим. В дополнение к вышеописанным иллюстративным аспектам, примерам реализации и признакам, специалисту будут очевидны дальнейшие аспекты, примеры реализации и признаки, описанные со ссылкой на нижеприведенные чертежи и подробное описание.This summary is for illustrative purposes only and should not be considered limiting in any way. In addition to the above-described illustrative aspects, embodiments and features, further aspects, embodiments and features will be apparent to those skilled in the art as described with reference to the following drawings and detailed description.
Перечень фигур чертежей и иных материаловList of drawing figures and other materials
На сопутствующих чертежах, включенных в настоящее описание и являющихся его частью, показаны примеры реализации раскрытой технологии; чертежи вкупе с описанием предназначены для иллюстрации принципов раскрытой технологии.The accompanying drawings, included in and forming a part of this specification, show examples of implementations of the disclosed technology; The drawings, together with the description, are intended to illustrate the principles of the technology disclosed.
На фиг. 1А-1С показаны блок визуального осмотра, модуль формирования изображения при визуальном осмотре, и платформа визуального осмотра, соответственно; каждый из указанных элементов может быть использован для обнаружения и идентификации частиц в емкости, по меньшей мере частично заполненной текучей средой.In fig. 1A-1C show a visual inspection unit, a visual inspection imaging module, and a visual inspection platform, respectively; each of these elements can be used to detect and identify particles in a container at least partially filled with fluid.
На фиг. 2А показаны подготовка пробы, загрузка и работа систем визуального осмотра по фиг. 1А1С.In fig. 2A shows sample preparation, loading, and operation of the visual inspection systems of FIG. 1A1S.
На фиг. 2В показаны обработанные изображения частиц и их траекторий в движущейся текучей среде в сосуде, полученные посредством системы иллюстративного визуального осмотра.In fig. 2B shows processed images of particles and their trajectories in a moving fluid in a vessel obtained by an illustrative visual inspection system.
На фиг. 3А-3С показаны три вида встряхивания сосуда, содержащего текучую среду и одну или более частиц, в ходе подготовки к обнаружению и идентификации частиц: вращение цилиндрического сосуда (фиг. 3А), переворачивание и вращение шприца (фиг. 3В), и встряхивание шприца (фиг. 3С).In fig. 3A-3C show three types of shaking of a vessel containing a fluid and one or more particles in preparation for detection and identification of particles: rotation of the cylindrical vessel (Fig. 3A), inversion and rotation of the syringe (Fig. 3B), and shaking of the syringe ( Fig. 3C).
На фиг. 4 показана лучевая оптическая диаграмма телецентрической линзы, используемой для формирования изображения цилиндрического сосуда.In fig. Figure 4 shows the optical ray diagram of a telecentric lens used to form an image of a cylindrical vessel.
На фиг. 5А показаны мениск текучей среды и регистрируемый объем в цилиндрическом сосуде, содержащем текучую среду.In fig. 5A shows a fluid meniscus and a recording volume in a cylindrical vessel containing a fluid.
На фиг. 5В показаны искажение и слепые пятна в цилиндрической емкости, образованные вследствие формы емкости.In fig. 5B shows distortion and blind spots in a cylindrical container caused by the shape of the container.
На фиг. 5С и 5D показаны приемы компенсации искажения и слепых пятен при получении изображения цилиндрических сосудов.In fig. 5C and 5D show techniques for compensating for distortion and blind spots when imaging cylindrical vessels.
На фиг. 5Е показаны искажение и слепые пятна в цилиндрической емкости, образованные вследствие формы емкости, для частиц в различных точках внутри емкости.In fig. 5E shows distortion and blind spots in a cylindrical container due to the shape of the container for particles at various points within the container.
На фиг. 5F показаны теоретические модели искажения, вызванного цилиндрической емкостью; каждая модель соответствует одной и той же емкости, заполненной текучей средой с различным коэффициентом преломления. На чертеже также показаны соответствующие экспериментальные измерения, подтверждающие верность теоретических моделей.In fig. 5F shows theoretical models of distortion caused by a cylindrical capacitance; each model corresponds to the same container filled with a fluid with a different refractive index. The figure also shows the corresponding experimental measurements that validate the theoretical models.
На фиг. 5G показано использование корректирующего оптического элемента для корректировки искажения в цилиндрической емкости, образованной вследствие формы емкости.In fig. 5G shows the use of a correction optical element to correct distortion in a cylindrical container formed due to the shape of the container.
На фиг. 5Н показан детализованный вид корректирующего оптического элемента по фиг. 5G.In fig. 5H is a detailed view of the correction optical element of FIG. 5G.
На фиг. 5I показано устройство для выбора одного или более корректирующих оптических элементов.In fig. 5I shows an apparatus for selecting one or more correction optical elements.
На фиг. 6A-6D показаны системы отслеживания частиц с несколькими формирователями изображения для получения данных временного ряда для движущихся частиц с множества углов (фиг. 6А и 6В), с большими частотами кадров с одного угла (фиг. 6С), и при различных пространственных разрешениях с одного угла (фиг. 6D).In fig. 6A-6D show particle tracking systems with multiple imagers to obtain time series data for moving particles from multiple angles (FIGS. 6A and 6B), at high frame rates from one angle (FIG. 6C), and at different spatial resolutions from one angle (Fig. 6D).
На фиг. 7А и 7В проиллюстрирован запуск процесса формирования изображения и освещения для формирования изображения частиц посредством двухдатчиковых устройств формирования изображения.In fig. 7A and 7B illustrate the initiation of the imaging and illumination process for particle imaging by dual-sensor imaging devices.
На фиг. 8 показана схематическая диаграмма приспособляемой многоцелевой конфигурации освещения, содержащей источники света, расположенные перед исследуемым сосудом, за ним, и под ним.In fig. 8 shows a schematic diagram of an adaptable multi-purpose lighting configuration comprising light sources positioned in front of, behind, and below the vessel of interest.
На фиг. 9А-9С проиллюстрировано освещение под различными углами для различения разных видов частиц при использовании источников света по фиг. 8.In fig. 9A-9C illustrate illumination at various angles to distinguish different types of particles when using the light sources of FIGS. 8.
На фиг. 9D показана диаграмма последовательности освещения и хронирования при использовании конфигураций по фиг. 9А-9С для различения разных видов частиц.In fig. 9D shows a diagram of the lighting and timing sequence when using the configurations of FIG. 9A-9C to distinguish between different types of particles.
- 4 044111- 4 044111
На фиг. 10А-10С показан блик от сосуда, частично заполненного текучей средой (фиг. 10А) и размещение источников света вне зоны, заданной поворотом устройства формирования изображения вокруг продольной оси сосуда (фиг. 10В и 10С).In fig. 10A-10C show the glare from a vessel partially filled with fluid (FIG. 10A) and the placement of light sources outside the area defined by rotation of the imaging device about the longitudinal axis of the vessel (FIGS. 10B and 10C).
На фиг. 10D-10E показана альтернативная схема освещения для уменьшения или устранения блика от сосуда.In fig. 10D-10E show an alternative lighting design to reduce or eliminate glare from the vessel.
На фиг. 11 показана схематическая диаграмма конфигурации, подходящей для формирования изображения поляризующих (например, киральных) частиц.In fig. 11 shows a schematic diagram of a configuration suitable for imaging polarizing (eg, chiral) particles.
На фиг. 12 показана схематическая диаграмма конфигурации, подходящей для возбуждения и формирования изображения флуоресцентных частиц.In fig. 12 is a schematic diagram of a configuration suitable for exciting and imaging fluorescent particles.
На фиг. 13А и 13В показаны проекционные изображения максимальной яркости пластинок стекла (фиг. 13А) и белка (фиг. 13В), полученные посредством раскрытой системы визуального осмотра.In fig. 13A and 13B show maximum brightness projection images of glass slabs (FIG. 13A) and protein (FIG. 13B) obtained by the disclosed visual inspection system.
На фиг. 14 показаны блок-схемы, иллюстрирующие общее обнаружение частиц и процесс идентификации, а также подпроцессы предварительной обработки изображения, отслеживания частиц и статистического анализа.In fig. 14 shows flow charts illustrating the overall particle detection and identification process, as well as the image preprocessing, particle tracking, and statistical analysis subprocesses.
На фиг. 15А и 15В показан кадр данных временного ряда до (фиг. 15А) и после (фиг. 15В) вычитания фона.In fig. 15A and 15B show a frame of time series data before (FIG. 15A) and after (FIG. 15B) background subtraction.
На фиг. 16А показан кадр данных временного ряда, на котором показана частица в виде восьмибитного полутонного изображения (слева).In fig. 16A shows a time series data frame showing the particle as an eight-bit grayscale image (left).
На фиг. 16В показан приближенный вид кадра данных временного ряда, показанного на фиг. 16В.In fig. 16B is a close-up view of the time series data frame shown in FIG. 16V.
На фиг. 16С и 16D показаны варианты с определенными границами кадров данных временного ряда, показанных на фиг. 16А и 16В, соответственно.In fig. 16C and 16D illustrate embodiments with defined frame boundaries of the time series data shown in FIG. 16A and 16B, respectively.
На фиг. 17A-17D показано, как два последовательных кадра данных временного ряда (фиг. 17А) могут быть использованы для осуществления предсказательного отслеживания (фиг. 17B-17D).In fig. 17A-17D show how two consecutive frames of time series data (FIG. 17A) can be used to perform predictive tracking (FIGS. 17B-17D).
На фиг. 18А показан полутонный кадр данных временного ряда, на котором видно несколько частиц.In fig. 18A shows a half-tone frame of time series data in which several particles are visible.
На фиг. 18В показан вариант с определенными границами изображения по фиг. 18А, используемый для определения расположения геометрического центра частицы.In fig. 18B shows an embodiment with defined image boundaries of FIG. 18A, used to determine the location of the geometric center of the particle.
На фиг. 19 показаны последовательные кадры данных временного ряда, иллюстрирующие столкновение/загораживание частиц.In fig. 19 shows successive frames of time series data illustrating particle collision/occlusion.
На фиг. 20А показан кадр данных временного ряда, на котором показаны две соседние частицы на выделенном участке.In fig. 20A shows a time series data frame showing two adjacent particles in a highlighted area.
На фиг. 20В-20Е показаны последовательные кадры данных временного ряда, на которых показано загораживание частиц, четко видное при прохождении частиц на выделенном участке фиг. 20А мимо друг друга.In fig. 20B-20E show successive frames of time series data showing particle occlusion clearly visible as particles pass through the highlighted portion of FIG. 20A past each other.
На фиг. 21А-21С показано очевидное загораживание движущейся частицы вследствие вычитания фона артефакта, такого как царапина или частицы грязи, на стенке сосуда для прямых траекторий (фиг. 21А), криволинейных траекторий (фиг. 21В), и параболических траекторий (фиг. 21С).In fig. 21A-21C show apparent occlusion of a moving particle due to subtraction of background artifact, such as a scratch or dirt particles, on the vessel wall for straight paths (FIG. 21A), curved paths (FIG. 21B), and parabolic paths (FIG. 21C).
На фиг. 22А-22С показано определение расположения центра массы частиц неправильной формы с использованием данных обратного временного ряда (фиг. 22В и 22С), и использование данных о расположении центра массы для определения траектории частицы (фиг. 22А).In fig. 22A-22C show determining the location of the center of mass of irregularly shaped particles using reverse time series data (FIGS. 22B and 22C), and using the center of mass location data to determine the trajectory of the particle (FIGS. 22A).
На фиг. 23A-23D показана гидродинамика, отмеченная и смоделированная в цилиндрических сосудах. На фиг. 23 А показаны изменения формы мениска. На фиг. 23В и 23С показано образование вихрей в заполненном текучей средой сосуде, а на фиг. 23D показаны траектории частиц в иллюстративном вихре.In fig. 23A-23D show fluid dynamics mapped and simulated in cylindrical vessels. In fig. 23 A shows changes in the shape of the meniscus. In fig. 23B and 23C show the formation of vortices in a fluid-filled vessel, and FIG. 23D shows particle trajectories in an illustrative vortex.
На фиг. 24А и 24В показаны приближенные виды последовательных кадров данных обратного временного ряда, на которых столкновения частиц не были верно установлены (фиг. 24А), и показан тот же график после исправления ошибок (фиг. 24В).In fig. 24A and 24B show close-ups of successive frames of reverse time series data in which particle collisions were not correctly detected (FIG. 24A), and show the same plot after error correction (FIG. 24B).
На фиг. 25А-25Е показана временная зависимость измерения размера частиц вследствие перемещения частиц.In fig. 25A-25E show the time course of particle size measurement due to particle movement.
На фиг. 25F показан график зависимого от времени диаметра Фере для частицы, показанной на фиг. 25С.In fig. 25F is a plot of Feret diameter versus time for the particle shown in FIG. 25C.
На фиг. 26А показаны кадры обработанных данных временного ряда на различных интервалах, причем линиями отмечены различные траектории частиц.In fig. 26A shows frames of processed time series data at various intervals, with lines indicating different particle trajectories.
На фиг. 26В показано иллюстративные данные измерения нескольких зависимых от времени свойств частиц, соответствующих траекториям частиц по фиг. 26А.In fig. 26B shows exemplary measurement data of several time-dependent particle properties corresponding to the particle trajectories of FIG. 26A.
На фиг. 27A-27F показано обнаружение интересующего участка посредством заднего освещения под углом. На фиг. 27А показано исходное изображение (кадр данных временного ряда), подвергаемое выделению контуров (фиг. 27В), определению границ полутонов (фиг. 27С), идентификации мениска и основания пробирки (фиг. 27D), определению интересующего участка (ограниченного пунктиром на фиг. 27Е), и обрезке (фиг. 27F) для формирования изображения видимой в емкости текучей среды.In fig. 27A-27F show detection of a region of interest by angled backlighting. In fig. 27A shows the original image (time series data frame) subjected to edge extraction (FIG. 27B), halftone boundary detection (FIG. 27C), meniscus and tube base identification (FIG. 27D), region of interest (limited by dotted line in FIG. 27E) ), and cropping (Fig. 27F) to form an image of the visible fluid in the container.
На фиг. 28А-28С показано определение объема заполненности подсвеченной сзади пробирки. На фиг. 28А показано необработанное изображение пробирки. На фиг. 28В показан интересующий участокIn fig. 28A-28C show the determination of the fill volume of a backlit test tube. In fig. 28A shows a raw image of a test tube. In fig. 28B shows the area of interest
- 5 044111 (ограниченный пунктиром), определенный путем определения границ и выделения контуров. Дефекты на поверхности пробирки (показанные на фиг. 28С) могут затруднять определение объема заполненности.- 5 044111 (limited by a dotted line), defined by defining boundaries and highlighting contours. Defects on the surface of the tube (shown in Fig. 28C) can make it difficult to determine the fill volume.
На фиг. 29A-29D показано определение объема заполненности подсвеченной снизу пробирки. На фиг. 29А и 29В показаны псевдоцветные изображения частично заполненного сосуда (фиг. 29А) и пустого сосуда (фиг. 29В). На фиг. 29С и 29D показано автоматическое обнаружение мениска частично заполненного, пустого, и частично наполненного сосудов.In fig. 29A-29D show the determination of the fill volume of a test tube illuminated from below. In fig. 29A and 29B show pseudo-color images of a partially filled container (FIG. 29A) and an empty container (FIG. 29B). In fig. 29C and 29D show automatic detection of the meniscus of partially filled, empty, and partially filled vessels.
На фиг. 30 показан процессор, выполненный с возможностью обработки данных временного ряда.In fig. 30 shows a processor configured to process time series data.
На фиг. 31 показан пример определения границ полутонов изображения, включающий яркую частицу и тусклую частицу.In fig. 31 shows an example of detecting halftone boundaries of an image including a bright particle and a dim particle.
На фиг. 32 показана гистограмма видимых размеров частиц для популяции частиц стандартного размера (100 мкм).In fig. 32 shows a histogram of apparent particle sizes for a population of standard size particles (100 µm).
На фиг. 33 показаны кривые данных о видимых размерах частиц для двух популяций частиц, причем каждая популяция содержит частицы указанного стандартного размера (мкм).In fig. 33 shows apparent particle size data curves for two populations of particles, each population containing particles of the specified standard size (μm).
На фиг. 34 показаны кривые калибровки данных о видимых размерах частиц для четырех популяций частиц, причем каждая популяция содержит частицы указанного стандартного размера (мкм).In fig. 34 shows calibration curves for apparent particle size data for four particle populations, each population containing particles of the specified standard size (µm).
На фиг. 35 показано согласование наложения кривых калибровки на кривую данных о видимых размерах частиц в пробе.In fig. Figure 35 shows the fit of the overlay of the calibration curves onto the apparent sample particle size data curve.
На фиг. 36 показано сравнение результатов использования двух приемов подсчета и определения размеров частиц: биннинга без обработки и LENS.In fig. Figure 36 shows a comparison of the results using two particle counting and sizing techniques: raw binning and LENS.
На фиг. 37 показан процесс подсчета и определения размеров частиц с использованием различных приемов определения размеров частиц, размер которых ниже и выше порогового значения размера.In fig. 37 shows the process of counting and sizing particles using various techniques to determine the size of particles below and above a size threshold.
На фиг. 38А-38С показаны системы отслеживания частиц с несколькими устройствами формирования изображения для получения данных временного ряда для движущихся частиц под несколькими углами.In fig. 38A-38C illustrate particle tracking systems with multiple imagers to obtain time series data for moving particles at multiple angles.
На фиг. 39 показано перемещение сквозь емкость лучей света, принимаемых каждым из двух устройств формирования изображения (левая панель) и каждым из трех устройств формирования изображения (правая панель) систем отслеживания частиц по фиг. 38А-С.In fig. 39 shows the movement through the container of light beams received by each of the two imagers (left panel) and each of the three imagers (right panel) of the particle tracking systems of FIG. 38A-C.
На фиг. 40 показаны результаты обнаружения частиц автоматической системой обнаружения частиц (обозначенной как APT) по сравнению с результатами визуального осмотра человеком.In fig. 40 shows the particle detection results of an automatic particle detection system (denoted as APT) compared to the results of human visual inspection.
На фиг. 41 показаны результаты обнаружения и классификации частиц автоматической системой обнаружения частиц.In fig. 41 shows the detection and classification results of particles by the automatic particle detection system.
На фиг. 42 показана таблица, суммирующая линейность количества частиц в виде функции разбавления пробы для автоматической системы обнаружения частиц.In fig. 42 shows a table summarizing the linearity of particle counts as a function of sample dilution for an automated particle detection system.
На фиг. 43 проиллюстрирована точность автоматической системы обнаружения частиц, используемой для обнаружения и подсчета частиц белковых агрегатов.In fig. 43 illustrates the accuracy of an automated particle detection system used to detect and count protein aggregate particles.
На фиг. 44 показаны результаты обнаружения частиц белковых агрегатов автоматической системой обнаружения частиц (обозначенной как APT) по сравнению с результатами визуального осмотра человеком.In fig. 44 shows the results of particle detection of protein aggregates by an automatic particle detection system (denoted as APT) compared to the results of human visual inspection.
На фиг. 45 показан спектрометр, используемый с блоком визуального осмотра.In fig. 45 shows a spectrometer used with a visual inspection unit.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of implementing the invention
На фиг. 1А показан иллюстративный вариант автоматизированного блока 100 визуального осмотра, выполненного с возможностью неразрушающего обнаружения и/или идентификации частиц в прозрачной емкости 10, по меньшей мере частично заполненной текучей средой, такой как белоксодержащий лекарственный препарат, лекарственные средства, продукты биотехнологии, напитки и другие светопроницаемые текучие среды, оборот которых регулирует Управление США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов.In fig. 1A shows an exemplary embodiment of an automated visual inspection unit 100 configured to non-destructively detect and/or identify particles in a transparent container 10 at least partially filled with a fluid such as a protein-containing drug, drugs, biotechnology products, beverages, and other translucent fluids. media regulated by the US Food and Drug Administration.
Несмотря на то что обнаружение наличия или отсутствия частицы может быть осуществлено путем осмотра участков емкости, внешняя сторона которых имеет неравномерную форму (например, тыльной части), в стандартных вариантах реализации, для осуществления измерений характеристик частиц, например, подсчета и определения размера, может быть необходим осмотр частиц через по существу равномерную вертикальную стенку емкости с целью уменьшения искажений. Данный подход накладывает ограничения на минимальный объем заполнения вследствие того, что очевидное двухмерное поперечное сечение текучей среды в емкости 10, доступное для осмотра блоком 100, должно иметь подходящую площадь для обеспечения приемлемой статистики. Требуемый объем заполнения зависит от окружного диаметра емкости (для меньших емкостей требуется меньший объем заполнения). В различных вариантах реализации, внутренний объем емкости может быть заполнен текучей средой по меньшей мере на 1%, по меньшей мере на 5%, по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 20%, по меньшей мере на 30%, по меньшей мере на 40%, по меньшей мере на 50%, по меньшей мере на 60%, по меньшей мере на 70%, по меньшей мере на 80%, по меньшей мере на 90% или по меньшей мере на 100%.Although detecting the presence or absence of a particle can be accomplished by inspecting portions of the container that have an irregularly shaped exterior (e.g., the back), in standard embodiments, particle characterization measurements, such as counting and sizing, may be it is necessary to inspect the particles through a substantially uniform vertical wall of the container to reduce distortion. This approach imposes restrictions on the minimum fill volume due to the fact that the apparent two-dimensional cross-section of the fluid in the container 10, accessible to inspection by the block 100, must be of a suitable area to provide acceptable statistics. The required filling volume depends on the circumferential diameter of the container (smaller containers require less filling volume). In various embodiments, the interior volume of the container may be filled with fluid to at least 1%, at least 5%, at least 10%, at least 20%, at least 30%, at least by at least 40%, by at least 50%, by at least 60%, by at least 70%, by at least 80%, by at least 90%, or by at least 100%.
В различных вариантах реализации, приемы обнаружения частиц, раскрытые в настоящем описании, имеют оптическую природу. Соответственно, в некоторых вариантах реализации, стенки емкости 10In various embodiments, the particle detection techniques disclosed herein are optical in nature. Accordingly, in some embodiments, the walls of the container 10
- 6 044111 в достаточной мере прозрачны на длине волны освещения для обеспечения визуализации размещенной внутри емкости текучей среды. Например, в некоторых вариантах реализации, емкость 10 может быть выполнена из прозрачного боросиликатного стекла, но могут быть использованы и другие подходящие материалы. Мутность текучей среды, размещенной внутри сосуда, также представляет важность, и должна быть достаточно низкой для обеспечения желаемой степени визуализации. В некоторых вариантах реализации, мутность текучей среды находится в пределах от 0 до 100 NTU (нефелометрических единиц мутности), предпочтительно в пределах от 0 до 20 NTU, и более предпочтительно в пределах от 0 до 10 NTU. Стандартные приемы измерения мутности приведены, например, в Методическом пособии Агентства охраны окружающей среды, Положения о мутности, глава 3 (Апрель 1999 г.).- 6 044111 are sufficiently transparent at the wavelength of illumination to provide visualization of the fluid located inside the container. For example, in some embodiments, container 10 may be made of clear borosilicate glass, but other suitable materials may be used. The turbidity of the fluid contained within the vessel is also important and must be low enough to provide the desired degree of visualization. In some embodiments, the turbidity of the fluid is in the range of 0 to 100 NTU, preferably in the range of 0 to 20 NTU, and more preferably in the range of 0 to 10 NTU. Standard techniques for measuring turbidity are given, for example, in the Environmental Protection Agency's Guide, Turbidity Regulations, Chapter 3 (April 1999).
Приведенные в качестве примера системы выполнены с возможностью обнаружения и идентификации прозрачных и/или светопроницаемых частиц, преломляющих и/или рассеивающих свет (например, белковых агрегатов, осколков или пластинок стекла, и масляных капель), частиц, отражающих свет (например, частичек металла), и/или частиц, поглощающих свет (например, частиц технического углерода и пластика), на основании различий в их оптических характеристиках. Некоторые из раскрытых блоков 100 визуального осмотра выполнены с возможностью обнаружения всех трех видов частиц путем использования последовательностей освещения, подобных раскрытым в нижеприведенном описании. Раскрытые блоки 100 визуального осмотра могут также быть выполнены с возможностью специализированного обнаружения, идентификации и/или отслеживания белков, которые могут присутствовать в виде плотно связанных агрегатов, слабо связанных ватоподобных структур с большим содержанием воды, (светоотражающих) кристаллов, студенистых структур и/или аморфных агрегатов.The exemplary systems are configured to detect and identify transparent and/or translucent particles that refract and/or scatter light (for example, protein aggregates, glass fragments or platelets, and oil droplets), particles that reflect light (for example, metal particles) , and/or light-absorbing particles (eg, carbon black and plastic particles), based on differences in their optical characteristics. Some of the disclosed visual inspection units 100 are configured to detect all three types of particles by using illumination sequences similar to those disclosed in the description below. The exposed visual inspection units 100 may also be configured to specifically detect, identify, and/or track proteins, which may be present as tightly bound aggregates, loosely bound cotton wool-like structures with high water content, (reflective) crystals, gelatinous structures, and/or amorphous units.
Термин белок, а также синонимичный ему термин полипептид, в самом широком значении относится к веществу, состоящему из двух или более субъединиц - аминокислот, аналогов аминокислот или пептидомиметиков. Субъединицы могут быть связаны посредством пептидных связей. В еще одном варианте реализации, субъединицы могут быть связаны посредством других связей, например, сложноэфирных связей, эфирных связей, и т.д. В настоящем описании, термин аминокислота относится к естественным и/или синтетическим аминокислотам, включая глицин и оптические изомеры D и L, аналоги аминокислот и пептидомиметики. Пептид, состоящий из трех или более аминокислот часто называют олигопептидом, если они имеет короткую пептидную цепь. При наличии длинной пептидной цепи, пептид называют полипептидом или белком. Термин пептидный фрагмент в настоящем описании также относится к пептидной цепи.The term protein, as well as its synonymous term polypeptide, in its broadest sense refers to a substance consisting of two or more subunits - amino acids, amino acid analogues or peptidomimetics. The subunits can be linked through peptide bonds. In yet another embodiment, the subunits may be linked through other linkages, such as ester linkages, ether linkages, etc. As used herein, the term amino acid refers to natural and/or synthetic amino acids, including glycine and optical isomers D and L, amino acid analogues and peptidomimetics. A peptide consisting of three or more amino acids is often called an oligopeptide if it has a short peptide chain. When there is a long peptide chain, the peptide is called a polypeptide or protein. The term peptide fragment as used herein also refers to a peptide chain.
Емкость 10 может представлять собой прямоугольный или цилиндрический сосуд, выполненный из стекла или пластика (например, кювету, бутыль, картридж, пробирку или шприц); емкость также может иметь другую форму и/или может быть выполнена из другого материала, при условии обеспечения визуализации содержимого емкости на длине волны формирования изображения. Несмотря на то что в определенных вариантах реализации обеспечена ясная и невозмущенная визуализация содержимого емкости, в еще одних вариантах реализации периоды формирования изображения могут совпадать с периодами, в ходе которых емкость невозмущена и/или может быть использована последующая обработка с целью компенсирования искажения записанных данных.The container 10 may be a rectangular or cylindrical vessel made of glass or plastic (eg, a cuvette, bottle, cartridge, tube or syringe); the container may also have a different shape and/or be made of a different material, as long as the contents of the container can be visualized at the imaging wavelength. While certain embodiments provide clear and undisturbed visualization of the contents of the container, in still other embodiments the imaging periods may coincide with periods during which the container is undisturbed and/or post-processing may be used to compensate for corruption of the recorded data.
Блок 100 содержит устройство 110 формирования изображения с собирающей оптикой, проецирующее изображения содержимого емкости на датчик. В данном случае, собирающая оптика содержит телецентрическую линзу 114, а датчик представляет собой прибор с зарядовой связью (ПЗС) 112. Память 140, связанная с ПЗС 112, записывает и хранит поток изображений, отображающих содержимое емкости, а процессор 130, связанный с памятью 140, анализирует записанную последовательность изображений согласно нижеприведенному описанию с целью обнаружения и идентификации частиц в емкости 10. Специалисту будет очевидно, что процессор 130 может быть выполнен в совокупности с соответствующим образом настроенным универсальным компьютером (например, использующим процессор Intel® Core™ i5 или Advanced Micro Devices Athlon™), программируемой пользователем вентильной матрицей (например, Altera® Stratix® or Xilinx® Spartan®-6 FPGA), или специализированной интегральной микросхемой. Память 140 может представлять собой твердотельную память (например, флэш-память), оптический диск (например, CD или DVD), или магнитный носитель, и может иметь любой выбранный объем (например, 1 ГБ, 10 ГБ, 100 ГБ, или больше).Unit 100 includes an imaging device 110 with collecting optics that projects images of the contents of the container onto a sensor. In this case, the collecting optics comprises a telecentric lens 114 and the sensor is a charge-coupled device (CCD) 112. A memory 140 coupled to the CCD 112 records and stores a stream of images representing the contents of the container, and a processor 130 coupled to the memory 140 , analyzes the recorded sequence of images as described below to detect and identify particles in the container 10. It will be apparent to one skilled in the art that the processor 130 may be configured in conjunction with a suitably configured mainframe computer (for example, using an Intel® Core™ i5 or Advanced Micro Devices processor Athlon™), field programmable gate array (eg, Altera® Stratix® or Xilinx® Spartan®-6 FPGA), or application specific integrated circuit. Memory 140 may be a solid-state memory (e.g., flash memory), optical disk (e.g., CD or DVD), or magnetic media, and may be of any selected size (e.g., 1 GB, 10 GB, 100 GB, or larger) .
Система освещения 120, содержащая один или более источников света 122а и 122b, расположенных вокруг емкости 10, освещает емкость 10 и ее содержимое в ходе формирования изображения. Блок 100 визуального осмотра может быть встроен в модуль 160 осмотра, также содержащий шпиндель 150, встряхивающее устройство, ультразвуковой вибратор или другой встряхиватель с целью обеспечения вращения, встряхивания или иного возбуждения содержимого емкости до осуществления формирования изображения, а также с целью удержания емкости 10 в ходе формирования изображения, согласно фиг. 1(b).A lighting system 120, comprising one or more light sources 122a and 122b located around the container 10, illuminates the container 10 and its contents during image formation. The visual inspection unit 100 may be incorporated into the inspection module 160, which also includes a spindle 150, a shaker, an ultrasonic vibrator, or other shaker for the purpose of rotating, shaking, or otherwise agitating the contents of the container prior to imaging, as well as for holding the container 10 during image formation according to FIG. 1(b).
На фиг. 1(с) показана средне/высокоскоростная платформа 170 визуального осмотра, содержащая один или более модулей осмотра 160-1 - 160-5 (в целом обозначенных как модули 160 осмотра), автомат 180, и поднос 172 для сосудов, в индивидуальных углублениях для емкостей которого размещены неос- 7 044111 мотренные и/или осмотренные емкости 10. После получения соответствующих указаний от пользователя или автоматического контроллера (не показан), автомат 180 перемещает емкость 10 с подноса 172 для сосудов в модуль 190 осмотра, получающий и записывающий данные временного ряда для частиц, перемещающихся по емкости 10. Затем автомат 180 возвращает емкость 10 на поднос 172 для сосудов.In fig. 1(c) shows a medium/high speed visual inspection platform 170 comprising one or more inspection modules 160-1 through 160-5 (generally referred to as inspection modules 160), an automat 180, and a container tray 172, in individual container recesses. which contains uninspected and/or inspected containers 10. Upon receipt of appropriate instructions from the user or an automatic controller (not shown), the machine 180 moves the container 10 from the container tray 172 to the inspection module 190, which receives and records time series data for particles moving around the container 10. The machine 180 then returns the container 10 to the container tray 172.
В некоторых вариантах, верхний слой подноса 172 для сосудов и/или края углублений для емкостей выполнены из полиформальдегидной смолы Делрин® или другого сходного материала, а внутренние края углублений для емкостей выполнены скошенными для предотвращения возникновения царапин на емкостях 10 при их введении в углубления для емкостей и удалении из них. Поднос 172 для сосудов может содержать слой основания, выполненный из алюминия или другого сходного материала, слабо поддающегося деформации или растрескиванию. Стенки углублений для емкостей обычно выполнены толстыми для обеспечения надежного удержания сосудов при переносе подноса 172 (например, человеком) к платформе 170 визуального осмотра и от нее. В зависимости от конструкции подноса 170 для сосудов, он может удерживать емкости 10 в заданных положениях с предельным допуском в пределах порядка микрон с целью облегчения извлечения и введения емкостей автоматом 180, который может работать с точностью до порядка микрон.In some embodiments, the top layer of the container tray 172 and/or the edges of the container wells are made of Delrin® polyformaldehyde resin or other similar material, and the inner edges of the container wells are beveled to prevent scratching the containers 10 when inserted into the container wells. and removal from them. The vessel tray 172 may include a base layer made of aluminum or other similar material that is resistant to deformation or cracking. The walls of the container wells are typically thick to provide secure support for the containers when the tray 172 is carried (eg, by a person) to and from the viewing platform 170. Depending on the design of the vessel tray 170, it may hold the containers 10 in predetermined positions within a tolerance on the order of microns to facilitate removal and insertion of the containers by the machine 180, which can operate with an accuracy of the order of microns.
