KR20130027464A

KR20130027464A - 유세포 분석 시스템 및 방법에 대한 액적 지연 계산

Info

Publication number: KR20130027464A
Application number: KR1020127023417A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 씨. 넥켈스; 케빈 씨. 코터
Original assignee: 베크만 컬터, 인코포레이티드
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2013-03-15
Also published as: SG183340A1; WO2011112656A1; BR112012022638B1; EP2545356A1; JP5797670B2; US8922646B2; SG10201402041RA; CN102792145A; EP2545356B1; KR101739162B1; US20110221892A1; CN102792145B; AU2011224478B2; JP2013522597A; AU2011224478A1; BR112012022638A2

Abstract

유세포 분석기의 스트림에서 액적 지연을 계산하는 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 이 방법은 흐름의 이미지에 기초하여 흐름의 폭을 측정함으로써 폭 플롯(widths plot)을 결정하는 단계, 및 폭 플롯에 기초하여 액적 지연을 설정하는 단계를 포함한다. 다른 양태에서, 본 발명은 액적 지연을 자동으로 계산하는 유세포 분석기 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에서, 유세포 분석기 시스템은 스트림의 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하는 수단; 및 폭 플롯에 기초하여 액적 지연을 계산하는 수단을 포함한다.

Description

유세포 분석 시스템 및 방법에 대한 액적 지연 계산{CALCULATE DROP DELAY FOR FLOW CYTOMETRY SYSTEMS AND METHODS}

<우선권 주장>

이 특허 출원은 미국 특허법 제119조 (e)에 따라 2010년 3월 9일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/311,956호에 기초하여 우선권을 주장하며, 이 출원은 참조 문헌으로서 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.

<기술분야>

본 발명은 유세포 분석(flow cytometry) 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 유세포 분석기에서 액적 지연(drop delay)을 계산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

유세포 분석의 분야에서, 스트림(stream) 내의 분석물 입자를 분리 및 정렬하기 위해 유체역학적 집속(hydrodynamic focusing) 기법이 사용된다. 스트림이 유세포 분석기의 노즐로부터 방출될 때 발진기는 스트림을 섭동시킨다. 섭동의 결과, 미소 액적(droplet)이 개별 분석물 입자를 포함하게 된다. 스트림으로부터 이탈되기 바로 전에, 미소 액적이 대전될 수 있고, 이탈점(break-off point)으로부터 다운스트림 쪽으로의 전기장이 대전된 입자를 편향시키고 분류하는 데 사용될 수 있다. 이 프로세스의 일부로서, 시스템의 "액적 지연"[즉, 관심의 입자가 식별될 때와 관심의 입자를 포함하는 미소 액적이 대전 위치(또는 "이탈점")에 도달할 때 사이의 시간]을 결정할 필요가 있다. 그에 따라, 이웃 미소 액적에 영향을 주지 않고 관심의 미소 액적이 대전될 수 있다.

상용 유세포 분석기는 통상적으로 액적 지연을 결정하기 위해 경험적, 반복적, 시행착오 프로토콜을 사용한다. 예를 들어, 사용자(또는 자동화된 프로그램)가 일정 범위의 액적 지연 설정을 순환하는 동안 형광 비드가 유세포 분석기를 통해 지나갈 수 있다. 사용자(또는 자동화된 프로그램)가 액적 지연 설정을 발견하고 그 결과 형광 비드의 최적의 분류가 얻어질 때, 이러한 액적 지연이 동작 액적 지연으로서 설정되고, 샘플 운전을 위해 사용된다. 그러나, 액적 지연을 결정하기 위해 형광 비드를 사용하는 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는 형광 비드가 유세포 분석기를 오염시킬 수 있기 때문이다. 게다가, 시간이 많이 걸리고 액적 지연 계산의 필요한 정밀도를 갖지 않을 수 있는 반복적 시행 착오 동작의 사용을 피하는 시스템 및 방법이 필요하다.

본 명세서에 제시된 시스템 및 방법은 종래 기술에서 보이는 문제점들 중 일부를 해결하는 기능을 한다. 본 명세서에 제시된 시스템 및 방법이 이전의 수동적 프로세스를 단지 자동화하는 것에 불과하지 않다는 것에 유의한다. 본 명세서에 제시된 시스템 및 방법은 고생스러운 설계, 테스트 및 최적화를 거쳐 개발되었다. 필요한 정밀도를 달성함에 있어서의 과제가 이들 시스템 및 방법의 개발에서 식별되고 해결되었다. 그에 따라, 본 명세서에 제시된 시스템 및 방법은 종래 기술의 시스템보다 상당히 더 높은 정확도를 제공한다.

본 발명은 유세포 분석기의 스트림에서 액적 지연을 계산하는 방법에 관한 것이다. 일 실시예에서, 이 방법은 스트림의 이미지에 기초하여 스트림의 폭을 측정함으로써 폭 플롯(widths plot)을 결정하는 단계, 및 폭 플롯에 기초하여 액적 지연을 설정하는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 유세포 분석기의 스트림에서 액적 지연을 계산하는 방법은 기준 프레임(frame of reference)에 대한 레이저 위치를 식별하는 단계; 이탈점을 결정하는 단계; 및 스트로브 위상(strobe phase)을 설정하는 것, 스트림을 촬영하는 것, 스트림의 이미지에 기초하여 스트림의 폭을 측정함으로써 폭 플롯을 결정하는 것, 폭 플롯에서의 피크를 결정하는 것, 레이저 교차(laser intercept)의 위상을 계산하는 것, 및 폭 플롯에서의 피크, 미소 액적 발생파(droplet generation wave)에 대한 레이저 교차의 위상 및 전하 위상(charge phase)에 응답하여 액적 지연을 설정하는 것에 의해 액적 지연을 계산하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 이 방법은 폭 플롯을 평활화하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 이 방법은 폭 플롯의 도함수를 계산하는 단계, 및 도함수의 복수의 영 교차를 기록하는 단계를 포함하고, 각각의 영 교차는 폭 플롯에서의 피크를 나타낸다.

또 다른 실시예에서, 이탈점은 최단 이탈점이다. 또 다른 실시예에서, 스트림을 촬영하는 단계는 스트림의 복수의 이미지를 촬영하는 동안 스트림의 길이를 따라 카메라를 이동시키는 단계; 및 단일 이미지를 형성하기 위해 복수의 이미지를 함께 스티칭하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 스트로브 위상이 전하 위상 + 180°로 설정된다. 또 다른 실시예에서, 액적 지연이 또한 바이어스 보정 인자(bias correction factor)에 응답하여 설정된다. 또 다른 실시예에서, 바이어스 보정 인자가 선형 함수 aX + b이고, 여기서 X는 노즐부터 이탈까지의 시간이고, 파라미터 "a" 및 "b"는 시스템 응답의 실험적 측정으로부터 결정된다. 다른 실시예에서, 폭 플롯의 평활화가 이산 푸리에 분석을 사용하여 수행된다. 일 실시예에서, 카메라가 스트림의 거의 상부에 있을 때, 구동 전압이 동작 값으로부터 증가되고, 카메라가 아래로 이탈점 쪽으로 구동될 때 구동 전압이 동작 값으로 감소된다. 다른 실시예에서, 액적 지연의 계산은 관심의 분석물이 스트림의 이탈점에 도달했을 때를 결정하는 데 사용된다.

다른 양태에서, 본 발명은 액적 지연을 자동으로 계산하는 유세포 분석기 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에서, 유세포 분석기 시스템은 스트림의 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하는 수단, 및 폭 플롯에 기초하여 액적 지연을 계산하는 수단을 포함한다. 다른 실시예에서, 유세포 분석기 시스템은 스트림의 이미지를 촬영하는 수단; 스트림의 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하는 수단; 폭 플롯에서의 피크를 결정하는 수단; 및 결정된 피크에 기초하여 액적 지연을 계산하는 수단을 포함한다. 일 실시예에서, 이 시스템은 폭 플롯을 평활화하는 수단을 포함한다. 다른 실시예에서, 이 시스템은 폭 플롯의 도함수를 계산하는 수단; 및 폭 플롯에서의 영 교차를 결정하는 수단을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 스트림의 이미지를 촬영하는 수단이 스트림의 복수의 이미지를 촬영하는 수단을 포함하고, 세포 분석기 시스템은 스트림의 하나의 전체 이미지를 형성하기 위해 스트림의 복수의 이미지를 스티칭하는 수단을 더 포함한다.

