EP1177472A2 - Hochauflösendes videomikroskop zur ausmessung extrahierter proben von partikelsuspensionen mit eingeprägter mechanischer probenschwingung - Google Patents
Hochauflösendes videomikroskop zur ausmessung extrahierter proben von partikelsuspensionen mit eingeprägter mechanischer probenschwingungInfo
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- EP1177472A2 EP1177472A2 EP00941913A EP00941913A EP1177472A2 EP 1177472 A2 EP1177472 A2 EP 1177472A2 EP 00941913 A EP00941913 A EP 00941913A EP 00941913 A EP00941913 A EP 00941913A EP 1177472 A2 EP1177472 A2 EP 1177472A2
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- G02B21/361—Optical details, e.g. image relay to the camera or image sensor
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- G—PHYSICS
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- G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
- G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
Definitions
- sample suspensions of small size are an important diagnostic method.
- suspension samples are taken from the fermentation containers, which are diluted in standardized transparent measuring chambers (for example thoma Measuring chamber) under a laboratory microscope, counted for concentration determination and measured with regard to particle size with the help of automatic image processing.
- standardized transparent measuring chambers for example thoma Measuring chamber
- This is a standard method in all particle-controlled processes, for example in biotechnology or in chemical process engineering, where substances in the form of microscopic particles occur in reactors and have to be characterized.
- This invention solves two problems that have previously arisen in the microscopic diagnosis of small amounts of suspension.
- the prepared transparent measuring chamber must be fixed and focused precisely and stably under the microscope, so that neither motion blur due to residual flow or vibrations or optical defocusing disturb the visual or automatic image evaluation. This places high demands on the microscope stand and the optical adjustment devices.
- the sample is set in constant agitation and rapid movement in apparent paradox to the requirements of high-resolution microscopy by means of electromechanical or magnetomechanical aids. This has the effect that the sample suspension is constantly mixed again and that no concentration gradients can develop.
- a high-resolution video microscope with extremely short exposure times of less than one microsecond is used according to the invention.
- This video microscope is state of the art in the field of inline process control (patent DE 40 32 002 C2 and the article "In Situ Microscopy for On Line Characterization of Cell Population in Bioreactors", Biotechnology & Bioengineering 47, 106-117 (1997)) extremely short exposure time of this microscope of less than microseconds allows sharp images of moving microscopic parts none in the mechanically shaken, vibrated or stirred sample cell.
- this microscopy concept does not require a mechanically limited precise observation volume. Instead, you can use the virtual volume, which, due to the limited depth of field of the lens image, automatically emerges from a larger suspension environment.
- the observed measurement volume is objectively and reproducibly limited by using a numerical focus criterion in the automatic image processing algorithm. It can be calibrated with defined calibration suspensions.
- the short-pulsed video microscope generates countable and measurable direct images from the artificially turbulent or flowing sample suspension. The counted objects can be interpreted directly as a measure of the particle concentration by calibration.
- a larger number of images are recorded through a transparent cell wall, for example a few hundred, which are sent to the automatic image processing system for counting and measuring the particle shapes.
- the suspension is kept in motion by miniaturized mechanical stirrers or by impressed vibrations by magneto-mechanical or electromechanical vibrations.
- a piezo crystal that is subjected to vibrations in contact with the cuvette can be used for permanent mixing and movement of the particles.
- the size of the statistical sample that makes up the image information is proportional to the number of images taken. However, this only applies as long as it is guaranteed that scenes of successive images (ie the random collection of particles contained therein) are completely uncorrelated.
- the sharply depicted virtual sample volume used for evaluation within the suspension must therefore have its content between two images replace completely.
- the mechanical shaking of the cuvette according to the invention also fulfills this purpose.
- Undemanding sample containers A volume-precise sample chamber can be dispensed with, since the image processing only filters out the sharply imaged particles from a small part of the cuvette for evaluation anyway, thus creating a virtual but precisely calibratable sample volume.
