專利名稱：利用時間延時和積分成像的微小移動物體光學層析成像的制作方法
技術領域：
本發明大體涉及光學層析成像成像系統，尤其涉及利用光學層析成像和時間延時和積分使物體成像的光學層析成像。
背景技術：
Alan Nelson在2002年4月19日提交的題為“微小物體的可變動作光學層析成像(Variable-Motion Optical Tomography of SmallObjects)”的美國申請10/126,026在此并入作為參考。在Nelson的申請中，通過傳統的CCD或CMOS圖像檢測器數字地捕獲影像的投影圖像。在成像移動物體時，這種圖像傳感器要求短的曝光來“停止動作”，以便降低動作模糊，但短暫的曝光限制成像移動物體時所獲的信噪比。
光學層析成像(OT)對成像移動物體例如用于高通過量分析的流體或在剛性介質中傳輸是有優越性的。另外，在剛性介質中傳輸的物體的情況下，就顯示或樣品定位器的設計來說，恒速運動比迅速停停走走運動要簡單些。而且，在此系統中，恒速運動要比停停走走運動產生更少振動。
總而言之，時間延遲和積分(TDI)成像是基于這樣的理念累積同一運動物體的多次曝光，因而有效地增加可利用的聚集入射光的積分時間。物體的運動必須與曝光同步以確保得到一個清晰的圖像。一般，TDI檢測器包括排列成行和列的像素。電信號與投影到裝置上的移動圖像同步一行行地移動。同步的信號導致積分時間延長，而且沒有模糊。
于2001年6月19日出版、授予Basiji等人的美國專利6,249,341，題為“諸如細胞之類的微小可移動物體的成像與分析參數(Imaging andAnalyzing Parameters of Small Moving Objects Such as Cells)”公開了這樣一種儀器聚集和擴散來自物體例如移過成像系統的細胞的光，使它能成像到時間延時和積分(TDI)檢測器。Basiji等人將TDI檢測器定義為這樣的像素化裝置其中響應對準該裝置的輻射所產生的信號能以控制方式引起移動。Basiji等人未致力于光學層析成像，一個本發明所克服的缺陷。
發明內容
本發明提供一種用于三維(3D)重建恒速移動的感興趣物體的裝置和方法。感興趣物體被居中。用圍繞感興趣物體以多個投影角度定位的光學點光源、協同離感興趣物體一定距離的對面時間延時和積分(TDI)圖像傳感器來成像感興趣物體，使得在成像過程中，在感興趣物體內沒有焦平面。每個TDI傳感器具有與感興趣物體恒定速度同步的線移動速度。
一方面，本發明提供用于三維重建在層流中的感興趣物體。感興趣物體注入層流中，使得物體在層流內居中并以恒速移動。感興趣物體用至少一個圍繞層流定位的光學點光源、協同至少一個位于至少一個光學點光源對面且離層流一定距離的對面時間延遲和積分(TDI)圖像傳感器來取樣感興趣物體，使得在取樣過程中，在感興趣物體內沒有焦平面。當感興趣物體流過至少一個光學點光源和至少一個對面TDI圖像傳感器之間時，通過感興趣物體的多個投影角度被取樣。用TDI圖像傳感器形成至少一個投影圖像，TDI圖像傳感器的線移動速度與感興趣物體的流動速度同步。
另一方面，本發明通過提供利用光學點光源或平行光束投影和時間延時與積分(TDI)圖像傳感器用于三維光學層析成像的方法和系統來克服現有技術的不足。更具體地說，提供利用光學層析成像來成像在流體或在剛性介質上傳輸的微小物體(包括生物細胞)的系統。
本發明的動機是利用TDI圖像傳感器追蹤移動物體的能力，提高在動態光學層析成像系統中的投影圖像信噪比。