다른 실시예에서, 이 시스템은 스트림의 이미지를 촬영하도록 구성되는 카메라; 및 스트림의 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하고 폭 플롯에 기초하여 액적 지연을 계산하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 이 시스템은 스트림의 복수의 이미지를 촬영하도록 구성되는, 정밀도-보정된 이동식 카메라 스테이지 상에 탑재된 카메라; 및 스트림의 하나의 전체 이미지를 형성하기 위해 스트림의 복수의 이미지를 스티칭하고, 스트림의 하나의 전체 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하며, 폭 플롯을 평활화하고, 평활화된 폭 플롯에 대한 도함수를 계산하며, 평활화된 폭 플롯에서 영 교차를 결정하고, 결정된 영 교차에 기초하여 액적 지연을 계산하도록 구성된 프로세서를 포함한다.

본 명세서에 포함되는 첨부 도면은 본 명세서의 일부를 형성하고, 액적 지연을 계산하는 유세포 분석기 시스템 및 방법의 실시예를 예시한다. 이 설명과 함께, 첨부 도면은 또한 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법의 원리를 설명하고 당업자가 이를 제조하고 사용할 수 있게 하는 역할을 한다. 도면에서, 유사한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 종래 기술의 유세포 분석기 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유세포 분석기 시스템의 개략도이다.
도 3은 유세포 분석기 내의 카메라로부터 촬영된 복수의 이미지로부터 준비된 스티칭된 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는, 도 3에 도시된 이미지와 같은, 스티칭된 이미지로부터 측정된 예시적인 폭 플롯을 나타낸 도면이다.
도 5a는 도 4의 원래의 폭 플롯 및 필터링된(평활화된) 폭 플롯을 나타낸 도면이다. 이들 플롯 둘 다가 겹치지 않고 도시될 수 있게 하도록 원래의 폭 플롯이 60만큼 오프셋되어 있다.
도 5b는 원시 데이터 및 필터링된(평활화된) 데이터 둘 다를 보여주기 위해 오버레이되는, 노즐 근방의 데이터를 보여주는 도 5a의 플롯의 클로즈업을 나타낸 도면이다.
도 6은 전하 윈도우(하부)가 어떻게 발진기 사이클(상부)의 지정된 위상에 있는지를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 명세서에 제시된 방법을 나타낸 상위 레벨 흐름도이다.
도 8은 레이저 위치를 찾아내는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9a는 초기화 스캔을 수행하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9b는 도 9a에 나타낸 방법의 서브-프로토콜을 나타낸 흐름도이다.
도 9c는 도 9a에 나타낸 방법의 서브-프로토콜을 나타낸 흐름도이다.
도 10a는 보정 스캔을 수행하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 지연을 결정하는 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전체 스트림 이미지를 캡처하여 스티칭하는 서브-프로토콜을 나타낸 도면이다.
도 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 폭 플롯의 피크 및 골(valley)을 계산하는 서브-프로토콜을 나타낸 도면이다.
도 10e는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 지연을 계산하는 서브-프로토콜을 나타낸 도면이다.

액적 지연을 계산하는 시스템 및 방법에 대한 이하의 상세한 설명은 예시적인 실시예를 나타낸 첨부 도면을 참조한다. 달리 언급하지 않는 한, 모든 실시예 및 예는 예상 실시예(prophetic example)로서 간주되어야만 한다. 다른 실시예가 가능하다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 본 명세서에 기술된 실시예에 대해 수정이 행해질 수 있다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한하기 위한 것이 아니다. 게다가, 이하에 기술되는 시스템 및 방법이 많은 상이한 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어 실시예에서 구현될 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 기술되는 임의의 실제의 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어는 제한하기 위한 것이 아니다.

도 1은 참조 문헌으로서 포함된 미국 특허 제5,643,796호에 개시된 것과 같은 종래 기술의 유세포 분석기 시스템의 개략도이다. 도 1은 본 발명의 시스템 및 방법에서 이용될 수 있는, 유세포 분석기 시스템의 기본적인 부분을 보여주기 위해 제시되어 있다. 그러나, 도 1은 또한 액적 지연을 계산하기 위해 반복적 시행 착오 프로세스를 이용하는 시스템 - 이는 본 발명의 시스템 및 방법과 상이함 - 을 보여주기 위해서도 제시되어 있다.

구체적으로는, 도 1은 노즐 시스템(42) - 이는 또한 노즐 컨테이너(2)를 포함함 - 을 갖는 미소 액적 유세포 분석기를 나타낸 것이다. 시스 유체(sheath fluid)가 시스 보관소(5)로부터 시스 유체 포트(4)를 통해 노즐 볼륨(3) 내로 유입된다. 분석물 입자가 물질 보관소(8)로부터 물질 유입 포트(9)를 통해 시스 유체 내에 유입된다. 개별 분석물 입자가 단일-파일 배향으로 정렬되어 노즐 출구(6)로부터 자유 낙하 영역(7)으로 방출되도록, 시스 유체가, 그의 혼입된 분석물 입자와 함께, 유체역학적으로 집속된다.

규칙적인 미소 액적을 형성하기 위해, 발진기(10)는 시스 유체 내에 압력파를 야기하거나 시스 유체의 실제 이동을 야기하도록 구성된다. 발진기(10)는 교류 전압원(22)에 의해 제어된다. 시스 유체 내에서의 발진의 결과, 스트림(12)이 주기적으로 섭동되어 미소 액적(13)을 형성한다. 미소 액적(13)이 관심의 분석물을 포함하는지를 평가하기 위해, 스트림(12)에 있는 동안 각각의 미소 액적(13)이 분석된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 물질 특성 센서(62)는 자유 미소 액적 형성 직전에(즉, 미소 액적이 스트림으로부터 이탈되어 자유롭게 되는 지점에서) 스트림(12) 내의 분석물로부터 일어나는 방출을 감지하도록 배치된다. 물질 특성 센서(62)에 의해 감지된 신호는 분석 장비(15)와 같은 프로세서에 의해 처리된다. 미소 액적(13)은 이어서 분류 장비(16)를 포함하는 구성요소에 의해 특성 분석될 수 있다. 도시된 바와 같이, 분류 장비(16)는, 대전된 미소 액적은 편향되는 반면, 대전되지 않은 미소 액적은 편향되지 않도록, 정전기장을 생성한다. 분석 장비(15)와 전극(72)을 상호연결시킴으로써 한 미소 액적을, 다른 미소 액적과 달리, 차등 대전(differential charging)시키는 것이 달성될 수 있다. 분석 장비(15)가 물질 특성 센서(62)로부터 그의 정보를 획득할 수 있기 때문에, 전극(72)은 물질 특성 센서(62)에 응답할 수 있다. 전극(72)은 시스 유체에 전하를 야기하기 위해 노즐 볼륨(3) 내에 배치될 수 있다. 따라서, 시스 유체는 전극(72)에 응답할 수 있다. 미소 액적이 형성되는 순간에, 그 미소 액적이 대전될 수 있도록, 전하가 스트림(12)의 끝부분으로 전달될 수 있다. 형성된 그 다음 미소 액적이 부적절하게 대전되지 않도록, 전극(72)이 이어서 신속히 중화될 수 있다. 이러한 방식으로, 미소 액적(13)이 분류 장비(16)를 통과할 때, 일부 개별 미소 액적 - 즉, 분석 장비(15)에 의해 판정된 원하는 물질을 포함하거나 포함하지 않는 미소 액적 - 이 편향될 것이다. 따라서, 편향된 미소 액적은 샘플 수집 컨테이너(82)에 수집될 수 있는 반면, 편향되지 않은 미소 액적은 배수 용기(81)로 보내질 수 있다. 전극(72)의 동작을 통한 스트림(12)의 대전의 적절한 타이밍은 미소 액적 형성 시간 지연(또는 "액적 지연") 추정치 - 구체적으로는, 물질 특성 센서(62) 및 분석 장비(15)가 스트림(12) 내의 미소 액적(13)이 원하는 분석물을 포함하는지를 실제로 판정한 후 미소 액적이 형성되는 데 걸리는 시간의 양 - 의 정확한 이용을 필요로 한다.