Автомат 180 представляет собой подъемно-транспортную систему, извлекающую сосуды с подноса 172, перемещающую каждую емкость 10 вдоль рельсы 182, проходящей от участка над подносом 172 до участка над шпинделями 160, и размещающую емкость 10 на определенный шпиндель 160. Некоторые автоматы могут также быть выполнены с возможностью обеспечения вращения емкости 10 до размещения емкости 10, что позволяет устранить необходимость в использовании шпинделя 160. В еще одном варианте реализации, автомат 180 может содержать шестиосную механическую руку, выполненную с возможностью обеспечения вращения, колебания и/или встряхивания (т.е. выполнения нижеописанного встряхивания иглы вперед-назад) емкости 10, что также позволяет устранить необходимость в использовании шпинделя 160. Специалисту будет очевидно, что в раскрытых системах и процессах визуального осмотра могут быть использованы другие механизмы и последовательности загрузки и встряхивания.The machine 180 is a lift-and-transport system that retrieves containers from a tray 172, moves each container 10 along a rail 182 extending from an area above the tray 172 to an area above the spindles 160, and places the container 10 on a specific spindle 160. Some machines may also be configured with the ability to rotate the container 10 prior to positioning the container 10, thereby eliminating the need for the spindle 160. In yet another embodiment, the machine 180 may include a six-axis mechanical arm configured to provide rotation, oscillation, and/or shaking (i.e., performing the below-described shaking of the needle back and forth) of the container 10, which also eliminates the need for the spindle 160. One skilled in the art will appreciate that other loading and shaking mechanisms and sequences may be used in the disclosed visual inspection systems and processes.
Работа платформы 170 осуществляется согласно фиг. 2(а). На этапе 202, подлежащие осмотру емкости 10 чистят (например, вручную с использованием подходящих растворителей), и затем размещают на поднос 172 на этапе 204. Автомат 180 извлекает емкость 10 с подноса 172 и размещает его на шпинделе 160. Затем, на этапе 206, процессор 130 определяет размер и местоположение мениска и/или интересующего участка (например, части емкости 10, заполненной текучей средой) на основании изображения неподвижной емкости 10, полученного устройством 110 формирования изображения. В еще одном варианте реализации, пользователь может указать расположение мениска и/или интересующего участка в случае, если объем заполнения, форма и объем емкости известны с достаточной степенью точности. После обнаружения интересующего участка процессором 130, шпиндель 160 вращает и останавливает вращение емкости 10 на этапе 208, что приводит к перемещению текучей среды и подвешиванию частиц в движущейся текучей среды в емкости 10. На этапе 210, устройство 110 формирования изображения записывает данные временного ряда в памяти 140 в виде последовательности статических изображений (называемых кадрами), отображающей фотографические изображения интересующего участка, снятые через равномерные промежутки времени.The platform 170 operates as shown in FIG. 2(a). At step 202, the containers 10 to be inspected are cleaned (eg, by hand using suitable solvents), and then placed on the tray 172 at step 204. The machine 180 removes the container 10 from the tray 172 and places it on the spindle 160. Then, at step 206, processor 130 determines the size and location of the meniscus and/or region of interest (eg, the fluid-filled portion of container 10) based on the image of fixed container 10 captured by imaging device 110. In yet another embodiment, the user can indicate the location of the meniscus and/or region of interest if the fill volume, shape and volume of the container are known with a reasonable degree of accuracy. After the region of interest is detected by the processor 130, the spindle 160 rotates and stops the rotation of the container 10 at step 208, which causes the fluid to move and particles to be suspended in the moving fluid in the container 10. At step 210, the imaging device 110 writes the time series data to memory. 140 as a sequence of static images (called frames) displaying photographic images of an area of interest taken at regular intervals.
После получения устройством 110 формирования изображения достаточного объема данных временного ряда, процессор 130 вычитает данные фона, которые могут представлять собой грязь и/или царапины на одной или более поверхностях емкости. Процессор также может отфильтровывать шум из данных временного ряда образом, очевидным специалисту, а также может осуществлять определение порога яркости согласно нижеприведенному описанию. Процессор 130 также реверсирует временной порядок данных временного ряда. То есть, если каждый кадр данных временного ряда имеет метку 1, 2, ..., n - 1, n, указывающую на порядок получения указанного кадра, то метки кадров данных обратного временного ряда упорядочены следующим образом: n, n -1, ..., 2, 1. При необходимости, процессор 130 также выбирает начальную и конечную точки анализируемых данных согласно нижеприведенному описанию. (Специалисту будет очевидно, что процессор 130 может выполнять вычитание фона, фильтрацию шума, определение порога яркости, реверсию данных временного ряда и/или определение начальной/конечной точки в любом порядке.) Процессор 130 отслеживает частицы, движущиеся в текучей среде или вместе с ней, на этапе 214, а затем определяет размеры, подсчитывает количество и/или другим образом охарактеризовывает частицы на основании их траекторий на этапе 214.After imaging device 110 receives a sufficient amount of time series data, processor 130 subtracts background data, which may be dirt and/or scratches on one or more surfaces of the container. The processor may also filter noise from the time series data in a manner apparent to one skilled in the art, and may also perform brightness threshold determination as described below. Processor 130 also reverses the temporal order of the time series data. That is, if each frame of time series data has a label 1, 2, ..., n - 1, n, indicating the order in which the specified frame was received, then the labels of reverse time series data frames are ordered as follows: n, n -1, . .., 2, 1. If necessary, processor 130 also selects the start and end points of the analyzed data as described below. (It will be apparent to one skilled in the art that processor 130 may perform background subtraction, noise filtering, luminance threshold determination, time series data reversal, and/or start/end point determination in any order.) Processor 130 tracks particles moving in or with a fluid. , at step 214, and then sizes, counts, and/or otherwise characterizes the particles based on their trajectories at step 214.
Каждый модуль 160 осмотра может выполнять один общий вид осмотра, что позволяет осуществлять параллельное исследование емкостей 10; число модулей 160 может быть скорректировано в зависимости от требуемой пропускаемой способности. В других вариантах реализации, каждый модуль 160 может быть выполнен с возможностью выполнения различных видов осмотра. Например, каждый модуль 160 может осматривать частицы на различных длинах волны излучения: модуль 160-1 может осуществлять поиск частиц, реагирующих на свет видимого спектра (т.е. на излучение с длиной волны от примерно 390 нм до примерно 760 нм), модуль 160-2 может исследовать емкости с использованием излучения в ближнем инфракрасном диапазоне (760-1400 нм), модуль 160-3 может исследовать емкости с использованием инфракрасного излучения коротковолновой области спектра (1.4-3.0 мкм), модуль 160-4Each inspection module 160 can perform one general type of inspection, allowing for parallel inspection of containers 10; the number of 160 modules can be adjusted depending on the required throughput. In other implementations, each module 160 may be configured to perform different types of inspection. For example, each module 160 may inspect particles at different wavelengths of radiation: module 160-1 may search for particles that respond to light in the visible spectrum (i.e., wavelengths from about 390 nm to about 760 nm), module 160 -2 can examine containers using radiation in the near-infrared range (760-1400 nm), module 160-3 can examine containers using infrared radiation in the short-wave region of the spectrum (1.4-3.0 µm), module 160-4
- 8 044111 может исследовать частицы на длинах волн ультрафиолетового спектра (10-390 нм), а модуль 160-5 может исследовать частицы на длинах волн рентгеновского излучения (менее 10 нм). В еще одном варианте реализации, один или более модулей 160 могут быть использованы для поиска эффектов поляризации и/или флуоресценции частиц.- 8 044111 can examine particles at ultraviolet wavelengths (10-390 nm), and module 160-5 can probe particles at X-ray wavelengths (less than 10 nm). In yet another implementation, one or more modules 160 may be used to search for particle polarization and/or fluorescence effects.
В вариантах реализации с различными видами модулей 160, первый модуль 160-1 может осуществлять предварительный осмотр, а последующий осмотр зависит от результатов предварительного осмотра. Например, первый модуль 160-1 может осуществлять осмотр в видимом спектре, результаты которого показывают, что определенная емкость содержит частицы, чувствительные к поляризации. Затем, процессор 130 может отдать команду модулю 160-2, выполненному с возможностью осуществления измерений на основании поляризации, на осмотр емкости с целью подтверждения (или опровержения) наличия чувствительных к поляризации частиц. Данные временного ряда в видимом спектре, полученные модулем 160-1, могут указывать на наличие нескольких частиц в определенной емкости 10, но не на вид частиц, в результате чего процессор 130 может отдать команду на инфракрасный осмотр модулю 160-3.In embodiments with different kinds of modules 160, the first module 160-1 may perform a preliminary inspection, and a subsequent inspection depends on the results of the preliminary inspection. For example, the first module 160-1 may perform a visible inspection that indicates that a particular container contains polarization-sensitive particles. Processor 130 may then command polarization-based measurement module 160-2 to inspect the container to confirm (or deny) the presence of polarization-sensitive particles. The visible time series data received by module 160-1 may indicate the presence of multiple particles in a particular container 10, but not the type of particles, causing processor 130 to command module 160-3 for infrared inspection.
Встряхивание емкости для обеспечения перемещения частиц.Shaking the container to ensure particle movement.
Согласно вышеприведенному описанию, механическое встряхивание емкости 10 приводит к взвешиванию частиц на дне емкости 10 или на внутренних стенках емкости в текучей среде внутри емкости. В определенных вариантах реализации, пользователь и/или система визуального осмотра выбирает и осуществляет последовательность встряхивания, приводящую текучую среду в емкости в ламинарный режим течения, в котором течение текучей среды происходит в виде параллельных слоев без завихрений, турбулентного движения или нарушений слоев. В гидродинамике, ламинарный поток представляет собой режим течения, отличающийся высоким рассеиванием импульса и низким кругооборотом импульса другими словами, ламинарный поток представляет собой противоположность неровного, турбулентного потока. Встряхивание также приводит к взвешиванию частиц в движущейся текучей среде. Впоследствии трение приводит к остановке движения текучей среды, после чего частицы могут прилепляться к стенкам емкости или оседать на дне емкости.As described above, mechanical shaking of the container 10 causes particles to be suspended at the bottom of the container 10 or on the inner walls of the container in the fluid within the container. In certain embodiments, the user and/or the visual inspection system selects and implements an agitation sequence that brings the fluid in the container into a laminar flow regime in which the fluid flows in parallel layers without eddies, turbulent motion, or disruption of the layers. In fluid dynamics, laminar flow is a flow regime characterized by high momentum dissipation and low momentum turnover; in other words, laminar flow is the opposite of rough, turbulent flow. Shaking also causes particles to be suspended in the moving fluid. Friction subsequently causes the fluid to stop moving, after which particles may adhere to the walls of the container or settle to the bottom of the container.
По сравнению с турбулентным потоком, ламинарный поток обеспечивает более плавное движение частиц, что облегчает оценку траекторий частиц. (Естественно, процессор также может быть выполнен с возможностью оценки траекторий частиц и в некоторых турбулентных режимах течения при условии, что частота кадров датчика достаточно велика для снятия изображений плавных участков траекторий частиц.) При необходимости, емкость может подвергаться встряхиванию, обеспечивающему по существу ламинарный поток. Например, шпиндель может вращать емкость с определенной скоростью (или профилем скорости) в течение определенного промежутка времени, определенными на основании измерений поведения текучей среды в емкостях различного размера и формы и/или различной степени наполнения сосуда и вязкости текучей среды.Compared to turbulent flow, laminar flow allows for smoother particle movement, making it easier to estimate particle trajectories. (Of course, the processor can also be configured to estimate particle trajectories in some turbulent flow regimes, provided the sensor frame rate is fast enough to capture images of smooth portions of particle trajectories.) If necessary, the container can be shaken to provide substantially laminar flow . For example, the spindle may rotate the container at a certain speed (or speed profile) for a certain period of time, determined based on measurements of the behavior of the fluid in containers of different sizes and shapes and/or different degrees of filling of the container and fluid viscosity.
В одном из вариантов реализации, серводвигатель или шаговый двигатель приводит в действие шпиндель, удерживающий цилиндрическую емкость, что приводит к вращению емкости вокруг ее центральной оси согласно фиг. 3(а). Вращение емкости 10 с достаточной скоростью заставляет даже тяжелые частицы (такие как частицы металла) подниматься со дна емкости 10 и проникать в жидкость. При использовании со многими жидкостями и частицами, двигатель приводит в движение шпиндель, удерживающий емкость 10, со скоростью вращения 300 об/мин в течение примерно трех секунд. (Для возбуждения тяжелых частиц могут быть необходимы более высокие скорости вращения). По окончании вращения в течение трех секунд, двигатель резко останавливается, а текучая среда может свободно течь во вновь неподвижной емкости. В это время, устройство 110 формирования изображения начинает записывать видеоизображение текущей с вращением текучей среды. Память 140 сохраняет видеоизображение в течение примерно до 7-15 секунд, в зависимости от размера исследуемой емкости (память 140 сохраняет видеоизображение меньшей длительности при исследовании текучей среды в меньших емкостях вследствие того, что жидкость в меньших емкостях быстрее замедляется из-за большего эффекта трения о стенку).In one embodiment, a servo motor or stepper motor drives a spindle holding the cylindrical container, causing the container to rotate about its central axis as shown in FIG. 3(a). Rotating the container 10 at a sufficient speed causes even heavy particles (such as metal particles) to rise from the bottom of the container 10 and penetrate into the liquid. When used with many liquids and particles, the motor drives the spindle holding the container 10 at a rotation speed of 300 rpm for approximately three seconds. (Higher rotation speeds may be necessary to excite heavy particles). After completing rotation for three seconds, the motor stops abruptly, and the fluid can flow freely in the again stationary container. At this time, the imaging device 110 begins to record a video image of the rotating fluid flowing. Memory 140 stores a video image for up to approximately 7-15 seconds, depending on the size of the container being tested (memory 140 stores a video image of shorter duration when testing fluid in smaller containers due to the fact that the fluid in smaller containers slows down faster due to the greater effect of friction on wall).
В еще одном варианте реализации, шпиндель вращает емкость 10 в рамках двухфазной последовательности встряхивания/формирования изображения. В ходе первой фазы, шпиндель вращает емкость 10 со скоростью 300 об/мин в течение трех секунд, что приводит к взвешиванию менее плотных (и меньших по размеру) частиц, таких как белки, в движущейся текучей среде. Затем, устройство 110 формирования изображения записывает видеоизображение белков в движущейся текучей среды. После получения устройством 110 формирования изображения достаточного объема данных временного ряда начинается вторая фаза: шпиндель вращает емкость 10 со скоростью примерно 1600-1800 об/мин, что приводит к взвешиванию более плотных частиц, таких как частицы металла, в движущейся текучей среды, а устройство 110 формирования изображения получает данные временного ряда, отображающие перемещение более плотных частиц в емкости 10. Высокоскоростное вращение во второй фазе может быть достаточно интенсивным для временного растворения или денатурирования белковых агрегатов, которые могут заново формироваться после замедления или остановки течения текучей среды. Двухфазный принцип работы позволяет обнаруживать плотные частицы, возбуждение которых может не быть достигнуто при низкоскоростном вращении, и белки, которые могут подвергаться денатурированию при высокоскорост- 9 044111 ном вращении.In yet another embodiment, the spindle rotates the container 10 in a two-phase shaking/imaging sequence. During the first phase, the spindle rotates the container 10 at 300 rpm for three seconds, which causes less dense (and smaller) particles, such as proteins, to be suspended in the moving fluid. Next, the imaging device 110 records a video image of the proteins in the moving fluid. Once imaging device 110 has acquired sufficient time series data, the second phase begins: The spindle rotates container 10 at approximately 1600-1800 rpm, causing denser particles, such as metal particles, to be suspended in the moving fluid, and device 110 The imaging device obtains time series data depicting the movement of denser particles in the vessel 10. The high-speed rotation in the second phase may be sufficiently intense to temporarily dissolve or denature protein aggregates, which may re-form after the fluid flow is slowed or stopped. The two-phase operating principle allows the detection of dense particles that may not be excited by low-speed rotation, and proteins that may be denatured by high-speed rotation.
В раскрытых системах могут быть использованы и другие последовательности вращения в зависимости от следующих параметров (без ограничения): вязкости текучей среды, степени наполнения сосуда текучей средой, вида текучей среды, поверхностного натяжения, формы емкости, размера емкости, материала емкости, текстуры емкости, размеров частиц, форм частиц, видов частиц и плотности частиц. Например, раскрытые системы могут вращать более крупные емкости в течение более длительных промежутков времени перед получением изображения содержимого емкости. Точный профиль встряхивания для заданной комбинации текучей среды/емкости может быть вычислен, охарактеризован и/или определен экспериментальным путем.Other rotation sequences may be used in the disclosed systems depending on (but not limited to): fluid viscosity, degree of fluid filling of the vessel, type of fluid, surface tension, container shape, container size, container material, container texture, dimensions particles, particle shapes, particle types and particle densities. For example, the disclosed systems may rotate larger containers for longer periods of time before obtaining an image of the contents of the container. The exact shaking profile for a given fluid/container combination can be calculated, characterized and/or determined experimentally.
В случае, если модуль визуального осмотра использует заданную последовательность встряхивания для в достаточной мере известной комбинации текучей среды/емкости, модуль может запускать процесс получения данных только тогда, когда жидкость (и взвешенные частицы) находятся в ламинарном режиме течения. В еще одном варианте реализации, модуль может получать дополнительные данные временного ряда, а процессор может автоматически выбирать начальный и конечный кадры на основании выбранной комбинации текучей среды/емкости и/или последовательности встряхивания.In the event that the visual inspection module uses a predetermined shaking sequence for a sufficiently known fluid/container combination, the module can only trigger the acquisition process when the fluid (and suspended particles) are in laminar flow. In yet another embodiment, the module may receive additional time series data and the processor may automatically select start and end frames based on a selected fluid/container combination and/or shaking sequence.
В некоторых вариантах реализации, процесс получения данных может быть запущен на основании обнаруженной характеристики потока текучей среды в емкости. Например, согласно подробному нижеприведенному описанию, в некоторых вариантах реализации представляется возможным обнаружить мениск текучей среды в емкости и отслеживать перемещение мениска с целью определения момента времени, в котором вихрь в текучей среде ослабляется после вращения. В некоторых из подобных случаев, процесс получения данных может начинаться в момент возвращения обнаруженного перемещения мениска в по существу стабильное состояние.In some embodiments, the data acquisition process may be triggered based on a detected characteristic of the fluid flow in the container. For example, as described in detail below, in some embodiments it is possible to detect a meniscus of a fluid in a container and monitor the movement of the meniscus to determine the point in time at which the vortex in the fluid weakens after rotation. In some of these cases, the data acquisition process may begin when the detected meniscus movement returns to a substantially stable state.
Любые из вышеописанных систем визуального осмотра могут также быть использованы для обнаружения и/или идентификации присущих и инородных частиц в шприце 12, по меньшей мере частично заполненном лекарственным средством 32 или другой текучей средой, согласно фиг. 3В. Шприцы 12 зачастую хранят иглой книзу. Соответственно, в игле 34 шприца могут оседать частицы. Для обеспечения визуализации указанных частиц, автомат или человек переворачивает шприц 12 - т.е. автомат или человек поворачивает шприц 12 на 180° вокруг оси, перпендикулярной его продольной оси, в результате чего игла 34 обращена кверху. Частицы, осевшие в игле 34, падают в вертикальном направлении, что обеспечивает возможность их визуализации посредством устройства 110 формирования изображения. Автомат или человек может также вращать шприц в ходе его переворачивания с целью полного возбуждения текучей среды.Any of the above-described visual inspection systems may also be used to detect and/or identify intrinsic and foreign particles in a syringe 12 at least partially filled with drug 32 or other fluid, as shown in FIG. 3B. Syringes 12 are often stored with the needle down. Accordingly, particles may settle in the syringe needle 34. To ensure visualization of these particles, the machine or person turns the syringe 12 over - i.e. the machine or person rotates the syringe 12 180° around an axis perpendicular to its longitudinal axis, resulting in the needle 34 facing upward. Particles deposited in the needle 34 fall in a vertical direction, allowing them to be imaged by the imaging device 110. The machine or person may also rotate the syringe as it is inverted to fully excite the fluid.
Многие шприцы 12 имеют цилиндры с относительно небольшими внутренними диаметрами (например, около 5 мм), что в значительной мере увеличивает эффект трения о стенку. Для многих лекарственных средств 32, трение о стенку приводит к остановке всего поворотного движения текучей среды примерно за одну секунду. Для анализа частиц на практике подобное временное окно крайне мало. Тем не менее, осторожное встряхивание шприца 12 вокруг оси, перпендикулярной его продольной оси, согласно фиг. 3(с), обеспечивает перемещение частиц длительностью более одной секунды. Боковое встряхивание, которое может быть выполнено автоматом или вручную, возбуждает частицы в результате перемещения шприца 12 и движения пузырька или пузырьков 30 воздуха, колеблющихся внутри цилиндра шприца 12. Вышеописанные модули, блоки и платформы визуального осмотра выполнены с возможностью изменения конфигурации, и могут быть использованы с указанным альтернативным способом встряхивания.Many syringes 12 have barrels with relatively small internal diameters (eg, about 5 mm), which greatly increases the effect of wall friction. For many drugs 32, wall friction causes the entire rotational motion of the fluid to stop in about one second. For particle analysis in practice, such a time window is extremely short. However, gentle shaking of the syringe 12 about an axis perpendicular to its longitudinal axis, according to FIG. 3(c) provides particle movement lasting more than one second. Lateral shaking, which can be performed automatically or manually, excites particles as a result of the movement of the syringe 12 and the movement of the air bubble or bubbles 30 oscillating within the barrel of the syringe 12. The above-described visual inspection modules, blocks and platforms are reconfigurable and can be used with the alternative shaking method indicated.
По завершении встряхивания, система визуального осмотра должна оставаться неподвижной для выполнения фазы записи видеоизображения. Вследствие высокой разрешающей способности широко используемых устройств формирования изображения, пространственное разрешение изображений является очень точным (например, примерно 10 мкм или меньше) и может быть по меньшей мере равно по точности дифракционному пределу. В некоторых конфигурациях, небольшое (например, в 10 мкм) перемещение пробы соответствует целому пикселу перемещения на полученном изображении. Подобное перемещение негативно влияет на эффективность удаления статических элементов (вычитания фона), что в свою очередь ухудшает рабочие характеристики инструментов анализа и точность выводимых данных.Once shaking is complete, the visual inspection system must remain stationary to complete the video recording phase. Due to the high resolution of commonly used imaging devices, the spatial resolution of images is very precise (eg, about 10 μm or less) and can be at least as accurate as the diffraction limit. In some configurations, a small (eg 10 µm) probe movement corresponds to an entire pixel of movement in the acquired image. Such movement negatively affects the efficiency of static element removal (background subtraction), which in turn degrades the performance of the analysis tools and the accuracy of the output data.
С учетом вышеуказанного, ключевым конструктивным соображением является устранение вибрации. В определенных вариантах реализации, основание примерной системы визуального осмотра механически изолировано от лабораторной среды, например, посредством гасящих вибрацию амортизаторов, платформ и/или прокладок. В дополнение, внутри блока, источники вибрации, такие как компьютеры и автоматизированные контроллеры, могут быть механически изолированы от остальной части системы. В еще одном варианте реализации, получение данных может быть синхронизировано с остаточным перемещением емкости относительно устройства формирования изображения, или может быть выполнено посредством камеры, осуществляющей сдвиг пикселов или какие-либо другие компенсирующие движение меры. Указанное остаточное перемещение может также быть зафиксировано для проведения последующей обработки с целью устранения негативных эффектов движения изображения.With the above in mind, vibration elimination is a key design consideration. In certain embodiments, the base of the exemplary visual inspection system is mechanically isolated from the laboratory environment, such as through vibration dampers, platforms, and/or pads. In addition, within the unit, vibration sources such as computers and automated controllers can be mechanically isolated from the rest of the system. In yet another embodiment, data acquisition may be synchronized with the residual movement of the capacitor relative to the imaging device, or may be accomplished by a camera implementing pixel shift or some other motion-compensating measures. This residual motion may also be captured for subsequent processing to eliminate the negative effects of image motion.
- 10 044111- 10 044111
Конфигурации устройства формирования изображения.Imaging device configurations.
В примерных системах визуального осмотра могут быть использованы стандартные доступные формирователи изображения с любым подходящим датчиком, включая, без ограничения, прибор с зарядовой связью (ПЗС) или матрицы комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП). Выбор датчика довольно широк и в некоторой степени зависит от требований, накладываемых определенной областью применения. Например, датчики с высокой частотой кадров обеспечивают возможность точного картографирования траекторий быстро перемещающихся частиц (например, в жидкостях низкой вязкости). Чувствительность и шумовые рабочие характеристики также важны вследствие того, что многие частицы белков в растворе прозрачны и слабо рассеивают свет, в результате чего их изображения слаборазличимы. Для улучшения шумовых характеристик, датчик может быть охлажден способом, известным из уровня техники. Для большинства областей применения, наилучшими рабочими характеристиками обладают монохромные датчики, обеспечивающие незначительно большую разрешающую способность по сравнению с цветными камерами, и также обладающие более высокой чувствительностью. Тем не менее, для небольшой подгруппы областей применения могут быть предпочтительны цветные датчики вследствие того, что они фиксируют цвет частицы, что может быть крайне важным при установлении ее источника (например, при исследовании волокон одежды). Например, при исследовании качества продукта (также называемом технической экспертизой), цветные датчики могут быть использованы для различения различных видов материалов (например, волокон), потенциально способных загрязнять лекарственное средство на производственном предприятии.Exemplary visual inspection systems may use standard available imagers with any suitable sensor, including, but not limited to, charge-coupled device (CCD) or complementary metal oxide semiconductor (CMOS) arrays. The choice of sensor is quite wide and depends to some extent on the requirements imposed by the particular application. For example, high frame rate sensors provide the ability to accurately map the trajectories of fast-moving particles (for example, in low-viscosity liquids). Sensitivity and noise performance are also important due to the fact that many protein particles in solution are transparent and weakly scatter light, resulting in their images being poorly visible. To improve noise characteristics, the sensor can be cooled in a manner known in the art. For most applications, monochrome sensors provide the best performance, providing slightly greater resolution than color cameras and also having higher sensitivity. However, for a small subset of applications, color sensors may be preferred due to the fact that they capture the color of a particle, which can be extremely important in identifying its source (for example, when examining clothing fibers). For example, in product quality testing (also called technical testing), color sensors can be used to distinguish between different types of materials (eg, fibers) that could potentially contaminate a drug in a manufacturing facility.
Для осуществления полного осмотра емкости, зона осмотра устройства формирования изображения должна охватывать весь объем текучей среды. В то же время, устройство формирования изображения должно быть выполнено с возможностью различения мелких частиц. Системы визуального осмотра позволяют обеспечить крупные зоны осмотра и высокую разрешающую способность с широкоформатными датчиками высокой разрешающей способности, такими как 8-мегапиксельный ПЗС-датчик Allied Vision Technologies (AVT) Prosilica GX3300, обладающий разрешающей способностью 3296x2472 пикселов. Другие подходящие датчики включают 5-мегапиксельные камеры ACT Pike F505-B и Basler Pilot piA2400-17gm. После осуществления выбора оптических средств для получения полного изображения несущего жидкость корпуса шприца BD Нурак объемом 1 мл, ПЗС-датчик AVT Prosilica GX3300 получает данные временного ряда с пространственным разрешением примерно 10 мкм на пиксел в обоих поперечных размерах. Комбинация высокой скорости и высокого разрешения предполагает, что для записи данных временного ряда могут быть необходимы высокая скорость передачи данных и большие размеры файлов. Вследствие вышеуказанного, нижеописанные приемы сжатия видеоизображений специально подобраны с целью снижения требований к хранению данных с сохранением достоверности мелких деталей частиц, заснятых на изображении.To perform a complete inspection of the container, the inspection area of the imaging device must cover the entire volume of the fluid. At the same time, the imaging device must be capable of distinguishing small particles. Visual inspection systems provide large inspection areas and high resolution with large format, high resolution sensors such as the 8 megapixel Allied Vision Technologies (AVT) Prosilica GX3300 CCD sensor with 3296x2472 pixel resolution. Other suitable sensors include the 5MP ACT Pike F505-B and Basler Pilot piA2400-17gm cameras. After selecting optical means to obtain a complete image of the liquid-carrying body of the BD Nurak 1 ml syringe, the AVT Prosilica GX3300 CCD sensor acquires time series data with a spatial resolution of approximately 10 µm per pixel in both lateral dimensions. The combination of high speed and high resolution suggests that high data rates and large file sizes may be necessary to record time series data. Because of the above, the video compression techniques described below are specifically designed to reduce data storage requirements while maintaining the fidelity of the fine particle details captured in the image.
Собирающая оптика, передающая изображение интересующего участка на датчик, должна быть выбрана таким образом, что она обеспечивает четкие изображения всего объема с минимальным размером пятна, равным или меньшим, чем размер пиксела датчика, для обеспечения работы системы с наибольшей разрешающей способностью. Кроме того, собирающая оптика предпочтительно обладает глубиной резкости, достаточно большой для охвата всего объема пробы.The collecting optics that transmit the image of the area of interest to the sensor must be selected so that it provides clear images of the entire volume with a minimum spot size equal to or less than the pixel size of the sensor to ensure the system operates at the highest resolution. In addition, the collection optics preferably have a depth of field large enough to cover the entire sample volume.
Телецентрические линзы, такие как линза 114 по фиг. 4, особенно хорошо подходят для визуального осмотра объемов текучей среде вследствие того, что они специально выполнены нечувствительными к глубине резкости. Специалисту будет понятно, что телецентрическая линза представляет собой многокомпонентную линзу, в которой основные лучи коллимированы и параллельны оптической оси на изображении и/или пространстве объекта, что приводит к постоянной степени увеличения вне зависимости от изображения и/или местоположения объекта. Другими словами, для объекта, расположенного в некоторых пределах расстояний от устройства формирования изображения с телецентрической линзой, изображение объекта, полученное устройством формирования изображения, является четким и имеет постоянную степень увеличения вне зависимости от расстояния объекта от устройства формирования изображения. Это позволяет получать изображения, на которых частицы на задней части емкости 10 выглядят сходно с частицами на передней части емкости 10. Использование телецентрической линзы также позволяет снизить обнаружение внешнего освещения при условии использования равномерного темного фона. Подходящие телецентрические линзы 114 включают широкоформатную телецентрическую линзу Edmund Optics NT62-901 и телецентрическую линзу Edmund Optics NT56-675 TECHSPEC Silver Series 0.16x.Telecentric lenses, such as lens 114 of FIG. 4 are particularly well suited for visual inspection of fluid volumes due to the fact that they are specifically designed to be insensitive to depth of field. One skilled in the art will appreciate that a telecentric lens is a multi-component lens in which the primary rays are collimated and parallel to the optical axis in the image and/or object space, resulting in a constant degree of magnification regardless of the image and/or location of the object. In other words, for an object located within a certain range of distances from the telecentric lens imaging apparatus, the image of the object obtained by the imaging apparatus is clear and has a constant magnification ratio regardless of the distance of the object from the imaging apparatus. This allows for images to be obtained in which particles at the back of container 10 appear similar to particles at the front of container 10. The use of a telecentric lens also reduces ambient light detection as long as a uniformly dark background is used. Suitable telecentric lenses 114 include the Edmund Optics NT62-901 Wide Format Telecentric Lens and the Edmund Optics NT56-675 TECHSPEC Silver Series 0.16x Telecentric Lens.
Присущие емкостям слепые пятна.Inherent blind spots in containers.
Одной из задач практически любой системы визуального осмотра является обеспечение стопроцентного осмотра всего объема емкости. Однако на практике емкость может иметь фиксированные участки, на которых частицы не могут быть обнаружены, как показано на фиг. 5А. Во-первых, в анализ может быть сложно включить жидкость вокруг мениска вследствие того, что сам мениск рассеивает свет таким образом, что детектор на данном участке может быть насыщен, и при этом любые частицы или другие интересующие элементы могут быть скрыты. Во-вторых, в случае использования флакона, основание емкости обычно изогнуто по углам (этот участок обычно называют ножкой). Изогнутая ножкаOne of the goals of almost any visual inspection system is to ensure 100% inspection of the entire tank volume. However, in practice the container may have fixed areas where particles cannot be detected, as shown in FIG. 5A. First, it may be difficult to include fluid around the meniscus in the analysis due to the fact that the meniscus itself scatters light in such a way that the detector in that area may be saturated and any particles or other elements of interest may be obscured. Secondly, in the case of a bottle, the base of the container is usually curved at the corners (this area is usually called the stem). Curved leg
- 11 044111 искажает и по существу скрывает любые частицы, в достаточной мере приближающиеся ко дну флакона.- 11 044111 distorts and essentially hides any particles that are sufficiently close to the bottom of the bottle.
В-третьих, при использовании шприца, резиновая затычка содержит центральный конус, слегка выпячивающийся в объем емкости. Несмотря на то что наконечник указанного конуса довольно мал, он потенциально может скрывать частицы. Наименее заметные слепые пятна вызваны кривизной сосуда.Thirdly, when using a syringe, the rubber plug contains a central cone that protrudes slightly into the volume of the container. Although the tip of said cone is quite small, it has the potential to hide particles. The least noticeable blind spots are caused by the curvature of the vessel.
Цилиндрические емкости также могут являться причиной линзового эффекта, показанного на фиг. 5В (обозначен изогнутыми лучами 18), который негативно сказывается на работе телецентрической линзы. Изогнутые стенки емкости также образуют слепые пятна 14.Cylindrical containers can also cause the lens effect shown in FIG. 5B (indicated by curved beams 18), which negatively affects the operation of the telecentric lens. The curved walls of the container also form blind spots 14.
На фиг. 5Е показан пример линзового эффекта, вызванного цилиндрической емкостью 10. Камера/наблюдатель расположены в нижней части чертежа. Согласно вышеприведенному описанию, телецентрическая линза может быть использована при получении изображения частиц в емкости 10 для обеспечения единообразного вида частиц на изображении, не зависящего от их положения в емкости, т.е. их расстояния от камеры. С этой целью, в некоторых вариантах реализации, выбранная глубина резкости телецентрической линзы превышает диаметр объема текучей среды. В некоторых вариантах реализации, кривизна емкости нарушает данный принцип при отсутствии корректирующего оптического элемента.In fig. 5E shows an example of the lens effect caused by the cylindrical container 10. The camera/observer is located at the bottom of the drawing. As described above, a telecentric lens can be used when imaging particles in the container 10 to provide a uniform appearance of the particles in the image regardless of their position in the container, i.e. their distances from the camera. To this end, in some embodiments, the selected depth of field of the telecentric lens is greater than the diameter of the fluid volume. In some embodiments, the curvature of the capacitance violates this principle in the absence of a corrective optical element.