- Automatic image processing counts sharply imaged cells and uses the average count rate per image to generate a calibratable signal of the number concentration in the suspension. In addition, it can determine morphological details such as form factors or size histograms.
- Simplified sample preparation The need for a strong dilution is eliminated or is alleviated, since the in situ microscope can also evaluate and calibrate images in the range of very high concentrations of, for example, over 10 9 particles per plastic. bicentimeter at 4 micron particle diameter. With existing sample quantities in milliliter format, the careful preparation of representative tiny (and therefore more error-prone) sample volumes of fewer microliters is no longer necessary, since the larger samples remain well mixed with the specimen movement and representative images are generated directly from them in the pulsed video microscope.
- FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the device according to the invention. It shows the microscope tube 1 with image sensor 2 (for example a CCD frame) and with objective 3 and viewing window 4 over a transparent cuboid-shaped sample cuvette 5.
- image sensor 2 for example a CCD frame
- objective 3 and viewing window 4 over a transparent cuboid-shaped sample cuvette 5.
- the cuvette sits on a piezo ring 6, which is electrically excited to mechanical vibrations in a conventional manner by electrode coating can. If a suitable electrical alternating voltage 8 is applied to the electrodes, any periodic movements from low-frequency vibrations to ultrasound can be coupled into the cuvette and the mixing of the suspension can be forced.
- a miniaturized flash lamp 7 - if necessary with condenser optics - is positioned under the cuvette in the center of the piezo ring, which generates a transmitted light exposure of the moving sample.
- the use of pulsed luminous diodes is advantageous - because it is inexpensive.
Abstract
Zur Ausmessung extrahierter Proben von Partikelsuspensionen dient ein hochauflösendes Videomikroskop. Die Probe wird in Strömungsunruhe versetzt, und es werden mit extrem kurzer Belichtungszeit Bilder von der Probe aufgenommen.
Description
Hochauflösendes Videomikroskop zur Ausmessung extrahierter Proben von Partikelsuspensionen mit eingeprägter mechanischer Probenschwingung
Beschreibung
Die meßtechnische Erfassung und Charakterisierung von Partikeln in Probensuspensionen von geringer Größe stellt eine wichtige diagnostische Methode dar. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Hefe oder auch beim Brauen von Bier Suspensionsproben aus den Fermentationsbehältern entnommen, die in verdünnter Form in standardisierten transparenten Meßkammern (Beispielsweise Thoma-Meßkammer) unter dem Labormikroskop betrachtet, zur Konzentrationsermittlung ausgezählt und bezüglich der Partikelgröße mit Hilfe automatischer Bildverarbeitung ausgemessen werden. Hierbei handelt es sich um eine Standardmethode in allen von Partikeln kontrollierten Prozessen, beispielsweise in der Biotechnologie oder in der chemischen Verfahrenstechnik, wo Stoffe in Form mikroskopischer Partikel in Reaktoren anfallen und charakterisiert werden müssen.
Auch in der Medizin fallen Blutproben in Milliliter bis Mikroliter-Vo- lumina an, die in derselben Weise, eventuell unter Zuhilfenahme von Anfärbemethoden ausgewertet werden.
Diese Erfindung löst zwei bisher auftretende Probleme bei der mikroskopischen Diagnose kleiner Suspensionmengen.
Erstens: Zur Auszählung in normierten Zählkammern unter dem Labormikroskop sind aufwendige und fehlerträchtige Verdünnungsschritte notwendig, bis eine zur visuellen oder automatischen Charakterisierung geeignete, stark verdünnte Probensuspension in einem kleinen Probevolumen von Mikrometer-Größenordnung hineinpräpariert ist. Jeder Verdünnungsschritt und die abschließende Einbringung in die Meßkammer riskieren Abweichungen von einer korrekten Auswertung. Manuelle
Fehler, Adsorptionseffekte, osmotische Effekte, Sedimentationen und Entmischungseffekte durch Strömungsbeschleunigungen können den repräsentativen Charakter der präparierten Partikel-Stichprobe zerstören.