최적의 액적 지연을 결정하기 위해, 도 1의 시스템은 분류 장비(16)에 의해 분류된 미소 액적을 샘플링하는 자동 미소 액적 샘플러(73)를 이용한다. 자동 미소 액적 샘플러(73)는 이동식 플래터(74) 상에 위치하거나 그에 의해 지지되는 복수의 수집 영역(75)을 갖는다. 이동식 플래터(74)를 이동시킴으로써, 상이한 컨테이너(75)가 순차적으로 자유 낙하 영역(7)에 위치될 수 있고 따라서 미소 액적을 수집할 수 있다. 중요하게는, 다양한 컨테이너(75)가 개별적이고 증분적으로 자유 낙하 영역(7)에 위치될 수 있도록 이동식 플래터(74)가 스텝퍼(76)에 응답할 수 있다. 따라서, 하나의 단일 샘플링 이벤트를 통해, 다수의 상이한 샘플이 취해질 수 있다.

도 1의 시스템에서, 미소 액적 형성 시간 지연 조정(80)은 자동 미소 액적 샘플러(73)와 협조하여 시간 지연을 최적화시킨다. 자동 물질 극대화 수단 - 본질적으로, 분류된 물질의 극대화(maximization)를 가능하게 하기 위해 자동으로 정보를 제공하는 임의의 구성요소, 소프트웨어 또는 회로 - 을 생성함으로써 최적화가 달성된다. 물질 극대화 수단은 전극(72)을 제어할 시에 분석 장비(15)에 의해 실제로 적용되는 다양한 시간 지연을 자동으로 조정하는 기능을 하는 장치인 증분 제어(77)를 포함할 수 있다. 증분 제어(77)를 통해, 각각의 상이한 컨테이너(75)가 자유 낙하 영역(7) 내에 위치될 때 분석 장비(15)에 의해 전극(72)에 적용되는 시간 지연이 증분 양만큼 변화될 수 있다. 따라서, 각각의 컨테이너(75)는 상이한 시간 지연 양을 나타낼 수 있다. 이들 결과가 이어서 최적의(또는 더욱 최적의) 액적 형성 시간 지연 추정치를 달성하는 데 사용될 수 있다.

이러한 자동화된 구성에서, 세포 카운터(79)는 시간 지연 조정(80)이 처리 동안 사용되는 실제의 시간 지연을 변경할 수 있게 하는 정보를 생성한다. 이러한 방식으로, 어느 것이 최대 카운트를 생성하는지를 알아보기 위해 상이한 시간 지연 양이 자동으로 적용되고 테스트될 수 있다.

당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 도 1의 시스템이 자동화된 시스템이라는 사실에도 불구하고, 이러한 시스템은 최적의 시간 지연을 결정하기 위해 반복적 시행 착오 프로토콜을 거친다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유세포 분석기 시스템(200)의 개략도이다. 다른 유세포 분석기 시스템에서와 같이, 유세포 분석기(200)는 노즐 시스템(242), 발진기(210), 및 조사 챔버 인클로저(209)를 포함한다.

조사 챔버 인클로저(209) 내에서, 하나 이상의 레이저 광원(208)은 레이저 교차(250)에서 스트림(207)을 지나가는 하나 이상의 레이저 빔을 방출한다. 스트림(207) 내의 분석물 입자로부터의 방출을 검출하기 위해 검출기(도시 생략)가 사용된다. 분석 시스템(도시 생략)은 이어서 레이저 교차(250)를 지나가는 분석물 입자가 관심의 분석물인지를 판정한다. 이러한 분석은 통상적으로 분석물 입자의 형광성, 측방 산란, 또는 전방 산란에 기초한다.

통상적인 유세포 분석기에서와 같이, 발진기(210)는 스트림(207)을 섭동시켜 미소 액적(213)을 형성한다. 본 발명의 방법에서, 발진기(210)는 액적 지연의 계산을 위한 기준 주파수 및 기준 위상으로서 역할한다. 노즐 시스템(242)의 하부에 연결되는 것으로 예시되어 있지만, 발진기가 노즐 시스템(242) 상의 다른 위치에 부착될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 관심의 분석물이 레이저 교차(250)를 지나가는 때와 관심의 분석물이 이탈점(214)에 도달하는 때 사이의 시간이 "액적 지연"이며, 그의 기간은 통상적으로 발진기(210)의 주파수를 기준으로 한다. 통상적으로, 이 시스템은 레이저 교차(250)를 지나가는 분석물 입자가 관심의 분석물인지를 판정하는 데 약 400 마이크로초가 걸린다.

본 발명의 시스템에 독자적인 점은, 유세포 분석기(200)가 정밀도-보정된 이동식 카메라 스테이지를 포함한다는 것이다. 일 실시예에서, 이동식 카메라 스테이지는 볼 나사 선형 운동 스테이지(201)이다. 스테이지(201) 상에 카메라(202)가 장착된다. 통상적으로, 카메라(202)는 고배율 오브젝티브 카메라(objective camera)이다. 동작시, 카메라(202)는 스테이지(201)의 트랙을 따라 이동되고, 광학 인코더(203)와 같은 스테이지 위치 측정 기능에 의해 카메라 위치가 측정된다. 카메라(202)의 이동은 서보 모터(204)와 같은 정밀 모터 또는 구동 메커니즘에 의해 작동된다.

이하에서 더 설명하는 바와 같이, 카메라(202)는 복수의 고해상도 스트림(207) 이미지를 획득하기 위해 트랙(203)을 따라 정밀하게 구동된다. 구체적으로는, 카메라(202)는 트랙(203)을 따라 증분적으로 구동되어, 각각의 증분에서 이미지를 촬영한다. 이미지들은 이어서 디지털 이미지 처리 알고리즘을 사용하여 함께 스티칭된다. 대안의 실시예에서, 전체 스트림(207)의 이미지(또는 다수의 이미지)를 촬영하기 위해 광각 렌즈 카메라가 이용될 수 있다. 이하에서 충분히 이해되는 바와 같이, 종래 기술의 시스템이 액적 지연을 결정하기 위해 반복적 시행 착오 프로토콜을 사용하는 반면, 본 발명의 시스템 및 방법은 스티칭된 스트림(207) 이미지에 기초하여 액적 지연을 계산한다. 본질적으로, 본 명세서에 제시된 방법은 레이저 교차(250)와 이탈점(214) 사이의 미소 액적, 피크, 및/또는 기간의 수를 확인하기 위해 스티칭된 이미지를 처리한다. 이들 2개의 지점 사이의 미소 액적, 피크 및/또는 기간의 수를 확인한 후에, 이 시스템은 액적 지연에 영향을 미치는 변수를 보상함으로써 액적 지연을 정확하게 예측할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 시스템 및 방법은 형광 비드, 또는 경험적, 반복적 프로토콜을 필요로 하지 않는다.

도 7은 본 명세서에 제시된 방법을 나타낸 상위 레벨 흐름도이다. 도 7의 방법은 4개의 메인 서브방법 - 즉, 유세포 분석기의 레이저 위치를 정확하게 찾아내는 방법(800); 초기화 스캔을 수행하는 방법(900); 액적 지연이 계산되는 보정 스캔을 수행하는 방법(1000); 및 액적 지연을 유지하는 방법(1100) - 을 포함한다. 액적 지연을 유지하는 방법(1100)은 당업자에게 공지되어 있고, 본 발명과 관련이 없으며, 따라서 본 명세서에서 상세히 논의되지 않는다.