Согласно чертежу, форма и степень увеличения изображенной частицы в емкости 10 зависит от положения частицы в емкости. Частица 510, расположенная по центру емкости на первом плане, абсолютно не искажена (верхний инсет). Идентичная частица 502, расположенная сбоку на заднем плане, искажена в наибольшей мере (нижний инсет). Нужно отметить, что при использовании цилиндрической емкости, искажение возникает лишь вдоль горизонтальной оси (что видно на втором инсете).According to the drawing, the shape and degree of magnification of the depicted particle in container 10 depends on the position of the particle in the container. Particle 510, located in the center of the container in the foreground, is absolutely not distorted (top inset). Identical particle 502, located to the side in the background, is distorted to the greatest extent (lower inset). It should be noted that when using a cylindrical container, distortion occurs only along the horizontal axis (as can be seen on the second inset).
С целью уменьшения указанных эффектов, между телецентрической линзой 114 и емкостью 10 размещена необязательная корректировочная оптика, такая как корректировочная линза 116 согласно фиг. 5С. Дополнительная оптика 118 пространственной коррекции может обеспечивать дополнительную компенсацию искажения, вызванного формой емкости, согласно фиг. 5D. В различных вариантах реализации, в дополнение или вместо корректировочной линзы 116 и оптики 118 могут быть использованы любые подходящие корректировочные оптические элементы, например, специально подобранные в расчете на кривизну емкости 10 и/или коэффициент преломления текучей среды.To reduce these effects, optional correction optics such as correction lens 116 of FIG. 5C. Additional spatial correction optics 118 may provide additional compensation for distortion caused by the capacitance shape, as shown in FIG. 5D. In various embodiments, any suitable correction optical elements may be used in addition to or instead of the correction lens 116 and optics 118, such as those specifically selected for the curvature of the container 10 and/or the refractive index of the fluid.
Например, в некоторых вариантах реализации, может быть разработана модель линзового эффекта, вызванного цилиндрической емкостью 10. Модель может быть основана на подходящем наборе параметров, характеризующих оптическое искажение, включая, например, внешний диаметр емкости, внутренний диаметр емкости, коэффициент преломления емкости, коэффициент преломления текучей среды, и длину волны светового излучения. Модель может быть разработана с использованием любых известных из уровня техники приемов, включая, например, метод отслеживания траектории луча. На фиг. 5F показаны примеры теоретических моделей линзового эффекта для двух различных групп параметров емкости (сверху слева, снизу слева), а также экспериментальные данные для соответствующих физических условий (сверху справа, снизу справа). Из чертежа видно, что теоретическая модель точно совпадает с экспериментальными данными.For example, in some embodiments, a model of the lens effect caused by the cylindrical container 10 may be developed. The model may be based on a suitable set of parameters characterizing optical distortion, including, for example, the outer diameter of the container, the inner diameter of the container, the refractive index of the container, the refractive index fluid, and the wavelength of light radiation. The model may be developed using any techniques known in the art, including, for example, ray tracing techniques. In fig. Figure 5F shows examples of theoretical models of the lens effect for two different groups of capacitance parameters (top left, bottom left), as well as experimental data for the corresponding physical conditions (top right, bottom right). It can be seen from the drawing that the theoretical model exactly matches the experimental data.
Согласно фиг. 5G и 5Н, корректирующий оптический элемент 503 (представленный на чертеже линзой) использован для корректировки вышеописанного линзового эффекта. Конструкция корректирующего оптического элемента может быть основана на теоретической оптической модели емкости, на экспериментальных данных, описывающих оптические свойства емкости, или на комбинациях двух указанных видов данных. Согласно чертежу, корректирующий оптический элемент 503 выполнен из преломляющего материала, и имеет переднюю и заднюю поверхности цилиндрической формы. В некоторых вариантах реализации, конструкция линзы может быть определена с использованием свободных параметров, включающих радиус передней и задней поверхностей, толщину линзы, коэффициент преломления линзы, и местоположение линзы относительно емкости.According to FIG. 5G and 5H, a correction optical element 503 (represented by a lens in the drawing) is used to correct the above-described lens effect. The design of a corrective optical element can be based on a theoretical optical model of the capacitance, on experimental data describing the optical properties of the capacitance, or on combinations of the two. According to the drawing, the correction optical element 503 is made of a refractive material, and has front and rear surfaces of a cylindrical shape. In some embodiments, the design of the lens may be determined using free parameters including the radius of the front and rear surfaces, the thickness of the lens, the refractive index of the lens, and the location of the lens relative to the capacitance.
В некоторых вариантах реализации, передняя и задняя поверхности линзы могут иметь другую форму, например, параболическую или произвольную желаемую форму. В некоторых вариантах реализации, смягчение требований к цилиндрической форме поверхностей позволяет увеличить размер пространства параметров для конструкции корректирующего оптического элемента 503, что позволяет обеспечить улучшенную коррекцию искажений.In some embodiments, the front and rear surfaces of the lens may have other shapes, such as parabolic or any desired shape. In some embodiments, relaxing the cylindrical surface requirements allows the size of the parameter space for the design of the correction optical element 503 to be increased, allowing for improved distortion correction.
В некоторых вариантах реализации, корректирующий оптический элемент 503 может содержать несколько элементов, что дополнительно повышает пространство конструктивных параметров. В некоторых вариантах реализации, корректирующий оптический элемент 503 может корректировать другие виды оптического искажения, аберрации, или другие эффекты. Например, при использовании освещения с несколькими длинами волн, корректирующий оптический элемент 503 может быть использован для коррекции хроматической аберрации.In some embodiments, the correction optical element 503 may comprise multiple elements, further increasing the design parameter space. In some embodiments, correction optical element 503 may correct other types of optical distortion, aberration, or other effects. For example, when using multi-wavelength lighting, the correction optical element 503 can be used to correct chromatic aberration.
В некоторых вариантах реализации, корректирующий оптический элемент 503 может быть выполнен с возможностью коррекции искажения, вызванного определенным видом емкости и/или текучей среды. Вследствие того, что один автоматизированный блок 100 визуального осмотра может быть использован с несколькими видами емкостей, в некоторых вариантах реализации может быть желательно обеспечить возможность избирательной замены корректирующего оптического элемента 503 для обеспечения его соответствия определенной исследуемой емкости 10. Например, на фиг. 51 показана стойка 504, наIn some embodiments, the correction optical element 503 may be configured to correct distortion caused by a particular type of capacitance and/or fluid. Because a single automated visual inspection unit 100 may be used with multiple types of containers, in some embodiments it may be desirable to be able to selectively replace the correction optical element 503 to match a particular container 10 being examined. For example, in FIG. 51 shows the rack 504, on
- 12 044111 которой размещено несколько корректирующих оптических элементов 503. Стойка может быть перемещена (вручную или автоматически) с целью размещения выбранного элемента в оптической цепи для устройства 110 формирования изображения. Необходимо понимать, что, несмотря на то, что на чертеже показана стойка, в различных вариантах реализации может быть использован любой другой механизм, подходящий для выбора одного оптического элемента из набора, состоящего из множества оптических элементов.- 12 044111 which houses several correction optical elements 503. The stand can be moved (manually or automatically) to accommodate the selected element in the optical chain for the image forming device 110. It should be understood that while a stand is shown in the drawing, in various embodiments, any other mechanism suitable for selecting one optical element from a set of multiple optical elements may be used.
Альтернативные системы визуального осмотра могут содержать адаптивную оптику для компенсации искажения, вызванного кривизной емкости. Например, телецентрическая линза 114 может быть выполнена с возможностью формирования изображения емкости 10, отраженного от деформируемого зеркала, такого как зеркало на основе микроэлектромеханической системы (MEMS). Датчик 112 использует данные фона для выведения природы и степени аберраций, вызванных кривизной поверхности, дефектами поверхности, и другими дефектами емкости 10. Датчик 112 отправляет указанную информацию обратно на деформируемое зеркало, которое реагирует путем корректировки его поверхности с целью компенсации аберраций. Например, деформируемое зеркало может изгибаться или искривляться в одном направлении с целью компенсации кривизны емкости. Вследствие того, что деформируемое зеркало реагирует динамически, оно может быть использовано для компенсации аберраций, присущих каждой отдельной емкости 10.Alternative visual inspection systems may include adaptive optics to compensate for distortion caused by the curvature of the container. For example, the telecentric lens 114 may be configured to form an image of the capacitance 10 reflected from a deformable mirror, such as a microelectromechanical system (MEMS) mirror. Sensor 112 uses background data to infer the nature and extent of aberrations caused by surface curvature, surface imperfections, and other defects in capacitance 10. Sensor 112 sends this information back to the deformable mirror, which responds by adjusting its surface to compensate for the aberrations. For example, a deformable mirror may bend or bend in one direction to compensate for the curvature of the container. Because the deformable mirror responds dynamically, it can be used to compensate for aberrations inherent in each individual capacitance 10.
Кроме того, отслеживание частиц может быть настроено на обнаружение исчезновения частиц на известных участках, соответствующих указанным слепым пятнам, что позволяет программе прогнозировать возможность и время возможного последующего повторного появления частицы на видеоизображении согласно нижеприведенному описанию.In addition, particle tracking can be configured to detect the disappearance of particles in known areas corresponding to specified blind spots, allowing the program to predict the possibility and timing of a possible subsequent reappearance of a particle in the video image as described below.
Дополнительные приемы решения проблем, связанных со слепыми пятнами (например, посредством использования нескольких устройств формирования изображения), описаны ниже.Additional techniques for solving blind spot problems (eg, using multiple imaging devices) are described below.
Частота кадров камеры.Camera frame rate.
Нижеописанное эффективное отслеживание частиц с использованием алгоритма ближайшего совпадения (поглощающего алгоритма) может быть рассмотрено в виде функции трех основных факторов: скорости формирования изображения (частоты кадров) камеры, плотности частицы (на двухмерном изображении) и стандартной скорости частицы. Для обеспечения практически эффективного отслеживания с использованием алгоритма ближайшего совпадения, камера должна иметь частоту кадров, достаточно быструю для соответствия нижеследующему критерию:The efficient particle tracking described below using the closest match algorithm (absorbing algorithm) can be viewed as a function of three main factors: the imaging speed (frame rate) of the camera, the density of the particle (in a 2D image), and the standard speed of the particle. To achieve practically effective tracking using the closest match algorithm, the camera must have a frame rate fast enough to meet the following criterion:
Частота кадров камеры > Максимальная скорость частицы / Минимальное расстояние между частицами.Camera frame rate > Maximum particle speed / Minimum distance between particles.
На практике, при проецировании трехмерного объема на двухмерное изображение, возможен вариант, при котором частицы кажутся максимально приближенными друг к другу (или даже загораживающими друг друга), в то время как в действительности они в достаточной мере разнесены в пространстве в емкости. Принимая во внимание указанный факт, представляется более целесообразным рассматривать среднее расстояние от близлежащей частицы, а не очевидное минимальное расстояние между частицами. Нужно отметить, что расстояние от близлежащей частицы представляет собой расстояние между соседними частицами на отдельно взятом кадре данных временного ряда, а расстояние ближайшего совпадения относится к расстоянию между положениями, отмеченными для одной частицы на последовательных кадрах данных временного ряда. Перерасчет критерия скорости камеры в соответствии с расстоянием ближайшего совпадения дает:In practice, when projecting a three-dimensional volume onto a two-dimensional image, it is possible that the particles appear as close to each other as possible (or even block each other), while in reality they are sufficiently spaced apart in space in the container. Taking into account this fact, it seems more appropriate to consider the average distance from a nearby particle, rather than the obvious minimum distance between particles. It should be noted that the nearby particle distance represents the distance between neighboring particles in a single frame of time series data, and the closest match distance refers to the distance between positions marked for the same particle in successive frames of time series data. Recalculating the camera speed criterion according to the distance of the closest match gives:
Частота кадров камеры > Максимальная скорость частицы / Минимальное расстояние между частицами.Camera frame rate > Maximum particle speed / Minimum distance between particles.
В альтернативных системах визуального осмотра вместо приемов отслеживания частиц на основе ближайшего совпадения (поглощающих приемов) могут быть использованы прогнозные приемы отслеживания. В прогнозных приемах данные об известной траектории частицы вкупе с данными о пространственных ограничениях емкости и ожидаемом поведении текучей среды используют для оценки наиболее вероятного положения частицы на следующем кадре. При безошибочном выполнении, указанный подход может позволить более точно отслеживать частицы, перемещающиеся со скоростью на интенсивных изображениях.Alternative visual inspection systems may use predictive tracking techniques instead of nearest-match particle tracking techniques (absorption techniques). In predictive techniques, data about the known trajectory of a particle, coupled with data about the spatial constraints of the container and the expected behavior of the fluid, are used to estimate the most likely position of the particle in the next frame. If executed without error, this approach can allow more accurate tracking of particles moving at speed in intense images.
При попытках обнаружить и измерить крайне малые частицы в относительно больших емкостях предпочтительно максимально увеличить пространственную разрешающую способность датчика изображений. В целом, непосредственный эффект указанного увеличения заключается в понижении максимально возможной частоты кадров датчика.When attempting to detect and measure extremely small particles in relatively large containers, it is preferable to maximize the spatial resolution of the image sensor. In general, the immediate effect of this increase is to lower the maximum possible frame rate of the sensor.
Визуальный осмотр с использованием нескольких устройств формирования изображения.Visual inspection using multiple imaging devices.
При использовании одной камеры, качество осмотра может быть снижено вследствие наличия известных слепых пятен. Кроме того, наложение трехмерного изображения распределения частиц на двухмерное изображение может привести к неясностям вследствие загораживания частиц (например, согласно фиг. 5Е, на которой частица по центру емкости на заднем плане загорожена частицей по центру на переднем плане). В альтернативных системах визуального осмотра (например, согласно фиг. 6) данная проблема может быть в принципе решена путем корреляции результатов, полученных от двух или более систем формирования изображения. При корреляции информации позиционной траектории, полученных от двух или более камер, могут быть построены подробные трехмерные карты траекторий, которые мо- 13 044111 гут быть более надежными и менее подверженными ошибкам вследствие окклюзии (согласно нижеприведенному описанию) по сравнению с двухмерными картами траекторий.When using a single camera, the quality of the inspection may be reduced due to known blind spots. In addition, superimposing a 3D image of a particle distribution onto a 2D image can lead to ambiguities due to particle occlusion (eg, according to Fig. 5E, in which a particle centered in a container in the background is occluded by a particle centered in the foreground). In alternative visual inspection systems (eg, according to FIG. 6), this problem can in principle be solved by correlating the results obtained from two or more imaging systems. By correlating positional trajectory information from two or more cameras, detailed 3D trajectory maps can be constructed which can be more reliable and less prone to occlusion errors (as described below) than 2D trajectory maps.
Увеличение пространственной разрешающей способности устройства формирования изображения также ограничивает скорость получения данных (частоту кадров) для отдельно взятой концентрации частиц и скорости частиц. При исследовании неизвестных емкостей, не может быть гарантии, что концентрация частиц будет в достаточной мере низка. В то же время, для обеспечения взвешивания тяжелых частиц, таких как стекло или металл, в текучей среде, может быть необходима довольно высокая скорость вращения в емкости, что приводит к высокой скорости движения частиц на полученном потоке видеоизображения. Один из способов решения указанного противоречия заключается в использовании раскрытого в нижеприведенном описании инновационного аппаратного обеспечения для формирования изображения. При использовании лучших из доступных на рынке датчиков и рассеивании частицами в емкости достаточного объема света, скорость получения данных может быть дополнительно увеличена путем уплотнения данных от двух или более датчиков с постоянным надежным запуском посредством специального источника запуска.Increasing the spatial resolution of the imaging device also limits the data acquisition rate (frame rate) for a given particle concentration and particle velocity. When examining unknown containers, there can be no guarantee that the particle concentration will be sufficiently low. At the same time, to ensure suspension of heavy particles, such as glass or metal, in a fluid medium, a fairly high rotation speed in the container may be necessary, which leads to high particle speed in the resulting video stream. One way to resolve this controversy is to use the innovative imaging hardware disclosed below. By using the best sensors available on the market and allowing enough light to be scattered by the particles in the container, the data acquisition rate can be further increased by condensing the data from two or more sensors with constant reliable triggering via a dedicated trigger source.
Кроме того, примерные системы визуального осмотра могут быть выполнены с возможностью обеспечения пространственного разрешения выше 10 мкм вследствие устранения необходимости полного осмотра емкости и рассмотрения лишь части объема. В целом, данный прием подходит для исследования невидимых частиц, в особенности белковых агрегатов, вследствие того, что более мелкие частицы обычно присутствуют в больших количествах и более равномерно распределены по объему. В еще одном варианте реализации, примерные системы визуального осмотра могут обеспечивать полный обзор емкости и высокое пространственное разрешение путем использования нескольких устройств формирования изображения с различными степенями увеличения для параллельного получения данных временного ряда на обширном участке и с высоким разрешением.In addition, exemplary visual inspection systems may be designed to provide spatial resolution greater than 10 μm by eliminating the need for a complete inspection of the container and viewing only a portion of the volume. In general, this technique is suitable for studying invisible particles, especially protein aggregates, due to the fact that smaller particles are usually present in larger quantities and more uniformly distributed throughout the volume. In yet another embodiment, exemplary visual inspection systems can provide a complete view of the tank and high spatial resolution by using multiple imaging devices at varying degrees of magnification to simultaneously acquire time series data over a wide area and at high resolution.
Различные степени увеличения могут быть использованы одновременно, например согласно фиг. 6А, на которой один формирователь 1102 изображения используют для осмотра всей емкости, а второй формирователь 1104 с большей степенью увеличения (например, объектив микроскопа с длинным фокусным расстоянием) используют для детализации изображения более мелкого подобъема и исследования, например, крайне малых частиц (например, частиц с диаметром примерно 10 мкм, 5 мкм, 1 мкм или меньше). Другие системы визуального осмотра могут содержать несколько устройств 1102, 1104 и 1106 формирования изображения, расположенных вокруг емкости, подсвеченного посредством одного или более колец светодиодов 1120, установленных выше и ниже емкости 10 согласно фиг. 6В. Идентичные формирователи 1102 изображения, размещенные в различных точках, обеспечивают бинокулярный обзор. Формирователь 1104 изображения с объективом микроскопа с длинным фокусным расстоянием обеспечивает высокое разрешение для подобъема емкости 10, а формирователь 1106 изображения с альтернативным датчиком (например, инфракрасным датчиком, болометром, и т.д.) обеспечивает дополнительные данные временного ряда.Different magnification levels can be used simultaneously, for example according to FIG. 6A, in which one imager 1102 is used to view the entire container, and a second imager 1104 with a higher magnification (e.g., a microscope lens with a long focal length) is used to image a finer subvolume in detail and examine, for example, extremely small particles (e.g. particles with a diameter of approximately 10 µm, 5 µm, 1 µm or less). Other visual inspection systems may include multiple imaging devices 1102, 1104, and 1106 located around a container illuminated by one or more rings of LEDs 1120 mounted above and below the container 10 of FIG. 6B. Identical imagers 1102 placed at different locations provide binocular viewing. An imager 1104 with a long focal length microscope lens provides high resolution for a subvolume of the container 10, and an imager 1106 with an alternative sensor (eg, an infrared sensor, a bolometer, etc.) provides additional time series data.
На фиг. 6С и 6D показаны альтернативные конфигурации формирования изображения, использующие свойства телецентрического формирования изображения. На задней апертуре телецентрической линзы, 50/50 светоделительный куб 1202 разделяет проецируемое изображение на два отдельных отвода изображения. Каждый из отводов изображения может содержать низкоскоростной датчик 1222 с высокой разрешающей способностью, работающий поочередно с датчиком 1222 в другом отводе, согласно фиг. 6С, с целью удвоения частоты кадров. Другими словами, использование двух датчиков 1222 одновременно с относительным сдвигом фазы полуцикла увеличивает разрешение по времени в два раза. Потоки изображения затем могут быть совмещены с обеспечением одного видеоизображения с двойной (относительно номинальной для датчика) частотой кадров.In fig. 6C and 6D show alternative imaging configurations utilizing telecentric imaging properties. At the rear aperture of the telecentric lens, a 50/50 beam splitter cube 1202 splits the projected image into two separate image taps. Each of the image fingers may include a low-speed, high-resolution sensor 1222 that operates alternately with sensor 1222 in the other finger, as shown in FIG. 6C, with the goal of doubling the frame rate. In other words, using two 1222 sensors simultaneously with a relative half-cycle phase shift increases the time resolution by a factor of two. The image streams can then be combined to provide a single video image at twice the sensor's nominal frame rate.
В еще одном варианте реализации, каждый отвод может содержать другой датчик, согласно фиг. 6D, например, с целью компенсации компромисса, связанного с матрицей датчиков для формирования изображения: чем выше разрешающая способность камеры, тем меньше максимально возможная частота кадров камеры (например, 10-50 или 15-25 кадров в секунду при полном разрешении, и 50-200 кадров в секунду при низком разрешении, и т.д.). Наиболее важным параметром работы датчика для точного отслеживания частиц является высокое разрешение по времени (высокая частота кадров). Однако, для точного определения размеров частиц, наиболее важным параметром работы датчика является высокое пространственное разрешение (наибольшее возможное количество пикселов на изображении). В настоящее время, основным ограничивающим фактором для пространственного разрешения и скорости передачи данных является шина передачи данных. Известные формирователи изображения могут получать данные временного ряда для емкости высотой 4 см с пространственным разрешением примерно 10 мкм на пиксел и скоростью передачи данных примерно 25 кадров в секунду для стандартной шины персонального компьютера (например, двойной шины GigE или CameraLink).In yet another embodiment, each tap may include a different sensor, as shown in FIG. 6D, for example, to compensate for the trade-off associated with the image sensor array: the higher the camera resolution, the lower the maximum possible frame rate of the camera (for example, 10-50 or 15-25 fps at full resolution, and 50- 200 fps at low resolution, etc.). The most important sensor performance parameter for accurate particle tracking is high time resolution (high frame rate). However, to accurately determine particle sizes, the most important sensor performance parameter is high spatial resolution (the largest possible number of pixels in the image). Currently, the main limiting factor for spatial resolution and data rate is the data bus. Conventional imagers can acquire time series data for a 4 cm tall container with a spatial resolution of approximately 10 μm per pixel and a data rate of approximately 25 frames per second on a standard personal computer bus (eg, dual GigE bus or CameraLink).
На фиг. 6D показан один из способов достижения большой частоты кадров и высокого разрешения: изображение текучей среды получают посредством низкоскоростного датчика 1222 с высокой разрешающей способностью и посредством датчика 1224 с более низкой пространственной разрешающей способностью, но с более высокой частотой кадров. Внешний запуск может обеспечить соизмеримую син- 14 044111 хронизацию двух камер. Вследствие того, что камеры фиксируют копии одного изображения, данные камер могут быть непосредственно скоррелированы для обеспечения улучшенного анализа частиц.In fig. 6D shows one way to achieve high frame rates and high resolution: the fluid is imaged by a low speed, high resolution sensor 1222 and by a lower spatial resolution but higher frame rate sensor 1224. External triggering can provide commensurate synchronization of the two cameras. Because the cameras capture copies of a single image, camera data can be directly correlated to provide improved particle analysis.
На фиг. 7А и 7В проиллюстрировано хронирование и управление источниками 120 освещения и несколькими камерами. На фиг. 7А и на фиг. 7В, контроллер 702 запуска испускает два сигнала запуска, обозначенные позициями ARM 1 и ARM 2 на фиг. 7А и 7В, причем сигналы выведены путем прореживания основного импульсного сигнала. Сигнал ARM 1 запуска приводит в действие первую камеру (позиция 1102а на фиг. 7А, 1222а на фиг. 7В), а сигнал ARM 2 запуска приводит в действие вторую камеру (позиция 1102b на фиг. 7A, 1222b на фиг. 7В) поочередно. Другими словами, под действием сигналов запуска, первая и вторая камеры получают поочередные последовательности кадров. Контроллер 702 запуска может также приводить в действие источник 120 освещения посредством сигнала освещения, при получении которого источник 120 освещения освещает емкость при каждом получении изображения первой или второй камерой. Также возможны и другие последовательности запуска; например, контроллер 702 запуска может приводить в действие дополнительные камеры и/или комбинации камер с высокой и низкой разрешающими способностями, получающие изображения с различной частотой кадров.In fig. 7A and 7B illustrate the timing and control of lighting sources 120 and multiple cameras. In fig. 7A and FIG. 7B, trigger controller 702 emits two trigger signals, designated ARM 1 and ARM 2 in FIG. 7A and 7B, the signals being output by decimating the main pulse signal. The trigger signal ARM 1 drives the first chamber (1102a in FIG. 7A, 1222a in FIG. 7B) and the trigger signal ARM 2 drives the second chamber (1102b in FIG. 7A, 1222b in FIG. 7B) in turn. In other words, under the influence of trigger signals, the first and second cameras receive alternate sequences of frames. The trigger controller 702 may also drive the light source 120 via a light signal, upon receipt of which the light source 120 illuminates the container whenever an image is acquired by the first or second camera. Other startup sequences are also possible; for example, trigger controller 702 may drive additional cameras and/or combinations of high- and low-resolution cameras that capture images at different frame rates.
Специалисту будет очевидно, что в равной степени возможны и другие конфигурации. Например, датчики формирования изображения на каждом из отводов могут быть взаимно эквивалентны, но собирающая оптика может быть разной. Один отвод может содержать дополнительную оптику для увеличения изображения с целью детализации определенного участка изображения с обеспечением широкопольного и увеличенного видов одновременно.It will be apparent to one skilled in the art that other configurations are equally possible. For example, the imaging sensors on each finger may be equivalent, but the collection optics may be different. One bend may contain additional optics to magnify the image to detail a specific area of the image, providing wide-field and magnified views simultaneously.
Конфигурации освещения.Lighting configurations.
Заявленные системы визуального осмотра используют особенности взаимодействия различных частиц со светом для обнаружения и идентификации частиц в емкостях, содержащих жидкость. Взаимодействие частицы со светом представляет собой сложную функцию ряда факторов, включающих размер частицы, ее форму, коэффициент преломления, коэффициент отражения и непрозрачность. Белоксодержащие частицы могут в основном рассеивать свет путем его преломления, а пластинчатые частицы стекла могут в основном отражать свет. Некоторые частицы, например, коллагеновые волокна, могут изменять присущие свету физические свойства, такие как вращение и поляризация. Высокоточное обнаружение и дифференциация могут быть обеспечены путем адаптации детектора, частицы и геометрии света с целью максимального увеличения контраста между различными видами частиц.The claimed visual inspection systems use the interaction of various particles with light to detect and identify particles in containers containing liquid. The interaction of a particle with light is a complex function of a number of factors including particle size, shape, refractive index, reflectance and opacity. Protein-containing particles can mainly scatter light by refraction, and plate glass particles can mainly reflect light. Some particles, such as collagen fibers, can change the inherent physical properties of light, such as rotation and polarization. High-precision detection and differentiation can be achieved by tailoring the detector, particle, and light geometry to maximize the contrast between different particle species.
На фиг. 8-12 показаны различные конфигурации освещения, адаптированные или выполненные с возможностью переключения/привода в различные виды освещения для конкретных видов частиц, емкости и/или текучей среды. Например, источники света могут освещать частицы с обеспечением максимального повышения объема света, отражаемого или преломляемого ими по направлению к детектору, причем фон оставляют темным с целью максимального увеличения контраста между изображениями частиц и фоном. Кроме того, источники могут испускать излучение с любой подходящей длиной волны или в любых диапазонах значений длины волны. Например, источники могут излучать широкополосный белый свет (390-760 нм), узкополосный луч (например, 632 нм), или даже ультрафиолетовое или рентгеновское излучение. Подходящие диапазоны включают: 10-3000 нм, 100-390 нм (ультрафиолетовый), 390760 нм (видимый), 760-1400 нм (ближний инфракрасный), и 1400-3000 нм (средневолновый инфракрасный). Также возможно и рентгеновское излучение (<10 нм). В полной совокупности, раскрытый в настоящем изобретении объем вариантов освещения позволяет заявленным системам визуального осмотра обнаруживать и идентифицировать весь диапазон частиц, которые могут присутствовать в лекарственных препаратах.In fig. 8-12 show various lighting configurations adapted or configured to switch/drive different types of lighting for specific types of particles, containers and/or fluids. For example, light sources may illuminate the particles to maximize the amount of light they reflect or refract towards a detector, while leaving the background dark to maximize the contrast between the particle images and the background. In addition, the sources may emit radiation at any suitable wavelength or range of wavelengths. For example, the sources may emit broadband white light (390-760 nm), narrow-band beam (eg, 632 nm), or even ultraviolet or x-ray radiation. Suitable ranges include: 10-3000 nm, 100-390 nm (ultraviolet), 390760 nm (visible), 760-1400 nm (near-infrared), and 1400-3000 nm (mid-wave infrared). X-ray radiation (<10 nm) is also possible. Taken together, the scope of illumination options disclosed in the present invention allows the inventive visual inspection systems to detect and identify the full range of particles that may be present in drug products.
Вследствие того, что некоторые частицы крайне слабо рассеивают свет, зачастую предпочтительно облучать пробу наибольшим возможным объемом света. Верхняя граница возможного облучения пробы в первую очередь зависит от светочувствительности исследуемого продукта. Также может быть необходим взвешенный выбор длины волны, в особенности для биологических продуктов; конкретный выбор зависит от облучаемого продукта. Монохромный красный свет с длиной волны около 630 нм представляет собой золотую середину, а излучение указанной длины волны широко доступно в недорогих источниках света.Due to the fact that some particles scatter light very poorly, it is often preferable to irradiate the sample with the greatest amount of light possible. The upper limit of possible sample irradiation primarily depends on the photosensitivity of the product being tested. Careful selection of wavelength may also be necessary, particularly for biological products; the specific choice depends on the product being irradiated. Monochrome red light with a wavelength of about 630 nm represents the sweet spot, and emission of this wavelength is widely available in inexpensive light sources.
Матрицы светодиодов, такие как ряд матриц светодиодов LDL2 компании CCS Lighting, эффективны при освещении частиц, встречающихся в фармацевтических продуктах; однако, также могут быть использованы коллимированные лазерные лучи. В некоторых случаях, светооптика может структурировать или формовать луч излучения, коллимируемый внутри объема текучей среды (а не вне емкости). В случае если нагревание источника света при использовании альтернативных источников света нежелательно, свет может быть доставлен на участок осмотра посредством использования оптических волноводов или оптических волокон 124 согласно фиг. 8.LED arrays, such as CCS Lighting's range of LDL2 LED arrays, are effective at illuminating particles found in pharmaceutical products; however, collimated laser beams can also be used. In some cases, light optics can structure or shape a beam of radiation that is collimated within a volume of fluid (rather than outside the container). In the event that heating of the light source is not desired when using alternative light sources, light may be delivered to the inspection area through the use of optical waveguides or optical fibers 124 as shown in FIG. 8.
Длина волны освещения может быть выбрана на основании светопоглотительной и/или отражающей способности текучей среды и/или анализируемых частиц; указанный процесс особенно важен при исследовании светочувствительных фармацевтических продуктов. Красный свет (630 нм) обеспечивает приемлемый баланс между низкой светопоглотительной способностью белка и низкой светопоглотительной способностью воды. Стробирование освещения, синхронизированное с получением данных вре- 15 044111 менного ряда, помогает сохранить целостность светочувствительных фармацевтических продуктов путем минимизирования воздействия падающего на продукты света. Стробирование обладает двумя дополнительными преимуществами: светодиоды в указанном режиме работают более экономично, а стробирование уменьшает эффект вызванной движением размытости изображения, способной при отсутствии корректировки негативно влиять на измерения размеров частиц согласно нижеприведенному описанию.The wavelength of illumination can be selected based on the light absorption and/or reflectivity of the fluid and/or the particles being analyzed; this process is especially important when studying light-sensitive pharmaceutical products. Red light (630 nm) provides an acceptable balance between the low light absorbance of protein and the low light absorbance of water. Light gating, synchronized with time series data, helps preserve the integrity of light-sensitive pharmaceutical products by minimizing the impact of incident light on the products. Gating has two additional benefits: LEDs operate more economically in this mode, and gating reduces the effect of motion-induced blur, which, if uncorrected, can negatively affect particle size measurements as described below.
На фиг. 8 показана примерная изменяемая система 120 освещения, содержащая несколько источников 122a-122f света (в совокупности называемых источниками 122 света), которые могут представлять собой светодиоды, лазеры, флуоресцентные лампы или лампы накаливания, импульсные лампы или любой другой подходящий источник света или комбинацию подходящих источников света. Источники 122 света могут испускать видимое, инфракрасное и/или ультрафиолетовое излучение. Источники света по желанию могут быть узкополосными или широкополосными, и могут быть фильтрованы посредством соответствующих оптических фильтров или поляризаторов. На фиг. 8, например, поляризатор 126 поляризует свет, испускаемый источником 122f света, обеспечивающим фоновое освещение емкости. В дополнение к фоновому светильнику 122f, система 120 освещения содержит четыре источника 122a-122d света, расположенные на углах прямоугольной призмы вокруг емкости 10. Другой источник 122е освещает емкость 10 снизу посредством оптического волокна 124, связанного с коллиматором 126, направленным ко дну емкости 10. В некоторых случаях, волокно 124 и коллиматор 126 могут быть размещены внутри полого вала 128 шпинделя, используемого для вращения сосуда.In fig. 8 illustrates an exemplary variable lighting system 120 comprising multiple light sources 122a-122f (collectively referred to as light sources 122), which may be LEDs, lasers, fluorescent or incandescent lamps, flash lamps, or any other suitable light source or combination of suitable sources. Sveta. Light sources 122 may emit visible, infrared, and/or ultraviolet radiation. The light sources may be narrowband or broadband as desired, and may be filtered by suitable optical filters or polarizers. In fig. 8, for example, polarizer 126 polarizes light emitted by light source 122f providing background illumination of the container. In addition to the background light 122f, the lighting system 120 includes four light sources 122a-122d located at the corners of a rectangular prism around the container 10. Another light source 122e illuminates the container 10 from below through an optical fiber 124 coupled to a collimator 126 directed toward the bottom of the container 10. In some cases, the fiber 124 and collimator 126 may be placed within a hollow spindle shaft 128 used to rotate the vessel.