Zweitens: Die präparierte transparente Meßkammer muß präzise und stabil unter dem Mikroskop fixiert und fokussiert werden, damit weder Be- wegungsunschärfe durch Restströmung oder Vibrationsunruhe oder optische Defokussierung die visuelle oder automatische Bildauswertung stören. Dies stellt hohe Anforderungen an das Mikroskopstativ und die optischen Justiervorrichtungen.
Selbst wenn die eigentliche Bildauswertung durch digitale Bildverarbeitung automatisiert wird, bleiben als kostenträchtige Nachteile die Erfordernisse eines aufwendigen Labormikroskops, einer volumenpräzisen Küvette und einer Fokussierung mit entsprechender Sorgfalt.
Beide Probleme werden von der hier beschriebenen Erfindung umgangen. Erfindungsgemäß wird die Probe in scheinbarer Paradoxie zu den Erfordernissen einer hochauflösenden Mikroskopie durch elektromechanische oder magnetomechanische Hilfsmittel in beständige Unruhe und schnelle Bewegung versetzt. Dies bewirkt, daß sich die Probensuspension dauernd neu durchmischt, und daß sich keine Konzentrationsgradienten entwik- keln können.
Da mit gewöhnlichen Mikroskopen wegen der künstlich eingeprägten Unruhe hochauflösende mikroskopische Bilder aus der Suspension nicht mehr zu machen sind, benutzt man erfindungsgemäß ein hochauflösendes Videomikroskop mit extrem kurzen Belichtungszeiten von unter einer Mi- krosekunde. Dieses Videomikroskop ist Stand der Technik im Bereich der inline Prozesskontrolle (Patent DE 40 32 002 C2 sowie der Artikel „In Situ Microscopy for On Line Characterization of Cell Population in Bioreactors" , Biotechnology & Bioengineering 47, 106-117 (1997)). Die extrem kurze Belichtungszeit dieses Mikroskops von weniger als Mikro- sekunden erlaubt scharfe Aufnahmen von bewegten mikroskopischen Parti-
kein in der mechanisch gerüttelten, in Schwingungen versetzten oder gerührten Probenküvette .
Weiterhin benötigt dieses Mikroskopiekonzept kein mechanisch begrenztes präzises Beobachtungsvolumen. Stattdessen kann man das virtuelle Volumen nutzen, das sich durch die begrenzte Schärfentiefe der Objektivabbildung von selbst aus einer größeren Suspensionsumgebung herausschält. Das beobachtete Meßvolumen begrenzt sich objektiv und reproduzierbar durch Anwendung eines numerischen Schärfenkriteriums im Algorithmus der automatischen Bildverarbeitung. Er kann mit definierten Eichsuspensionen kalibriert werden. Das kurz gepulste Videomikroskop erzeugt auszählbare und ausmeßbare Direktaufnahmen aus der künstlich turbulent oder strömend gehaltenen Probensuspension. Die gezählten Objekte können durch Kalibrierung direkt als Maß der Partikelkonzentration interpretiert werden.
Durch eine transparente Küvettenwand werden eine größere Anzahl Bilder aufgenommen, beispielsweise einige hundert, die der automatischen Bildverarbeitung zur Auszählung und Ausmessung der Partikelformen zugeleitet werden.
Damit die Durchmischung und Konzentration der Suspension auch gegen die Tendenz zur Entmischung durch Sedimentation und Adsorption erhalten bleibt, wird die Suspension durch miniaturisierte mechanische Rührer oder durch aufgeprägte Rütteleffekte durch magneto-mechanische oder elektromechanische Schwingungen in Bewegung gehalten. Beispielsweise ein mit Schwingungen beaufschlagter Piezokristall in Kontakt mit der Küvette kann zur nachhaltigen Durchmischung und Bewegung der Partikel dienen. Die Größe der statistischen Stichprobe, aus der sich die Bildinformation zusammensetzt, ist proportional zu der Anzahl aufgenommener Bilder. Dies gilt jedoch nur solange, wie garantiert ist, daß Szenen aufeinanderfolgender Bilder (d. h. die zufällig darin enthaltene Partikelsammlung) vollkommen unkorreliert sind. Das zur Auswertung herangezogene, scharf abgebildete virtuelle Probevolumen innerhalb der Suspension muß seinen Inhalt also zwischen zwei Bildern
vollständig austauschen. Eben dieser Zweck wird durch das erfindungsgemäße mechanische Rütteln an der Küvette ebenfalls erfüllt.