도 8은 유세포 분석기의 레이저 위치를 정확하게 찾아내는 방법(800)을 나타낸 흐름도이다. 통상적으로, 유세포 분석기를 조립할 시에, 사용자는 물리적 공간에서, 레이저가 어디에 위치되는지에 신경을 쓰지 않는다. 사용자는 통상적으로 레이저가 스트림과 적절히 정렬되도록 하는 데만 신경을 쓴다. 그러나, 본 발명에 따른, 액적 지연을 계산하는 방법에서는, 레이저와 스트림의 교차의 정확한 위치가 중요한데, 그 이유는 그 위치가 액적 지연을 계산함에 있어서의 변수이기 때문이다. 도 2의 유세포 분석기(200)를 참조하여, 방법(800)은, 단계(802)에서, 먼저 카메라(202)를 왕복 운동(travel)의 상단부[즉, 스트림(207)이 노즐(242)을 빠져나가는 곳]로 이동시키는 것으로 시작한다. 왕복 운동의 상단부에서, 카메라(202)의 정확한 위치는 알려져 있다. 왕복 운동의 상단부에서의 카메라(202)의 위치는 모든 후속하는 계산을 위한 기준점으로서 역할한다. 단계(804)에서, 관심의 레이저만이 켜지도록 레이저 셔터의 상태가 저장된다. 단계(806)에서, 레이저 관찰을 위해 카메라(202)의 밝기, 콘트라스트 및/또는 노출이 설정된다. 단계(808)에서, 레이저의 스냅샷이 촬영되고, 그 이미지가 이진 이미지로 처리된다. 단계(810)에서, 레이저의 중심점이 이미지 픽셀의 함수로서 측정된다. 촬영된 레이저 중심점의 측정에 의해, 카메라 스테이지에 대한, 레이저와 스트림의 교차의 정확한 위치를 알게 된다.

도 9a는 초기화 스캔을 수행하는 방법(900)을 나타낸 흐름도이다. 방법(900)은 최단 미소 액적 이탈을 결정하기 위해 일정 범위의 주파수에 걸쳐 발진기(10)를 스캔하는 단계(902); 레이저 스폿 위치 및 크기가 유효한지(또는 타당한지)를 확인하는 단계(904); 및 픽셀별로 픽셀 크기(단위: 마이크로미터)를 보정하는 단계(906)를 포함한다.

도 9b는 도 9a에 나타낸 방법(900)의 서브-프로토콜 단계(902)를 나타낸 흐름도이다. 유세포 분석기 노즐을 빠져나가는 스트림의 최단 미소 액적 이탈을 결정하는 서브-프로토콜 단계(902)는 프로세서에 프로그램될 수 있다. 일반적으로, 이 서브-프로토콜에서 행해지는 것은, 발진기(210)(도 2)가 주어진 주파수로 설정되고, 액적(213)이 어디에서 스트림(214)으로부터 이탈하는지를 판정하기 위해 스트림(207)이 카메라(202)에 의해 스캔되는 것이다. 이 위치(214)가 발견되면, 발진기 주파수가 주어진 증분만큼 변경되고, 스트림이 다시 카메라에 의해 스캔된다. 이탈점이 노즐 쪽으로 움직이는 것을 중단하고 노즐로부터 멀어지는 쪽으로 움직이기 시작할 때까지, 이 프로세스가 반복된다. 노즐에 가장 가까운 이탈 위치의 지점을 야기하는 주파수가 최적의 주파수이다. 발진기 주파수는 이어서 이 최적의 주파수에 유지되고, 이탈이 금방 시작한 지점(214)(도 3)이 결정될 때까지 스트림이 보다 미세한 분해능으로 다시 스캔된다.

보다 상세하게는, 단계(911)에서, 프로그램은 발진기 주파수 스캔을 위한 발진기 구동 주파수 상한 및 하한을 설정한다. 단계(913)에서, 카메라가 노즐 위치 아래로 이동된다. 단계(915)에서, 스캔 스텝 크기가 초기에 1200 Hz로 설정된다. 대안의 실시예에서, 스캔 스텝 크기가 대안의 주파수로 설정될 수 있다. 단계(917)에서, 개략적 스캔의 최단 70% 및 그 다음으로 더 미세한 스캔의 최단 75%의 서브스캔을 기록하기 위해 제1 액적 간격의 위치의 변위치 목록이 메모리에 초기화된다. 단계(919)에서, 프로그램은 모든 스캔이 행해졌는지를 질문한다. 그러한 경우, 프로그램이 종료된다. 그렇지 않은 경우, 프로그램은 단계(921)로 진행하여, 프로그램은 발진기 주파수 범위 내의 각각의 주파수에 걸쳐 카메라로 스트림을 스캔하고 각각의 주파수 증분에서 이탈 위치를 기록한다. 이 일련의 단계는 이탈점이 노즐에 가장 가깝게 접근한 지점에 관한 분포를 형성하는 일련의 측정치를 발생한다. 이 분포는 변위치로 나누어질 것이고, 상부 및 하부 변위치는 버려질 것이다.

단계 921A 내지 단계 921G에 개략적으로 기술되어 있는 프로토콜에 의해 단계(921)가 수행된다. 구체적으로는, 주파수가 상한보다 작은 동안(921A), 스캔이 계속된다. 각각의 설정된 발진기 주파수에서, 단계(921B)에서, 첫번째 분리된 액적이 보일 때까지 카메라가 이동된다. 이어서, 단계(921C)에서, 모든 보이는 액적의 중심 간의 거리를 평균함으로써 분리된 액적들 사이의 평균 거리(액적 파장이라고 함)가 계산된다. 단계(921D)에서, 첫번째 분리된 액적의 중심으로부터 하나의 평균 액적 파장을 차감함으로써 마지막 부착된 액적의 위치가 계산된다. 단계(921E)에서, 현재의 카메라 모터 위치로부터 마지막 부착된 액적의 질량 중심을 차감함으로써 이탈 위치가 계산된다. 단계(921F)에서, 발진기 주파수 및 이탈 위치가 기록된다. 단계(921G)에서, 발진기 주파수가 증분되고, 프로토콜은 단계(921A)로 되돌아간다.

서브-프로토콜 단계(921)는 이어서 단계(923)으로 이동하여, 스캔의 이탈 위치가 분류되고, 이탈점의 분포에서 지정된 변위치보다 높은 것들은 저장된다. 단계(925)에서, 스캔 스텝 크기가 1/2만큼 증분된다. 단계(927)에서, 메모리에 대한 변위치 인덱스가 증분된다. 단계(929)에서, 보다 미세한 스텝 크기를 사용하여 저장된 목록을 재스캔하기 위해 주파수 상한 및 하한이 설정된다.

도 9c는 도 9a에 나타낸 방법의 서브-프로토콜 단계(906)를 나타낸 흐름도이다. 서브-프로토콜(906)에서, 이미지의 픽셀당 마이크로미터가 측정되고 보정된다. 단계(930)에서, 픽셀당 마이크로미터가 기본값으로(광학 설계 공칭 값에 기초하여) 설정된다. 단계(932, 934, 936)가 이어서 3회 반복된다. 단계(932)에서, 상부 액적이 화면의 하부 25%에 있도록 카메라의 위치가 설정된다. 단계(934)에서, 카메라가 (모터 위치 좌표에서) 아래쪽으로 기지의 거리만큼 이동된다. 일 실시예에서, 이동된 거리는 디스플레이 화면의 대략 50%(단위: 이미지 행)에 대응한다. 단계(936)에서, 상부 액적의 화면 상에서의 새로운 위치가 측정되고, 명령된 모터 이동(단위: 마이크로미터)에 응답하여 이동된 이미지 행의 수를 결정하기 위해 원래의 위치가 차감된다. 단계(932, 934, 936)를 반복한 후에, 픽셀당 마이크로미터가 3개의 측정된 값의 중간값과 같도록 설정된다.

