用于使用监督式高品质成像的图像采集的系统和方法技术方案

本申请公开一种用于使设置在由板支撑的培养基上的生物样品成像的图像采集系统和方法。该系统具有校准模块、图像采集模块和图像展示模块。当该系统接收用于成像的培养板时，针对培养板和培养基的默认值被用于在给定时间内开始图像采集。采集的图像然后被用于创建图像的逐像素映射。该系统针对饱和像素以及针对信噪比检测逐像素映射，如果饱和像素的数量在预定的阈值处或高于预定的阈值，或者像素的信噪比低于预定的阈值，该系统获取新的图像。光子通量和/或曝光时间的新值从这个检测中被确定，以及使用该新值采集新的图像，并且该步骤被重复。一旦针对不饱和像素的预定的阈值信噪比的决定被获得，或当针对图像采集的时间间隔的预定的较高阈值逝去时，该系统提供给定的时间的最终图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求申请日为2014年1月30的美国临时申请No.61/933,426的优先权，其公开通过参考的方式被合并于此。
技术介绍
高动态范围(HDR)成像是一种捕获图像在最亮和最暗区域之间的较高动态范围的数字成像技术。Christiansen等人的美国专利No.7,978,258中描述了用于自动地优化从数字图像获得的像素强度的动态范围的过程。HDR在不同的曝光等级处拍摄若干图像，并且使用算法将它们拼凑在一起以创建既有黑点又有亮点的图像，不连累两者中任一个的质量。然而，HDR能够显示实际的失真，因为它扭曲全体图像的强度。相应地，继续寻求不扭曲图像的强度而增强对比的HDR技术。Allano等人的WO 2012/152769中描述了用于增强生物样品的图像的技术。其中Allano等人的文章中认定的这种样品成像的问题是：i)被观察的菌落的大小；ii)一个菌落与另一个菌落的接近度；iii)菌落的颜色混合；iv)有盖培养皿(Petri Dish)的种类；以及v)培养基的种类；和其他要素。Allano等人提出的生物样品成像问题的方案是准备从每种颜色获得的图像创建的源图像，针对培养基和培养容器移除预定的吸收效应，并且使用预定的曝光确定光子通量和曝光时间的值以获得图像，该图像随后被剖割成亮度区域。由此，图像亮度被获得并且用于确定所使用的光子通量和曝光时间的值是否正确或者光子通量和曝光时间的新值是否应该被用于图像捕获。上述技术的问题是它们不提供具有提供能够检测非常微小变化的成像条件的能力的系统，相比之下该微小变化对于生长培养基上的微生物的基于图像的检测/识别是必需的。由于微生物基于图像的证据和/或它们在培养基上的生长是(或至少能够是)很难检测的，所以寻求用于这种样品成像的更加稳健的技术。
技术实现思路
此中所述的是针对具有低的或可变对比度的图像，增强图像捕获的系统和方法。这种挑战性的成像环境的一个示例是生长在琼脂(agar)生长板上的细菌菌落。细菌菌落反射的光与琼脂的不同。此外，细菌菌落能够从浅颜色到深颜色变化并且反射与琼脂不同的光。捕获菌落的图像的时间是短的(大约一秒)。典型地，生长板的图像每3到6小时拍摄一次。图像的获得是在每个时间间隔“x”(即，t0，t1，…tx)处的一系列的N次图像采集。第一次采集(N＝1)使用光强度和曝光时间本文称为“光子通量和曝光时间”的默认值。光子通量值限定每个单位时间和单位面积到达视景的光子数((光子量)·(时间-1)·(面积-1))。该时间是照相机传感器的积分时间。曝光时间决定由传感器一帧采集所获得的光子数。换句话说，光子通量是来自光源的光子流动率，并且曝光时间影响由传感器所接收的针对图像采集的那些光子的量。对于给定的光子通量，曝光时间控制图像强度。