另一方面，本發明利用TDI圖像傳感器追蹤在傳感器的電荷轉移方向移動的物體和與圖像傳感器的線移動速度同步的能力。在一個實施例中，本發明提供在具有時間延時和積分(TDI)圖像傳感器的光學層析成像儀器中獲取或數字化投影圖像或影像的方法，當細胞在計算機控制下通過層流或機械傳輸顯示到重建柱體時，圖像傳感器定向成線移動矢量平行于細胞的移動矢量。
圖1示意性地示出由本發明實施例構建的流體光學層析成像(FOT)系統的實例圖。
圖2示意性地示出本發明實施例構建的可變運動光學層析成像(VOT)系統的實例圖。
圖3示意性地示出本發明實施例構建的重建柱體的實例圖。
圖4示意性地示出另一重建柱體的實例的局部頂視圖的實例圖。
圖5示意性地示出在不同平面上具有點光源和TDI圖像傳感器的重建柱體的實例圖。
圖6示意性地示出說明TDI成像傳感器操作的流程圖實例。
具體實施例方式
本發明在此描述涉及生物學細胞特定實例，但是，應該理解，這些實例是為了解釋本發明的原理，而并不限制本發明。在一個實例中，在顯微鏡下的空間中構建光密度的三維分布能夠量化和確定感興趣的結構、分子或分子探針的所在位置。通過使用作標記的分子探針，可以測定在顯微鏡下物體中附于特定結構上的探針數量。出于說明的目的，諸如生物細胞的物體可以用至少一個斑點或作標記的分子探針進行標記，對這些探針的數量和位置進行測量可以獲得有關細胞疾病狀態的重要信息。包括各種癌癥，例如肺癌、乳腺癌、前列腺癌、宮頸癌和卵巢癌，但不限于此。
參照圖1，圖1示意性地示出本發明實施例構建的流式光學層析成像(Flow Optical Tomography，FOT)系統的實例圖。本發明提供一種裝置和方法，其利用光學點光源或平行光束投影、時間延時和積分(TDI)圖像傳感器以及斷層圖像重建來成像在流體中或在剛性介質中傳輸的的微小物體。在一個典型的實施例中，光學層析成像(OT)系統包括流式細胞儀，其包括圍繞毛細管2的重建柱體12。
該系統參照一個有x、y和z方向坐標的坐標系40定位。操作時，細胞1注入到注射管3。毛細管在注射端5較寬，并包括一個壓力帽6。鞘液7進入管8中，在毛細管2中形成層流。第一光學源9a和第一光檢測器10a與脈沖高度分析器11一起工作，以作為觸發裝置操作。當它移過管子時，脈沖高度分析器11工作以提供用于細胞開始的第一信號30a，和用于細胞結束的第二信號30b。信號30a、30b、31a和31b代表光強，在脈沖高度分析器11中“I”比“TIME”的函數。在相對移動物體的速度和光檢測器與重建柱體12之間的距離延時后，在脈沖高度分析器11中產生多個信號14，其被送入計算機13中，計算機13將觸發信號15傳送到重建柱體12，以開始和結束用于具體細胞的數據采集。另外，第二光學源9b和第二光檢測器10b有利地位于離第一組已知距離的下游，使得發出第三信號31a的細胞和發出第四個信號31b的細胞之間的間隔可以有利地用于計算細胞的速度，并作為定時信號來同步TDI圖像傳感器的線移動速度。定時信號以多個信號14傳輸到計算機13。計算機13可以是任何有用的個人電腦或等同物，其依次把同步信號16傳送到重建柱體12。這樣，細胞沿流體軸20的移動與電荷從TDI傳感器的一個步驟到下一個步驟的移動速度相匹配。下面參照圖6更詳細地描述和圖示。
現在參照圖2，示意性地示出本發明可替換實施例構建的可變動作光學層析成像(VOT)系統的實例圖。VOT系統100利用機械定位器一次一個地顯示在管中的剛性介質中傳送的細胞。與參考圖1所描述的FOT系統相比，在VOT系統100中僅需要一個包括光學源9和光檢測器10的觸發機構，因為細胞速度被精確地控制以與重建柱體12中的TDI傳感器同步。觸發器在此被脈沖高度分析器11和計算機13所操控，用于啟動和停止數據收集。如雙箭頭線所示，在本實施例中的毛細管被計算機控制的電機17驅動的螺紋驅動器18沿Z軸通過重建柱體12移動。計算機控制的電機17接收來自于計算機13的控制信息。本領域的技術人員通過本發明所披露的內容應當理解，任何能夠以恒速線性移動毛細管的機構都能用于代替螺紋驅動器。