도 10a는 보정 스캔을 수행하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 그 다음에, 일반적으로, 이탈점의 위치가 발진기의 주파수 뿐만 아니라 구동 주파수의 진폭에 의해서도 영향을 받는다. 그 결과, 일련의 발진기 진폭의 변경이 행해지고, 이미지의 반복성에 대한 변경의 효과가 확인된다. 유사하게, 이미지의 스트로빙도 변화되고, 이미지의 반복성에 대한 스트로브 변경의 효과가 확인된다. 이들 단계 모두를 액적 지연 유지라고 한다. 단계(1010)(액적 지연 유지를 위한 화상을 최적화하는 스트로브 스캔) 및 단계(1020)(액적 지연 유지를 위한 스트림 응답을 측정하는 진폭 스캔)은 설정된 액적 지연(단계 1100)의 유지에 관련된 단계이고, 기술 분야에 공지되어 있으며, 따라서 여기에 상세히 논의되어 있지 않다.

단계(1030)는 액적 지연을 결정하는 예시적인 알고리즘을 제공한다. 도 10b는 일 실시예에 따른 액적 지연을 결정하는 단계를 개략적으로 나타낸 것이다. 단계(1040)에서, 스트로브 위상(액적 파장에서의 피크에 대한 카메라 스트로브의 적용 위치)이 전하 위상(액적 파장에서의 피크에 대한 전하를 스트림에 가하는 위치) + 180°로 설정된다. 실제로, 전하 위상은 통상적으로 기준 위상(즉, 발진기 구동 주파수의 위상)으로부터 약간 오프셋되게 설정된다. 단계(1050)에서, 스트림의 복수의 이미지를 캡처하기 위해 이동식 카메라가 사용되고, 복수의 이미지를 스티칭하여 전체 스트림 이미지를 형성하기 위해 처리 유닛이 사용된다.

도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전체 스트림 이미지를 캡처하여 스티칭하는 단계를 개략적으로 나타낸, 단계(1050)의 서브-프로토콜이다. 도 3은 본 발명에 따른, 유세포 분석기 내의 카메라로부터 촬영된 복수의 이미지로부터 준비된 예시적인 스티칭된 이미지를 나타낸 것이다. 도 2의 유세포 분석기(200)를 참조하여, 카메라(202)는 홈 위치[즉, 스트림(207)의 상단]로 이동되고(단계 1051), 여기서 제1 이미지가 촬영된다(단계 1052). 단계(1053)에서, 그 위치에 대한 저장된 배경 이미지가 차감된다. 단계(1054)에서, 카메라(202)가 대략 하나의 화면 전체만큼 스테이지(201)를 따라 아래로 이동되지만, 지정된 양의 오버랩(예컨대, 이미지의 10%)을 남겨 둔다. 이어서, 그 다음 이미지가 촬영된다. 카메라(202)가 미소 액적(213)만을 촬영할 때까지[즉, 카메라(202)가 이탈점(214)을 지나 이동하여 모터 왕복 운동의 하단에 있을 때까지] 이 프로세스가 반복된다(단계 1056).

스트림(207)의 상단 근방에서의 이미지는 잘 정의되지 않은 폭 서명(width signature)을 가질 수 있고, 이는 피크 정보의 추출을 복잡하게 만들 수 있다. 이 때문에, 발진기의 낮은 구동 진폭 설정에서 동작할 때, 일 실시예에서, 처음 몇개의 이미지를 촬영하는 동안 액적 구동 전압 설정이 증가된다. 액적 구동 전압을 증가시키는 것은 스트림 섭동의 진폭을 증가시키는 효과를 갖지만, 미소 액적 위치를 이동시키지 않는다. 그에 따라, 액적 카운트가 일정하게 유지된다. 그러나, 카메라를 스트림을 따라 아래로 너무 멀리 이동시키기 전에 구동 전압이 그의 동작 설정으로 감소되어야만 하는데, 그 이유는 구동 전압 설정이 미소 액적의 절대 이탈(absolute break-off)을 변경시킬 것이기 때문이다.

일 실시예에서, C++ 프로그래밍 언어로 작성된 하기의 프로그램을 수행함으로써 유세포 분석기 스트림의 복수의 이미지를 촬영하는 수단이 제공된다:

상기 컴퓨터 프로그램 및 본 명세서에 제시된 임의의 다른 컴퓨터 프로그램이 단지 예시적이라는 것을 이해하여야 한다. 동일한 목적을 달성하기 위해, 동일한 또는 다른 프로그래밍 언어로 된 다른 논리가 사용될 수 있다.

이 방법은 이어서 단계(1057)로 이동하여, 부분들을 최고 상관을 갖는 픽셀 값을 갖는 위치로 오버랩시킴으로써 이미지들이 스티칭되며, 이에 대해서는 이하에서 더 논의한다. 복수의 이미지가 디지털 이미지 처리 알고리즘을 사용하여 함께 스티칭된다. 통상적으로, 이미지는 잘 정렬되어 있지 않다. 수직 정렬은 모터 이동의 정밀도, 카메라 스테이지[카메라 포인팅(camera pointing)]의 일관성 및 픽셀당 마이크로미터에 대한 추정된 값의 함수이다. 수평 정렬은 모터 왕복 운동 및 스트림 수직 정렬의 함수이고, 수십개의 픽셀만큼 벗어나 있는 경향이 있다.

최상의 이미지 정합을 찾기 위해, 제1 위상에서 수집된 이미지들 각각이 바로 위의 이전 이미지와 일치(fit)되어 픽셀 공간에서의 최상의 정렬을 찾는다. 일치를 달성하기 위해, 하부 이미지가 상부 이미지에 대해 이동되어 일치와 관련한 (상부 이미지 픽셀 공간에서의) 최상의 위치를 찾아낸다. 양쪽 이미지에 공통인 상관 윈도우에서 이미지가 샘플링된다. 일 실시예에서, C++ 프로그래밍 언어로 작성된 하기의 프로그램을 수행함으로써 유세포 분석기 스트림의 복수의 이미지를 스티칭하는 수단이 제공되고, 하기의 알고리즘에서: (dr)은 행 검색 공간의 폭의 1/2이고, (dc)는 이미지 상관에 대한 열 검색 공간의 1/2이며; 제2 이미지의 상관 윈도우가 제1 이미지를 벗어나지 않고 이미지가 아래쪽으로 및 왼쪽으로 이동될 수 있도록 rowoffset 및 rowdepth의 값이 선택되고; 함수 ordered-pixels은, 각각의 행 scanline을 연속적으로 언래핑함으로써, 이미지의 직사각형 영역([rowbegin, rowend, colbegin, colend]에 의해 정의됨)을 벡터로 변환한다.

이미지의 첫번째 처리 시에 이미지는 종종 불일치된다. 예를 들어, 400 x 1280 픽셀 이미지 및 10% 오버랩의 경우, 하부 이미지가 픽셀 오프셋 g = (0, 1152)에서 일치하게 될 것으로 예측된다. 제2 이미지 공간에 고정된 채로 있는 상자 내의 모든 픽셀에 대해, 2개의 이미지의 픽셀이 (행 및 열 단위로 언롤링되는) 픽셀 컬러에 의해 정의되는 항목을 갖는 2개의 대규모 벡터(vt 및 vb)로서 취급된다. 2개의 벡터의 내적을 계산(및 정규화)함으로써 상관 인자

가 결정된다. 이 인자

는 2개의 이미지가 주어진 오프셋 g에 대해 얼마나 잘 정렬되어 있는지를 판정한다. 2개의 이미지가 정확히 동일할 때 일치가 최대이다.