Folgende drei Hauptvorteile ergeben sich mit der erfindungsgemäß in Unruhe versetzten Mikroskopieküvette unter einem gepulsten Videomikroskop:
1. Anspruchlose Probenbehälter: Auf eine volumenpräzise Probenkammer kann verzichtet werden, da durch die Bildverarbeitung ohnehin nur die scharf abgebildeten Partikel aus einem geringen Teilvolumen der Küvette zur Auswertung herausgefiltert werden und auf diese Weise ein virtuelles aber präzise kalibrierbares Probevolumen entsteht. Die automatische Bildverarbeitung zählt scharf abgebildete Zellen und erzeugt mit der mittleren Zählrate pro Bild ein kalibrierbares Signal der Anzahlkonzentration in der Suspension. Zusätzlich kann sie morphologische Details wie Formfaktoren oder Größenhistogramme ermitteln.
2. Der Fokussierungsaufwand entfällt, weil das Mikroskop immer eine scharf abgebildete Schicht in der Suspension findet, wobei die unscharf abgebildeten Schichten durch die automatische Bildverarbeitung von der Auswertung ausgegrenzt werden. Es kann daher auch ohne aufwendige Probenfixierung und ohne vibrationsarmes Mikroskopstativ scharfe Bilder aus der Suspension aufnehmen. Es entfällt auch die in der konventionellen Mikroskopie notwendige vibrationsarme Fixierung und Ruhigstellung der Präparate unter dem Mikroskop, denn der Bewegungsunschärfe unruhiger Partikel wird durch die extrem kurze Belichtungszeit elektronisch ausgewichen. Ein kostengünstiger einfacher mechanischer Aufbau ohne das herkömmliche teure justierbare Mikroskopstativ wird damit ermöglicht.
3. Vereinfachte Probenpräparierung: Die Notwendigkeit einer starken Verdünnung entfällt oder wird abgemildert, da das In Situ Mikroskop auch auswertbare und kalibrierbare Bilder im Bereich sehr hoher Konzentrationen von beispielsweise über 109 Partikeln pro Ku-
bikzentimeter bei 4 Mikrometer Partikeldurchmesser aufnimmt. Bei vorhandenen Probemengen im Milliliterformat ist die sorgfältige Präparierung repräsentativer winziger (und daher fehleranfälliger) Probevolumina von weniger Mikrolitern nicht mehr notwenig, da die größeren Proben mit eingeprägter Präparatbewegung gut durchmischt bleiben und direkt aus ihnen repräsentative Bilder im gepulsten Videomikroskop erzeugt werden.
Insgesamt wird so erreicht, daß die mikroskopische Charakterisierung von Partikelparametern in geringen Probevolumina wesentlich vereinfacht und kostengünstiger gestaltet werden kann.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausformung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie zeigt den Mikroskoptubus 1 mit Bildsensor 2 (beispielsweise ein CCD-Frame) und mit Objektiv 3 und Sichtfenster 4 über einer transparenten quaderförmig konstruierten Probenkuvette 5. Die Küvette sitzt auf einem Piezoring 6, welcher durch Elektrodenbeschichtung auf konventionelle Art elektrisch zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann. Beaufschlagt man die Elektroden mit einer geeigneten elektrischen Wechselspannung 8, kann man von niederfrequenten Schwingungen bis zum Ultraschall beliebige periodische Bewegungen in die Küvette einkoppeln und die Durchmischung der Suspension erzwingen.