本领域的技术人员意识到很多不同的方法来控制光子通量以影响图像强度。如上所见，一种技术控制图像的曝光时间。有其他技术能够用于控制传输到传感器的光的强度。例如，滤波器、光圈等用于控制光子通量，其进而控制强度。这种技术被技术人员所熟知，在此不详细描述。为了在此描述本专利技术的实施例的目的，光强度被设置为常数，并且曝光时间是可变的用于控制光子通量积分。在通过控制曝光时间来控制光子通量的实施例中，初始曝光时间值从系统校准获得。该系统使用校准板的库被校准。获得基线校准作为板的类型和培养基类型的函数。当该系统被用于询问新的生长板时，针对特定板的类型和培养基类型的校准数据被选择。就此而言，生长板能够是：单板(即，针对一个培养基)；双板(两个培养基)；三板(三个培养基)等。每种类型的生长板呈现独特的成像挑战。校准提供默认的曝光时间用于捕获生长板的第一图像(图像N＝1)。校准也使系统(或系统操作员)可以确定哪些部分的图像是板(即，不是背景)以及，在图像的板部分中，哪些部分是培养基(用于培养细菌的营养素)以及哪些部分至少潜在地是菌落。使用从校准获得的默认值捕获生长板的N＝1图像。如果平均技术被用于捕获生长板的数字图像，亮像素与暗像素相比将具有更好的信噪比(SNR)。
在此中所述的方法中，信号针对各个像素是孤立的，不考虑像素是亮还是暗。对于预定数量的像素，强度、曝光时间和SNR是确定的。在图像环境中的这些值的“映射”被准备。从这个映射中，挑选出将优选地不使多于一个预定分数的像素饱和的新的曝光时间用于N+1的图像采集。优选地，在其中使只有非常小的部分的像素(或较少的)饱和的曝光时间被确定，并且被用于捕获最终图像。从此生成每个像素的SNR映射，其中每个不饱和的像素的SNR被更新(即，灰度值被精炼并且针对不饱和像素改善SNR)。基于该映射模拟图像。优化函数算法被用于将每个像素的每个灰度值强度映射到与最佳的SNR对应的像素需要的曝光时间。该优化算法通过查看初始图像(N＝1)开始，该图像使用预定的默认曝光时间被捕获。针对整个图生成强度、曝光、和SNR映射。基于图像N调整每个像素的曝光时间和捕获另一图像(N+1)。如上所述，选择将使暗的部分的信号饱和的新的曝光时间，导致亮的部分过度曝光。针对每个像素更新强度映射、曝光映射、和SNR映射。这是一个迭代过程，并且获得图像直到达到图像的每个像素的最大SNR，或者达到图像的最大数量，或者已经达到最大分配时间。实质上，暗点保持黑暗，亮点保持明亮并且SNR被改善。琼脂生长培养基作为数字图像的背景。图像中以某些方式(即，不同的强度)不同于先前的图像的像素表明菌落正在生长或者板上有污染物(例如，灰尘)。这种技术能够用于一次性观察多个板。当SNR显著地改善时，能够(用置信度(confidence))揭露在定时板成像中不能被看到/信任允许检测早期的小菌落的细节。该系统和方法也提供对应于最佳曝光时间的图像，该曝光时间对应于对视景或目标物体的特定的和受控制的饱和。一旦在时间t0完成图像采集，迭代的图像采集过程在此时间间隔期间停止。当从t0到t1的预定的时间间隔已经逝去，重复迭代的图像采集过程直到已经获得由此采集的图像的完整性中期望的置信度。信噪比与标准差成反比(即，SNR＝gv′/标准差)。因此，产生每像素最大SNR(即，每像素最小标准差)的图像采集将提供具有与时间“Tx”相联系的高置信度的图像。例如，获得已经培养了四个小时(T1＝4小时)的板的高SNR图像。相同的板的另一个高SNR图像在已近培养了附加的四个小时(Tx＝8小时)的板之后获得。