인자 g가 주어진 상관 윈도우 내에서 이동되고, 최상의 오프셋이 이들 2개의 이미지에 대한 스티칭된 오프셋으로서 사용된다. 이 프로세스는 모든 이미지가 위의 이미지에 상관될 때까지 스트림을 따라 계속된다. 프로세스가 계속됨에 따라, (상부 이미지 공간으로부터 픽셀을 단지 복사함으로써) 전체 시퀀스를 단일 이미지 내에 위치시키기 위해 첫번째 이미지에 대해 스티칭 오프셋이 유지된다. 이미지가 오버랩되는 경우, 2개의 픽셀 세트가 평균되고, 이는 이미지의 시각적 검사가 스티칭의 품질을 판정할 수 있게 한다.

스트림 이미지의 주기적인 속성으로 인해, 초기 추측이 정확한 픽셀 오프셋의 액적 파장의 1/2 내에 있도록 초기 추측이 충분히 양호해야만 한다. 그렇지 않은 경우, 주어진 파형이 잠재적으로 정확한 파 이전 또는 이후의 파에 정합될 수도 있으며, 따라서 시스템으로부터 기간을 삽입하거나 삭제한다.

이미지가 서로 스티칭된 후에, 도 3에 도시된 바와 같이, 이미지 내의 각각의 라인에서의 스트림의 폭이 스트림 폭 이미지의 피크 및 골을 검출하는 데 사용되는 폭 플롯(도 4)으로 추출된다. 도 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 폭 플롯의 피크 및 골(valley)을 계산하는 서브-프로토콜이다.

도 4는, 도 3에 도시된 이미지와 같은, 스티칭된 이미지로부터 측정된 예시적인 폭 플롯이다. 입자의 속도가 파속에 밀접하게 연계되어 있는 것으로 가정할 때, 이들 피크의 카운트는 입자가 조사 지점[또는 레이저 교차(250)]으로부터 이탈점(214)까지 이동하는 데 걸리는 시간의 양의 추정을 가능하게 하고, 따라서 액적 지연의 계산을 가능하게 한다.

일 실시예에서, 스티칭된 이미지는 표준 처리(히스토그램 등화, 가우시안 평활화 및 행별 평균값 임계화)를 통해 흑백으로 변환된다. 얻어진 흑백 이미지(백색은 배경 집단을 나타내고, 흑색은 스트림 집단을 나타냄)는 이어서 스트림 폭 플롯으로 변환된다. 일 실시예에서, C++ 프로그래밍 언어로 작성된 하기의 프로그램을 수행함으로써 스티칭된 이미지를 흑백 이미지로 변환하는 수단이 제공된다:

폭 플롯이 흑백 이미지로부터 얻어지기 때문에, 폭 플롯이 노이즈가 상당히 있다. 특히, 스트림 상의 발진기의 진폭이 낮은 노즐의 근방에서, 폭 플롯의 신호대 잡음비가 그다지 좋지 않다. 행마다, 임계값 알고리즘의 결과 몇개의 픽셀이 잘못된 카테고리(거짓 양성 또는 거짓 음성)에 할당됨으로써, 노이즈가 많은 신호가 얻어진다. 이 신호 상에서의 피크 및 골을 찾아내려고 하는 것은 아주 어려울 것이다. 그에 따라, 일 실시예에서, 관련 신호 특성(주 신호의 피크 및 골)을 추출하기 위해 폭 플롯을 필터링하는 데 푸리에 분석이 수행된다. 구체적으로는, 폭 플롯을 필터링(또는 평활화)하기 위해 주파수 영역 필터링을 위한 푸리에 분석이 수행된다. 푸리에 영역에서의 필터링은 공간 영역 신호의 푸리에 변환, 간단한 윈도잉 함수를 주파수 영역 신호에 적용하고 이어서 공간 영역으로 다시 역푸리에 변환을 적용하는 것을 통해 선택된 주파수의 유지 및 다른 주파수의 제거를 가능하게 한다. 이러한 푸리에 분석은 도 10d에 개략적으로 나타내어져 있다.

윈도잉 함수를 사용하여 이산 신호를 효과적으로 필터링하기 위해 전처리가 유용할 수 있다. 단계(1081)에서, 폭 플롯의 노즐 영역(즉, 폭 플롯의 좌측 가장자리)을 제거하기 위해 폭 플롯이 트리밍된다. 고속 이산 푸리에 변환의 효율적인 구현은 2의 짝수 거듭제곱인 길이를 갖는 데이터를 처리한다. 단계(1082)에서, 원래의 데이터가 0을 갖는 그의 원래의 길이로부터 그 다음으로 높은 2의 거듭제곱 길이에 패딩된다. 신호값으로부터 패딩값으로의 갑작스런 천이는, 주의하지 않는 경우, 데이터에 계단 함수를 유입시킬 것이고, 그 결과 변환된 데이터의 Gibbs 진동(Gibbs ringing)이 생길 것이다. 천이가 가능한 한 매끄럽도록 데이터를 패딩하기 위해, 데이터가 좌측 가장자리로부터 확장되는데, 그 이유는 행 0에서의 측정된 데이터가 (좌측으로) 스트림의 평균 폭과 같은 DC 오프셋으로 수렴하기 때문이다. 일 실시예에서, C++ 프로그래밍 언어로 작성된 하기의 프로그램을 수행함으로써 폭 플롯을 패딩하는 수단이 제공된다:

단계(1083)에서, 폭 플롯에 대해 이산 푸리에 변환이 수행된다. 도 10d의 흐름도가 푸리에 변환 및 Hann 필터 분석의 사용을 나타내고 있지만, 동일한 목적을 달성하기 위해 대안의 필터링 기법이 설계될 수 있다. 이어서, 데이터를 필터링하기 위해 윈도잉이 수행될 수 있다. 가장 간단한 필터 윈도우는 직사각형 윈도우 - 저지된 주파수에 대해서는 0이고 통과된 주파수에 대해서는 1임 - 이다. 이 윈도우는, 그러나, 역변환된 신호에 진동을 생성하고, a) 상대 강도가 아주 상이한 신호 또는 b) 주파수 서로 아주 가까운 신호를 분석하는 것을 어렵게 할 수 있다. 직사각형 윈도우 대신에, 대안의 실시예는 Hann 윈도우라고 하는 흔히 사용되는 적당한 윈도잉 함수를 사용한다. 단계(1084)에서, Hann 필터 윈도우가 생성되고 미소 액적 파장에 중심을 두고 있다. Hann 윈도우(이하에 제공되는 함수)는 직사각형 윈도우와 비교하여 스펙트럼 누설을 감소시키지만, 여전히 폭 플롯과 같은 저대역폭 신호에 대해 양호한 감도를 가진다.

Hann 윈도우의 중심 주파수는 푸리에 변환된 데이터의 제1 피크의 주파수와 정합하도록 선택된다. Hann 윈도우의 폭은, 주파수 데이터에서 2차 및 고차 피크를 제외시키면서, 주어진 노즐 크기(예컨대, 70 마이크로미터 노즐)에 대한 제1 피크 정보의 대부분을 포함하도록 꽤 임의적으로 선택될 수 있다. 필터의 좌측 가장자리 및 우측 가장자리 차단값은 피크 및 피크의 진폭의 약 10% 미만의 크기를 갖는 차단 주파수를 중심으로 대칭이다. 다른 노즐 및 스트림 정보를 다루기 위해 필터 윈도우의 폭이 파라미터화될 수 있다.

단계(1085)에서, 필터 윈도우를 주파수 영역 패딩된 데이터와 곱함으로써 데이터가 필터링된다. 이어서, 단계(1086)에서, 주파수 영역 데이터가 역변환 함수에 의해 다시 공간 영역으로 변환된다. 도 5a는 도 4의 원래의 폭 플롯 및 필터링된(평활화된) 폭 플롯을 나타낸 것이다. 이들 플롯 둘 다가 겹치지 않고 도시될 수 있게 하기 위해 원래의 폭 플롯이 수직으로 오프셋되어 있다. 도 5b는 원시 데이터 및 필터링된(평활화된) 데이터 둘 다를 보여주기 위해 오버레이되는, 노즐 근방의 데이터를 보여주는 도 5a의 플롯의 클로즈업이다. 전반적으로, 필터링된 데이터는 원래의 데이터를 아주 흡사하게 따라가지만 매끄러운 만곡을 갖는 피크 및 골을 가지며, 이는 피크값의 위치가 계산될 수 있게 한다.