Unter der Küvette im Zentrum des Piezoringes ist eine miniaturisierte Blitzlampe 7 - nötigenfalls mit Kondensoroptik - positioniert, die eine Durchlichtbelichtung der bewegten Probe erzeugt. Vorteilhaft - weil kostengünstig - ist die Verwendung von gepulsten Luminiszenz- dioden.
Claims
Ansprüche
Vorrichtung mit einem Videomikroskop zur mikroskopischen Abbildung von Partikeln wie beispielsweise biologische Zellen in Suspensionsproben oder Tröpfchen in Emulsionsproben, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale : das Videomikroskop ist ein Mikroskop zur hochauflösenden Abbildung schnell bewegter mikroskopischer Partikel durch extrem kurze Belichtungspulse (ca. 1 Mikrosekunde) beispielsweise durch gepulste Luminiszenzdioden, der Probenbehälter der Suspension wird durch ein optisch transparentes Fenster vom Mikroskop eingesehen, die aufgrund der begrenzten Schärfentiefe der Objektivabbildung scharf abgebildete Suspensionsschicht bildet ein geringes Teil- volumen des gesamten Suspensionpräparats, die Suspension wird durch magnetomechanische oder elektromecha- nische Hilfsmittel wie beispielsweise magnetische Rührer oder Piezo-Oszillatoren in Strömungsunruhe versetzt, die mechanisch induzierte Unruhe der Suspension erzeugt eine beständige Durchmischung der Suspension und verhindert die Ausbildung von Konzentrationsgradienten der Partikel innerhalb des Probenbehälters , die Belichtung mit Sub-Mikrosekunden Blitzen ermöglicht eine hochauflösende Abbildung von Kleinstpartikeln bis in den Bereich von Sub-Mikrometern, es werden von der elektronischen Kamera am Mikroskop eine Anzahl von Bildern aus derselben Probensuspension aufgenommen und einer automatischen Bildverarbeitung zur Zählung und Charakterisierung der ausreichend scharf abgebildeten Objekte zugeleitet, die mechanisch induzierte Unruhe der Suspension sorgt für schnellen vollständigen Austausch der Partikel zwischen der scharf abgebildeten Volumenschicht und der Restsuspension im Probenbehälter, die einzelnen Bilder enthalten durch den mechanisch induzierten Strömungsaustausch repräsentative und unkorrelierte statistische Bilddaten aus der Suspension und jedes Bild trägt damit proportional zur auswertbaren Bilddatenmenge bei.
2. Vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: eine plane transparente Küvette (5) mit der Suspension wird direkt unter dem Mikroskopobjektiv (5) auf einem Piezo-Ring (6) gehaltert, der durch eine externe WechselSpannung (8) in mechanische Schwingungen versetzt wird, die Schwingung des Piezokristalls koppelt durch den mechanischen Kontakt an die Küvette an und führt zur ständigen schnellen Bewegung der Partikel und ihrer Durchmischung in der Suspension, unterhalb der Küvette befindet sich eine kurz gepulste (< 1 Mikrosekunde) Luminiszenzdiode (7) zur Durchlichtbelichtung.
3. Vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: als Probenbehälter (9) wird ein beispielsweise ein bis zehn Milliliter fassendes Gefäß verwendet, in welches ein hermetisch geschlossener Mikroskoptubus (10) mit gepulster LED-Belichtung (11) taucht, am Tubusende befindet sich ein optisches Fenster (12) , durch welches das Mikroskop in die Suspension (9) einsieht, seitlich am Tubusende befindet sich eine gepulste Luminiszenzdiode (11) zur schrägen Durchlichtbelichtung des Mikroskops, die Durchmischung des Suspension wird durch einen miniaturisierten Magnetrührer (13) geleistet.
4. Verfahren zur Untersuchung einer Probe, dadurch gekennzeichnet, daß man die Probe in Unruhe versetzt und mit Kurzzeitbelichtung Mikroskopbildsequenzen von der Probe aufnimmt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4.
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