Несколько источников 122 света, показанных на фиг. 8, могут быть использованы для определения оптических свойств определенной частицы для обеспечения дифференциации, основанной на взаимодействии данной частицы со светом. Специалисту будет ясно, что различные частицы разным образом взаимодействуют со светом. Распространенные виды взаимодействия включают рассеивание, отражение, окклюзию или изменение поляризации света, согласно таблице ниже, в которой символ X указывает на видимость частицы данного вида при использовании заданного типа освещения; примеры показаны на фиг. 9A-9D и на фиг. 11 (описаны ниже). Символ М указывает на возможную видимость частиц данного вида при использовании заданного типа освещения, но частицы могут также быть обнаружены/дифференцированы путем сегментации изображения при последующей обработке и посредством приемов идентификации объектов.The multiple light sources 122 shown in FIG. 8 can be used to determine the optical properties of a particular particle to provide differentiation based on the particle's interaction with light. One skilled in the art will recognize that different particles interact with light in different ways. Common types of interaction include scattering, reflection, occlusion, or reversal of light polarization, as shown in the table below, in which the X symbol indicates the visibility of a given particle type under a given type of illumination; examples are shown in Figs. 9A-9D and FIGS. 11 (described below). The symbol M indicates the possible visibility of particles of a given type when using a given type of lighting, but particles can also be detected/differentiated by image segmentation in post-processing and through object identification techniques.
Взаимодействие различных видов частиц со светомInteraction of different types of particles with light
Вид частицыParticle type
Белок Пластинки Светонепроницаемые Целлюлоза Воздух частицыProtein Plates Lightproof Cellulose Air particles
Преобладающее взаимодействиеDominant interaction
Способ Рассеивание Отражение Окклюзия Смена Рассеивание освещения поляризацииMethod Diffusing Reflection Occlusion Shift Diffusing polarization lighting
Задний угол XXXXXRear corner XXXXX
Снизу XМBelow XM
ФоноваяX подсветкаBackgroundX backlight
Поляризующий ММ ХМ светPolarizing MM XM light
На фиг. 9А-9С показаны различные примеры освещения, которые могут быть реализованы в системе 120 освещения по фиг. 8 (некоторые источники 122 света опущены в целях ясности) для обеспечения дифференциации видов частиц на основании их взаимодействия со светом. На фиг. 9А, источники 122а и 122b света обеспечивают освещение со стороны заднего угла, пригодное для визуализации белков, а также большинства видов частиц, рассеивающих свет. На фиг. 9В, источник 122е света обеспечивает освещение снизу, пригодное для визуализации светоотражающих частиц, таких как пластинки стекла, отражающих свет по направлению к формирователю 110 изображения (обозначен горизонтальной стрелкой); частицы, рассеивающие, но не отражающие, свет (например, белки) могут быть невидимыми для датчика (диагональная стрелка). На фиг. 9С, источник 122f света обеспечивает равномерную фоновую подсветку сзади, пригодную для визуализации частиц, окклюдирующих свет, таких как частицы металла, частицы темного пластика и волокна. Специалисту будет очевидно, что также возможны и другие источники света и/или примеры и последовательности освещения.In fig. 9A-9C show various examples of lighting that may be implemented in the lighting system 120 of FIG. 8 (some light sources 122 are omitted for the sake of clarity) to allow differentiation of particle species based on their interaction with light. In fig. 9A, light sources 122a and 122b provide back angle illumination suitable for imaging proteins as well as most types of light scattering particles. In fig. 9B, light source 122e provides illumination from below suitable for imaging reflective particles, such as glass slabs, reflecting light toward imager 110 (indicated by a horizontal arrow); Particles that scatter, but do not reflect, light (such as proteins) may not be visible to the sensor (diagonal arrow). In fig. 9C, light source 122f provides a uniform backlight illumination suitable for imaging light-occluding particles such as metal particles, dark plastic particles, and fibers. One skilled in the art will appreciate that other light sources and/or illumination examples and sequences are also possible.
На фиг. 9D показано последовательное использование способов освещения по фиг. 9А-9С для получения данных временного ряда для рассеивающих, отражающих и/или окклюдирующих частиц. ВIn fig. 9D shows the sequential use of the lighting methods of FIG. 9A-9C to obtain time series data for scattering, reflecting and/or occluding particles. IN
- 16 044111 данном случае, система, содержащая равномерную фоновую подсветку, освещение от задних углов, нижнее освещение и одну камеру, поочередно освещает каждый кадр таким образом, что в любой момент времени активен лишь один определенный источник 122 света (или комбинация источников 122 света). При использовании одного устройства формирования изображения (не показан), для каждого полученного кадра данных временного ряда использован лишь один набор источников света. Повторение указанной последовательности позволяет обеспечить видеоизображение для каждой конфигурации освещения.- 16 044111 in this case, a system comprising uniform backlighting, backlighting, downlighting and one camera alternately illuminates each frame such that only one specific light source 122 (or combination of light sources 122) is active at any time. . When using a single imager (not shown), only one set of light sources is used for each acquired frame of time series data. Repeating this sequence provides a video image for each lighting configuration.
Получение последовательности видеоизображений с использованием вышеописанных способов освещения в определенной последовательности обеспечивает почти одновременное видеоизображение для каждого источника 122 света. По завершении процесса, данный способ обеспечивает три перемежающихся видеоизображения, по одному для каждого способа освещения. На каждом видеоизображении, частица на отдельно взятом кадре может коррелировать с указанной частицей на других двух видеоизображениях, полученных при использовании чередующихся способов освещения (незначительная разница во времени между кадрами при этом в расчет не принимается). Используя общую информацию, полученную на основании взаимодействия отдельно взятой частицы с различными способами освещения, можно сделать вывод о материальном составе частицы.Sequencing video images using the lighting techniques described above in a specific sequence provides nearly simultaneous video images for each light source 122. Once the process is complete, this method provides three interleaved video images, one for each lighting method. In each video image, a particle in a single frame may correlate with a specified particle in two other video images obtained using alternating lighting methods (minor time differences between frames are not taken into account). Using general information obtained from the interaction of a single particle with various methods of illumination, it is possible to infer the material composition of the particle.
Указанный способ может быть комбинирован с другой информацией выделения объектов на изображении с целью повышения определенности. Например, видеоизображения могут быть автоматически разделены для определения объектов на каждом кадре. Такая информация, как размер, форма, яркость, гладкость и т.д., может быть автоматически определена для каждого объекта и для каждого способа освещения. Указанный процесс может способствовать дифференциации различных видов частиц, обладающих сходными показателями видимости при использовании каждого из различных способов освещения.This method can be combined with other information for identifying objects in the image to improve certainty. For example, video images can be automatically divided to identify objects in each frame. Information such as size, shape, brightness, smoothness, etc. can be automatically determined for each object and each lighting method. This process can help differentiate different types of particles that have similar visibility characteristics when using each of the different lighting methods.
На фиг. 10А-10С показан способ уменьшения блика, вызванного нежелательным отражением/преломлением света, испускаемого источниками 122 света, от емкости 10. Освещение емкости 10 приводит к появлению нежелательного блика на изображениях, полученных формирователями 110 изображения, оптические оси которых совпадают с направлением движения света от источников 122 света, отражающегося от поверхности емкости. Блик может скрывать частицы, обнаруживаемые в иных обстоятельствах, и насыщает участки датчика. Блик, обнаруживаемый датчиком, может быть уменьшен или устранен путем размещения устройства 110 формирования изображения или источников 122 света таким образом, что оптическая ось устройства формирования изображения не совпадает или не проходит параллельно лучам света, испускаемым источниками 122 света и отражающимся от емкости. Например, размещение источника или источников 122 света вне закрытой зоны, заданной вращением устройства формирования изображения вокруг продольной оси емкости 10, позволяет снизить объем нежелательного отраженного и/или преломленного света, принимаемого датчиком. В еще одном варианте реализации, зона 100 может быть задана в виде плоскости, ортогональной центральной оси цилиндрической емкости, толщина которой равна высоте вертикальных стенок емкостей. Специалисту будет очевидно, что емкости, имеющие более сложные формы, например вогнутые боковые стенки, могут иметь другие закрытые зоны и другую корректировочную оптику.In fig. 10A-10C illustrate a method for reducing glare caused by unwanted reflection/refraction of light emitted by light sources 122 from a container 10. Illumination of the container 10 results in unwanted glare in images produced by imagers 110 whose optical axes coincide with the direction of travel of the light from the sources. 122 light reflected from the surface of the container. The glare can hide particles that would otherwise be detected and saturates areas of the sensor. The glare detected by the sensor can be reduced or eliminated by positioning the imaging device 110 or light sources 122 such that the optical axis of the imaging device is not aligned with or parallel to the light rays emitted by the light sources 122 and reflected from the container. For example, placing the light source or sources 122 outside the enclosed area defined by rotation of the imaging device about the longitudinal axis of the container 10 can reduce the amount of unwanted reflected and/or refracted light received by the sensor. In yet another embodiment, zone 100 may be defined as a plane orthogonal to the central axis of the cylindrical container, the thickness of which is equal to the height of the vertical walls of the containers. It will be apparent to one skilled in the art that containers having more complex shapes, such as concave side walls, may have other enclosed areas and different correction optics.
Наклонное освещение боковых стенок емкости с точки выше или ниже зоны 1000, или непосредственно снизу от основания емкости также позволяет уменьшить блик, обнаруживаемый устройством 110 формирования изображения. Освещение емкости 10 снизу (например, посредством источника 122е света (фиг. 8)) также позволяет обеспечить отличный контраст между частицами, отражающими свет (например, пластинками стекла) и частицами, рассеивающими свет (например, частицами белка).Oblique illumination of the side walls of the container from a point above or below zone 1000, or directly below the base of the container, also reduces the glare detected by the imaging device 110. Illuminating the container 10 from below (eg, via light source 122e (FIG. 8)) also allows for excellent contrast between light reflecting particles (eg, glass slabs) and light scattering particles (eg, protein particles).
На фиг. 10D-10E показана альтернативная схема освещения для уменьшения или устранения блика из емкости 10, в которой один или более источников 122 света размещены в вышеописанной закрытой зоне (например, в горизонтальной плоскости емкости 10).In fig. 10D-10E show an alternative lighting arrangement for reducing or eliminating glare from container 10 in which one or more light sources 122 are located in the above-described enclosed area (eg, in the horizontal plane of container 10).
На фиг. 10D-10E показана модель лучевой оптики, демонстрирующая перемещение лучей снаружи от датчика устройства 110 формирования изображения, сквозь оптику формирования изображения устройства формирования изображения (согласно чертежу, включая телецентрическую линзу), и обратно сквозь емкость 10. Источник света, расположенный вдоль любого из лучей, проходящих обратно от датчика, преломляет или отражает свет на датчик, тем самым потенциально скрывая емкость 10 и его содержимое. Однако необходимо отметить, что обеспечены два участка 1001, расположенные в горизонтальной плоскости емкости 10 поблизости от внешней стенки емкости 10. Согласно фиг. 10Е, при размещении одного или более источников 122 света на участках 1001, может быть уменьшен или по существу устранен блик от источников света.In fig. 10D-10E is a beam optics model showing the movement of beams from outside the sensor of the imaging apparatus 110, through the imaging optics of the imaging apparatus (as shown, including the telecentric lens), and back through the capacitance 10. A light source located along any of the beams is passing back from the sensor refracts or reflects light onto the sensor, thereby potentially hiding the container 10 and its contents. However, it should be noted that two portions 1001 are provided located in the horizontal plane of the container 10 in the vicinity of the outer wall of the container 10. Referring to FIG. 10E, by placing one or more light sources 122 on areas 1001, glare from the light sources can be reduced or substantially eliminated.
Нужно отметить, что вследствие использования в показанном примере телецентрической линзы, в модели лучевой оптики необходимо рассматривать лишь лучи, падающие на датчик по нормали. Тем не менее, с учетом дополнительных лучей, сходный подход может быть применен и для других видов оптики формирования изображения. Например, в некоторых вариантах реализации, может быть обеспечено обратное прохождение представительного ряда лучей от датчика (например, включая исходные лучи системы формирования изображения) для определения участков, лишенных или по существу лишенныхIt should be noted that due to the use of a telecentric lens in the example shown, in the ray optics model it is necessary to consider only rays incident on the sensor along the normal. However, given the additional beams, a similar approach can be applied to other types of imaging optics. For example, in some embodiments, a representative series of rays from the sensor (e.g., including the original rays of the imaging system) may be reversed to determine areas lacking or substantially lacking
- 17 044111 проходящих обратно лучей. Источники освещения могут быть размещены на обнаруженных участках, что позволяет избежать блика.- 17 044111 rays passing back. Light sources can be placed in detected areas to avoid glare.
На фиг. 11 показана конструкция для различения удлиненных белковых агрегатов от целлюлозы и/или волокон (натуральных или синтетических) посредством поляризованного света. Система 120 освещения излучает свет по направлению к емкости 10, размещенному между скрещенными поляризаторами 900, обеспечивающими черное изображение при отсутствии частиц. Частицы, изменяющие (например, вращающие) поляризацию падающего света, на данных временного ряда, обнаруженных устройством 110 формирования изображения, выглядят белыми.In fig. 11 shows a design for distinguishing elongated protein aggregates from cellulose and/or fibers (natural or synthetic) using polarized light. The illumination system 120 emits light toward a container 10 positioned between crossed polarizers 900 providing a black, particle-free image. Particles that change (eg, rotate) the polarization of the incident light appear white in the time series data detected by the imaging device 110.
В случае, если интересующие частицы обладают известной флуоресцентностью, для идентификации частицы может быть использовано флуоресцентное формирование изображения согласно фиг. 12. В данном случае, источник 920 освещения излучает синий свет, возбуждающий интересующую частицу. Узкополосный (например, зеленый) фильтр 922, размещенный перед устройством 110 формирования изображения, позволяет лишь флуоресценции от возбужденных частиц достичь детектора. Данные длины волн освещения и фильтра могут быть выбраны для обеспечения соответствия специфическим интересующим длинам волн.In the event that the particles of interest have known fluorescence, fluorescence imaging can be used to identify the particle as shown in FIG. 12. In this case, illumination source 920 emits blue light to excite the particle of interest. A narrow bandpass (eg, green) filter 922 placed in front of the imager 110 allows only fluorescence from the excited particles to reach the detector. Illumination and filter wavelength data can be selected to match specific wavelengths of interest.
Наконец, могут быть обнаружены (и идентифицированы) частицы, не рассеивающие (преломляющие) и не отражающие свет, например, небольшие частицы черного светонепроницаемого материала. Для обнаружения подобных светонепроницаемых частиц, проба должна быть освещена непосредственно сзади. В таком случае, частицы могут быть различены в виде темных элементов на ярком фоне. Изображения светонепроницаемых частиц при необходимости могут быть инвертированы для получения изображений, обладающих той же полярностью, что и изображения рассеивающих и отражающих частиц (т.е. в результате чего частицы представлены в виде светлых пятен на темном фоне, вместо черных пятен на светлом фоне).Finally, particles that do not scatter (refract) or reflect light, such as small particles of black opaque material, can be detected (and identified). To detect such opaque particles, the sample must be illuminated directly from behind. In this case, particles can be distinguished as dark elements against a bright background. The images of opaque particles can be inverted, if necessary, to produce images that have the same polarity as the images of scattering and reflective particles (ie, causing the particles to appear as light spots on a dark background, instead of black spots on a light background).
Специфические платформы визуального осмотра для обнаружения пластинок.Specific visual inspection platforms for lamina detection.
Как известно специалисту, пластинки стекла представляют собой тонкие, гибкие частицы или хлопья стекла, образованные в результате химических реакций на внутренних поверхностях стеклянных емкостей. Заявленные системы и приемы могут быть использованы и/или адаптированы для обнаружения, идентификации и подсчета пластинок стекла с целью минимизирования вероятности назначения лекарственных средств, содержащих пластинки стекла для предотвращения назначения лекарственных средств с содержанием (избыточного количества) пластинок стекла. Заявленные системы и приемы могут также быть использованы и/или адаптированы для изучения образования пластинок стекла, зависящего от состава рассматриваемого препарата; пластинки стекла отличаются от белков и других видов частиц тем, что они отражают и рассеивают свет. Не ограничиваясь какой-либо отдельной теорией, отметим, что предположительно, определенные условия в большей мере способствуют или препятствуют образованию пластинок стекла. Например, стеклянные флаконы, изготовленные путем тюбинга и/или под воздействием высоких температур, обычно менее устойчивы к образованию пластинок, чем формованные стеклянные флаконы. Растворы лекарственных средств, приготовленные с высоким уровнем рН (щелочные) и с некоторыми буферами, такими как цитрат и тартрат, также способствуют образованию пластинок. Промежуток времени, в течение которого продукт подвержен воздействию внутренней поверхности емкости, а также температура лекарственного препарата, также влияют на вероятность образования пластинок стекла. Для получения дополнительной информации, см., например, Указания изготовителям лекарственных средств Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США: Образование пластинок стекла в некоторых инъекционных препаратах (25 марта 2011 г.) (www.fda.gov/Drugs/DrugSafety/ucm248490.htm), в полном объеме включенные в настоящую заявку путем ссылки.As is known to those skilled in the art, glass flakes are thin, flexible particles or flakes of glass formed as a result of chemical reactions on the internal surfaces of glass containers. The claimed systems and techniques can be used and/or adapted to detect, identify and count glass flakes in order to minimize the likelihood of prescribing drugs containing glass flakes to prevent the prescription of drugs containing (excessive amounts of) glass flakes. The claimed systems and techniques can also be used and/or adapted to study the formation of glass platelets, depending on the composition of the drug in question; Glass platelets differ from proteins and other types of particles in that they reflect and scatter light. Without limiting ourselves to any particular theory, it is believed that certain conditions are more likely to favor or inhibit the formation of glass platelets. For example, glass vials produced by tubing and/or high temperatures are generally less resistant to platelet formation than molded glass vials. Drug solutions prepared at high pH (alkaline) and with certain buffers such as citrate and tartrate also promote platelet formation. The length of time that the product is exposed to the interior of the container, as well as the temperature of the drug product, also affect the likelihood of glass platelet formation. For more information, see, for example, the US Food and Drug Administration's Guidance to Drug Manufacturers: Glass Plate Formation in Some Injectable Drugs (March 25, 2011) (www.fda.gov/Drugs/DrugSafety /ucm248490.htm), incorporated herein by reference in its entirety.
Для создания системы дифференциации, основанной на указанном принципе, устройство формирования изображения может быть стандартным образом подогнано к флакону таким образом, что свет падает через дно емкости (ортогонально относительно оси камеры). Данная конфигурация позволяет получать лишь незначительный сигнал от светорассеивающих частиц (например, белков), и мощный сигнал от частиц, отражающих свет (например, пластинок стекла). Другими словами, по мере проплывания пластинок по сосуду, они периодически сверкают на изображении. Указанный прием обладает высокой специфичностью дифференциации частиц-пластинок от белковых агрегатов. Кроме того, сигнал, полученный с использованием указанного приема формирования изображения, коррелирует с концентрацией пластинок внутри флакона. В результате, данный прием не только может быть использован для неразрушающего обнаружения пластинок в коммерческих продуктах, но также и в качестве инструмента для определения рецептур лекарственных средств, приводящих к повышенному/пониженному наличию пластинок.To create a differentiation system based on this principle, the imaging device can be conventionally fitted to the bottle such that light is incident through the bottom of the container (orthogonal to the axis of the camera). This configuration allows receiving only a small signal from light-scattering particles (for example, proteins), and a strong signal from particles that reflect light (for example, glass plates). In other words, as the plates float through the vessel, they periodically sparkle in the image. This technique has high specificity for differentiating platelet particles from protein aggregates. In addition, the signal obtained using the specified imaging technique correlates with the concentration of platelets inside the vial. As a result, this technique not only can be used for non-destructive detection of platelets in commercial products, but also as a tool for identifying drug formulations that lead to increased/decreased presence of platelets.
На фиг. 13А и 13В показаны проекционные изображения максимальной яркости (MIP) пластинок стекла (фиг. 13А) и белка (фиг. 13В), полученные посредством раскрытой системы визуального осмотра. Известные MIP-изображения используют в компьютерной томографии для обеспечения визуализации трехмерного пространства, рассматриваемого вдоль одной пространственной оси, например, оси z. Обычное MIP-изображение отображает максимальное значение данных, полученное вдоль оптическогоIn fig. 13A and 13B show maximum intensity projection (MIP) images of glass slabs (FIG. 13A) and protein (FIG. 13B) obtained by the disclosed visual inspection system. Known MIP images are used in computed tomography to provide visualization of three-dimensional space viewed along a single spatial axis, for example, the z-axis. A typical MIP image displays the maximum data value acquired along the optical
- 18 044111 луча, параллельного оси визуализации. Однако в данном случае, MIP-изображения по фиг. 13А и 13В представляют собой визуализацию данных, отображающих эволюцию двухмерного изображения во времени, т.е. они представляют собой проекции вдоль временной оси, а не пространственной оси.- 18 044111 beam parallel to the visualization axis. However, in this case, the mip images of FIG. 13A and 13B are data visualizations showing the evolution of a two-dimensional image over time, i.e. they are projections along a time axis rather than a spatial axis.
Для формирования MIP-изображений по фиг. 13А и 13В, процессор выбирает максимальное значение по меньшей мере некоторых пикселов из данных временного ряда, где каждый пиксел отображает объем света, отраженного (и/или переданного) от соответствующей точки пространства в сосуде. При картографировании полученных значений получают MIP-изображение, подобное показанным на фиг. 13А и 13В, отображающее наиболее яркое ранее зафиксированное значение пикселов. Процессор оценивает MIP-изображение путем подсчета количества пикселов на MIP-изображении, значение которых превышает заданное пороговое значение. В случае превышения оценочным значением ранее зафиксированного значения, отображающего количество пластинок в сходном сосуде, процессор устанавливает, что в данном сосуде статистически вероятно содержание пластинок стекла. Процессор может также определять степень загрязнения пластинками путем оценки количества, среднего размера и/или распределения по размеру пластинок стекла на основании MIP-изображения.To generate the MIP images of FIG. 13A and 13B, the processor selects the maximum value of at least some pixels from the time series data, where each pixel represents the amount of light reflected (and/or transmitted) from a corresponding point in space in the vessel. By mapping the obtained values, a mip image similar to that shown in FIG. 13A and 13B, displaying the brightest previously recorded pixel value. The processor evaluates the mip image by counting the number of pixels in the mip image whose value exceeds a specified threshold. If the estimated value exceeds the previously recorded value indicating the number of plates in a similar vessel, the processor determines that this vessel is statistically likely to contain glass plates. The processor may also determine the degree of slab contamination by estimating the number, average size, and/or size distribution of glass slabs based on the MIP image.
Заявленные системы могут также быть использованы для различения пластинок стекла и других частиц в сосуде, например, на основании отличий в объеме света, отражаемого частицами в виде функции времени, и/или на основании отличий в объеме света, передаваемого частицами. Некоторые непластинчатые частицы могут отражать свет, получаемый от источника света, освещающего сосуд снизу (например, источника 122е на фиг. 8), на детектор. Частицы стекла, частицы металла и инородные волокна, например, могут постоянно появляться на изображении при использовании конфигурации с освещением емкости снизу. Указанные виды частиц неизменно обнаруживаются по мере их перемещения по емкости, в отличие от пластинок, обнаружение которых зависит от их пространственной ориентации, и которые различимы лишь на протяжении нескольких кадров каждый раз, когда их местоположение приводит к отражению ими света по направлению к формирователю изображения. Для изображений данных временного ряда при освещении снизу может быть применено отслеживание частиц с целью отслеживания постоянно видимых, но движущихся частиц. Затем указанные траектории могут быть удалены из вычисления MIP, используемого для оценки количества пластинок, или, в еще одном варианте реализации, могут быть включены в способ получения общей информации света для определения вида взаимодействия отдельно взятой частицы с другими пространственными ориентациями освещения. Например, металлическая частица, отражающая свет, может быть отслежена при использовании конфигурации с освещением снизу. Однако указанная частица поглощает свет при освещении посредством фоновой подсветки сзади (например, посредством источника 122f света на фиг. 8). При использовании обоих указанных показателей может быть обеспечена дифференциация частицы металла и частицы стекла, отражающей свет при освещении снизу, но не поглощающей фоновый свет.The inventive systems can also be used to distinguish between glass slabs and other particles in a container, for example, based on differences in the volume of light reflected by the particles as a function of time and/or based on differences in the volume of light transmitted by the particles. Some non-lamellar particles may reflect light received from a light source illuminating the vessel from below (eg, source 122e in FIG. 8) onto the detector. Glass particles, metal particles, and foreign fibers, for example, may continually appear in the image when using a bottom-lit container configuration. These types of particles are consistently detected as they move through the container, unlike platelets, whose detection depends on their spatial orientation, and which are only visible for a few frames each time their location causes them to reflect light towards the imager. For images of time series data under illumination from below, particle tracking can be applied to track continuously visible but moving particles. These trajectories can then be removed from the MIP calculation used to estimate the number of platelets, or, in yet another embodiment, can be included in a method for obtaining global light information to determine the type of interaction of a single particle with other spatial orientations of illumination. For example, a metal particle that reflects light can be tracked using a bottom-lit configuration. However, the particle absorbs light when illuminated by backlighting (eg, by light source 122f in FIG. 8). By using both of these indicators, differentiation of a metal particle and a glass particle that reflects light when illuminated from below, but does not absorb background light, can be ensured.
Обнаружение, отслеживание и определение характеристик частиц.Particle detection, tracking and characterization.
Согласно вышеприведенному описанию, блок 100 визуального осмотра по фиг. 1 может записывать высококачественный и обладающий высоким разрешением монохромный поток изображений (данные временного ряда) ярких частиц, изображение которых получено на темном фоне. (В еще одном варианте реализации, частицы могут быть отображены в виде темных точек на белом фоне.) Вследствие того, что лекарственный препарат может содержать широкий ряд принципиально различных частиц, данные временного ряда могут быть проанализированы с использованием ряда различных подходов с целью дифференциации объектов на изображении и фона. Зачастую, появления частицы на одном изображении (кадре данных временного ряда) недостаточно для точной количественной оценки особо важных показателей (например, количества/размера частиц). Например, видимое изображение одной частицы на одном кадре данных временного ряда может в действительности представлять собой изображение двух или более частиц, сталкивающихся друг с другом или проходящих мимо друг друга, что может привести к неточному подсчету частиц и/или оценке размеров частиц.According to the above description, the visual inspection unit 100 of FIG. 1 can record a high quality, high resolution monochrome image stream (time series data) of bright particles imaged against a dark background. (In yet another embodiment, the particles may be displayed as dark dots on a white background.) Because a drug product may contain a wide range of fundamentally different particles, time series data can be analyzed using a number of different approaches to differentiate between objects. image and background. Often, the appearance of a particle in a single image (time series data frame) is not enough to accurately quantify particularly important metrics (e.g., particle number/size). For example, the apparent image of one particle in one frame of time series data may actually be an image of two or more particles colliding with or passing each other, which may lead to inaccurate particle counts and/or particle size estimates.
Временная корреляция объектов на изображении на нескольких кадрах последовательности видеоизображения позволяет повысить точность подсчета количества частиц и измерения их размеров. Процесс сопоставления объектов на последовательных кадрах с образованием зависимой от времени траектории для каждой частицы называют отслеживанием, регистрацией или присвоением частиц. Существуют приемы отслеживания частиц, предназначенные для других областей применения (например, в области экспериментальной гидродинамики). Однако в данных областях обычно используют четко определенные сферические трассирующие частицы. Применение указанного принципа в области лекарственных препаратов и других жидкостей требует значительно более сложного решения. Кроме того, для некоторых видов частиц, временной анализ (отслеживание) не всегда является практичным. В подобных случаях в качестве альтернативы может быть применен статистический подход, позволяющий получать данные измерения характеристик частиц.Temporal correlation of objects in an image across multiple frames of a video sequence can improve the accuracy of counting the number of particles and measuring their sizes. The process of matching objects across successive frames to produce a time-dependent trajectory for each particle is called particle tracking, registration, or particle assignment. There are particle tracking techniques intended for other applications (for example, experimental fluid dynamics). However, in these areas, well-defined spherical tracer particles are typically used. The application of this principle in the field of drugs and other liquids requires a much more complex solution. In addition, for some types of particles, time analysis (tracking) is not always practical. In such cases, a statistical approach can be used as an alternative to obtain measured particle characteristics.
На фиг. 14 приведен обзор процесса высокоуровневого обнаружения и идентификации 1300 частиц, начинающегося с получения 1310 данных временного ряда. Данные временного ряда (и/или данные обратного временного ряда) подвергают предварительной обработке 1320, после чего предварительно обработанные данные обратного временного ряда используют для двухмерной идентификации и измеренияIn fig. 14 provides an overview of the high-level detection and identification process for 1300 particles, starting with the acquisition of 1310 time series data. The time series data (and/or reverse time series data) is preprocessed 1320, after which the preprocessed reverse time series data is used for two-dimensional identification and measurement
- 19 044111- 19 044111
1330 частиц, которое может включать статистический анализ 1340 и/или отслеживание 1350 частиц на основании данных обратного временного ряда. Согласно вышеприведенному описанию, данные обратного временного ряда представляют собой данные временного ряда, порядок кадров которых представлен в обратном хронологическом порядке. Формирование 1360 отчета происходит после завершения идентификации и измерения 1330 частиц.1330 particles, which may include statistical analysis 1340 and/or particle tracking 1350 based on reverse time series data. As described above, reverse time series data is time series data whose frame order is presented in reverse chronological order. The generation of the 1360 report occurs after the identification and measurement of 1330 particles is completed.
Предварительная обработка данных временного ряда.Preprocessing of time series data.
Предварительная обработка 1320 включает удаление 1321 статических элементов (вычитание фона), подавление/фильтрацию 1322 шума на изображении, и определение 1323 порога яркости. При удалении 1321 статических элементов используют тот факт, что вращение емкости возбуждает жидкость и содержащиеся в ней частицы. Их динамическое движение позволяет отличать их от других объектов на изображении. Вследствие того, что процесс формирования изображения запускают по завершении вращения емкости, любой движущийся объект принимают за возможную частицу. Следовательно, статические элементы не представляют важности и могут быть удалены с изображения в целях пущей ясности.Pre-processing 1320 includes removing 1321 static elements (background subtraction), suppressing/filtering 1322 noise in the image, and determining 1323 a brightness threshold. Removing 1321 static elements takes advantage of the fact that rotation of the container excites the liquid and the particles it contains. Their dynamic movement allows them to be distinguished from other objects in the image. Due to the fact that the imaging process is started after the container has completed its rotation, any moving object is considered a possible particle. Therefore, static elements are not important and can be removed from the image for the sake of clarity.
В одном из вариантов реализации, проекция минимальной яркости позволяет сформировать иллюстративный шаблон для статических элементов на изображении. Статические элементы включают, например, царапины, грязь и дефекты, могущие присутствовать на стенке емкости. Указанное изображение статических элементов затем может быть вычтено из всей последовательности видеоизображений с целью формирования новой последовательности видеоизображений, содержащей лишь движущиеся элементы на темном фоне. Например, на фиг. 15А и 15В показан один кадр данных временного ряда до и после удаления статических элементов. Блик, царапины и другие статические элементы скрывают некоторые участки емкости на фиг. 15А. Вычитание фона позволяет удалить множество статических элементов с получением изображения (фиг. 15В), содержащего более четко различимые движущиеся частицы.In one implementation, the minimum brightness projection allows the generation of an illustrative template for static elements in the image. Static elements include, for example, scratches, dirt and defects that may be present on the wall of the container. This image of static elements can then be subtracted from the entire sequence of video images to form a new sequence of video images containing only moving elements against a dark background. For example, in FIG. 15A and 15B show one frame of time series data before and after removing static elements. Glare, scratches, and other static elements obscure some areas of the container in FIG. 15A. Background subtraction removes many static elements to produce an image (FIG. 15B) containing more clearly visible moving particles.
Проблема, связанная с указанным подходом, заключается в том, что большинство дефектов стекла, таких как царапины на поверхности, рассеивают относительно значительный объем света, и выглядят ярко-белыми на полученном изображении вследствие насыщения пикселов детектора. Вычитание указанных элементов может привести к образованию мертвых участков на изображении. При прохождении частиц за указанными подсвеченными дефектами или перед ними, частицы могут быть частично загорожены или могут даже полностью исчезать. Для решения указанной проблемы, изображение статических элементов может быть сохранено, проанализировано и использовано для корреляции местоположения дефектов с положением частиц с целью максимального снижения влияния дефектов поверхности на данные определения размеров и подсчета частиц. (Также нужно отметить, что рекомендована предварительная чистка сосуда перед использованием системы с целью максимально возможного удаления дефектов поверхности.) Данные также могут быть отфильтрованы 1322, например, для удаления высокочастотного и/или низкочастотного шума. Например, наложение пространственного полосового фильтра на данные (обратного) временного ряда позволяет удалить и/или подавить данные, превышающие первую пространственную частоту или вторую пространственную частоту.The problem with this approach is that most glass defects, such as surface scratches, scatter a relatively large amount of light and appear bright white in the resulting image due to saturation of the detector pixels. Subtracting these elements may result in dead areas in the image. As particles pass behind or in front of these highlighted defects, the particles may be partially obscured or may even disappear completely. To solve this problem, an image of static features can be stored, analyzed and used to correlate defect locations with particle positions to minimize the impact of surface defects on sizing and particle counting data. (It should also be noted that pre-cleaning of the vessel before using the system is recommended to remove as much surface defects as possible.) The data can also be filtered 1322, for example, to remove high-frequency and/or low-frequency noise. For example, applying a spatial bandpass filter to (inverse) time series data allows data above the first spatial frequency or the second spatial frequency to be removed and/or suppressed.