피크 데이터를 필터링한 후에, 단계(1087)에서 (간단한 차이에 의한) 필터링된 데이터의 도함수가 계산되고, 단계(1088)에서 영 교차가 식별된다. 좌에서 우로 감소하는 영 교차를 선택함으로써 피크가 식별된다. 노즐에서, 외삽이 수행되는데, 그 이유는 마지막 파형 또는 2개의 파형이 노즐의 존재로 인해 잘못 형성될 수 있기 때문이다. 일 실시예에서, C++ 프로그래밍 언어로 작성된 하기의 프로그램을 수행함으로써 피크를 찾아내는 수단이 제공된다:

도 10e는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 지연을 계산하는 서브-프로토콜이다. 액적 지연을 계산하는 방법이 이하에 개략적으로 기술되어 있다. 단계(1092)에서, 교차 이전의 폭 플롯 피크 및 교차 이후의 폭 플롯 피크의 위치를 측정함으로써 발진기 주파수에 대한 레이저 교차의 위상이 계산된다. 위상은 이어서, 이전의 피크로부터 측정되는, 레이저가 교차하는 피크 사이의 파장의 부분과 같도록 설정된다. 단계(1094)에서, 미소 액적 스트림 전하 펄스의 위상 오프셋을 식별하기 위해 시스템이 조사된다. 전하 위상은 통상적으로 전하 펄스의 램프업 시간을 참작하기 위해 기준 구동 주파수로부터 오프셋되어 있다. 단계(1096)에서, 액적 지연을 '필터링된 폭 데이터에서의 피크의 수 + 미소 액적 발생파에 대한 레이저 교차의 위상 - 전하 위상 + 바이어스 성분'과 같도록 설정함으로써 액적 지연이 계산된다. 단계(1092, 1094, 1096)의 프로토콜은 이하에 제공되는 설명에 기초하면 더욱 더 이해될 것이다.

일 실시예에서, 액적 지연을 계산하는 방법은 발진기, 전하 전극, 스트로브 시스템, 카메라 이미지 및/또는 레이저의 위상과 같은 위상 변수를 고려하고 있다. 구체적으로는, 액적 지연의 소수 부분을 획득하기 위해, 시스템 내의 다양한 위상 변수가 조정된다. 종래 기술의 시스템에서와 같이 액적 지연을 실험적으로 결정하기 위해 비드를 사용할 때 이들 변수가 무시될 수 있지만, 본 발명의 에측적 방법에서는 참작되어야만 한다.

깨끗한 분류 스트림이 획득될 때까지 전하 위상 윈도우를 이동시킴으로써 적절한 전하 위상이 선택된다. 이 프로세스는 미소 액적 전하를 최적화하기 위해 액적 구동 클록과 전하 사이의 오프셋을 효과적으로 정렬한다. 주된 구현은 이산적인 일련의 시각에서만, 즉 액적 구동 주기마다 한번씩 미소 액적 전하 펄스가 발생할 수 있다는 것이다. 도 6은 전하 윈도우(하부)가 어떻게 발진기 사이클(상부)의 지정된 위상에 있는지를 나타낸 것이다.

실제로, 이벤트의 기본 수명 주기는 다음과 같다: 1) 레이저 교차 시에 타임스탬프가 할당되고; 2) 액적 지연이 부가되며; 3) 선택된 미소 액적이 대전된다. 구체적으로는, 레이저 조사 시에, 고정밀도 타임스탬프가 이벤트에 부가된다. 타임스탬프가 소프트웨어로 전달되고, 소프트웨어는 입자가 마침내 들어가게 될 궁극적인 액적을 추정한다. 이것에 대한 수식은 다음과 같다: drop = (교차 시간 + 액적 지연) div (액적 구동 주기), 여기서 div는 정수 나눗셈(나머지 버림)이다. 액적 지연을 선택함으로써, 이동 윈도우(단위: 시간)(정확하게 한 주기 길이)와 액적 수 사이의 매핑이 생성된다. 각각의 차후의 윈도우(단위: 시간)가 차후의 액적에 매핑될 것이다.

액적 지연의 소수 부분을 변경하는 효과는 액적에 들어갈 것으로 예측되는 이벤트 시에 윈도우를 슬라이딩시키는 것이다. 소수 부분의 계산이 잘못된 경우, 시스템은 잘못하여 "사전 액적(pre drop)"을 효과적으로 예측하고, 이들 시간에 속하는 이벤트가 2개 이상의 미소 액적에 매핑되거나 원하는 것 이외의 미소 액적에 매핑된다.

레이저 위상과 관련하여, 레이저 위상의 효과를 설명하기 위한 아주 간단한 시작점은, 액적 구동 주기에 대한 영 스트로브 위상에서 촬영된 화상에 대해, 레이저가 2개의 피크 사이의 골에서 교차하는 경우를 고려하는 것이다. 기본적인 가정(엄격히 말하면 항상 옳지는 않음)은 미소 액적 피크에 중심을 둔 이러한 영역이 (다운스트림 쪽으로 이동하면서) 궁극적으로 축소되어 미소 액적(즉, "사전 액적")을 형성한다는 것이다.

가설적 입자가 어떤 순간에 레이저를 통과시키는 것을 생각해보자. 그의 타임스탬프는 특정의 액적에 매핑되도록 요망되는 시간 구간의 시작을 표시할 것이다. "사전 액적"의 상부에 있는 입자는 한 주기 이후에 레이저를 통과시킬 것이고, 따라서 전체 시간 구간이 (div 연산 하에서) 동일한 액적에 매핑되도록 액적 지연을 배열하는 것이 요망된다. 이 배열은 액적 지연의 소수 부분의 본질이다. 이러한 입자에서의 타임스탬프는 액적 구동 주기의 완전 정수배인 타임스탬프를 가질 것이다. div 연산 하에서, 주기 내에서 그 다음에 오는 모든 시간은 그의 나머지를 상실할 것이고 이 제1 입자와 동일한 액적에 매핑될 것이다.

소수 액적 지연의 주된 도입은 레이저가 위상 0에서 정확하게 "사전 액적"의 시작에 있지 않은 경우를 참작하기 위한 것이다. 예를 들어, 레이저가 그 대신에, 스트림에서의 팽창 부분의 중심에 있는 경우를 참작하기 위한 것이다. 레이저가 스트림의 팽창 부분 사이의 트로프에 중심을 두고 있는 경우보다 1/2 주기 더 빨리 모든 입자가 이 레이저와 충돌할 것이다. 레이저 위치에서의 이러한 이동을 참작하기 위해, 일 실시예에서, 1/2 주기를 ADC 시간에 인위적으로 가산함으로써 천이가 고려된다:

액적 = ({교차 시간 + 1/2 주기} + 액적 지연) div (액적 구동 주기)

그러나, 실제로는, 이벤트에 주어진 ADC 타임 스탬프를 변경하는 것이 가능하지 않다. 그 대신에, 이 소수 오프셋을 액적 지연에 넣기 위해 덧셈의 결합성(associativity)이 사용된다:

액적 = (교차 시간 + {1/2 주기 + 액적 지연}) div (액적 구동 주기)

그에 따라, 지연이 소수 성분을 가진다. 레이저가 (1/2 이외의) 일부 다른 소스 오프셋에 있는 경우, 동일한 절차를 따른다. 물론, 주어진 주기 내에서 2개 이상의 입자가 레이저를 통과시킬 가능성은 거의 없다. 그러나, 상기 절차는 여전히 적용되는데, 그 이유는 마지막 부착된 미소 액적의 카운트가 각각의 주기마다 1씩 증분되기 때문이다.