利用計算機化的層析成像圖像重建技術可以直接分析或處理來自重建柱體的信號，以提供細胞的二維或三維信息。
現在參照圖3，示意性示出本發明實施例構建的重建柱體的實例圖。重建柱體12包括多個可選波長的光學點光源27，其圍繞毛細管2設置并與毛細管2同心。多個光學點光源27與對面的對可選擇部分光譜敏感的時間延時和積分(TDI)圖像傳感器25協同工作，其中當包括任何在毛細管中移動的物體(諸如細胞)通過毛細管2后，設置TDI圖像傳感器以接收來自多個光學點光源27的光。傳統的TDI傳感器型號為CCD525和/或CCD582可從位于美國加利福尼亞州米爾皮塔斯的Fairchild Imaging Inc購得，根據公知的原理，特性積分寄存器提供信號信息作為處理圖像的可獲得輸出。這種裝置特性是快速線移動速度可以由使用者控制和同步。
在操作時，在移過重建柱體1的過程中，細胞1至少經過一個光學點光源。本發明的特征在于多個可選波長的光學點光源27圍繞毛細管2設置并與毛細管2同心。光學點光源27與對面的對可選擇部分光譜敏感的時間延時和積分(TDI)圖像傳感器25協同工作，因此，可以獲得透過細胞1的光的投影21。用這種方式，可以產生一系列投影光線，其中投影光線可以被描述為連接點光源與單個傳感元件的直線。出于說明的目的，一個實例光線表示為光線53。沿特定的投影光線離開點光源的光學數目與特定的傳感元件接收的光學數目之差，與投影光線路徑上毛細管內的細胞及其它成份相互作用造成的光學損失數目或衰減有關。
要注意光的散射、光學能量偏移、幾何特性缺陷和準直性差會帶來一些問題，當多個光源點同時激發時，來自不同光源的光學到達特定的傳感元件。例如通過利用上述點光源及其對面檢測器的圖案的幾何特性，和通過適當定時或多個點光源的多路激勵以及傳感器陣列的讀出來構建重建柱體，可以減少由于這些問題造成的光學污染。
例如沒有細胞時，光學污染可以通過系統的校準來解決。即，每個光源可以依次照明，并且可以測量其對每個傳感器的影響，從而提供用于標準化系統的偏移數據。另需要額外的校準步驟，例如對乳膠多聚體顆粒或其它微球體或扁圓球體成像，它們的光學特性是公知的，并具有細胞成像的感興趣的密度范圍。
圖3是特定幾何特性和排列的點光源和傳感器的簡化示意圖。為了簡化附圖，僅僅圖示了有限數量的點光源和檢測器，以便更好地說明本發明的原理。從本公開得到啟示的本領域的技術人員應該明白，另外的點光源和檢測檢測可以有利地組合在一起，多個這種單元以預定輻射位移有利地層疊在一起，以獲得達到或者超過180投影的足夠投影透視圖。
現在參照圖4，示意性地示出重建柱體12另一實施例局部頂視圖的實例圖。重建柱體12A的每個部分都包括TDI圖像傳感器25。在這個實例中，多個投影21(在此高達3個投影)能在每個傳感器上成像，這樣15個投影可以供給重建柱體的每個180°寬度部分。在優選實施例中使用兩個這種180°寬度部分。從本公開得到啟示的本領域的技術人員應該明白，用不同幾何特性或排列的點光源和傳感器能夠獲得基本類似的結果，只要從能夠層析成像重建的足夠數量的輻射透視圖獲得細胞的投影圖像。