После удаления фоновых элементов, определяют пороговое значение 1323 данных временного ряда путем приведения значения яркости каждого пиксела к одному из заданного числа значений. Приведены черно-белые изображения, показанные на фиг. 16А и 16С, и нормированные в соответствии с восьмибитной шкалой, показанной слева (другие возможные шкалы включают 16-битную и 32-битную шкалу). Каждый пиксел имеет значение яркости от 0 до 255, где нулевое значение соответствует отсутствию обнаруженного света, а значение 255 соответствует наивысшему объему обнаруженного света. Приведение указанных значений яркости (127 и ниже) к нулю, и приведение указанных значений яркости (128 и выше) к 255 позволяет получить черно-белые изображения, показанные на фиг. 16В и 16D. Специалисту будет очевидно, что также возможны и другие пороговые значения (а также множественные пороговые значения).After removing background elements, the time series data is thresholded 1323 by adjusting the brightness value of each pixel to one of a specified number of values. The black and white images shown in FIG. 16A and 16C, and normalized according to the eight-bit scale shown on the left (other possible scales include 16-bit and 32-bit scale). Each pixel has a brightness value from 0 to 255, with a value of zero representing no light detected and a value of 255 representing the highest amount of light detected. Reducing the specified brightness values (127 and below) to zero, and normalizing the specified brightness values (128 and above) to 255 produces the black-and-white images shown in FIG. 16B and 16D. One skilled in the art will appreciate that other threshold values (as well as multiple threshold values) are also possible.
Обнаружение частиц.Particle detection.
Эффективное обнаружение частиц на изображении основано на ряде приемов обработки и сегментации изображения. Под термином сегментация понимают вычислительный процесс, в ходе которого интересующие объекты на изображении упрощают с получением дискретных, удобных для работы элементов. Способы сегментации для выделения объектов из изображения широко используют, например, в области медицинской визуализации, а указанные приемы применяют для идентификации частиц. В целом, изображения, полученные от камеры, подвергают предварительной обработке с использованием определения порога яркости, вычитания фона (статических элементов), фильтрации (например, полосовой фильтрации) и/или других приемов с целью максимального увеличения контраста. По завершении предварительной обработки, процессор 130 сегментирует изображение и соответствующим образом классифицирует указанные участки. Подходящие подходы к сегментации включают, без ограничения, доверительное соединение, водораздел, функцию уровня, разделение графа, подход на основе сжатия, группирование, наращивание областей, многомасштабный подход, выделение контуров, и подходы на основе гистограмм. После получения изображений, сегментация может позволить получить дополнительную информацию для осуществления корреляции определенного элемента на полученном изображении с видом частицы. Например, информация об определенном сегментированном элементе, такие какEffective detection of particles in an image is based on a number of image processing and segmentation techniques. The term segmentation refers to a computational process in which objects of interest in an image are simplified into discrete, easy-to-use elements. Segmentation methods for extracting objects from an image are widely used, for example, in the field of medical imaging, and these techniques are used to identify particles. In general, images received from a camera are preprocessed using luminance thresholding, background subtraction (static elements), filtering (eg, bandpass filtering), and/or other techniques to maximize contrast. Upon completion of the pre-processing, the processor 130 segments the image and classifies the specified areas accordingly. Suitable segmentation approaches include, but are not limited to, trust junction, watershed, level function, graph partitioning, compression-based approach, clustering, region growing, multi-scale approach, edge extraction, and histogram-based approaches. Once images are acquired, segmentation can provide additional information to correlate a specific feature in the acquired image with the appearance of the particle. For example, information about a specific segmented element, such as
- 20 044111 площадь, периметр, яркость, четкость и другие характеристики, затем может быть использована для определения вида частицы.- 20 044111 area, perimeter, brightness, clarity and other characteristics can then be used to determine the type of particle.
Отслеживание частиц и реверсирование временного ряда.Particle tracking and time series reversal.
Особую важность представляет тот факт, что ни один из известных из уровня техники инструментов для идентификации частиц в полной мере не принимает во внимание временное поведение частиц при их перемещении по флакону. При проведении измерений на основании одного фотографического изображения, подсчет и определение размеров частиц могут быть неточными. Однако данные временного ряда обеспечивают более полную картину поведения частицы, которая может быть раскрыта при осуществлении отслеживания 1340 частиц, позволяющего формировать времязависимые динамические таблицы для каждой отдельной частицы, что обеспечивает значительно более надежное и точное измерение ее основных свойств. Отслеживание частиц представляет собой прием, широко используемый в видеомикроскопии, а также в технической гидродинамике (в последней области данный прием часто называют измерением скорости по отслеживанию траекторий частиц).Of particular importance is the fact that none of the prior art particle identification tools fully takes into account the temporal behavior of the particles as they move through the vial. When measurements are taken from a single photographic image, particle counting and sizing may not be accurate. However, time series data provides a more complete picture of particle behavior, which can be revealed by tracking 1340 particles, allowing the generation of time-dependent dynamic tables for each individual particle, providing a much more reliable and accurate measurement of its basic properties. Particle tracking is a technique widely used in video microscopy, as well as in engineering fluid dynamics (in the latter field, this technique is often called particle tracking velocity measurement).
Несмотря на то что измерение скорости по отслеживанию траекторий частиц известно из уровня техники, в большинстве решений, связанных с отслеживанием частиц, предполагают, что перемещение частиц в промежутке между последовательными кадрами видеоизображения незначительно, и указанное перемещение меньше стандартного расстояния между частицами на отдельно взятом изображении. В подобных случаях достаточно связывания положений частиц путем определения ближайших соседних частиц на двух изображениях. Однако во многих областях применения данная модель не является подходящей. Вследствие высокой скорости вращения (например, примерно 300 об/мин, 1600 об/мин, и/или 1800 об/мин) и потенциально высоких концентраций частиц, вероятен вариант, в котором частицы перемещаются в промежутке между последовательными кадрами на расстояние, значительно превышающее стандартное расстояние между частицами. Указанная проблема может быть решена путем использования определенного вида прогнозного отслеживания, включающего поиск частицы на участке, прогнозируемом на основании ранее отмеченного перемещения частицы. Прогнозное отслеживание включает оценку физических уравнений для осуществления математического прогнозирования примерного будущего положения частицы на следующем кадре согласно фиг. 17. Для повышения производительности, указанная фаза прогнозного отслеживания может быть дополнена данными о местном поведении текучей среды (если таковые имеются), например, согласно описанию со ссылкой на фиг. 21С.Although measuring velocity by tracking particle trajectories is known in the art, most particle tracking solutions assume that particle movement between successive frames of a video image is negligible and that the movement is less than the standard distance between particles in a single image. In such cases, it is sufficient to link particle positions by determining the nearest neighboring particles in two images. However, in many applications this model is not suitable. Due to high rotation speeds (e.g., approximately 300 rpm, 1600 rpm, and/or 1800 rpm) and potentially high particle concentrations, it is likely that particles will move between successive frames at distances significantly greater than normal. distance between particles. This problem can be solved by using some form of predictive tracking that involves searching for a particle in an area predicted based on the particle's previously noted movement. Predictive tracking involves evaluating physics equations to make a mathematical prediction of the particle's approximate future position at the next frame, as shown in FIG. 17. To improve performance, this predictive tracking phase may be supplemented with local fluid behavior data (if available), for example as described with reference to FIG. 21C.
Формирование точного прогноза определенной траектории может требовать наличия элементов известных данных, на которых основывается построение траектории. Проблема заключается в том, что в начале последовательности изображений, когда частицы перемещаются с наивысшей скоростью, известных данных, на которых основан прогноз положения, может быть мало или они могут вовсе отсутствовать. Однако со временем трение о стенку в емкости приводит к замедлению и последующей полной остановке движения вращающейся текучей среды. При фиксировании данных временного ряда в течение достаточного промежутка времени можно получить кадры, на которых частицы значительно замедляются или даже останавливаются.Forming an accurate forecast of a particular trajectory may require elements of known data on which to base the trajectory construction. The problem is that at the beginning of the image sequence, when the particles are moving at their highest speed, there may be little or no known data on which to base the position prediction. However, over time, friction against the wall in the container leads to a slowdown and subsequent complete stop of the movement of the rotating fluid. By capturing time series data over a sufficient period of time, it is possible to obtain frames in which particles slow down significantly or even stop.
Реверсирование хронологии видеоизображения 1331, в результате которого частицы на изображении изначально неподвижны и медленно ускоряются по мере просмотра видеоизображения, позволяет обеспечить элементы известных данных для определения траектории. В начале видеоизображения, когда частицы теперь движутся очень медленно, для построения начальной фазы каждой из траекторий может быть использован принцип ближайшего совпадения. Затем, в надлежащий момент времени, система может перейти в прогнозный режим. Подобное реверсирование хронологии полученных данных значительно повышает производительность.Reversing the timeline of a video image 1331, whereby the particles in the image are initially stationary and slowly accelerate as the video image is viewed, provides elements of known data for trajectory determination. At the beginning of the video image, when the particles are now moving very slowly, the closest match principle can be used to plot the initial phase of each of the trajectories. Then, at the appropriate point in time, the system can enter predictive mode. This reversal of the chronology of received data significantly improves productivity.
На фиг. 17 показан обзор процесса прогнозного отслеживания с реверсированием хронологии. Задача отслеживания частиц заключается в образовании связи между положением частицы ai на кадре i с ее положением ai+1 на кадре i+1, согласно фиг. 17(а). Указанный процесс не вызывает затруднений, если расстояние перемещения частицы а между кадрами меньше расстояния d от ближайшей к ней соседней частицы b. В случае если направление перемещения частицы неизвестно или случайно, наиболее простая методология заключается в обеспечении зоны поиска, обычно представляющей собой круг с радиусом rs, причем значение rs выбирают таким образом, что оно больше ожидаемого диапазона перемещения частицы, но меньше стандартного расстояния d между частицами, согласно фиг. 17(b). После реверсирования хронологии видеоизображения согласно фиг. 17(с), частицы на изображении начинают медленно двигаться. Однако через некоторое время частицы на изображении ускоряются, и способ поиска по ближайшему совпадению может начать давать неверные результаты. Первые несколько кадров данных обратного временного ряда частично определяют траекторию, обеспечивая некоторый объем данных о скорости и ускорении частицы. Указанная информация может быть подставлена в соответствующие уравнения для обеспечения прогноза примерного местоположения частицы на кадре i+1, согласно фиг. 17(d). Вышеописанный способ отслеживания значительно более эффективен по сравнению с простым отслеживанием ближайшего совпадения, особенно в пробах с высокой плотностью и/или высокой скоростью частиц.In fig. Figure 17 shows an overview of the predictive tracking process with history reversal. The task of particle tracking is to form a connection between the position of particle ai on frame i with its position a i+1 on frame i+1, according to FIG. 17(a). This process does not cause difficulties if the distance of movement of particle a between frames is less than the distance d from the nearest neighboring particle b. In the case where the direction of particle movement is unknown or random, the simplest methodology is to provide a search area, usually a circle with radius r s , with the value of r s chosen so that it is greater than the expected range of particle movement, but less than the standard distance d between particles, according to Fig. 17(b). After reversing the video history according to FIG. 17(c), the particles in the image begin to move slowly. However, after a while, the particles in the image accelerate, and the closest match search method may begin to produce incorrect results. The first few frames of backward time series data partially define the trajectory, providing some data about the particle's velocity and acceleration. This information can be plugged into appropriate equations to provide a prediction of the approximate location of the particle in frame i+1, as shown in FIG. 17(d). The tracking method described above is significantly more efficient than simple nearest match tracking, especially in samples with high particle densities and/or high particle velocities.
Обнаружение центра массы.Detecting the center of mass.
- 21 044111- 21 044111
На фиг. 18А и 18В показано обнаружение центра массы для частиц на данных (обратного) временного ряда после определения порога яркости. Сначала процессор 130 преобразует полутоновое изображение (фиг. 18А) в изображение с определенным порогом яркости (фиг. 18В). Каждая частица на изображении представлена в виде двухмерной проекции, форма и размер которой зависят от формы, размера и пространственной ориентации частицы в момент снятия кадра. Затем процессор вычисляет геометрический центр, или центр тяжести, каждой из двухмерных проекций (например, обозначенных координатами xi и yi) посредством любого подходящего способа (например, способом вертикали, геометрического разложения, и т.д.). Процессор 130 может осуществлять покадровое сравнение местоположения центра тяжести определенной частицы для определения траектории частицы.In fig. 18A and 18B show the detection of the center of mass for particles on (reverse) time series data after determining the brightness threshold. First, processor 130 converts the grayscale image (FIG. 18A) into an image with a certain luminance threshold (FIG. 18B). Each particle in the image is represented as a two-dimensional projection, the shape and size of which depend on the shape, size and spatial orientation of the particle at the time the frame was taken. The processor then calculates the geometric center, or center of gravity, of each of the two-dimensional projections (eg, indicated by coordinates xi and yi) by any suitable method (eg, vertical method, geometric decomposition, etc.). Processor 130 may perform a frame-by-frame comparison of the location of a particular particle's center of gravity to determine the particle's trajectory.
Загораживание частиц.Occlusion of particles.
Каждая из раскрытых в настоящем описании систем визуального осмотра проецирует трехмерный объем (емкость и ее содержимое) на двухмерную поверхность датчика формирования изображения. При использовании отдельно взятого двухмерного датчика, траектории частиц могут пересекаться в трехмерном объеме. При этом одна частица может частично или полностью загораживать другую, согласно фиг. 19. На фиг. 19(1), на последовательности изображений идентифицирована новая частица; отслеживание частицы на последовательности изображений позволяет получить ряд последовательных этапов, согласно фиг. 19(2). Для поиска потенциальных совпадений на последовательных кадрах используют зону поиска, согласно фиг. 19(3). Периодически в зоне поиска находится несколько вероятных частиц, согласно фиг. 19(4), и в этом случае система выбирает наилучшее совпадение. Специалисту будет очевидно, что наилучшее совпадение может быть выбрано посредством любого из комбинации различных подходов. Например, данные, отображающие вероятную частицу на одном кадре, могут быть сравнены и/или коррелированы с данными, отображающими частицу на предыдущем кадре. Сравнение и/или корреляция параметров, включая без ограничения размер, форму, яркость и/или изменения вида на изображении, позволяют получить совпадение для вероятной частицы. Раскрытые системы визуального осмотра выполнены с возможностью различения столкновений, загораживаний и временных исчезновений частиц, например, загораживания согласно фиг. 19(5). После повторного обнаружения частицы согласно фиг. 19(6), путь частицы может быть построен заново. Заявленные системы также позволяют разрешать конфликты, вызванные столкновением двух путей (и их зон поиска) с обеспечением построения правильных траекторий, согласно фиг. 19(7).Each of the visual inspection systems disclosed herein projects a three-dimensional volume (the container and its contents) onto a two-dimensional surface of the imaging sensor. When using a single 2D sensor, particle trajectories can intersect in a 3D volume. In this case, one particle can partially or completely block another, according to Fig. 19. In FIG. 19(1), a new particle is identified in the image sequence; tracking a particle through a sequence of images allows one to obtain a series of sequential stages, according to FIG. 19(2). A search area is used to search for potential matches on successive frames, as shown in FIG. 19(3). Periodically, several probable particles are located in the search area, according to FIG. 19(4), in which case the system selects the best match. One skilled in the art will appreciate that the best match can be selected through any combination of different approaches. For example, data representing a probable particle in one frame can be compared and/or correlated with data representing a particle in a previous frame. Comparison and/or correlation of parameters, including, but not limited to, size, shape, brightness and/or changes in appearance in the image, provide a match for a likely particle. The disclosed visual inspection systems are configured to distinguish between collisions, occlusions, and temporary particle disappearances, such as the occlusions of FIG. 19(5). After re-detecting the particle according to FIG. 19(6), the particle path can be constructed anew. The claimed systems also allow conflicts caused by the collision of two paths (and their search zones) to be resolved, ensuring the construction of correct trajectories, according to FIG. 19(7).
На фиг. 20 показан другой случай загораживания частицы на двухмерном изображении: фиг 20(а) представляет собой обычное изображение взвешенных частиц. На фиг. 20(b)-(е) показаны увеличенные виды выделенного участка по фиг. 20(а), на котором две частицы приближаются друг к другу с противоположных сторон. На следующих кадрах данных (обратного) временного ряда видно, что в результате загораживания две частицы на изображении кажутся одной, неестественно крупной частицей. В случае частичного загораживания (фиг. 20(с)), на подобном изображении частицы могут выглядеть как одна неестественно крупная частица. В случае полного загораживания (фиг. 20(d)), более мелкая частица может полностью пропасть из поля зрения, и общее количество подсчитываемых частиц может уменьшиться на 1 частицу. Указанная ситуация может быть чрезвычайно важна при исследовании лекарственных препаратов вследствие того, что искусственно завышенное измерение размера может быть достаточным для превышения нормативного регламента несмотря на то, что рассматриваемый препарат содержит лишь допустимые, невидимые частицы. К моменту времени, показанному на фиг. 20(е), частицы вышли за пределы друг друга, и может быть возобновлено независимое отслеживание. Система визуального осмотра может автоматически исправлять ошибки, вызванные загораживанием, путем анализа траекторий частиц и последующих времязависимых профилей размера, что приводит к более низкому числу ложных отказов.In fig. Figure 20 shows another case of particle obstruction in a two-dimensional image: Figure 20(a) is a conventional image of suspended particles. In fig. 20(b)-(e) show enlarged views of the selected area of FIG. 20(a), in which two particles approach each other from opposite directions. The following frames of (reverse) time series data show that occlusion causes two particles in the image to appear as one, unnaturally large particle. In the case of partial occlusion (Fig. 20(c)), in such an image the particles may appear as one unnaturally large particle. In the case of complete occlusion (Fig. 20(d)), the smaller particle may disappear completely from view, and the total number of particles counted may decrease by 1 particle. This situation can be extremely important in drug research due to the fact that an artificially high size measurement may be sufficient to exceed regulatory guidelines despite the fact that the drug in question contains only acceptable, invisible particles. By the time shown in FIG. 20(e), the particles have moved beyond each other and independent tracking can be resumed. The visual inspection system can automatically correct errors caused by occlusion by analyzing particle trajectories and subsequent time-dependent size profiles, resulting in lower false failure rates.
Подсчет потерянных частиц.Counting lost particles.
Согласно вышеприведенному описанию, частицы могут исчезать с участка последовательности видеоизображений по ряду причин. Частицы могут проходить через слепое пятно и/или мертвый участок, образованный в результате удаления статических элементов согласно вышеприведенному описанию. Наконец, некоторые виды частиц могут проявлять оптическое поведение, заключающееся в их появлении и исчезновении (блеске) при рассмотрении посредством оптики формирования изображения. В подобных случаях, процессор может прогнозировать перемещение указанных потерянных частиц согласно нижеприведенному описанию. При повторном появлении частицы на ожидаемом местоположении в пределах заданного промежутка времени, процессор может связывать траектории и интерполировать виртуальные данные о частице для промежуточных кадров. Нужно отметить, что с нормативной точки зрения важно обеспечивать соответствующее обозначение виртуальных данных о частице для обеспечения возможности отличать указанные виртуальные данные от истинных, измеренных данных о частице.As described above, particles may disappear from a portion of a video sequence for a number of reasons. Particles may pass through a blind spot and/or dead spot created by removing static elements as described above. Finally, some types of particles may exhibit optical behavior that involves them appearing and disappearing (glare) when viewed through imaging optics. In such cases, the processor may predict the movement of said lost particles as described below. When a particle reappears at its expected location within a specified time period, the processor can link trajectories and interpolate virtual particle data for intermediate frames. It should be noted that, from a regulatory perspective, it is important to provide appropriate labeling of virtual particle data to ensure that said virtual data can be distinguished from true, measured particle data.
На фиг. 21А-21С показан один из приемов отслеживания и повторного обнаружения потерянных частиц, т.е. частиц, временно исчезающих из поля зрения на протяжении последовательности видеоизображений. Исчезновение может быть вызвано загораживанием за другой (более крупной) частицей, загораживанием за дефектом поверхности, прохождением через известное слепое пятно или просто свойст- 22 044111 вом оптической геометрии частицы (например, некоторые виды частиц могут быть видимыми лишь при определенных пространственных ориентациях). Нахождение или повторное обнаружение частиц, исчезающих из поля зрения, позволяет повысить точность обнаружения и идентификации частиц.In fig. 21A-21C show one technique for tracking and re-locating lost particles, i.e. particles temporarily disappearing from view during a video sequence. The disappearance can be caused by occlusion behind another (larger) particle, occlusion behind a surface defect, passing through a known blind spot, or simply a property of the particle's optical geometry (for example, some types of particles may only be visible at certain spatial orientations). Finding or re-detecting particles that disappear from view can improve the accuracy of particle detection and identification.
На фиг. 21А показано прогнозное отслеживание для обнаружения частицы, загороженной дефектом на поверхности емкости. Дефект поверхности рассеивает значительный объем света, насыщая соответствующий участок изображения. После удаления статических объектов, указанный участок становится мертвой зоной на изображении. Любые частицы, проходящие через указанную зону, временно исчезают. Процессор 130 может заново обнаружить потерянные частицы путем формирования виртуальных частиц на ограниченном количестве этапов. В случае повторного появления и обнаружения частицы, пути частиц совмещают.In fig. 21A shows predictive tracking for detecting a particle occluded by a defect on the surface of a container. A surface defect scatters a significant amount of light, saturating the corresponding area of the image. After removing static objects, the specified area becomes a dead zone in the image. Any particles passing through the designated area will temporarily disappear. Processor 130 may rediscover lost particles by generating virtual particles in a limited number of steps. If a particle reappears and is detected, the particle paths are combined.
В частности, процессор 130 использует прогнозное отслеживание для определения скорости частицы до ее исчезновения. Процессор также может использовать прогнозное отслеживание и скорость частицы для экстраполяции ожидаемого местоположения частицы. В случае повторного появления частицы в ожидаемом местоположении, виртуальные местоположения могут быть связаны между собой с образованием полной траектории. В случае если частица не появляется повторно в течение заданного промежутка времени, она может быть помечена как безвозвратно утерянная, и ее отслеживание прекращают.Specifically, processor 130 uses predictive tracking to determine the speed of a particle before it disappears. The processor can also use predictive tracking and particle velocity to extrapolate the particle's expected location. If the particle reappears at the expected location, the virtual locations can be linked together to form a complete trajectory. If a particle does not reappear within a given period of time, it can be marked as irretrievably lost and tracking is stopped.
На фиг. 21В показан способ отслеживания частицы, испытывающей значительное ускорение или изменение направления в период, когда частица невидима. Вместо прогнозирования траектории частицы, процессор 130 ретроспективно связывает фрагменты траекторий с использованием данных о природе местного поведения текучей среды. В данном случае, процессор 130 объединил траектории путем рассмотрения характеристик ламинарного потока текучей среды при заданной скорости и шкале.In fig. 21B shows a method for tracking a particle experiencing a significant acceleration or change in direction during a period when the particle is invisible. Instead of predicting a particle's trajectory, processor 130 retrospectively associates fragments of trajectories using data about the nature of local fluid behavior. In this case, processor 130 combined the trajectories by considering the characteristics of laminar fluid flow at a given speed and scale.
На фиг. 21С показано исчезновение и повторное появление частиц при прохождении ими известных слепых пятен. В данном примере, частица проходит через известное слепое пятно на дальнем крае емкости. Программирование процессора 130 с использованием информации о местоположении слепого пятна на изображении емкости позволяет процессору 130 реконструировать траекторию.In fig. 21C shows the disappearance and reappearance of particles as they pass through known blind spots. In this example, the particle passes through a known blind spot at the far edge of the container. Programming processor 130 using information about the location of a blind spot in an image of the container allows processor 130 to reconstruct the trajectory.
Частицы неправильной формы.Irregularly shaped particles.
Некоторые частицы не имеют сферическую форму или недостаточно малы для рассмотрения в виде точки, используемого в большинстве приемов отслеживания частиц. По существу, многие частицы имеют неправильную форму и могут катиться и вращаться относительно камеры по мере их перемещения по текучей среды, согласно фиг. 22А-22С. В некоторых случаях, частица неправильной формы может выглядеть на изображении в виде двух отдельных частиц, каждая из которых имеет свою траекторию, согласно фиг. 22В. Подобное непредсказуемое перемещение установленного центра массы двухмерного объекта может скрывать истинное перемещение частицы. Указанное поведение серьезно затрудняет процесс прогнозного отслеживания. Система визуального осмотра по настоящему изобретению может обладать функцией, позволяющей учитывать очевидно искаженное перемещение частицы неправильной формы, например, путем вычисления средней траектории, согласно фиг. 22А и 22С, частицы неправильной формы.Some particles are not spherical or small enough to be considered as a point, which is used in most particle tracking techniques. As such, many of the particles are irregularly shaped and may roll and rotate relative to the chamber as they move through the fluid, as shown in FIG. 22A-22C. In some cases, an irregularly shaped particle may appear in the image as two separate particles, each with its own trajectory, as shown in FIG. 22V. Such unpredictable movement of the established center of mass of a two-dimensional object can hide the true movement of the particle. This behavior seriously complicates the predictive tracking process. The visual inspection system of the present invention may have a function to take into account the apparently distorted movement of an irregularly shaped particle, for example by calculating an average trajectory, as shown in FIG. 22A and 22C, irregularly shaped particles.
Специфическая гидродинамика емкости/продукта.Specific hydrodynamics of the container/product.
Перемещение частиц в емкости по окончании вращения представляет собой результат комбинации перемещения текучей среды и гравитационного воздействия. Движение текучей среды представляет собой функцию вязкости текучей среды, объема наполнения, формы и размера емкости, и изначальной скорости вращения. Производительность отслеживания частиц может быть значительно улучшена путем включения данных о физических ограничениях жидкостной системы в процесс построения траектории.The movement of particles in the container upon completion of rotation is the result of a combination of fluid movement and gravitational influence. Fluid movement is a function of fluid viscosity, fill volume, container shape and size, and initial rotation speed. Particle tracking performance can be significantly improved by incorporating knowledge of the physical constraints of the fluid system into the trajectory generation process.
Гидродинамика жидкостей, вращаемых в известных емкостях, может при определенных условиях быть удивительно сложной. Включение данных гидродинамики (в отношении емкостей, широко используемых в фармакологии) в процесс построения траектории представляет собой область значительной инновации и развития по сравнению с уровнем техники.The hydrodynamics of fluids swirling in known containers can, under certain conditions, be surprisingly complex. The incorporation of fluid dynamics data (for containers commonly used in pharmaceuticals) into the trajectory generation process represents an area of significant innovation and development compared to the state of the art.
На фиг. 23 показаны некоторые примеры поведения текучей среды в известных емкостях, причем результаты вычислительной модели сравнивают с фактическими траекториями частиц, полученными посредством платформы визуального осмотра. В ходе исследования были обнаружены неожиданные тонкости: например, на фиг. 23(d) показано перемещение частиц вдоль узкого вертикального столба в центре флакона, вызванное ослаблением вихря, образованного в ходе фазы вращения (фиг. 23(а)). По мере вертикального перемещения текучей среды в указанном центральном столбе кверху, жидкость может подхватывать и переносить кверху тяжелые частицы, которые теоретически должны тонуть. Указанная ситуация может, например, привести к ошибкам при идентификации пузырьков, которые теоретически должны всплывать, и инородных частиц, которые всплывают вследствие движения текучей среды, специфичного для данной емкости.In fig. 23 shows some examples of fluid behavior in known containers, with the results of the computational model compared to actual particle trajectories obtained through a visual inspection platform. During the study, unexpected subtleties were discovered: for example, in Fig. 23(d) shows the movement of particles along a narrow vertical column in the center of the vial, caused by the weakening of the vortex formed during the rotation phase (Fig. 23(a)). As the fluid moves upward vertically in said central column, the fluid can pick up and carry upward heavy particles that should theoretically sink. This situation may, for example, lead to errors in the identification of bubbles that theoretically should float and foreign particles that float due to fluid movement specific to a given container.
Заявленные системы визуального осмотра могут использовать известные данные об ожидаемой гидродинамике лекарственных препаратов для получения более точных результатов, что невозможно в других случаях. Комбинирование физической модели, подобной показанной на фиг. 23, с отслеживанием частиц представляет собой значительное усовершенствование существующей технологии.The claimed visual inspection systems can use known data about the expected hydrodynamics of drugs to obtain more accurate results, which is not possible in other cases. Combining a physical model like that shown in FIG. 23, with particle tracking, represents a significant improvement on existing technology.
Коррекция ошибок.Error correction.
- 23 044111- 23 044111
Несмотря на то что системы визуального осмотра по настоящему изобретению демонстрируют надежность в большинстве экспериментальных условий, сложность решения задачи отслеживания большого числа частиц, перемещающихся в маленьком трехмерном объеме, подразумевает постоянное наличие риска допущения ошибок, в основном выражающихся в формировании неверных траекторий между последовательными кадрами при столкновении частиц. Указанный феномен показан на фиг. 24А.Although the visual inspection systems of the present invention demonstrate reliability under most experimental conditions, the complexity of the task of tracking large numbers of particles moving in a small three-dimensional volume implies a constant risk of errors, mainly resulting in the formation of incorrect trajectories between successive frames upon collision. particles. This phenomenon is shown in Fig. 24A.
Понимание физических ограничений системы визуального осмотра может заключать в себе преимущество. В целом, основной вид локального движения текучей среды вокруг каждой частицы представляет собой ламинарное движение (а не турбулентное или случайное). По существу это означает, что при наличии достаточно быстрой камеры, естественные траектории частиц в данной системе должны незначительно варьироваться без неожиданных резких изменений направления, в особенности при прохождении частицами центра емкости, показанного на изображении. После завершения изначального связывания траекторий, система может ретроспективно анализировать траектории с целью обнаружения подобных ошибок. В случае если ошибки обнаружены, система может сравнить проходящие поблизости траектории с целью возможного обнаружения более физически закономерного решения. Указанный процесс показан на фиг. 24В.Understanding the physical limitations of a visual inspection system can be an advantage. In general, the primary mode of local fluid motion around each particle is laminar motion (rather than turbulent or random). Essentially this means that, given a fast enough camera, the natural trajectories of the particles in a given system should vary slightly without sudden abrupt changes in direction, particularly as the particles pass the center of the container shown in the image. Once the initial linking of trajectories is completed, the system can retrospectively analyze the trajectories to detect similar errors. If errors are detected, the system can compare nearby trajectories in order to possibly detect a more physically consistent solution. This process is shown in Fig. 24V.
Точный подсчет количества частиц.Accurate particle counting.
Количество частиц может быть выведено на основании подсчета количества частиц на фотографическом изображении, снятом в один момент времени (например, согласно фиг. 24А) после обнаружения частиц, причем каждой частице присваивают порядковый номер. Данный подход прост, но при его использовании подсчет количества частиц в объеме вследствие ряда причин зачастую неполон. Например, одна или несколько частиц могут быть загорожены другой частицей или дефектом поверхности. Частицы могут быть расположены в известных (или неизвестных) слепых пятнах. Кроме того, крайне малые или тусклые частицы могут периодически появляться и исчезать из поля зрения по мере их перемещения между значениями пределов измерения.The number of particles can be inferred based on counting the number of particles in a photographic image taken at one point in time (eg, according to FIG. 24A) after detection of the particles, each particle being assigned a serial number. This approach is simple, but when used, the calculation of the number of particles in a volume is often incomplete for a number of reasons. For example, one or more particles may be obscured by another particle or a surface defect. Particles may be located in known (or unknown) blind spots. In addition, extremely small or faint particles may periodically appear and disappear from view as they move between measurement limits.
Одно из преимуществ отслеживания частиц, раскрытого в настоящем описании, заключается в том, что указанный процесс позволяет учитывать все указанные проблемы. В результате, для обеспечения надежного отслеживания частиц, подсчет частиц может быть усовершенствован путем подсчета количества отдельных путей частиц (согласно фиг. 24В), а не количества частиц на одном изображении или статистического анализа нескольких изображений. Подсчет количества траекторий частиц вместо количества частиц на одном кадре (или наборе кадров) представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с известными приемами отслеживания частиц. Повышение точности варьируется в зависимости от количества и размеров присутствующих частиц. В целом, по мере увеличения количества частиц повышается вероятность загораживания и, соответственно, повышение точности вследствие временных возможностей заявленного процесса отслеживания частиц увеличивается пропорционально.One of the advantages of particle tracking disclosed herein is that the process addresses all of these issues. As a result, to ensure reliable particle tracking, particle counting can be improved by counting the number of individual particle paths (as per FIG. 24B) rather than the number of particles in a single image or statistical analysis of multiple images. Counting the number of particle trajectories instead of the number of particles in a single frame (or set of frames) represents a significant advance over known particle tracking techniques. The increase in accuracy varies depending on the number and size of particles present. In general, as the number of particles increases, the likelihood of occlusion increases and, accordingly, the accuracy improvement due to the timing capabilities of the claimed particle tracking process increases proportionally.
Точный подсчет размера частиц.Accurate particle size calculation.