전하 위상과 관련하여, 미소 액적이 주기 동안 일부 (미지의) 위상에서 완전히 이탈할 것이기 때문에, (전하 위상에 따라) 분류를 위해 대전되는 실제의 액적이 위상 0에서 또는 (나중의 전하 위상에 대한) 그 다음으로 더 높은 것에서 이미지에 여전히 연결되어 있는 액적일 수 있다. 이미지 처리가 그러한 경우를 명확하게 검출할 수 있게 하도록, 정확히 전하 위상에서 이미지가 촬영된다. 이러한 방식으로, 어느 액적이 대전을 위해 선택되어야 하는지가 검출될 수 있다. 나중의 위상에서 이미지를 촬영하는 것은 대응하는 소수 위상만큼 레이저를 위로 "사전 액적" 쪽으로 이동시킨다. 이러한 유효 이동을 보상하기 위해, 이 알고리즘은, 소수 이동을 차감함으로써, 레이저를 다시 아래쪽으로 효과적으로 이동시키고, 최종 액적 지연 추정치는 다음과 같다:

액적 지연 = {소수 레이저 오프셋 + 정수 액적 지연 - 소수 전하 위상}, 여기서 이미지는 정확히 전하 위상에서 스트로브된다.

실험적으로 관찰된 바이어스에 대해 최종적인 조정이 행해질 수 있다. 대안의 노즐 크기에 대해, 바이어스가 존재할 수 있다. 이러한 바이어스는 실험적으로 결정될 수 있고, 바이어스를 고려하기 위해 대수 함수에 따라 추론될 수 있다(bias = aX + b). 예를 들어, 70 마이크로미터 노즐에 대한 바이어스는, 예를 들어,

-0.015465X + 0.891189[여기서, X = 0.1 (break-offMicrons - charge / 360 * lastWaveLenMicrons) / avg_velocity]의 함수로서 설정된다.

이 변수는 기본적으로 수십 마이크로미터인 노즐로부터 이탈까지의 시간(대략 100kHz에서의 주기)이다.

본 발명의 폭 및 범위가 상기한 예시적인 실시예에 의해 제한되어서는 안 되고, 이하의 특허청구범위 및 그의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다.

Claims

유세포 분석기(flow cytometer)의 스트림에서 액적 지연을 계산하는 방법으로서,
a) 상기 스트림의 이미지에 기초하여 상기 스트림의 폭을 측정함으로써 폭 플롯(widths plot)을 결정하는 단계, 및
b) 상기 폭 플롯에 기초하여 액적 지연을 설정하는 단계
를 포함하는 방법.
유세포 분석기의 스트림에서 액적 지연을 계산하는 방법으로서,
(a) 기준 프레임(frame of reference)에 대한 레이저 위치를 식별하는 단계;
(b) 이탈점(break-off point)을 결정하는 단계; 및
(c) 1) 스트로브 위상(strobe phase)을 설정하는 것,
2) 상기 스트림을 촬영하는 것,
3) 상기 스트림의 이미지에 기초하여 상기 스트림의 폭들을 측정함으로써 폭 플롯을 결정하는 것,
4) 상기 폭 플롯에서의 피크들을 결정하는 것,
5) 레이저 교차(laser intercept)의 위상을 계산하는 것, 및
6) 상기 폭 플롯에서의 피크들, 미소 액적 발생파(droplet generation wave)에 대한 상기 레이저 교차의 위상, 및 전하 위상(charge phase)에 응답하여 액적 지연을 설정하는 것에 의해 액적 지연을 계산하는 단계
를 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 폭 플롯을 평활화하는 단계를 더 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 폭 플롯에서의 피크들을 결정하는 단계는 상기 폭 플롯의 도함수를 계산하는 단계, 및 상기 도함수의 복수의 영 교차를 기록하는 단계를 포함하고, 각각의 영 교차는 평활화된 폭 플롯에서의 피크를 나타내는 방법.
제2항에 있어서, 상기 이탈점은 가장 짧은 이탈점인 방법.
제2항에 있어서, 상기 스트림을 촬영하는 단계는 상기 스트림의 복수의 이미지를 촬영하는 동안 상기 스트림의 길이를 따라 카메라를 이동시키는 단계; 및 단일 이미지를 형성하기 위해 상기 복수의 이미지를 함께 스티칭하는 단계를 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 스트로브 위상은 상기 전하 위상 + 180°로 설정되는 방법.
제2항에 있어서, 상기 액적 지연은 또한 바이어스 보정 인자(bias correction factor)에 응답하여 설정되는 방법.
제8항에 있어서, 상기 바이어스 보정 인자는 선형 함수 aX + b이고, 여기서 X는 노즐부터 이탈까지의 시간이고, "a" 및 "b"는 시스템 응답의 실험적 측정으로부터 결정되는 방법.
제2항에 있어서, 폭 플롯의 평활화는 이산 푸리에 분석을 사용하여 수행되는 방법.
제6항에 있어서, 상기 카메라가 상기 스트림의 거의 상부에 있을 때, 구동 전압이 동작 값으로부터 증가되고, 상기 카메라가 아래로 상기 이탈점 쪽으로 구동될 때 상기 구동 전압은 동작 값으로 감소되는 방법.
제2항에 있어서, 액적 지연의 계산은 관심의 분석물이 상기 스트림의 이탈점에 도달했을 때를 결정하는 데 사용되는 방법.
액적 지연을 자동으로 계산하는 유세포 분석기 시스템으로서,
스트림의 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하는 수단; 및
상기 폭 플롯에 기초하여 액적 지연을 계산하는 수단
을 포함하는 유세포 분석기 시스템.
액적 지연을 자동으로 계산하는 유세포 분석기 시스템으로서,
스트림의 이미지를 촬영하는 수단;
상기 스트림의 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하는 수단;
상기 폭 플롯에서의 피크들을 결정하는 수단; 및
상기 폭 플롯에서의 상기 결정된 피크들에 기초하여 액적 지연을 계산하는 수단
을 포함하는 유세포 분석기 시스템.
제14항에 있어서, 상기 폭 플롯을 평활화하는 수단을 더 포함하는 유세포 분석기 시스템.
제14항에 있어서, 상기 폭 플롯에서의 피크들을 결정하는 수단은,
상기 폭 플롯의 도함수를 계산하는 수단; 및
상기 폭 플롯의 도함수에서의 영 교차들을 결정하는 수단을 포함하는 유세포 분석기 시스템.
제16항에 있어서, 상기 폭 플롯에서의 상기 결정된 피크들에 기초하여 액적 지연을 계산하는 수단은 상기 폭 플롯의 도함수의 영 교차들에 응답하여 그렇게 하는 유세포 분석기 시스템.
제14항에 있어서, 상기 스트림의 이미지를 촬영하는 수단은 상기 스트림의 복수의 이미지를 촬영하는 것을 포함하고, 상기 유세포 분석기 시스템은 상기 스트림의 하나의 전체 이미지를 형성하기 위해 상기 스트림의 복수의 이미지를 스티칭하는 수단을 더 포함하는 유세포 분석기 시스템.
액적 지연을 자동으로 계산하는 유세포 분석기 시스템으로서,
스트림의 이미지를 촬영하도록 구성되는 카메라; 및
상기 스트림의 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하고 상기 폭 플롯에 기초하여 액적 지연을 계산하도록 구성된 프로세서
를 포함하는 유세포 분석기 시스템.
액적 지연을 자동으로 계산하는 유세포 분석기 시스템으로서,
스트림의 복수의 이미지를 촬영하도록 구성되는, 정밀도-보정된 이동식 카메라 스테이지 상에 탑재된 카메라; 및
상기 스트림의 하나의 전체 이미지를 형성하기 위해 상기 스트림의 복수의 이미지를 스티칭하고,
상기 스트림의 하나의 전체 이미지에 기초하여 폭 플롯을 결정하고,
상기 폭 플롯을 평활화하고,
상기 평활화된 폭 플롯에 대한 도함수를 계산하고,
상기 평활화된 폭 플롯에서의 영 교차들을 결정하고,
상기 결정된 영 교차들에 기초하여 액적 지연을 계산하도록 구성된 프로세서
를 포함하는 유세포 분석기 시스템.