參照圖5，示出本發明實施例構建的重建柱體12B的特別有用的設計。這里點光源27的環圍繞毛細管2設置，并且TDI圖像傳感器25的環位于點光源下方的平面上。盡管在圖中僅示出4個點光源，應該明白，TDI圖像傳感器的環可以有利地包括更多的數目，其足以能夠使移動物體圖像的層析成像重建。另外，TDI圖像傳感器可在點光源平面的上方或下方。點光源可以有利地形成錐形光束35。通過將點光源和TDI圖像傳感器設置在分開的平面上，在柱體對面的點光源不會與其它投影錐形光束發生物理干涉。
毛細管2的彎曲表面起著產生聚焦效果的柱面鏡的作用，該效果在投影系統中是不期望的。從本公開得到啟示的本領域的技術人員應該明白，如果點光源和管之間以及管與檢測器之間的空間28用折射率與毛細管匹配的物質填充，實質上能夠減少通過毛細管2光學的彎曲。另外，管可以與空間填充物質光學耦合。這種光學耦合例如可以用油或凝膠來實現。
現在參照圖6，示意性地示出說明TDI圖像傳感器的流程圖50的實例。對應于細胞的圖像元件的電荷與圖像同步轉移到像素元件51的列中。電荷轉移連續發生，直到從列中累積的電荷被傳感器的底部寄存器讀出為止。
本發明構建的光學層析成像系統的一個實施中，多個TDI傳感器25被定向成每個傳感器具有與沿Z軸的細胞移動20相同的線移動19方向。TDI圖像傳感器的線移動速率被來自計算機13的定時或時鐘信號控制與細胞的速率同步。
工作流程示出沿時間線34在不同時間的移動細胞1和它相對TDI傳感器25的位置，在時間＝0時，細胞1正好在TDI傳感器25上方且沒有圖像被傳感。在時間＝1時，細胞1部分地被TDI傳感器25成像。細胞1的影像51一次被成像一線。對應于每圖像線的電荷22與圖像傳感器從時間＝0到時間＝5向下的圖像線的移動同步移到傳感器像素元件23的下一線。這樣，對應于每像素的電荷累積到TDI圖像傳感器的各列24，直到它在時間＝5時被底部的寄存器26讀出。
根據TDI圖像傳感器中的線數或級數，信號得以增強(例如，用96級TDI傳感器高達96交疊，諸如可從加拿大安大略省沃特盧市的DALSA購得的DALSA IL-E2傳感器)。TDI圖像傳感器的線移動速率可以達到53KHz。它相當于53,000幀/秒的幀速。
光源優選每個光源具有相同的特性·可以是近似一個小圓點光源；·可以具有已知光譜成份的亮度；·由光源發射的光學可以形成已知幾何特性的光束，例如5°～10°小錐角的錐形或所有光纖平行的筆形光束。
每個光源產生用于一個投影角度的數據。當細胞移過模塊時，沿毛細管的中心軸螺旋排列的多個光源從多個投影角度產生數據。根據傳感器的幾何特性，幾個點光源可以在同一個圓周上共線排列，這樣投影不會在傳感器上重疊。期望的光源數目是在每個平面重建或立體重建內所需分辨率的函數。另外，光源的波長可以選用各種二極管或其它激光器，或白光或其它寬帶的帶通濾光光源。例如用水銀燈或氙氣弧光燈。
構成光源點時可以采取以下措施·在激光器或其它高亮度光源之前的孔徑；·在針孔的入射側和出射側利用光學的表面等離子體聚焦的孔徑；·具有小橫截面的光纖；·在光源前的短焦距透鏡；·照射磷面上一點的電子束(CRT形式)；和·以上因素的各種組合。
利用發散光束的幾何特性是點光源越靠近感興趣物體(細胞)，放大率越高，因為物體越靠近光源，其對著的幾何角度越大。簡單的投影系統的放大率大約是M＝(A+B)/A，其中A是點光源和物體(細胞)之間的距離，B是物體和檢測器之間的距離。相反，如果要求的分辨率在系統設計之前就已知，那么可以對幾何特性進行優化來獲得特定的分辨率。作為背景技術，本領域的技術人員可以參考由Blass.M主編由Mcgraw-Hill，2001年出版的《光學手冊纖維光學和非線性光學》第2版，第4卷。