Известные системы измерения частиц измеряют размер частиц на основании статических изображений. Наиболее часто указанный процесс осуществляют путем измерения длины самой длинной очевидной оси частицы, или диаметра Фере, согласно фиг. 25, в соответствии с нормативными и/или промышленными стандартами, которые могут принимать за размер частицы самую большую протяженность частицы. Согласно данному определению, волос длиной 1 мм находится в одной классификационной категории со сферической частицей диаметром 1 мм. С учетом вышеуказанного, максимальный диаметр Фере представляет собой разумный показатель измерения на основании двухмерного изображения. Тем не менее, измерение размера частицы на основании статических изображении влечет за собой ряд значительных проблем.Known particle measurement systems measure particle size based on static images. Most often this process is carried out by measuring the length of the longest apparent axis of the particle, or Feret diameter, according to FIG. 25, in accordance with regulatory and/or industry standards, which may take the particle size to be the largest extent of the particle. According to this definition, a hair 1 mm long is in the same classification category as a spherical particle with a diameter of 1 mm. Considering the above, the maximum Feret diameter is a reasonable measurement based on a 2D image. However, measuring particle size from static images poses a number of significant challenges.
Во-первых, на двухмерной проекции трехмерного объема несколько частиц могут легко перекрывать друг друга с образованием на изображении одной, значительно более крупной частицы. В области промышленности, в которой регулирующие структуры устанавливают очень строгие верхние границы допускаемого размера частиц, вышеуказанное является крайне значительной проблемой, в особенности в области изготовления, в которой подобный подход может приводить к ложным отказам, в особенности при изучении проб с плотными популяциями частиц.First, in a two-dimensional projection of a three-dimensional volume, several particles can easily overlap each other to form a single, much larger particle in the image. In an industry where regulatory authorities impose very strict upper limits on acceptable particle size, the above is a very significant problem, particularly in the manufacturing field where such an approach can lead to spurious failures, particularly when studying samples with dense particle populations.
Во-вторых, частицы неправильной формы могут непредсказуемо поворачиваться (относительно камеры) по мере их перемещения по емкости. При использовании единственного двухмерного фотографического изображения, может быть невозможно с точностью гарантировать, что наибольшая протяженность отдельно взятой частицы ортогональна оси осмотра камеры. Следовательно, система может систематически занижать размеры частиц, что может нести за собой крайне нежелательные последствия в строго регулируемой области промышленности. Изучение времязависимого максимального диаметра Фере частицы по мере ее перемещения по емкости посредством отслеживания частицы обеспечивает значительно более точное измерение наибольшей протяженности частицы.Second, irregularly shaped particles can rotate unpredictably (relative to the chamber) as they move through the container. When using a single two-dimensional photographic image, it may not be possible to accurately ensure that the greatest extent of a single particle is orthogonal to the camera's viewing axis. Consequently, the system may systematically underestimate particle sizes, which can have highly undesirable consequences in a highly regulated industry. Studying the time-dependent maximum Feret diameter of a particle as it moves through a container through particle tracking provides a significantly more accurate measurement of the particle's greatest extent.
В-третьих, по мере перемещения частиц по цилиндрической емкости, ось длины частиц обычно соответствует направлению движения окружающего тока текучей среды, согласно фиг. 25А и 25В. В целом, при использовании цилиндрической емкости это означает, что удлиненные частицы могут казаться крупнее по центру изображения по сравнению с дальними боковыми краями. Устройство формированияThird, as the particles move through the cylindrical container, the length axis of the particles generally corresponds to the direction of movement of the ambient fluid current, as shown in FIG. 25A and 25B. In general, when using a cylindrical container, this means that elongated particles may appear larger in the center of the image compared to the far side edges. Forming device
- 24 044111 изображения обычно обнаруживает максимальный очевидный размер частицы (диаметр Фере) при перемещении частицы ортогонально относительно оптической оси датчика формирования изображения. При отслеживании отдельной частицы по мере ее прохождения по емкости, может быть точно измерено правильное максимальное удлинение частицы, чего сложно добиться при использовании процедуры статического измерения.- 24 044111 images typically detect the maximum apparent particle size (Feret diameter) when moving the particle orthogonally to the optical axis of the imaging sensor. By tracking a single particle as it passes through a container, the correct maximum elongation of the particle can be accurately measured, something that is difficult to achieve using a static measurement procedure.
Наконец, несмотря на все попытки минимизировать эффект размытости изображения путем стробирования освещения (согласно вышеприведенному описанию), по-прежнему возможно возникновение некоторой размытости изображения в начале последовательности формирования изображения, когда жидкость и частицы перемещаются с максимальной скоростью. При использовании времязависимого анализа размера частиц, артефакты данных, вызванные размытостью изображения (которая обычно увеличивает измеренный размер частиц), могут быть обнаружены и погашены.Finally, despite every attempt to minimize the effect of motion blur by strobing the illumination (as described above), it is still possible for some image motion blur to occur early in the imaging sequence when fluid and particles are moving at maximum speed. By using time-dependent particle size analysis, data artifacts caused by image blur (which typically increases the measured particle size) can be detected and suppressed.
На фиг. 25С-25Е показан процесс использования данных временного ряда для отслеживания траекторий частиц с целью обеспечения более точных измерений размера частиц. На фиг. 25С показан типичный путь 100-микронной полимерной микросферы по флакону после его вращения. Частицы перемещаются наиболее быстро относительно камеры вследствие того, что на изображении они пересекают центр емкости в момент, когда их скорость ортогональна направлению осмотра, согласно фиг. 25D. Например в случае, если изначальная скорость вращения составляет 300 об/мин, а радиальное местоположение частицы rp составляет 5 мм, то скорость частицы vp составляет примерно 9.4 м/с. При указанной скорости, время экспозиции камеры, составляющее всего лишь 10 мкс, удваивает очевидный размер частицы вследствие размытости изображения. На фиг. 25Е показано, насколько серьезно размытость изображения может влиять на изображения: слева частицы движутся быстро (примерно 300 об/мин) и кажутся вытянутыми; справа те же частицы неподвижны и выглядят более круглыми.In fig. 25C-25E illustrate the process of using time series data to track particle trajectories to provide more accurate particle size measurements. In fig. 25C shows a typical path of a 100 micron polymer microsphere through a vial after it has been rotated. The particles move most quickly relative to the camera due to the fact that in the image they cross the center of the container at the moment when their speed is orthogonal to the direction of inspection, according to Fig. 25D. For example, if the initial rotation speed is 300 rpm and the radial location of the particle rp is 5 mm, then the speed of the particle vp is approximately 9.4 m/s. At this speed, the camera's exposure time of only 10 μs doubles the apparent particle size due to image blur. In fig. Figure 25E shows how severely motion blur can affect images: on the left, particles move quickly (about 300 rpm) and appear elongated; on the right, the same particles are motionless and appear more round.
На фиг. 25F показан график зависимого от времени диаметра Фере для частицы, показанной на фиг. 25С. Вследствие воздействия линзового эффекта цилиндрической емкости, очевидный размер частицы поблизости от края емкости (точка D на правой оси) уменьшен. Наиболее точная оценка максимального размера частицы осуществлена при прохождении частицей центра емкости с небольшой скоростью (точка В на правой оси). При излишне высокой скорости (что обычно происходит в течение первых нескольких секунд после вращения емкости), размытость изображения приводит к увеличению очевидного размера частицы (точка А на правой оси). Со временем, под действием силы трения текучей среды, частица полностью прекращает движение (точка С на правой оси). В этом случае, пиковые значения среднего диапазона (точка В на правой оси) представляют собой наиболее точный показатель максимального размера частицы.In fig. 25F is a plot of Feret diameter versus time for the particle shown in FIG. 25C. Due to the lensing effect of the cylindrical container, the apparent particle size near the edge of the container (point D on the right axis) is reduced. The most accurate estimate of the maximum particle size was made when the particle passed the center of the container at low speed (point B on the right axis). If the speed is too high (which usually occurs within the first few seconds after the container is rotated), the blurring of the image causes the apparent size of the particle to increase (point A on the right axis). Over time, under the influence of the friction force of the fluid, the particle completely stops moving (point C on the right axis). In this case, the mid-range peak values (point B on the right axis) represent the most accurate indicator of the maximum particle size.
Определение характеристик частиц.Determination of particle characteristics.
На фиг. 26А показаны последовательные кадры данных временного ряда, содержащие частицы и их траектории. Примерно планарные пути отображают траектории 100-микронных полимерных микросфер, имитирующих белковые агрегаты. Указанные частицы, обладающие практически нейтральной плавучестью, перемещаются вместе с текучей средой и значительно не всплывают и не тонут. Вертикальные направленные книзу пути отображают траектории 100-микронных бусин стекла, изначально вращавшихся вместе с текучей средой, но затем потонувших по мере прогресса последовательности. Поднимающиеся кверху пути отображают траектории пузырьков воздуха и частиц с положительной плавучестью.In fig. 26A shows successive frames of time series data containing particles and their trajectories. The roughly planar paths represent the trajectories of 100-μm polymer microspheres mimicking protein aggregates. These particles, which have practically neutral buoyancy, move with the fluid and do not float or sink significantly. The vertical downward paths represent the trajectories of 100-micron glass beads that initially rotated with the fluid but then sank as the sequence progressed. The upward paths represent the trajectories of air bubbles and particles with positive buoyancy.
Отслеживание частиц позволяет измерять ряд времязависимых свойств, способных обеспечить важные ориентиры, указывающие на природу исследуемых частиц. Например, пузырьки воздуха, обычно считающиеся безвредными с нормативной точки зрения, могут провоцировать ошибки в известных оптических механизмах осмотра, что приводит к ложноположительным результатам и ложным отказам. В данном случае, времязависимое перемещение частицы (пузырьки воздуха обычно поднимаются в вертикальном направлении по мере замедления движения текучей среды) обеспечивает крайне очевидную характеристику, которая может быть легко идентифицирована на основании траектории, полученной путем отслеживания частиц. Сходным образом, частицы с нейтральной плавучестью могут не всплывать и не тонуть в значительной мере, в то время как плотные частицы тонут и падают на дно емкости. Более легкие частицы могут быть подхвачены вихрем, образованным вращающейся текучей средой, а тяжелые частицы могут иметь прямолинейные траектории.Particle tracking allows the measurement of a number of time-dependent properties that can provide important clues to the nature of the particles being studied. For example, air bubbles, generally considered harmless from a regulatory perspective, can cause errors in known optical inspection mechanisms, resulting in false positives and false failures. In this case, the time-dependent movement of the particle (air bubbles typically rise in a vertical direction as the fluid slows down) provides a very obvious characteristic that can be easily identified based on the trajectory obtained by tracking the particles. Similarly, neutrally buoyant particles may not float or sink to a significant extent, while dense particles sink and fall to the bottom of the container. Lighter particles can be caught up in the vortex created by the rotating fluid, while heavier particles can follow straight trajectories.
В целом, процесс отслеживания частиц обеспечивает времязависимую динамическую таблицу, сходную с показанной на фиг. 26В, и содержащую подробности, касающиеся всех интересующих параметров, включая местоположение, скорость перемещения, направление перемещения, ускорение, размер (т.е., двухмерную площадь), размер (максимальный диаметр Фере), удлинение, сферичность, контраст и яркость. Указанные параметры обеспечивают комплекс признаков, который может быть использован для классификации частицы (отнесения ее к определенному виду). Указанный подход, выполнимый посредством решения отслеживания частиц, хорошо подходит для большинства интересующих частиц. Возможность распределения частиц по категориям отдельно для каждой частицы на основании подобного диапазона времязависимых измерений является особым преимуществом настоящего изобретения.Overall, the particle tracking process provides a time-dependent dynamic table similar to that shown in FIG. 26B, and containing details regarding all parameters of interest, including location, speed of movement, direction of movement, acceleration, size (ie, two-dimensional area), size (maximum Feret diameter), elongation, sphericity, contrast and brightness. These parameters provide a set of characteristics that can be used to classify a particle (attribute it to a certain type). This approach, feasible through a particle tracking solution, works well for most particles of interest. The ability to categorize particles separately on a per-particle basis based on such a range of time-dependent measurements is a particular advantage of the present invention.
- 25 044111- 25 044111
Сжатие видеоизображения.Video compression.
Использование датчиков формирования изображения с крайне высокой разрешающей способностью способствует визуализации крайне малых частиц в сравнительно крупной емкости. Для обеспечения точного построения траектории также необходимо максимально увеличить скорость формирования изображения. Комбинация указанных требований приводит к получению файлов видеоизображения крайне большого размера, например, 1 ГБ, 2 ГБ, 5 ГБ, 10 ГБ, или больше. В некоторых областях применения может быть необходимым архивирование исходного видеоизображения в дополнение к данным анализа. Даже для наборов проб среднего размера, наличие файлов большого размера может привести к непомерно высоким затратам на хранение данных.The use of extremely high-resolution imaging sensors facilitates the imaging of extremely small particles in a relatively large container. To ensure accurate trajectory generation, it is also necessary to maximize the imaging speed. The combination of these requirements results in extremely large video file sizes, such as 1 GB, 2 GB, 5 GB, 10 GB, or larger. In some applications, it may be necessary to archive the original video image in addition to the analysis data. Even for moderately sized sample sets, large file sizes can result in prohibitive data storage costs.
Для уменьшения размеров файлов данных (обратного) временного ряда может быть применено сжатие видеоизображения данных (обратного) временного ряда. Для сохранения точности данных о частицах может потребоваться использование сжатия видеоизображения без потерь. Исследования показывают, что более широко используемые (и более экономичные) системы сжатия с потерями (например, MPEG) могут в значительной мере исказить и внести помехи в изображение с образованием на нем ряда нежелательных визуальных артефактов.To reduce the size of the (reverse) time series data files, video compression of the (reverse) time series data can be applied. To maintain particle data accuracy, it may be necessary to use lossless video compression. Research shows that more widely used (and more cost-effective) lossy compression systems (such as MPEG) can significantly distort and introduce noise into the image, producing a number of unwanted visual artifacts.
Несмотря на то что сжатие без потерь в целом сравнительно неэффективно по сравнению со сжатием с потерями, может быть предпринят ряд шагов, позволяющих повысить эффективность сжатия без потерь. На большинстве кадров данных временного ряда показано небольшое число мелких, ярких объектов на темном фоне. Темный фон не содержит полезной информации. Фон не является полностью черным, а сформирован из крайне слабого случайного шума. Замена указанного фона на полностью черный фон позволяет в значительной мере упростить изображение, и обеспечивает значительно более эффективную работу стандартных способов сжатия без потерь (например, zip или Huffyuv).Although lossless compression is generally relatively inefficient compared to lossy compression, a number of steps can be taken to improve the efficiency of lossless compression. Most time series data frames show a small number of small, bright objects against a dark background. The dark background does not contain useful information. The background is not completely black, but is formed from extremely weak random noise. Replacing the specified background with a completely black background greatly simplifies the image, and makes standard lossless compression methods (such as zip or Huffyuv) work much more efficiently.
Указанный процесс известен из уровня техники. Инновация настоящего изобретения заключается в принятии конкретного решения о том, что фактически является фоном на отдельно взятом кадре. В ходе других процессов сжатия устанавливают пороговое значение яркости и предполагают, что все пикселы на изображении, значение яркости которых ниже порогового, являются частью фона. В широком смысле указанный подход является эффективным, но может привести к небольшому уменьшению размеров изображения сохраняемых частиц, а также может привести к полному удалению крайне тусклых частиц с яркостью того же порядка, что и верхняя граница присущего изображению случайного фонового шума.This process is known from the prior art. The innovation of the present invention lies in making a specific decision about what actually constitutes the background in a given frame. Other compression processes set a brightness threshold and assume that all pixels in the image whose brightness value is below the threshold are part of the background. In a broad sense, this approach is effective, but may result in a small reduction in the size of the image of the particles being retained, and may also result in the complete removal of extremely faint particles with a brightness of the same order of magnitude as the upper bound of the random background noise inherent in the image.
Несмотря на то что указанные известные приемы способны работать с данными (обратного) временного ряда, использованное в приведенных вариантах реализации сжатие включает уникальный этап, на котором обеспечен анализ фона с целью обнаружения тусклых частиц до использования разрушающего процесса определения порогового значения. Данный процесс обеспечивает наилучший баланс между сохранением точности данных и максимальным снижением требований к хранению данных.Although these known techniques are capable of working with (reverse) time series data, the compression used in the illustrated embodiments includes a unique step that provides background analysis to detect faint particles before using a destructive thresholding process. This process provides the best balance between maintaining data accuracy and minimizing data storage requirements.
Определение объема наполнения и мениска.Determination of filling volume and meniscus.
Автоматизированные примеры реализации платформы визуального осмотра позволяют точно определять объем наполнения пробы, что является важным в исследовательских областях применения, где нет гарантии постоянства объема наполнения на протяжении всего периода экспериментальной работы. Указанный процесс особенно полезен при работе с особо крупными файлами данных, например файлами, формируемыми в ходе работы датчиков изображения высокого разрешения, оказывающей давление на работу по передаче и хранению данных. По этой причине может быть желательно ограничить снимаемое изображение таким образом, что оно охватывает лишь объем текучей среды, так как любая дополнительная информация не представляет интереса.Automated implementation examples of the visual inspection platform allow accurate determination of sample loading volume, which is important in research applications where the filling volume cannot be guaranteed to be constant throughout the experimental period. This process is especially useful when working with particularly large data files, such as files generated by high-resolution image sensors that put pressure on data transmission and storage. For this reason, it may be desirable to limit the captured image so that it only covers the volume of the fluid, since any additional information is not of interest.
В показанных системах могут быть использованы, например, автоматизированные алгоритмы выделения контуров или распознавания объектов для обнаружения границ емкости на изображении, согласно фиг. 27-29 и нижеприведенному описанию. Вследствие того, что мениск и основание флакона представляют собой уникальные объекты, для точной идентификации их положения на изображении может быть использован ряд возможных конфигураций освещения и/или приемов обработки изображения. Интересующий участок определяют путем измерения объема наполнения и определения участка изображения, занятого текучей средой. В частности, согласно фиг. 8, конфигурации, в которых использованы источники света 122f (фоновая подсветка), 122е (подсветка снизу), и комбинация источников 122а и 122b (освещение с заднего угла) могут быть использованы для определения объема наполнения согласно нижеприведенному описанию.The systems shown may, for example, use automated edge detection or object recognition algorithms to detect the boundaries of a container in an image, as shown in FIG. 27-29 and the description below. Due to the fact that the meniscus and the base of the vial are unique objects, a number of possible lighting configurations and/or image processing techniques can be used to accurately identify their position in the image. The area of interest is determined by measuring the volume of the fill and determining the area of the image occupied by the fluid. In particular, according to FIG. 8, configurations using light sources 122f (backlight), 122e (bottom illumination), and a combination of sources 122a and 122b (backlight) can be used to determine the filling amount as described below.
На фиг. 27A-27F показано автоматическое обнаружение интересующего участка внутри емкости с использованием освещения 122а и 122b с заднего угла по фиг. 8. На фиг. 27А показано статичное изображение емкости, на котором основание сосуда и мениск ясно различимы в виде четких, ярких объектов. В качестве примера, процессор может использовать выделение контуров с целью идентификации вертикальных стенок емкости и ширины w интересующего участка, согласно фиг. 27В. Для обнаружения мениска и основания флакона, вид которых может быть менее предсказуем, в процессе могут быть использованы определение порога яркости и сегментация с целью обеспечения упрощенного изображения интересующего участка (показанного на фиг. 27С). На указанном этапе, процессор может автоматически идентифицировать емкости, которые могут быть неподходящими для анализа частиц, например, емкоIn fig. 27A-27F show automatic detection of a region of interest within a container using rear corner illumination 122a and 122b of FIG. 8. In FIG. 27A shows a static image of a container in which the base of the container and the meniscus are clearly visible as sharp, bright objects. As an example, the processor may use edge extraction to identify the vertical walls of a container and the width w of a region of interest, as shown in FIG. 27V. To detect the meniscus and base of the vial, which may be less predictable in appearance, the process may utilize luminance thresholding and segmentation to provide a simplified image of the region of interest (shown in FIG. 27C). At this point, the processor may automatically identify containers that may be unsuitable for particle analysis, e.g.
- 26 044111 сти, поверхности которых поцарапаны и/или покрыты грязью. Эффективность системы может быть нарушена в результате излишней мутности, дефектов поверхности емкости, или излишне высокой концентрации частиц (в результате чего отдельные частицы уже не могут быть выделены на изображении). Если процессор определяет, что емкость является подходящей, объекты, соответствующие мениску и основанию флакона могут затем быть выделены и упрощены, согласно фиг. 27D. Процессор задает вертикальную высоту h интересующего участка в виде расстояния между нижним краем мениска и верхним краем основания флакона, согласно фиг. 27Е. Наконец, процессор может обрезать исходный поток изображений с использованием значений ширины и высоты интересующего участка, в результате чего снимают лишь участок изображения, занятый видимой текучей средой, согласно фиг. 27F.- 26 044111 items whose surfaces are scratched and/or covered with dirt. The effectiveness of the system can be compromised by excessive turbidity, defects in the surface of the container, or excessively high particle concentrations (with the result that individual particles can no longer be identified in the image). If the processor determines that the container is suitable, the objects corresponding to the meniscus and base of the vial can then be extracted and simplified, according to FIG. 27D. The processor sets the vertical height h of the area of interest as the distance between the lower edge of the meniscus and the upper edge of the base of the vial, according to FIG. 27E. Finally, the processor may crop the original image stream using the width and height values of the region of interest, resulting in only the image region occupied by the visible fluid being captured, as shown in FIG. 27F.
На фиг. 28А-28С показан сходный процесс обнаружения мениска, выполняемый на основании данных, полученных с использованием конфигурации фонового освещения (например, источника 122f света на фиг. 8). На фиг. 28А показан кадр данных временного ряда, отображающий обычную емкость, изображение которого получают с использованием фоновой подсветки. Мениск, стенки и основание легко различимы, и могут быть автоматически обнаружены посредством выделения контуров согласно фиг. 28В. Тем не менее, такие дефекты, как большие царапины, могут нарушить точность процесса обнаружения мениска при использовании фоновой подсветки (фиг. 28В) или подсветки с заднего угла (например, согласно фиг. 29С, описание приведено ниже). В одном примере реализации, для идентификации мениска и основания флакона используют определение порога яркости изображения. Вследствие того, что указанные объекты являются относительно крупными, а также благодаря их форме, они рассеивают относительно большой объем света по направлению к детектору, и они могут быть легко идентифицированы вследствие того, что они значительно отличаются от любых других возможно присутствующих объектов.In fig. 28A-28C show a similar meniscus detection process performed based on data obtained using a background lighting configuration (eg, light source 122f in FIG. 8). In fig. 28A shows a time series data frame displaying a conventional capacitance imaged using backlighting. The meniscus, walls and base are easily distinguishable and can be automatically detected by contour extraction according to FIG. 28V. However, defects such as large scratches may interfere with the accuracy of the meniscus detection process when using backlighting (FIG. 28B) or backlighting (eg, according to FIG. 29C, described below). In one embodiment, an image brightness threshold is used to identify the meniscus and the base of the vial. Due to the fact that these objects are relatively large, and also due to their shape, they scatter a relatively large amount of light towards the detector, and they can be easily identified due to the fact that they are significantly different from any other objects that may be present.
На фиг. 29A-29D показано обнаружение мениска в цилиндрическом сосуде с приблизительно планарным дном. Автоматическое определение объема наполнения начинается с определения порога яркости (фиг. 29А) с целью обнаружения мениска, что позволяет установить интересующий участок, а также является мерой объема наполнения. Затем, на фиг. 29В, освещение под углом позволяет подсвечивать дефекты поверхности, такие как царапины (показаны на чертеже), пыль, отпечатки пальцев, дефекты стекла или конденсат, способные затруднить выделение контуров. Освещение флакона снизу (например, посредством источника 122е света по фиг. 8), согласно фиг. 29С, подсвечивает мениск образом, (относительно) нечувствительным к дефектам поверхности, - в данном примере мениск виден даже несмотря на то, что поверхность сильно исцарапана. Освещение снизу также позволяет дифференцировать пустые флаконы и полные флаконы, согласно фиг. 29D, и точно определять высоту мениска при любом уровне заполнения между указанными крайними значениями. Освещение флакона снизу повышает эффективность обнаружения мениска вследствие того, что оно нивелирует ошибки, вызванные наличием царапин и других дефектов поверхности (фиг. 27С). Устройство источника 122е света таким образом, что он освещает сосуд под небольшим углом, дополнительно снижает чувствительность к дефектам поверхности. При освещении шприцов, которые сложно освещать снизу ввиду отсутствия прозрачного основания емкости, сходный эффект может быть достигнут путем освещения под малым углом.In fig. 29A-29D show detection of a meniscus in a cylindrical vessel with an approximately planar bottom. Automatic determination of the filling volume begins with the determination of the brightness threshold (Fig. 29A) in order to detect the meniscus, which allows the location of interest to be identified and is also a measure of the filling volume. Then, in FIG. 29B, angled lighting allows you to highlight surface defects such as scratches (shown in the drawing), dust, fingerprints, glass defects or condensation that can make it difficult to highlight contours. Illumination of the bottle from below (eg, via light source 122e of FIG. 8), according to FIG. 29C highlights the meniscus in a manner that is (relatively) insensitive to surface imperfections - in this example the meniscus is visible even though the surface is heavily scratched. Lighting from below also makes it possible to differentiate between empty vials and full vials, according to FIG. 29D, and accurately determine the height of the meniscus at any filling level between the specified extreme values. Illuminating the vial from below improves the detection of the meniscus because it eliminates errors caused by scratches and other surface defects (Fig. 27C). Arranging the light source 122e to illuminate the vessel at a shallow angle further reduces sensitivity to surface defects. When lighting syringes, which are difficult to illuminate from below due to the lack of a transparent base of the container, a similar effect can be achieved by lighting at a low angle.
Приемы исследования, сходные с вышеописанным обнаружением мениска, могут также быть использованы для скрининга объектов, способных негативно сказаться на любых последующих попытках идентификации и анализа взвешенных в текучей среде частиц. Подобные варианты могут включать идентификацию излишне мутных жидкостей, сильно поврежденных емкостей (включая большое число царапин или обломки на поверхности), и жидкостей, в которых концентрация частиц настолько высока, что отдельные частицы уже не могут быть выделены на изображении.Test techniques similar to the meniscus detection described above can also be used to screen for items that may adversely affect any subsequent attempts to identify and analyze fluid-borne particles. Such options may include identifying excessively turbid liquids, severely damaged containers (including a large number of scratches or debris on the surface), and liquids in which the concentration of particles is so high that individual particles can no longer be identified in the image.
Процессоры и память.Processors and memory.
Специалисту будет очевидно, что раскрытые в настоящем описании процессоры могут содержать любое подходящее устройство, обеспечивающее обработку и хранение данных, и содержащее устройства ввода-вывода, позволяющие запускать программы-приложения и т.п. Примеры процессоров могут быть встроены в интегральные микросхемы, программируемые пользователем вентильные матрицы, и/или любую другую подходящую архитектуру. Раскрытые процессоры могут также быть связаны с другими вычислительными устройствами, включая другие процессор и/или компьютер-серверы посредством сетей связи. Сеть связи может являться частью сети удаленного доступа, глобальной сети (например, сети интернет), всемирной группы компьютеров, локальной вычислительной сети или глобальной вычислительной сети, а также межсетевых шлюзов, использующих соответствующие протоколы (TCP/IP, Bluetooth, etc.) для обеспечения взаимной связи. Также возможны и другие архитектуры электронных устройств и компьютерных сетей.One of ordinary skill in the art will appreciate that the processors disclosed herein may include any suitable device for processing and storing data and including input/output devices for running application programs and the like. Example processors may be embedded in integrated circuits, field programmable gate arrays, and/or any other suitable architecture. The disclosed processors may also be coupled to other computing devices, including other processors and/or server computers, via communications networks. The communication network may be part of a dial-up network, a wide area network (for example, the Internet), a worldwide group of computers, a local area network or a wide area network, as well as gateways that use appropriate protocols (TCP/IP, Bluetooth, etc.) to provide mutual connection. Other architectures of electronic devices and computer networks are also possible.
На фиг. 30 приведена диаграмма внутренней структуры примерного процессора 50. Процессор 50 содержит системную шину 79, причем шина представляет собой набор аппаратных линий, используемых для передачи данных между компонентами компьютерной или обрабатывающей системы. Шина 79 по существу представляет собой общий канал, соединяющий различные элементы компьютерной системы (например, процессор, дисковый накопитель, память, порты ввода-вывода, сетевые порты, и т.д.), и позволяющий обеспечивать передачу информации между элементами. С системной шиной 79 связан инIn fig. 30 is a diagram of the internal structure of an exemplary processor 50. The processor 50 includes a system bus 79, where the bus is a set of hardware lines used to transfer data between components of a computer or processing system. Bus 79 is essentially a common channel that connects various elements of a computer system (eg, processor, disk drive, memory, I/O ports, network ports, etc.) and allows information to be transferred between elements. Connected to system bus 79 is
- 27 044111 терфейс 82 устройства ввода-вывода для подсоединения различных устройств ввода и вывода (например, клавиатуры, мыши, дисплеев, принтеров, громкоговорителя, и т.д.) к процессору 50. Сетевой интерфейс 86 позволяет обеспечивать связь компьютера с различными другими устройствами, связанными с сетью. Память 90 обеспечивает энергозависимое и/или энергонезависимое хранение инструкций 92 программного обеспечения компьютера и данных 94, используемых для выполнения примера реализации раскрытых систем и приемов визуального осмотра. Дисковый накопитель 5 обеспечивает (дополнительное) энергонезависимое хранение инструкций 92 программного обеспечения компьютера и данных 94, используемых для выполнения примера реализации визуального осмотра. Центральный блок 84 процессора также связан с системной шиной 79 и обеспечивает выполнение компьютерных команд.- 27 044111 I/O device interface 82 for connecting various input and output devices (for example, keyboard, mouse, displays, printers, speaker, etc.) to the processor 50. Network interface 86 allows the computer to communicate with various other devices connected to the network. Memory 90 provides volatile and/or non-volatile storage of computer software instructions 92 and data 94 used to execute example implementations of the disclosed visual inspection systems and techniques. Disk drive 5 provides (additional) non-volatile storage of computer software instructions 92 and data 94 used to perform the visual inspection example implementation. The processor central unit 84 is also coupled to the system bus 79 and provides execution of computer commands.
В одном из вариантов реализации, работа 92 процессора и данные 94 представляют собой компьютерный программный продукт (в целом обозначенный позицией 92), содержащий машиночитаемый носитель (например, съемный носитель данных, такой как один или более DVD-ROM дисков, CD-ROM дисков, дискет, магнитных лент и т.д.), обеспечивающий по меньшей мере часть программных команд для раскрытых систем визуального осмотра. Компьютерный программный продукт может быть установлен посредством любой подходящей процедуры установки программного обеспечения, известной из уровня техники. В еще одном варианте реализации, по меньшей мере часть программных команд может также быть загружена посредством кабеля, средства связи и/или беспроводного соединения. В других вариантах реализации, примерные программы представляют собой сигнальный продукт 107, передаваемый компьютерной программой, выполненный в виде передаваемого сигнала в среде распространения (например, радиоволне, инфракрасной волне, звуковой волне или электрической волне, передаваемой по глобальной сети, такой как сеть интернет, или по другой сети или сетям). Указанный носитель или сигналы обеспечивают по меньшей мере часть программных команд для раскрытых процессов или программы 92.In one embodiment, the processor operation 92 and data 94 is a computer program product (generally designated 92) comprising a computer-readable medium (e.g., a removable storage medium such as one or more DVD-ROM disks, CD-ROM disks, floppy disks, magnetic tapes, etc.) providing at least a portion of the software instructions for the disclosed visual inspection systems. The computer software product may be installed using any suitable software installation procedure known in the art. In yet another embodiment, at least a portion of the program instructions may also be downloaded via a cable, communications, and/or wireless connection. In other embodiments, the exemplary programs are a signal product 107 transmitted by a computer program, configured as a transmitted signal in a propagation medium (e.g., a radio wave, an infrared wave, an audio wave, or an electrical wave transmitted over a wide area network such as the Internet, or over another network or networks). Said media or signals provide at least a portion of program instructions for the disclosed processes or program 92.
В других вариантах реализации, передаваемый сигнал представляет собой аналоговую несущую волну или цифровой сигнал, передаваемый в среде распространения. Например, передаваемый сигнал может представлять собой оцифрованный сигнал, передаваемый по глобальной сети (например, сети интернет), сети дальней связи или другой сети. В одном из вариантов реализации, передаваемый сигнал представляет собой сигнал, передаваемый в среде распространения в течение промежутка времени, такой как команды для программного приложения, отправляемые в виде пакетов данных по сети в течение нескольких милисекунд, секунд, минут или более. В еще одном варианте реализации, машиночитаемый носитель компьютерного программного продукта 92 представляет собой среду распространения, которую может получать и считывать процессор 50, например, путем приема среды распространения и идентификации передаваемого сигнала, заключенного в среде распространения согласно вышеприведенному описанию сигнального продукта, передаваемого компьютерной программой.In other embodiments, the transmitted signal is an analog carrier wave or a digital signal transmitted over a propagation medium. For example, the transmitted signal may be a digitized signal transmitted over a wide area network (eg, the Internet), a long distance network, or other network. In one embodiment, the transmitted signal is a signal transmitted in a propagation medium over a period of time, such as commands to a software application sent as data packets over a network over a period of several milliseconds, seconds, minutes, or more. In yet another embodiment, the computer-readable medium of the computer program product 92 represents a distribution medium that can be received and read by the processor 50, for example, by receiving the distribution medium and identifying a transmission signal contained in the distribution medium as described above about a signal product transmitted by a computer program.
В целом, термин носитель или временный носитель охватывает описанные сигналы переходного процесса, передаваемые сигналы, среду распространения, носитель данных и т.п.In general, the term medium or temporary medium covers described transient signals, transmitted signals, propagation medium, storage medium, and the like.
Охлаждение датчика.Cooling the sensor.