在此相當詳細地描述了本發明，目的是為了遵守專利法規，同時為本領域的技術人員提供應用本發明的新穎原理所需的信息，并按要求構建和使用上述實例的和具體的部件。但是，應該明白，本發明可以通過特定的不同設備、裝置和重建算法來實現，在不偏離本發明真實精神和范圍的情況下，可對設備零件和操作程序作出各種變型。
權利要求
1.一種用于三維重建感興趣物體(1)的方法，包括以下步驟(a)將感興趣物體注入層流中，使得物體居中在層流中并以恒速移動；(b)用至少一個圍繞層流定位的光學點光源(27)，協同至少一個位于該光學點光源(27)對面、離層流一定距離的對面時間延時和積分(TDI)圖像傳感器(25)來取樣感興趣物體(1)，使得在取樣過程中在感興趣物體(1)內沒有焦平面，其中當它們在至少一個光學點光源(27)和至少一個對面光學傳感器(25)之間流動時，通過感興趣物體(1)的多個投影角度被取樣；和(c)用至少一個TDI圖像傳感器(25)形成至少一個投影圖像(51)，TDI圖像傳感器(25)的線移動速度與感興趣物體(1)的流速同步。
2.如權利要求1所述的方法，其中感興趣物體(1)包括細胞或細胞核。
3.如權利要求1所述的方法，其中光學投影光束是錐形光束(35)。
4.一種用于三維重建感興趣物體(1)的方法，包括以下步驟(a)將感興趣物體(1)裝入線性容器(2)；(b)用至少一個圍繞該線性容器(2)定位的光學點光源(27)，協同至少一個位于光學點光源(27)對面、離線性容器(2)一定距離的對面時間延時和積分圖像傳感器(25)來取樣感興趣物體(1)，使得在取樣過程中在感興趣物體(1)內沒有焦平面，其中當感興趣物體(1)在至少一個光學點光源(27)和至少一個對面光學傳感器(25)之間移動時，通過感興趣物體(1)的多個投影角度被至少一個光學點光源(27)產生的光學投影光束取樣；(c)以恒速移動線性容器(2)，使得感興趣物體一次一個地移過光學投影光束；和(d)用至少一個對面TDI圖像傳感器(25)形成至少一個投影圖像(51)，TDI圖像傳感器(25)的線移動速度與感興趣物體(1)的流速同步。
5.如權利要求4所述的方法，其中感興趣物體(1)包括細胞或細胞核。
6.如權利要求4所述的方法，其中將感興趣物體(1)裝入線性容器(2)的步驟還包括將多個細胞裝入管中的步驟。
7.如權利要求4所述的方法，其中光學投影光束是錐形光束(35)。
8.一種用于三維重建感興趣物體(1)的方法，該方法包括以下步驟(a)將感興趣物體(1)注入恒速的層流中；和(b)當感興趣物體(1)流過重建柱體(12)時，以多個角度對至少一個感興趣物體(1)形成一組投影圖像(51)，其中重建柱體(12)包括在第一平面上的多個光學點光源(27)和在第二平面上的多個時間延時和積分圖像傳感器(25)，其中第一平面和第二平面不同但平行，和其中設置多個光學點光源(27)和多個TDI傳感器(25)，以便當感興趣物體(1)流過重建柱體(12)時，成像感興趣物體(1)。
9.如權利要求8所述的方法，其中重建柱體(12)包括多于一個光學點光源(27)平面，其中該多于一個光學點光源(27)平面的每一個協同多于一個的TDI傳感器(25)相關平面的每一個工作，以形成感興趣物體(1)的多個圖像。
10.如權利要求9所述的方法，其中多于一個光學點光源(27)平面的每一個和多于一個TDI傳感器(25)的相關平面的每一個彼此放射狀地偏離，以獲取不同的透視圖。