В вышеописанных вариантах реализации, для получения изображений частиц используют электронные датчики. Электронные датчики, такие как ПЗС-датчики, подвержены различным видам случайного шума, нарушающего точность измеренного сигнала, особенно при получении сигнала низкой силы. В некоторых вариантах реализации, датчики могут быть охлаждены для снижения шума. Охлаждение может быть осуществлено с использованием любой подходящей технологии, включая, например, использование термоэлектрических холодильников, теплообменников (например, криоохладителей), охлаждения жидким азотом, и комбинацию вышеприведенных технологий.In the above-described embodiments, electronic sensors are used to obtain images of the particles. Electronic sensors, such as CCD sensors, are subject to various types of random noise that interfere with the accuracy of the measured signal, especially when receiving a low signal strength. In some embodiments, the sensors may be cooled to reduce noise. Cooling may be accomplished using any suitable technology, including, for example, the use of thermoelectric refrigerators, heat exchangers (eg, cryocoolers), liquid nitrogen cooling, and a combination of the above technologies.
В различных вариантах реализации, снижение шума обеспечивает преимущество при обнаружении частиц, в особенности связанное с обнаружением белковых агрегатов. В стандартных областях применения, белковые агрегаты могут быть относительно крупными (например, до нескольких сотен микрон в диаметре), но физическая структура указанных агрегатных частиц зачастую является весьма свободной, с низкой плотностью (значительная часть частицы может быть пористой и заполненной окружающей средой) и низким контрастом коэффициента преломления относительно окружающей среды. Вследствие указанных физических свойств, белковые агрегаты могут рассеивать относительно небольшие объемы света по сравнению с другими частицами, такими как фрагменты стекла или волокна.In various embodiments, noise reduction provides an advantage in particle detection, particularly associated with detection of protein aggregates. In standard applications, protein aggregates may be relatively large (e.g., up to several hundred microns in diameter), but the physical structure of these aggregate particles is often very loose, with low density (a significant portion of the particle may be porous and filled with the surrounding medium) and low refractive index contrast relative to the surrounding environment. Due to these physical properties, protein aggregates can scatter relatively small amounts of light compared to other particles such as glass fragments or fibers.
Значительная часть шума, воздействующего на современные электронные датчики изображения, имеет тепловую природу. Указанный шум воздействует на нижнюю часть динамического диапазона датчика. Например, в некоторых вариантах реализации, нижние Х% (например, 10%) динамического диапазона заняты шумом и должны быть удалены в ходе процесса определения порога яркости изображения (например, согласно вышеприведенному описанию). Минимальное пороговое значение для обнаружения частицы должно превышать указанное значение ~Х%, что позволяет удалять из сигнала данные низкой яркости. Указанное удаление может предотвратить точное обнаружение тусклых частиц, таких как белковые агрегаты. При снижении шума, например путем охлаждения датчика, может быть использовано более низкое пороговое значение, что позволяет обеспечивать улучшенное обнаружение сигналов низкой яркости.Much of the noise affecting modern electronic image sensors is thermal in nature. This noise affects the lower part of the dynamic range of the sensor. For example, in some embodiments, the lower X% (eg, 10%) of the dynamic range is occupied by noise and must be removed during the image luminance threshold determination process (eg, as described above). The minimum threshold value for particle detection must exceed the specified value ~X%, which allows low brightness data to be removed from the signal. This removal may prevent the accurate detection of dim particles such as protein aggregates. By reducing noise, for example by cooling the sensor, a lower threshold can be used, allowing for improved detection of low brightness signals.
- 28 044111- 28 044111
На фиг. 31 проиллюстрирована вышеописанная проблема, связанная с определением порогового значения. На панели А фиг. 31 показан обрезанный сегмент типичной последовательности данных, полученной посредством заявленных устройств и способов. Согласно чертежу, изображения представляют собой восьмибитные полутоновые изображения, т.е. каждый пиксел может иметь значение яркости, линейно варьирующееся от 0 (черный) до 255 (белый). Изображение содержит две частицы, одна из которых является относительно яркой, а другая - крайне тусклой. На панели В фиг. 31 приведена гистограмма яркости, демонстрирующая данные яркости фона, соответствующие участку на изображении, не содержащему частиц.In fig. 31 illustrates the above-described problem associated with determining a threshold value. In panel A of FIG. 31 shows a trimmed segment of a typical data sequence obtained by the inventive devices and methods. According to the drawing, the images are eight-bit halftone images, i.e. each pixel can have a brightness value that varies linearly from 0 (black) to 255 (white). The image contains two particles, one of which is relatively bright and the other is extremely dim. In panel B of FIG. 31 is a luminance histogram showing background luminance data corresponding to a region of the image that does not contain particles.
Датчик демонстрирует гауссову кривую фонового шума на нижнем конце гистограммы яркости по меньшей мере частично вследствие тепловых эффектов. Ширина указанной кривой определяет пороговое значение для обнаружения частиц. В целом, во избежание их удаления при определении порогового значения яркости, частицы должны быть значительно ярче фонового шума.The sensor exhibits a Gaussian background noise curve at the lower end of the luminance histogram due at least in part to thermal effects. The width of the specified curve determines the threshold value for particle detection. In general, particles must be significantly brighter than the background noise to avoid being removed when determining the brightness threshold.
На панели С фиг. 31 показана гистограмма яркости для яркой частицы. Изображение частицы содержит значительное число пикселов, расположенных справа от порогового значения на гистограмме, и, следовательно, частица легко обнаруживается после определения порогового значения.In panel C of FIG. Figure 31 shows a brightness histogram for a bright particle. The particle image contains a significant number of pixels located to the right of the threshold value in the histogram, and hence the particle is easily detected once the threshold value is determined.
С другой стороны, согласно панели D фиг. 31, более тусклая частица содержит относительно небольшое число пикселов выше порогового значения, и вероятно ее удаление в ходе процесса определения порогового значения и сегментации. Однако при использовании охлаждения или других приемов снижения минимального уровня шума, приводящих к смещению порогового значения влево, возможен вариант, при котором более тусклая частица может быть обнаружена.On the other hand, according to panel D of FIG. 31, the fainter particle contains a relatively small number of pixels above the threshold and is likely to be removed during the thresholding and segmentation process. However, by using cooling or other noise floor techniques that shift the threshold to the left, it is possible that a fainter particle may be detected.
Подсчет на основании света и неразрушающее определение размера (LENS).Light-based counting and non-destructive sizing (LENS).
В некоторых вариантах реализации, при осуществлении неразрушающего определения размера и подсчета частиц в емкости имеют место заметные артефакты, вызванные самой емкостью. Жидкая межфазная граница преломляет свет, проходящий через флакон, что вызывает заметные искажения на изображении или изображениях частиц, используемых в ходе процедуры определения размера и подсчета. В результате, частицы заданного размера могут казаться, например, вплоть до 4 раз крупнее на изображении, в зависимости от их пространственного местоположения во флаконе. Нужно отметить, что при использовании цилиндрической емкости, изображение частицы обычно растянуто только вдоль боковой оси, но не вдоль вертикальной оси флакона. (См. фиг. 5Е, на которой показаны указанные эффекты).In some embodiments, when performing non-destructive sizing and counting of particles in a container, there are noticeable artifacts caused by the container itself. The liquid interface refracts light passing through the vial, causing noticeable distortion in the image or images of particles used during the sizing and counting procedure. As a result, particles of a given size can appear, for example, up to 4 times larger in the image, depending on their spatial location in the vial. It should be noted that when using a cylindrical container, the particle image is usually stretched only along the lateral axis, but not along the vertical axis of the bottle. (See FIG. 5E for these effects.)
Согласно вышеприведенному описанию, в некоторых вариантах реализации указанные эффекты искажения могут быть скорректированы (например, уменьшены или даже устранены) посредством приемов использования корректировочной оптики. Однако, в некоторых вариантах реализации, подобная оптическая коррекция может быть неполной или недоступной. В таких случаях невозможна прямая корреляция размера частицы и соответствующего изображения на детекторе.As described above, in some embodiments, these distortion effects can be corrected (eg, reduced or even eliminated) through corrective optics techniques. However, in some embodiments, such optical correction may be incomplete or unavailable. In such cases, a direct correlation between the particle size and the corresponding detector image is not possible.
Например, на фиг. 32 показана гистограмма определенного размера изображения для популяции частиц (полимерных микросфер) стандартного размера (на чертеже они имеют диаметр 100 мкм) в текучей среде, полученного посредством системы, в которой вызванное емкостью искажение не скорректировано (соответствует ситуации, показанной на фиг. 5Е). Ясно видна значительная вариабельность очевидных размеров частицы вследствие воздействия эффектов искажения емкости.For example, in FIG. 32 shows a size-defined image histogram of a population of standard size particles (polymer microspheres) in a fluid obtained by a system in which capacitance-induced distortion is not corrected (corresponding to the situation shown in FIG. 5E). Significant variability in apparent particle size due to capacitance distortion effects is clearly visible.
Указанная вариабельность затрудняет дифференциацию популяций частиц различных размеров вследствие того, что на очевидном участке на детекторе может иметь место значительное перекрывание значении размера для каждой популяции частиц. Например, на фиг. 33 показаны гистограммы определенного размера изображения для двух популяций частиц стандартного размера (на чертеже они имеют диаметр 100 мкм и 140 мкм) в текучей среде. Ясно видно значительное перекрывание двух гистограмм для двух популяций частиц различного размера.This variability makes it difficult to differentiate between populations of particles of different sizes due to the fact that there may be significant overlap in the size value for each particle population at an obvious location on the detector. For example, in FIG. 33 shows histograms of a certain image size for two populations of standard size particles (in the drawing they have a diameter of 100 μm and 140 μm) in a fluid. The significant overlap between the two histograms for two populations of particles of different sizes is clearly visible.
В некоторых вариантах реализации, для получения точной информации о размерах даже при наличии вышеописанного эффекта искажения может быть применен способ обработки. Процесс обработки калибруют с использованием данных, полученных с использованием известных стандартов размеров. Например, на фиг. 34 показаны полученные экспериментальным путем гистограммы видимого размера для четырех различных популяций частиц (полимерных микросфер) стандартного размера. Несмотря на то что показаны четыре кривые калибровки, в различных вариантах реализации может быть использовано любое подходящее число кривых. В некоторых вариантах реализации, может быть использовано по меньшей мере две, по меньшей мере три, по меньшей мере четыре, по меньшей мере пять или по меньшей мере шесть кривых. В некоторых вариантах реализации, число кривых находится в пределах от 2 до 100, или в любых подпределах, например от 4 до 6. В некоторых вариантах реализации, может быть интерполирован набор экспериментальных кривых калибровки с целью выработки дополнительных кривых (например, соответствующих значениям размера между экспериментально измеренными значениями).In some embodiments, a processing method may be applied to obtain accurate dimensional information even in the presence of the above-described distortion effect. The machining process is calibrated using data obtained using known dimensional standards. For example, in FIG. Figure 34 shows experimentally obtained apparent size histograms for four different populations of standard size particles (polymer microspheres). Although four calibration curves are shown, any suitable number of curves may be used in various embodiments. In some embodiments, at least two, at least three, at least four, at least five, or at least six curves may be used. In some embodiments, the number of curves ranges from 2 to 100, or any subrange, such as 4 to 6. In some embodiments, a set of experimental calibration curves may be interpolated to generate additional curves (e.g., corresponding to size values between experimentally measured values).
В некоторых вариантах реализации, кривые калибровки могут соответствовать популяциям частиц, имеющим фактические размеры, отличающиеся друг от друга на любую подходящую величину, например, по меньшей мере 1 мкм , по меньшей мере 5 мкм, по меньшей мере 10 мкм, по меньшей мере 20 мкм, или более, в пределах от 1 мкм до 1000 мкм или в любых подпределах.In some embodiments, the calibration curves may correspond to populations of particles having actual sizes that differ from each other by any suitable amount, for example, at least 1 μm, at least 5 μm, at least 10 μm, at least 20 μm , or more, in the range from 1 µm to 1000 µm or in any sublimits.
После определения кривых калибровки, может быть получена кривая распределения видимых разAfter determining the calibration curves, a distribution curve of visible times can be obtained
- 29 044111 меров для пробы, содержащей частицы неизвестного размера (например, на основании статического изображения или изображений, или с использованием любого другого подходящего приема). Кривая пробы может быть получена в идентичных или сходных экспериментальных условиях (например, при использовании того же или сходного по размеру и форме емкости, идентичных или сходных свойств текучей среде, условий освещения, условий формирования изображения, и т.д.). Указанную кривую пробы сравнивают с кривыми калибровки для получения информации, указывающей на размеры частиц в пробе.- 29 044111 measures for a sample containing particles of unknown size (for example, based on a static image or images, or using any other suitable technique). The sample curve may be obtained under identical or similar experimental conditions (eg, using the same or similar container size and shape, identical or similar fluid properties, lighting conditions, imaging conditions, etc.). This sample curve is compared with calibration curves to obtain information indicating the particle sizes in the sample.
Например, в некоторых вариантах реализации, взвешенное наложение кривых калибровки сравнивают с кривой пробы. Взвешивание наложения варьируют для обеспечения согласования этого наложения на кривую пробы, например, с использованием любых подходящих приемов приближения, известных из уровня техники. Взвешивание ближайшего согласования на кривую пробы затем обеспечивает информацию о фактических размерах частицы в пробе. Например, в некоторых вариантах реализации, число раз появлений каждой кривой калибровки в наложении с наилучшим согласованием соответствует количеству частиц указанного размера в пробе.For example, in some embodiments, a weighted overlay of the calibration curves is compared to the sample curve. The weighting of the overlay is varied to ensure that the overlay is consistent with the sample curve, for example, using any suitable approximation techniques known in the art. Weighting the closest fit onto the sample curve then provides information about the actual particle sizes in the sample. For example, in some embodiments, the number of times each calibration curve appears in the best fit overlay corresponds to the number of particles of a specified size in the sample.
На фиг. 35 показано согласование наложения кривых калибровки на кривую экспериментальной пробы. В данном случае, проба подготовлена таким образом, что известно, что диаметр частиц находится в пределах от 75 до 125 мкм. На фиг. 36 показаны полученные на основании наилучшего согласования подсчеты частиц по размеру, сравненные с подсчетами частиц по размеру, полученные путем простого разбиения значений случайной величины видимого размера на интервалы, без обработки, на основании соответствующего изображения. Необработанные данные содержат значительное число фиктивных подсчетов, находящихся вне фактических пределов значений размера от 75 до 125 мкм. С другой стороны, результаты, полученные на основании наилучшего согласования кривых калибровки, демонстрируют значительно сниженное количество фиктивных подсчетов.In fig. Figure 35 shows the alignment of the overlay of the calibration curves on the experimental sample curve. In this case, the sample is prepared in such a way that the particle diameter is known to be between 75 and 125 µm. In fig. 36 shows the best-fit particle size counts compared to particle size counts obtained by simply binning the apparent size random variable values, without processing, based on the corresponding image. The raw data contains a significant number of spurious counts that are outside the actual size range of 75 to 125 µm. On the other hand, the results obtained from the best fit calibration curves show a significantly reduced number of dummy counts.
Нужно отметить, что, несмотря на то что описан один возможный подход к сравнению данных пробы и данных калибровки, могут быть использованы и другие подходящие способы. Например, в некоторых вариантах реализации, кривая пробы может быть разложена с использованием кривых калибровки в качестве базисных функций, сходно с разложением Фурье формы волны с использованием синусоидальных базисных функций. В целом, может быть использован любой подходящий прием свертки, развертки, разложения, или другой прием.It should be noted that while one possible approach to comparing sample data and calibration data has been described, other suitable methods may be used. For example, in some embodiments, the sample curve may be decomposed using the calibration curves as basis functions, similar to the Fourier decomposition of a waveform using sinusoidal basis functions. In general, any suitable convolution, decomposition, decomposition, or other technique may be used.
В некоторых вариантах реализации, приемы подсчета на основе света и неразрушающего определения размера (LENS) могут быть использованы в комбинации с вышеописанными приемами отслеживания частиц. Например, прием LENS обычно работает лучше в случаях, если форма частиц примерно соответствует форме частиц стандартных размеров, использованных для получения данных калибровки. Кроме того, приемы обычно хорошо работают при наличии большого количества частиц (например, больше 10, больше 50, больше 100, или более) с обеспечением большего набора данных для обработки алгоритмом.In some embodiments, light-based counting and non-destructive sizing (LENS) techniques may be used in combination with the particle tracking techniques described above. For example, the LENS technique usually works best in cases where the particle shape roughly matches the shape of the standard particle sizes used to obtain the calibration data. Additionally, the techniques generally work well when there are large numbers of particles (eg, greater than 10, greater than 50, greater than 100, or more), providing a larger data set for the algorithm to process.
Тем не менее, в некоторых областях применения количество частиц может быть небольшим. В некоторых областях применения исследование сфокусировано на более крупных частицах в пробе. Кроме того, в некоторых областях применения проба может содержать частицы, имеющие форму, отличающуюся от формы частиц стандартного размера. Например, волокна имеют удлиненную форму, отличную от сферической, которая используется во многих стандартах. В подобных условиях приемы LENS могут работать неэффективно.However, in some applications the particle count may be small. In some applications, the study focuses on larger particles in the sample. Additionally, in some applications, the sample may contain particles that are shaped differently than the standard particle size. For example, the fibers have an elongated shape, different from the spherical shape used in many standards. LENS techniques may not work effectively under such conditions.
В целом, при использовании вышеописанных приемов может быть подсчитано любое количество частиц. В некоторых вариантах реализации, верхняя граница количества частиц, которая может быть подсчитана, определена на основании загораживания одной частицы другой в пробе. В целом, при повышении количества частиц в емкости повышается вероятность того, что две частицы на двухмерном детекторе не будут представлены в виде отдельных частиц. Вышеуказанный принцип представляет собой функцию количества частиц в объеме и размера частиц. Обычно, крупные частицы занимают большую площадь на детекторе (и следовательно, возникает больше случаев загораживания для количества частиц на миллилитр по сравнению с более мелкими частицами). Например, в определенных условиях, во флаконе объемом 10 см3, заполненном 8 мл текучей среды, может быть подсчитано примерно до 500 частиц диаметром 50 мкм, а повышение концентрации приводит к неполному подсчету и эффектам завышенного размера вследствие загораживания частиц.In general, any number of particles can be counted using the techniques described above. In some embodiments, an upper limit on the number of particles that can be counted is determined based on the occlusion of one particle by another in the sample. In general, as the number of particles in a container increases, the likelihood that two particles on a 2D detector will not appear as separate particles increases. The above principle is a function of the number of particles in the volume and the particle size. In general, larger particles occupy a larger area on the detector (and therefore more occlusion events occur for the number of particles per milliliter compared to smaller particles). For example, under certain conditions, up to about 500 particles of 50 μm diameter can be counted in a 10 cc vial filled with 8 ml of fluid, and increasing concentrations result in undercounts and oversize effects due to particle occlusion.
Тем не менее, вышеприведенные приемы отслеживания частиц могут быть эффективными при подсчете и определении размера относительно крупных частиц. Соответственно, в некоторых вариантах реализации, может быть использован подход, представляющий собой гибрид двух подходов. На фиг. 37 показан пример реализации подобного гибридного процесса. На этапе 3701 последовательность изображений снимают, например, посредством любого из раскрытых в настоящем описании подходов. На этапе 3702 последовательность изображений обрабатывают (например, фильтруют, определяют порог яркости, сегментируют, и т.д.). На этапе 3703 данные о частицах, полученные на этапе 3702, могут быть подвергнуты предварительному скринингу с обнаружением частиц, размер которых превышает пороговое значение. Указанные крупные частицы могут быть удалены из набора данных и обработаны на этапе 3704 с использованием приемов отслеживания. Указанный процесс может обеспечить качественные, времяза- 30 044111 висимые измерения размеров крупных частиц. При наличии фона из более мелких частиц (ниже порогового значения размера), указанные частицы могут быть обработаны на этапе 3705 с использованием приемов LENS. Данные, полученные с использованием двух различных подходов, могут затем быть совмещены на этапе 3706 для формирования общего отчета о частицах в исследуемой емкости.However, the above particle tracking techniques can be effective in counting and sizing relatively large particles. Accordingly, in some implementations, an approach that is a hybrid of the two approaches may be used. In fig. Figure 37 shows an example of the implementation of such a hybrid process. At step 3701, a sequence of images is captured, for example, through any of the approaches disclosed herein. At step 3702, the image sequence is processed (eg, filtered, luminance thresholded, segmented, etc.). At step 3703, the particle data obtained at step 3702 may be pre-screened to detect particles whose size exceeds a threshold value. These large particles may be removed from the data set and processed at step 3704 using tracking techniques. This process can provide high-quality, time-dependent measurements of the size of large particles. If there is a background of smaller particles (below a size threshold), said particles can be processed at step 3705 using LENS techniques. The data obtained using the two different approaches can then be combined at step 3706 to generate an overall report of the particles in the test container.
В различных вариантах реализации, пороговое значение размера, используемое для определения используемого приема, может представлять собой любое подходящее пороговое или минимальное значение, составляющее примерно 1 мкм или больше, например, примерно в пределах от 1 до 400 мкм по ширине или диаметру частицы или в любых подпределах, например, от примерно 1 до примерно 50 мкм, от примерно 50 до примерно 250 мкм, или от примерно 75 до примерно 100 мкм. В некоторых вариантах реализации, данные о частицах, отправляемые на обработку с использованием каждого из приемов, могут быть выбраны на основе других критериев, отличных от размера, например, на основании информации, относящейся к форме частицы. В целом, может быть использована любая подходящая комбинация критериев.In various embodiments, the size threshold used to determine the technique used may be any suitable threshold or minimum value of about 1 μm or greater, for example, ranging from about 1 to 400 μm in particle width or diameter or any subranges, for example, from about 1 to about 50 μm, from about 50 to about 250 μm, or from about 75 to about 100 μm. In some embodiments, the particle data submitted for processing using each of the techniques may be selected based on criteria other than size, such as information related to the shape of the particle. In general, any suitable combination of criteria may be used.
Получение трехмерного изображения и приемы обнаружения частиц.3D imaging and particle detection techniques.
Согласно вышеприведенному описанию, в некоторых вариантах реализации, автоматизированный блок 100 визуального осмотра может содержать два или более устройства 110 формирования изображения, что позволяет обеспечить получение трехмерного изображения содержимого емкости 10.As described above, in some embodiments, the automated visual inspection unit 100 may include two or more imaging devices 110 to provide a three-dimensional image of the contents of the container 10.
Например, на фиг. 38А-С показан блок 100, содержащий три устройства 110 формирования изображения. Согласно чертежу, устройства 110 формирования изображения расположены по кругу вокруг емкости 10 с промежутками в 120°, но в различных вариантах реализации может быть использовано большее или меньшее количество датчиков. Углы между соседними датчиками формирования изображения необязательно равны друг другу, но в некоторых вариантах реализации, конфигурация с равными углами позволяет упростить нижеописанные приемы обработки изображения.For example, in FIG. 38A-C show a block 100 containing three imaging devices 110. As shown in the drawing, the imaging devices 110 are arranged in a circle around the container 10 at 120° intervals, but more or fewer sensors may be used in different embodiments. The angles between adjacent imaging sensors are not necessarily equal to each other, but in some embodiments, an equal angle configuration allows the image processing techniques described below to be simplified.
В некоторых вариантах реализации, все устройства 110 формирования изображения по существу идентичны. Устройства 110 формирования изображения могут быть подогнаны таким образом, что все они расположены на одной физической высоте относительно емкости 10, а емкость 10 расположена по центру зоны осмотра каждого из устройств формирования изображения.In some embodiments, all imaging devices 110 are substantially identical. The imaging devices 110 may be adjusted such that they are all located at the same physical height relative to the container 10, and the container 10 is located in the center of the viewing area of each of the imaging devices.
В некоторых вариантах реализации, небольшие ошибки при размещении могут иметь место даже в случае аккуратной оптимизации указанного физического взаиморасположения. Для решения указанной проблемы, устройства 110 формирования изображения могут быть откалиброваны путем формирования изображения известного калибровочного прибора. Любые достаточно мелкие боковые или вертикальные отклонения от подгонки могут в таком случае быть обнаружены путем получения повторной пробы и соответствующего сдвига полученных изображений. В некоторых вариантах реализации, изображения могут быть обработаны с целью корректировки вариабельности чувствительности или других различий в рабочих характеристиках между различными датчиками, используемыми в устройствах 110 формирования изображения.In some implementations, small errors in placement may occur even if the specified physical arrangement is carefully optimized. To solve this problem, the imaging devices 110 can be calibrated by imaging a known calibration device. Any sufficiently small lateral or vertical deviations from the fit can then be detected by re-sampling and shifting the resulting images accordingly. In some implementations, the images may be processed to correct for sensitivity variability or other differences in performance between the various sensors used in the imaging devices 110.
На фиг. 38С показан один отвод изображения для блока 100. Согласно вышеприведенному подробному описанию, при использовании телецентрической конфигурации формирования изображения можно удостовериться, что лишь лучи, по существу параллельные оси формирования изображения, достигают поверхности датчика устройства 110 формирования изображения. Согласно фиг. 39, при использовании геометрических приемов лучевой оптики (или других подходящих приемов) может быть сформирована модель лучей внутри емкости 10, проходящих сквозь стенку емкости и достигающих поверхности датчика.In fig. 38C shows one image tap for the block 100. According to the above detailed description, when using a telecentric imaging configuration, it can be ensured that only rays substantially parallel to the imaging axis reach the sensor surface of the imaging apparatus 110. According to FIG. 39, using geometric techniques of ray optics (or other suitable techniques), a pattern of rays within the container 10 can be formed, passing through the wall of the container and reaching the surface of the sensor.
При наличии известных векторов луча, из двухмерного изображения может быть взята точка или участок, и указанная яркость может быть отправлена обратно в емкость 10. При рассмотрении горизонтальных рядов двухмерного изображения по одному, может быть картографирована двухмерная горизонтальная решетка внутри объема емкости. Горизонтальные решетки, связанные с каждым из трех устройств 110 формирования изображения, могут быть наложены друг на друга с образованием общей карты. При повторении указанного процесса для дополнительных горизонтальных рядов датчиков, может быть построена вертикальная стопка двухмерных решеток с образованием трехмерной (3D) структуры, например, соответствующей всему объему емкости 10 или его части.Given known ray vectors, a point or region can be taken from the two-dimensional image and the indicated brightness can be sent back to the container 10. By examining the horizontal rows of the two-dimensional image one at a time, a two-dimensional horizontal lattice within the container volume can be mapped. Horizontal gratings associated with each of the three imaging devices 110 may be superimposed on each other to form an overall map. By repeating this process for additional horizontal rows of sensors, a vertical stack of two-dimensional arrays can be constructed to form a three-dimensional (3D) structure, for example corresponding to all or part of the volume of container 10.
Возможные частицы могут быть идентифицированы в полученной трехмерной структуре посредством определения порогового значения яркости, сходного с раскрытым в вышеприведенном описании. Определение порогового значения может быть выполнено на исходных двухмерных изображениях, полученных от устройств 110 формирования изображения, или может быть осуществлено на горизонтальных картах внутри трехмерной структуры после наложения.Possible particles can be identified in the resulting three-dimensional structure by determining a brightness threshold similar to that disclosed in the above description. Determination of the threshold value can be performed on the original two-dimensional images obtained from the imaging devices 110, or can be performed on horizontal maps within the three-dimensional structure after overlay.
Вероятные частицы могут быть идентифицированы с использованием трехмерной структуры с определенным пороговым значением яркости, в результате чего может быть получено непосредственное измерение трехмерного положения частицы в объеме текучей среды емкости 10. В стандартных областях применения, измерение трехмерного положения является точным для большей части объема текучей среды, но в некоторых случаях, в которых устройства 110 формирования изображения содержат телецентрические линзы, могут возникать слепые пятна, вызванные кривизной сосуда, и сопутствующий линзо- 31 044111 вый эффект (например, согласно фиг. 39, правая панель).Probable particles can be identified using a three-dimensional structure with a certain brightness threshold, resulting in a direct measurement of the particle's three-dimensional position within the fluid volume of container 10. In typical applications, the three-dimensional position measurement is accurate for most of the fluid volume, but in some cases in which the imaging devices 110 contain telecentric lenses, blind spots caused by vessel curvature and the accompanying lens effect may occur (eg, according to FIG. 39, right panel).
При использовании трех отводов изображения, установленных под углом в 120° согласно чертежу, слепые пятна близко коррелируют парами (см. фиг. 39, правая панель). Точное определение трехмерного положения на трех участках слепых пятен 3901 может быть исключено. Однако на указанных участках данные о местоположении могут быть установлены путем изучения двухмерных данных, полученных от ближайшего отвода изображения.When using three image taps set at an angle of 120° according to the drawing, the blind spots are closely correlated in pairs (see FIG. 39, right panel). Accurate determination of the three-dimensional position in three areas of the blind spots 3901 can be eliminated. However, in these areas, location data can be determined by examining 2D data obtained from the nearest image tap.
В различных вариантах реализации, проблема слепого пятна может быть уменьшена или устранена путем увеличения числа отводов датчиков для обеспечения перекрывающего формирования изображения.In various embodiments, the blind spot problem can be reduced or eliminated by increasing the number of sensor taps to provide overlapping imaging.
Несмотря на то что описан один из примеров использования нескольких устройств 110 формирования изображения для получения трехмерной информации о содержимом емкости 10, нужно понимать, что могут быть использованы и другие приемы. Например, в вариантах реализации, в которых использованы два устройства формирования изображения, для определения трехмерной информации могут быть использованы стереоскопические приемы формирования изображения.Although one example of using multiple imaging devices 110 to obtain three-dimensional information about the contents of container 10 has been described, it should be understood that other techniques may be used. For example, in embodiments that employ two imaging devices, stereoscopic imaging techniques may be used to determine three-dimensional information.
В некоторых вариантах реализации, например, в которых исследуемая проба статична или движется медленно, трехмерная информация может быть получена с использованием вращающегося отвода изображения, сходно с медицинскими вычислительными аппаратами для томографии. Вращающийся отвод изображения получает временной ряд двухмерных изображений, снятых с различных точек, который может быть использован для построения трехмерной информации, например, посредством любого подходящего способа, такого как способы, известные из уровня техники в области медицинской визуализации. В случае если изображения получают с высокой скоростью по отношению к динамике пробы, трехмерное изображение может обеспечивать точную трехмерную информацию для обнаружения частиц.In some embodiments, for example, in which the sample of interest is static or moving slowly, three-dimensional information can be obtained using a rotating image arm, similar to medical tomography computing devices. The rotating image tap obtains a time series of two-dimensional images taken from various points, which can be used to construct three-dimensional information, for example, through any suitable method, such as methods known in the art in the field of medical imaging. When images are acquired at high speed relative to sample dynamics, 3D imaging can provide accurate 3D information for particle detection.
В некоторых вариантах реализации, трехмерная информация, полученная посредством вышеописанных приемов, может подходить для обнаружения положения вероятной частицы, но не являются идеальными для определения других характеристик частицы, например, размера или формы частицы. Соответственно, в некоторых вариантах реализации, может быть использован гибридный подход. Например, в некоторых вариантах реализации, трехмерное местоположение частицы устанавливают на основании трехмерной информации (например, трехмерной структуры, построенной согласно вышеприведенному описанию). После установления трехмерного положения частиц, с указанным положением могут быть связаны результаты измерения размеров и формы, полученные на основании двухмерных изображений, полученных от некоторых или всех устройств 110 формирования изображения.In some embodiments, the three-dimensional information obtained through the techniques described above may be suitable for detecting the position of a likely particle, but are not ideal for determining other characteristics of the particle, such as particle size or shape. Accordingly, in some embodiments, a hybrid approach may be used. For example, in some embodiments, the three-dimensional location of a particle is determined based on three-dimensional information (eg, a three-dimensional structure constructed as described above). Once the three-dimensional position of the particles has been established, size and shape measurements obtained from two-dimensional images obtained from some or all of the imaging devices 110 can be associated with the position.
В некоторых вариантах реализации, отслеживание частиц может быть осуществлено на основании трехмерных данных положения, например, посредством приемов трехмерного отслеживания, сходных с вышеописанными приемами двухмерного отслеживания.In some embodiments, particle tracking may be accomplished based on 3D position data, for example, through 3D tracking techniques similar to the 2D tracking techniques described above.
В некоторых вариантах реализации, трехмерное отслеживание обладает преимуществами, в особенности при его использовании с двухмерными изображениями, полученными от каждого из устройств 110 формирования изображения.In some embodiments, three-dimensional tracking has advantages, particularly when used with two-dimensional images obtained from each of the imaging devices 110.
При использовании трехмерного отслеживания, загораживание одной частицы другой (например, согласно фиг. 5Е) уменьшено или устранено. В некоторых вариантах реализации, загораживания возможны, например, при исследовании плотных проб в слепых пятнах, при котором истинно трехмерное позиционирование неэффективно.When using three-dimensional tracking, the occlusion of one particle by another (eg, according to Fig. 5E) is reduced or eliminated. In some embodiments, occlusions are possible, for example when examining dense samples in blind spots where true 3D positioning is ineffective.
Сходно с двухмерным отслеживанием согласно вышеприведенному описанию, в некоторых вариантах прием прогнозного отслеживания может быть использован в контексте трехмерного изображения с использованием информации, связанной с гидродинамикой в емкости 10.Similar to the two-dimensional tracking as described above, in some embodiments, predictive tracking techniques may be used in the context of a three-dimensional image using information associated with fluid dynamics in the tank 10.
В некоторых вариантах реализации, по завершении отслеживания положений трехмерных частиц, информация о характеристиках частиц (например, размере и форме) может быть сгруппирована из двухмерных данных, полученных от нескольких устройств 110 формирования изображения, в множественные времязависимые наборы данных для каждой частицы. В некоторых вариантах реализации, указанный прием может обеспечить более точное измерение характеристик (например, размера или формы) отдельных частиц по сравнению с измерением посредством одного датчика формирования изображения. Например, в некоторых вариантах реализации, данный подход позволяет обеспечить более четкое обнаружение и измерение размеров удлиненный частиц вследствие того, что вид частицы на изображении более не зависит исключительно от ее пространственной ориентации относительно одного устройства 110 формирования изображения.In some implementations, once tracking of 3D particle positions is complete, information about particle characteristics (eg, size and shape) may be aggregated from 2D data obtained from multiple imaging devices 110 into multiple time-dependent data sets for each particle. In some embodiments, this technique may provide a more accurate measurement of characteristics (eg, size or shape) of individual particles compared to measurement by a single imaging sensor. For example, in some embodiments, this approach allows for improved detection and sizing of elongated particles due to the fact that the appearance of a particle in an image is no longer dependent solely on its spatial orientation relative to a single imaging device 110.
В некоторых вариантах реализации, указанный подход может быть использован для ослабления линзового эффекта, вызванного кривизной емкости 10. При использовании трехмерного положения частицы, измеренный размер частицы на двухмерных изображениях, полученных каждым из устройств 110 формирования изображения, может быть скорректирован с целью компенсации линзового эффекта, например, путем изменения бокового (горизонтального) компонента измерения размера с использованием коэффициента пересчета линзового эффекта. Указанный коэффициент пересчета может быть определен на основании оптической модели перемещения света через емкость 10 для каждого из устройств 110 формирования изображения согласно вышеприведенному описанию.In some embodiments, this approach can be used to reduce the lensing effect caused by the curvature of the container 10. By using the three-dimensional position of the particle, the measured particle size in the two-dimensional images acquired by each of the imaging devices 110 can be adjusted to compensate for the lensing effect. for example, by changing the lateral (horizontal) component of the size measurement using a lens effect conversion factor. Said conversion factor can be determined based on the optical model of light movement through the capacitor 10 for each of the imaging devices 110 as described above.
- 32 044111- 32 044111
Спектральное обнаружение.Spectral detection.
На фиг. 45 показан датчик 4500 (на чертеже показан в виде дифракционного спектрометра), который может быть использован с блоком 100 визуального осмотра раскрытого в настоящем описании вида.In fig. 45 shows a sensor 4500 (shown as a diffraction spectrometer) that can be used with a visual inspection unit 100 of the type disclosed herein.
Например, датчик 4500 может образовывать четвертый отвод изображения, используемый с примером реализации блока 100 по фиг. 38 А.For example, sensor 4500 may form a fourth image tap used with the example implementation of block 100 of FIG. 38 A.
Датчик 4500 может быть использован для обнаружения характеристики (например, спектральной характеристики) одной или более частиц в емкости 10. Например, согласно чертежу, емкость 10 подсвечена посредством широкополосных источников 122 света. Датчик 4500 получает свет от емкости 10 через корректирующую искажение оптику 4501 (например, любого вышеописанного вида) и телецентрическую линзу 4501. Свет от линзы 4501 направляют на дифракционную решетку 4503, разделяющую компоненты спектра света, изображение которых затем получают на датчике 4504 формирования изображения. В некоторых вариантах реализации, дифракционная решетка 4503 работает таким образом, что местоположение падающего света вдоль одного измерения датчика 4504 (например, вертикального измерения) соответствует длине волны света. Другое измерение на датчике 4504 формирования изображения соответствует различным пространственным точкам внутри емкости 10. То есть датчик 4500 обеспечивает спектральные данные для участка емкости, например, в выбранной конфигурации участок показан в виде горизонтального куска емкости 10.Sensor 4500 may be used to detect a characteristic (eg, spectral signature) of one or more particles in container 10. For example, as shown in the drawing, container 10 is illuminated by broadband light sources 122. Sensor 4500 receives light from capacitance 10 through distortion-correcting optics 4501 (e.g., of any type described above) and telecentric lens 4501. Light from lens 4501 is directed to a diffraction grating 4503 that separates components of the light spectrum, which are then imaged at imaging sensor 4504. In some implementations, the diffraction grating 4503 operates such that the location of the incident light along one dimension of the sensor 4504 (eg, the vertical dimension) corresponds to a wavelength of the light. Another measurement on the imaging sensor 4504 corresponds to various spatial points within the container 10. That is, the sensor 4500 provides spectral data for a portion of the container, e.g., in the selected configuration, the portion is shown as a horizontal piece of the container 10.
По мере перемещения частиц через указанную центральную горизонтальную плоскость, может быть зафиксирован их стереоскопический профиль. В то же время, согласно подробному вышеприведенному описанию, стандартные отводы изображения блока 100 могут быть использованы для отслеживания положения частицы внутри емкости (например, в трех измерениях). Указанные данные могут быть использованы для определения момента проникновения отдельно взятой частицы на участок обнаружения, фиксируемый датчиком 4500. При проникновении частицы на участок, датчик 4500 фиксирует характеристику (например, спектральный профиль) частицы. Блок 100 может вырабатывать данные, связанные с указанной характеристикой, и может связывать указанные данные с данными, указывающими на природу частицы в данных отслеживания.As particles move through said central horizontal plane, their stereoscopic profile can be recorded. At the same time, as detailed above, standard image taps of block 100 can be used to track the position of a particle within a container (eg, in three dimensions). This data can be used to determine when a single particle enters a detection area detected by sensor 4500. When a particle enters an area, sensor 4500 records a characteristic (eg, spectral profile) of the particle. Unit 100 may generate data associated with said characteristic and may associate said data with data indicative of the nature of the particle in the tracking data.
В различных вариантах реализации, данные характеристик могут быть использованы для любой подходящей цели, например, для определения вида частицы. Например, спектральные данные об отдельно взятой частице могут быть комбинированы с данными о размере, форме, перемещении частицы или с другими данными о частице с целью определения вида частицы.In various embodiments, the characteristic data can be used for any suitable purpose, for example, to determine the type of particle. For example, spectral data about an individual particle can be combined with data about the size, shape, movement of the particle, or other data about the particle to determine the type of particle.
В некоторых вариантах реализации, датчик 4500 и освещающие источники 122 света могут быть модифицированы с обеспечением возможности обнаружения флуоресценции частицы или любых других подходящих характеристик. В целом, может быть обнаружена любая спектральная характеристика частиц, включая цвет, спектр поглощения, спектр излучения или спектр пропускания, или комбинацию любых из указанных характеристик.In some embodiments, sensor 4500 and illuminating light sources 122 may be modified to detect particle fluorescence or any other suitable characteristics. In general, any spectral characteristic of the particles may be detected, including color, absorption spectrum, emission spectrum, or transmission spectrum, or a combination of any of these characteristics.
Несмотря на то что в вышеописанном примере датчик 4500 включен в блок 100, содержащий три отвода изображения, в других вариантах реализации может быть использовано любое количество отводов изображения, например один, два, четыре, пять или более отводов. В некоторых вариантах реализации, в которых использован один отвод изображения, датчик 4500 может быть подогнан к отводу изображения, например, путем использования светоделительной пластины (не показана) для разделения луча света, получаемого от емкости 10, и передачи компонентов луча на один отвод изображения и на датчик 4500. В других вариантах реализации, например, в которых использовано несколько отводов изображения, датчик 4500 может быть ориентирован под любым подходящим углом относительно устройств формирования изображения.Although in the above example the sensor 4500 is included in a block 100 containing three image fingers, in other embodiments any number of image fingers may be used, such as one, two, four, five or more fingers. In some embodiments in which a single image tap is used, the sensor 4500 may be matched to the image tap, for example, by using a beam splitter (not shown) to split the beam of light received from the capacitor 10 and transfer the components of the beam to the single image tap and to sensor 4500. In other implementations, such as those that employ multiple image bends, sensor 4500 may be oriented at any suitable angle relative to the imaging devices.
Измерение свойств пробы на месте.In situ measurement of sample properties.
В некоторых вариантах реализации, блок 100 осмотра может содержать один или более детекторов (не показаны), которые могут быть использованы для измерения коэффициента преломления текучей среды в емкости 10. Например, в некоторых вариантах реализации, через заполненную текучей средой часть емкости 10 может быть направлен узкий неосевой коллимированный лазерный луч, обнаруживаемый с целью измерения смещения луча вследствие преломления в емкости 10. Если известны материал и геометрия емкости 10, указанная информация может быть использована для определения коэффициента преломления текучей среды. В различных вариантах реализации может быть использован любой другой подходящий прием определения коэффициента преломления.In some embodiments, inspection unit 100 may include one or more detectors (not shown) that can be used to measure the refractive index of the fluid in container 10. For example, in some embodiments, a fluid-filled portion of container 10 may be directed a narrow off-axis collimated laser beam detected to measure beam displacement due to refraction in the container 10. If the material and geometry of the container 10 are known, this information can be used to determine the refractive index of the fluid. In various embodiments, any other suitable method for determining the refractive index may be used.
В некоторых вариантах реализации, измеренный коэффициент преломления текучей среды может быть использован в качестве вводного параметра для любых схем обработки данных, раскрытых в настоящем описании (например, обработки данных с целью компенсации линзовых эффектов, вызванных кривизной емкости 10).In some embodiments, the measured refractive index of the fluid may be used as an input parameter for any data processing schemes disclosed herein (eg, data processing to compensate for lens effects caused by the curvature of the container 10).
В некоторых вариантах реализации, блок 100 осмотра может также содержать один или более детекторов (не показаны), которые могут быть использованы для определения информации, указывающей на форму емкости 10. Например, в некоторых вариантах реализации, через заполненную воздухом (например, верхнюю) часть емкости 10 может быть направлен узкий неосевой коллимированный лазерный луч, обнаруживаемый с целью измерения смещения луча по сравнению с эталоном. Указанное отклоне- 33 044111 ние может быть использовано для точного измерения толщины стенки емкости (например, с точностью до 0.25 мм или меньше). В различных вариантах реализации может быть использован любой другой подходящий прием определения формы емкости.In some embodiments, inspection unit 100 may also include one or more detectors (not shown) that may be used to determine information indicative of the shape of container 10. For example, in some embodiments, through an air-filled (e.g., top) portion capacitor 10 can be directed to a narrow off-axis collimated laser beam, detected for the purpose of measuring the displacement of the beam compared to a reference. The specified deviation can be used to accurately measure the wall thickness of the container (for example, with an accuracy of 0.25 mm or less). In various embodiments, any other suitable technique for determining the shape of the container may be used.
В некоторых вариантах реализации, обнаруженные геометрические данные могут быть использованы, например, согласно вышеприведенному описанию, для определения коэффициента преломления текучей среды в емкости 10. В некоторых вариантах реализации, обнаруженные геометрические данные могут быть использованы в качестве вводного параметра для различных приемов обработки данных, раскрытых в настоящем описании (например, обработки данных с целью компенсации линзовых эффектов, вызванных кривизной емкости 10), или для любой другой подходящей цели.In some embodiments, the detected geometric data can be used, for example, as described above, to determine the refractive index of the fluid in the container 10. In some implementations, the detected geometric data can be used as an input parameter for various data processing techniques disclosed in the present description (for example, processing data to compensate for lens effects caused by the curvature of the container 10), or for any other suitable purpose.
Формирование изображения методом погружения.Image formation using the immersion method.
Согласно настоящему подробному описанию, в различных вариантах реализации, преломляющие свойства текучей среды в емкости 10 могут вызывать нежелательные эффекты искажения изображения. В некоторых вариантах реализации, указанные эффекты могут быть уменьшены путем заполнения всего (или части) пространства между емкостью 10 и устройством формирования изображения 110, используемым для формирования изображения емкости, средой с коэффициентом преломления, более близким к коэффициенту преломления текучей среды, чем к коэффициенту преломления воздуха.According to the present detailed description, in various embodiments, the refractive properties of the fluid in the container 10 may cause undesirable image distortion effects. In some embodiments, these effects can be reduced by filling all (or a portion) of the space between the container 10 and the imaging device 110 used to image the container with a medium having a refractive index closer to that of the fluid than to the refractive index of the fluid. air.
В некоторых вариантах реализации, рефракционное искажение может быть дополнительно уменьшено путем обеспечения совпадения коэффициента преломления емкости 10 коэффициенту преломления текучей среды, расположенной внутри емкости.In some embodiments, refractive distortion can be further reduced by ensuring that the refractive index of the container 10 matches the refractive index of the fluid located within the container.
В некоторых вариантах реализации, указанные приемы формирования изображения методом погружения могут обеспечить снижение или устранение необходимости в использовании корректировочной оптики и/или обработки, используемой для уменьшения искажения (например, линзового эффекта согласно вышеприведенному подробному описанию).In some embodiments, these immersion imaging techniques may reduce or eliminate the need for correction optics and/or processing used to reduce distortion (eg, the lens effect as detailed above).
Регулирование температуры пробы.Controlling sample temperature.
В некоторых вариантах реализации, блок 100 осмотра может содержать одно или более устройств (не показаны) для регулирования температуры пробы внутри емкости 10. Например, в некоторых вариантах реализации, устройство регулирования температуры может быть использовано для изменения температуры емкости в пределах от 0 до 40°С, от 0 до 100°С, или в других подходящих пределах. В некоторых вариантах реализации, устройство регулирования температуры может поддерживать температуру на уровне заданного значения, например значения, варьирующегося менее чем на 5, 2.5, 1, 0.1, 0.01 °С или меньше.In some embodiments, the inspection unit 100 may include one or more devices (not shown) for controlling the temperature of the sample within the container 10. For example, in some implementations, the temperature control device may be used to vary the temperature of the container between 0 and 40° C, from 0 to 100°C, or other suitable ranges. In some embodiments, the temperature control device may maintain the temperature at a set value, such as a value varying by less than 5, 2.5, 1, 0.1, 0.01 °C or less.
Регулирование температуры может иметь особое преимущество в областях применения, в которых регулирование температуры важно для препятствования разрушению проб в ходе процесса обнаружения. В некоторых вариантах реализации, исследования термозависимой и времязависимой стабильности термочувствительных продуктов могут быть проведены путем контролируемого изменения температуры пробы. Например, платформа может быть использована для измерения растворения (или, в некоторых случаях, образования) белковых агрегатов по мере контролируемого повышения температуры лекарственного препарата от, например, 4°С (температура охлаждения) до 20°С (комнатная температура), или до 37°С (температура тела человека).Temperature control may be of particular benefit in applications where temperature control is important to prevent sample degradation during the detection process. In some embodiments, temperature- and time-dependent stability studies of temperature-sensitive products can be conducted by controlled changes in sample temperature. For example, the platform can be used to measure the dissolution (or, in some cases, formation) of protein aggregates as the temperature of the drug is controlled to increase from, for example, 4°C (refrigeration temperature) to 20°C (room temperature), or up to 37 °C (human body temperature).
В различных вариантах реализации, регулирование температуры может быть обеспечено любым подходящим способом. В некоторых вариантах реализации, среда внутри блока осмотра может быть герметично закрыта и теплоизолирована, а регулирование температуры может быть осуществлено посредством, например, агрегата кондиционирования воздуха. В некоторых вариантах реализации, в держатель пробы для емкости 10 могут быть встроены нагревательная спираль и термоэлектрический охладитель (например, на основе эффекта Пельтье). В вариантах реализации, в которых на подносе расположено несколько емкостей, регулирование температуры подноса может быть осуществлено через поднос посредством нагревающей/охлаждающей рабочей текучей среды (например, путем проведения рабочей текучей среды через теплообменник). В целом, один или более датчиков температуры и/или термостатов могут быть использованы для обеспечения замкнутой системы регулирования температуры.In various embodiments, temperature control may be achieved in any suitable manner. In some embodiments, the environment within the inspection unit may be hermetically sealed and thermally insulated, and temperature control may be accomplished by, for example, an air conditioning unit. In some embodiments, a heating coil and a thermoelectric cooler (eg, based on the Peltier effect) may be integrated into the sample holder for container 10. In embodiments in which multiple containers are located on a tray, temperature control of the tray may be accomplished through the tray by means of a heating/cooling process fluid (eg, by passing the process fluid through a heat exchanger). In general, one or more temperature sensors and/or thermostats may be used to provide a closed-loop temperature control system.
Приемы многократного осмотра.Multiple inspection techniques.
В некоторых вариантах реализации, блок 100 осмотра может осуществлять повторный осмотр отдельно взятой пробы с изменением одного или более рабочих параметров (например, скорости вращения), которые могут быть выбраны на основании результатов первого осмотра. Указанный процесс может быть многократно повторен с целью лучшей корректировки рабочего параметра для определенной исследуемой пробы.In some embodiments, inspection unit 100 may re-inspect a single sample by changing one or more operating parameters (eg, rotation speed) that may be selected based on the results of the first inspection. This process can be repeated many times in order to better adjust the operating parameter for a specific test sample.
Например, в некоторых вариантах реализации, осмотр может быть повторен (например, с измененной скоростью вращения) в случае, если полученные данные обнаружения частиц и определения их размеров находятся вне диапазона ожидаемых результатов (что указывает на ошибку в изначальном обзоре).For example, in some embodiments, the inspection may be repeated (eg, with a modified rotation speed) if the particle detection and sizing data obtained are outside the range of expected results (indicating an error in the original inspection).
Картографирование эталона фона для автоматической калибровки.Background reference mapping for automatic calibration.
Согласно вышеприведенному подробному описанию, в различных вариантах реализации желатель- 34 044111 ным является определение характеристик эффектов искажения (например, линзовых эффектов), вызванных преломлением света, проходящего через емкость 10 к формирователю 110 изображения. В некоторых вариантах реализации, сам блок 100 осмотра может быть использован для картографирования искажений, вызванных емкостью 10. Полученная карта может затем быть использована для компенсирования указанных эффектов в ходе обработки изображения.According to the above detailed description, in various embodiments, it is desirable to determine the characteristics of distortion effects (eg, lens effects) caused by the refraction of light passing through the capacitance 10 to the image sensor 110. In some implementations, the inspection unit 100 itself may be used to map distortions caused by the capacitance 10. The resulting map may then be used to compensate for these effects during image processing.
Например, в некоторых вариантах реализации, один или более указателей калибровки (например, решетка) может быть размещен за емкостью 10 в качестве фона для устройства 110 формирования изображения. Рефракционное искажение может быть обнаружено и картографировано путем обнаружения указанных указателей на полученном изображении (например, с использованием выделения контуров или других подходящих приемов обнаружения объектов) и сравнения их вида на изображении с их известным фактическим видом.For example, in some embodiments, one or more calibration indicators (eg, a grating) may be placed behind the container 10 as a background to the imaging device 110. Refractive distortion can be detected and mapped by detecting specified indicators in the acquired image (eg, using edge detection or other suitable object detection techniques) and comparing their appearance in the image with their known actual appearance.
В некоторых вариантах реализации, указанный подход может быть использован для корректировки искажения, вызванного нецилиндрическими емкостями, например, емкостями, обладающими вращательной симметрией по оси, но с различными длинами периферии вокруг оси (такими, как емкости, форма которых напоминает форму современных бутылок для прохладительных напитков).In some embodiments, this approach can be used to correct for distortion caused by non-cylindrical containers, such as containers that are rotationally symmetrical on an axis but with varying peripheral lengths around the axis (such as containers shaped like modern soft drink bottles ).
Автоматическое обнаружение и подавление колебаний.Automatic vibration detection and suppression.
Согласно вышеприведенному описанию, в некоторых вариантах реализации, колебания могут снизить качество работы блока 100 осмотра. В результате колебаний, обычно статичные объекты (такие, как косметические дефекты на поверхности емкости) вибрируют в ходе формирования изображения. Это может снизить качество работы на этапе удаления статичных объектов вследствие формирования небольших, но значительных вибрирующих ореолов, не удаляемых в ходе удаления статичных элементов и способных приводить к получению неверных результатов при осуществлении последующих алгоритмов обнаружения частиц. В различных вариантах реализации, для снижения эффекта колебаний может быть использован один или более нижеописанных приемов.As described above, in some embodiments, vibrations may degrade the performance of the inspection unit 100. Vibration causes normally static objects (such as cosmetic defects on the surface of a container) to vibrate during image formation. This can reduce performance during the static removal phase due to the formation of small but significant vibrating halos that are not removed during static removal and can cause incorrect results in subsequent particle detection algorithms. In various embodiments, one or more of the following techniques may be used to reduce the effect of oscillation.
В некоторых вариантах реализации, элементы вибрирующих ореолов, образующиеся вокруг удаленных статичных элементов, могут быть подавлены путем увеличения размера участка изображения, соответствующего обнаруженным статичным элементам (например, на толщину от одного до нескольких пикселов), в результате чего участки изображения, содержащие тонкие вибрирующие ореолы, также удаляют до начала этапа анализа частиц. Однако в некоторых вариантах реализации, недостаток данного подхода заключается в том, что он уменьшает по существу доступную площадь датчика.In some embodiments, vibrating ghosting features that form around distant static elements can be suppressed by increasing the size of the image region corresponding to the detected static elements (e.g., by one to several pixels thick), resulting in image regions containing subtle vibrating ghosting , are also removed before the particle analysis step begins. However, in some embodiments, a disadvantage of this approach is that it reduces the substantially available sensor area.
В некоторых вариантах реализации, для обнаружения наличия вибрирующих элементов может быть использован алгоритм скрининга. Например, элементы могут быть обнаружены путем обработки изображения с целью обнаружения вибрирующих элементов, не перемещающихся по изображению. В некоторых вариантах реализации, указанные элементы могут также быть идентифицированы на основании их пространственной близости к обнаруженным статичным элементам.In some embodiments, a screening algorithm may be used to detect the presence of vibrating elements. For example, features can be detected by processing the image to detect vibrating features that do not move across the image. In some embodiments, these elements may also be identified based on their spatial proximity to detected static elements.
В некоторых вариантах реализации, показатели вибрации емкости могут быть обнаружены на основании полученных изображений, например, при использовании выделения контуров с целью обнаружения перемещения стенок емкости, в результате чего система может автоматически обнаруживать и, возможно, предупреждать пользователя о неприемлемо высоком уровне колебаний среды.In some embodiments, vibration indicators of a container may be detected from acquired images, such as by using edge extraction to detect movement of the walls of the container, whereby the system may automatically detect and possibly alert the user to unacceptably high levels of vibration in the environment.
В некоторых вариантах реализации, показатели вибрации емкости могут быть обнаружены посредством физических датчиков. Например, в некоторых вариантах реализации, головка инструмента, удерживающего и манипулирующего емкостью в ходе осмотра, может содержать устройства обнаружения движения (например, высокоточные акселерометры), обеспечивающие обратную связь, на основании которой система может автоматически предупреждать пользователей о наличии уровня колебаний, превышающего установленное пороговое значение.In some embodiments, vibration indicators of the container may be detected through physical sensors. For example, in some embodiments, the head of a tool that holds and manipulates a container during inspection may include motion detection devices (e.g., high-precision accelerometers) that provide feedback that the system can automatically alert users to when vibration levels exceed a preset threshold. meaning.
ПримерыExamples
Ниже приведены примерные характеристики производительности примера реализации блока 100 визуального осмотра раскрытого в настоящем описании вида.Below are exemplary performance characteristics of an example implementation of a visual inspection unit 100 of the type disclosed herein.
Согласно фиг. 40, блок 100 был использован с емкостями 10, каждая из которых содержала одну полимерную сферу известного размера. Были выполнены множественные процессы обнаружения (n=80) для каждой емкости, и процентное значение обнаружения было измерено (обозначено на чертеже столбцами APT). Согласно чертежу, процентное значение обнаружения в системе составило свыше 90% для частиц с диаметром от 15 до 200 мкм. Процентные значения обнаружения при выполнении идентичной задачи обученным человеком представлены для сравнения (обозначены на чертеже столбцами человек). Необходимо отметить, что способность человека к обнаружению частиц резко падает при обнаружении частиц размером менее 200 мкм.According to FIG. 40, block 100 was used with containers 10, each containing one polymer sphere of known size. Multiple detection processes (n=80) were performed for each container, and the percentage detection value was measured (indicated in the figure by APT bars). According to the drawing, the percentage detection value of the system was over 90% for particles with a diameter of 15 to 200 μm. Detection percentages when performing an identical task by a trained person are presented for comparison (indicated by person bars in the figure). It should be noted that human particle detection ability drops sharply when particles smaller than 200 microns are detected.
Согласно фиг. 41, в ходе другого эксперимента, блок 100 был использован с емкостями, содержащими частицы с диаметром выше и ниже границы видимого спектра в 125 мкм. Блок 100 идентифицировал частицу, а также классифицировал частицы на основании размера, различая частицы размером выше и ниже границы видимого спектра в 125 мкм. Согласно чертежу, процентное значение обнаружения в системе составило свыше 90% для частиц с диаметром от 15 до 200 мкм. Блок 100 также точно распределил обнаруженные частицы по категориям с крайне высокой степенью точности.According to FIG. 41, in another experiment, block 100 was used with containers containing particles with diameters above and below the 125 µm cutoff of the visible spectrum. Unit 100 identified the particle and also classified the particles based on size, distinguishing between particles above and below the 125 µm cutoff of the visible spectrum. According to the drawing, the percentage detection value of the system was over 90% for particles with a diameter of 15 to 200 μm. Unit 100 also accurately categorized detected particles with an extremely high degree of accuracy.
- 35 044111- 35 044111
Согласно фиг. 42, был обеспечен ряд растворов для нескольких стандартных размеров частиц, причем каждый ряд состоял из емкостей, содержащих частицы в заданной концентрации. Полученные емкости были проанализированы блоком 100 для получения данных о количестве частиц, а для определения значений R2 линейности подсчета против обратного коэффициента разбавления была использована регрессия. Согласно чертежу, значение R2 составило свыше 0.95 для размеров частиц от 15 до 200 мкм, что указывает на отличную линейность.According to FIG. 42, a series of solutions for several standard particle sizes were provided, each series consisting of containers containing particles at a given concentration. The resulting containers were analyzed by unit 100 to obtain particle count data, and regression was used to determine R 2 values for count linearity versus inverse dilution factor. According to the drawing, the R 2 value was over 0.95 for particle sizes from 15 to 200 μm, indicating excellent linearity.
Согласно фиг. 43, возбужденная проба, содержащая частицы белка, была проанализирована блоком 100 для определения количества частиц, сгруппированного по размеру частиц. Показана точность подсчета количества частиц для каждой группы на протяжении 10 циклов. Размер частиц белка неизвестен, в результате чего абсолютное сравнение точности определения размеров невозможно, но тем не менее, согласно чертежу, система обладает высокой точностью при подсчете и определении размеров белков. Нормированная ошибка измерения составила 3%, что указывает на отличную точность.According to FIG. 43, an excited sample containing protein particles was analyzed by unit 100 to determine the number of particles grouped by particle size. The accuracy of counting the number of particles for each group over 10 cycles is shown. The size of the protein particles is unknown, making absolute comparisons of sizing accuracy impossible, but according to the drawing, the system is nevertheless highly accurate in counting and sizing proteins. The normalized measurement error was 3%, indicating excellent accuracy.
Согласно фиг. 44, блок 100 был также протестирован на обнаружение пустых и содержащих частицы белка флаконов. Показатели работы блока 100 были сравнены с показателями работы квалифицированного оператора визуального осмотра при рассмотрении одного и того же набора флаконов. Блок 100 (обозначенный на чертеже столбцами APT) верно определил все 40 флаконов с частицами белка и 80 пустых флаконов в течение трех циклов. Самосовпадение при классификации видимых и невидимых частиц составило 100%. Результат человека составил лишь около 85% в обеих категориях.According to FIG. 44, block 100 was also tested to detect empty and protein-containing vials. The performance of unit 100 was compared to that of a qualified visual inspection operator when examining the same set of vials. Block 100 (denoted by APT bars in the figure) correctly identified all 40 vials containing protein particles and 80 empty vials over three runs. Self-match in classifying visible and invisible particles was 100%. The person's score was only about 85% in both categories.
Заключение.Conclusion.
Специалисту будет очевидно, что процессы, включенные в автоматизированную систему и способ неразрушающего обнаружения и идентификации частиц (обработка данных временного ряда, полученных посредством визуального осмотра), могут быть реализованы в виде изделия, содержащего машиночитаемый носитель. Например, указанный машиночитаемый носитель может содержать считываемое запоминающее устройство, такое как жесткий диск, CD-ROM, DVD-ROM, компьютерную дискету или компоненты твердотельной памяти (ПЗУ, ОЗУ), на котором хранится машиночитаемые сегменты программного кода. Машиночитаемый носитель может также содержать средство связи или передающее средство, такое как шина или канал связи, являющийся оптическим, проводным или беспроводным, несущее сегменты программного кода в виде цифровых или аналоговых сигналов передачи данных.It will be apparent to one skilled in the art that the processes included in the automated system and method for non-destructive detection and identification of particles (processing of time series data obtained through visual inspection) can be implemented in the form of an article containing a machine-readable medium. For example, the computer-readable medium may comprise a readable storage device, such as a hard disk, CD-ROM, DVD-ROM, computer floppy disk, or solid-state memory components (ROM, RAM), on which computer-readable segments of program code are stored. The computer-readable medium may also comprise communication or transmission means, such as a bus or communication channel, which is optical, wired, or wireless, carrying program code segments in the form of digital or analog data signals.
В настоящем описании использована блок-схема. Использование блок-схемы не должно рассматриваться как ограничивающее порядок выполняемых операций. Раскрытый в настоящем описании материал содержит иллюстрации других компонентов, расположенных внутри или соединенных с другими отличными компонентами. Нужно понимать, что подобная проиллюстрированная архитектура приведена исключительно в качестве примера, и по существу может быть реализовано множество других вариантов архитектуры, обеспечивающих идентичные функции. В принципиальном смысле, любая конфигурация компонентов, обеспечивающая идентичные функции, по существу связана с обеспечением желаемых функций. Следовательно, любые два компонента, комбинированные с обеспечением определенной функции, могут быть рассмотрены как связанные друг с другом с обеспечением желаемых функций, вне зависимости от архитектуры или промежуточных компонентов. Сходным образом, любые два компонента, связанные подобным образом, могут быть рассмотрены как находящиеся в рабочем соединении или в рабочей связи друг с другом с обеспечением желаемой функции, а любые два компонента, выполненные с возможностью подобной связи, могут быть рассмотрены как выполненные с возможностью рабочей связи друг с другом с обеспечением желаемой функции. Конкретные примеры выполненных с возможностью рабочей связи компонентов включают, без ограничения, физически соединяемые и/или физически взаимодействующие компоненты и/или выполненные с возможностью беспроводного взаимодействия и/или взаимодействующие беспроводным путем компоненты и/или логически взаимодействующие и/или выполненные с возможностью логического взаимодействия компоненты.In the present description, a block diagram is used. The use of a flowchart should not be construed as limiting the order in which operations can be performed. The material disclosed herein contains illustrations of other components located within or connected to other distinct components. It should be understood that such an illustrated architecture is provided by way of example only, and as such, many other architectures may be implemented that provide identical functionality. In a fundamental sense, any configuration of components that provides identical functionality is essentially associated with providing the desired functionality. Therefore, any two components combined to provide a specific function can be considered to be associated with each other to provide the desired functionality, regardless of the architecture or intermediate components. Similarly, any two components so coupled can be considered to be in operative connection or operative communication with each other to provide the desired function, and any two components so connected can be considered to be in operative connection. communication with each other to provide the desired function. Specific examples of operably communicating components include, but are not limited to, physically connected and/or physically interoperable components and/or wirelessly interoperable and/or wirelessly interoperable components and/or logically interoperable and/or logically interoperable components .
В том, что касается использования по существу любых терминов во множественном и/или единственном числе, специалист может свободно переводить множественное число в единственное и/или единственное число во множественное в зависимости от контекста и/или области применения. Различные варианты единственного и/или множественного числа могут быть указаны в настоящем описании в целях ясности.With respect to the use of substantially any plural and/or singular terms, those skilled in the art are free to convert plural to singular and/or singular to plural depending on the context and/or scope of application. Various singular and/or plural variations may be indicated herein for purposes of clarity.
Специалист должен понимать, что в целом, термины, используемые в настоящем описании, в особенности в нижеследующей формуле изобретения (например, в тексте пунктов формулы изобретения) по существу являются открытыми терминами (например, термин содержащий нужно понимать как содержащий без ограничения, термин имеющий нужно понимать как имеющий по меньшей мере, термин включает нужно понимать как включает без ограничения, и т.д. Специалисту также будет очевидно, что при намерении указания определенного числа в тексте пункта формулы, указанное намерение открытым текстом внесено в текст пункта формулы, а при отсутствии подобного указания подобное намерение не имеет места. Например, для облегчения понимания, нижеприведенные пункты формулы изобретения могут содержать вводные фразы по меньшей мере один и один или более в качестве введения в текст пункта формулы.One skilled in the art will understand that in general, the terms used in the present specification, particularly in the following claims (e.g., in the text of the claims) are essentially open terms (e.g., the term containing is to be understood as including without limitation, the term having must be understood as having at least, the term includes must be understood as includes without limitation, etc. It will also be obvious to a specialist that if there is an intention to indicate a certain number in the text of a claim, the specified intention is clearly included in the text of the claim, and in the absence such indication such an intention does not occur. For example, to facilitate understanding, the following claims may contain at least one introductory phrase and one or more as an introduction to the text of the claim.
В случае, если в тексте пункта формулы указано определенное число, специалисту будет очевидно,If a certain number is indicated in the text of the claim, it will be obvious to the specialist
--
Claims (15)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US61/528,589 | 2011-08-29 | ||
US61/542,058 | 2011-09-30 | ||
US61/691,211 | 2012-08-20 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA044111B1 true EA044111B1 (en) | 2023-07-24 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11803983B2 (en) | Methods and apparati for nondestructive detection of undissolved particles in a fluid | |
EA038813B1 (en) | Methods and apparatus for nondestructive detection of undissolved particles in a fluid | |
EA044111B1 (en) | METHODS AND DEVICES FOR NON-DESTRUCTIVE DETECTION OF UNDISSOLVED PARTICLES IN A FLUID |