11.一種用于三維重建感興趣物體(1)的方法，該方法包括以下步驟(a)將多個物體裝入包括感興趣物體(1)的線性容器(2)；(b)按需要居中感興趣物體(1)；(c)移動線性容器(2)，直到感興趣物體(1)位于重建柱體(12)之內，其中重建柱體(12)包括在第一平面上的多個光學點光源(27)和在第二平面上的多個時間延時和積分(TDI)圖像傳感器(25)，其中第一平面和第二平面不同但平行；(d)利用多個光學點光源(27)以用多個光學投影光束來照明感興趣物體(1)，其中設置多個光學點光源(27)和多個TDI傳感器(25)，以便當感興趣物體(1)經過重建柱體(12)時，成像感興趣物體(1)；及(e)以多個角度形成一組感興趣物體(1)的投影圖像(51)。
12.如權利要求11所述的方法，其中多個光學點光源(27)位于多于一個平面上，其中在選定平面中的多個光學點光源(27)的每一個協同TDI傳感器(25)的相關平面的每一個工作，以形成多個感興趣物體(1)的圖像。
13.如權利要求12所述的方法，其中在選定平面中的多個光學點光源(27)的每一個和TDI傳感器(25)的相關平面的每一個分別放射狀地偏離至少一個其它光學點光源平面和TDI平面，以便獲取感興趣物體(1)的不同透視圖。
14.一種用于三維重建恒速移動的感興趣物體(1)的方法，該方法包括以下步驟(a)使感興趣物體(1)居中；和(b)用以多個投影角度圍繞感興趣物體(1)定位的多個光學點光源(27)，協同離感興趣物體(1)一定距離定位的多個對面時間延時和積分圖像傳感器(25)成像感興趣物體(1)，使得在成像過程中，在感興趣物體(1)內沒有焦平面，多個TDI圖像傳感器(25)的每一個具有與感興趣物體(1)的流速同步的線移動速度。
15.如權利要求14所述的方法，其中多個光學點光源(27)位于重建柱體(12)中，該重建柱體(12)包括多個基本上同心并協同多個對面的TDI圖像傳感器(25)工作的可選波長的光學點光源(27)，其中多個對面的TDI圖像傳感器(25)對可選部分光譜敏感，且其中多個對面的TDI圖像傳感器(25)設置成在來自多個光學點光源(27)的光通過感興趣物體(1)后，用以接收該光。
16.如權利要求14所述的方法，其中多個光學點光源(27)構成點光源(27)環，其中多個TDI傳感器(25)包括設置在點光源(27)環下面的平面中的TDI圖像傳感器(25)環。
17.如權利要求14所述的方法，其中成像感興趣物體(1)的步驟還包括將至少三個投影成像到多個TDI傳感器(25)的每一個的步驟。
18.如權利要求4所述的方法，其中取樣感興趣物體(1)的步驟還包括將至少三個投影成像到多個TDI傳感器(25)的每一個的步驟。
19.如權利要求4所述的方法，其中至少一個光學點光源(27)還包括點光源(27)環，其中至少一個TDI傳感器(25)包括設置在點光源(27)環下面的平面中的TDI圖像傳感器(25)環。
20.如權利要求4所述的方法，其中至少一個光學點光源(27)位于重建柱體(12)中，該重建柱體(12)包括多個基本上同心并協同至少一個TDI圖像傳感器(25)工作的可選波長的光學點光源(27)，其中該至少一個TDI傳感器(25)對可選部分的光譜敏感。
全文摘要
三維重建以恒定速度移動的感興趣物體(1)。感興趣物體(1)被居中。用圍繞感興趣物體(1)以多個投影角度定位的光學點光源(27)、協同離感興趣物體(1)一定距離的對面時間延時和積分圖像傳感器成像感興趣物體(1)，使得在成像過程中，在感興趣物體(1)內沒有焦平面。每個TDI傳感器(25)具有與感興趣物體(1)恒定速度同步的線移動速度。
文檔編號G01N33/60GK1685211SQ03823327
公開日2005年10月19日 申請日期2003年9月24日 優先權日2002年9月30日
發明者周志偉, A·C·納爾遜 申請人:維森蓋特有限公司