一旦获得与随后的时间(Tx+1)相联系的图像，该图像(或与目标物体相联系的图像的至少被选择像素)能够和与先前的时间(Tx)相联系的图像比较，以确定随后的图像是否提供微生物生长的证据或者以确定板的进一步加工。附图说明图1根据本专利技术的一个实施例是用于图像采集的三模块系统的原理描述和展示；图2是图1中所述的三模块系统的系统操作流程图；图3根据本专利技术的一个实施例是图1中所述的校准模块的功能的描述，其用于照明校准、光学器件校准、和照相机校准；图4根据一个实施例是从校准板确定的以校准图1的系统的数据的说明；图5根据本专利技术的一个实施例是图1中所述的图像采集模块的功能的描述；图6根据一个实施例是使用图1的系统的图像采集方法的原理图；图7是由图5中所述的图像采集模块执行的功能的更详细描述；图8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使设置在培养基中的生物样品成像的系统，所述系统包括：系统校准模块，其提供默认值，所述默认值用于捕获设置在板中的培养基上的生物样品的图像；图像采集模块，所述图像采集模块包括照相机，其中，该模块适于在给定时间间隔期间获得一系列的图像的数据，与所述系统校准模块通信，所述图像采集被配置以：i)使用光子通量和曝光时间的默认值从所述系统校准模块获得第一图像数据，并且创建所述图像数据的逐像素映射，每个像素与信噪比、光子通量和曝光时间、以及强度相联系；ii)通过检查所述图像数据更新所述图像采集时间，以基于饱和的像素的数量是否大于或小于预定的阈值识别饱和的像素并选择新的光子通量、新的曝光时间中的一个或两者；并且基于该决定，iii)使用所述光子通量、所述曝光时间或两者的新值以获得新图像的数据以及iv)用信噪比、所述光子通量、所述曝光时间或两者以及像素强度的新值更新所述图像数据的映射，其中，如果非饱和像素的所述信噪比小于预定的阈值或饱和像素的数量超过所述预定的阈值，所述图像采集模块被配置以获得新图像的数据，其中，当已经获得所述非饱和像素的所述预定的阈值信噪比，用于图像采集的预定的分配时间已经逝去，或者已经获得图像的预定的最大数量时，所述图像采集模块完成图像采集；以及图像展示模块，所述图像展示模块将所述图像数据从所述图像采集模块转换成用于观察或分析的图像。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.30 US 61/933,4261.一种用于使设置在培养基中的生物样品成像的系统，所述系统包括：系统校准模块，其提供默认值，所述默认值用于捕获设置在板中的培养基上的生物样品的图像；图像采集模块，所述图像采集模块包括照相机，其中，该模块适于在给定时间间隔期间获得一系列的图像的数据，与所述系统校准模块通信，所述图像采集被配置以：i)使用光子通量和曝光时间的默认值从所述系统校准模块获得第一图像数据，并且创建所述图像数据的逐像素映射，每个像素与信噪比、光子通量和曝光时间、以及强度相联系；ii)通过检查所述图像数据更新所述图像采集时间，以基于饱和的像素的数量是否大于或小于预定的阈值识别饱和的像素并选择新的光子通量、新的曝光时间中的一个或两者；并且基于该决定，iii)使用所述光子通量、所述曝光时间或两者的新值以获得新图像的数据以及iv)用信噪比、所述光子通量、所述曝光时间或两者以及像素强度的新值更新所述图像数据的映射，其中，如果非饱和像素的所述信噪比小于预定的阈值或饱和像素的数量超过所述预定的阈值，所述图像采集模块被配置以获得新图像的数据，其中，当已经获得所述非饱和像素的所述预定的阈值信噪比，用于图像采集的预定的分配时间已经逝去，或者已经获得图像的预定的最大数量时，所述图像采集模块完成图像采集；以及图像展示模块，所述图像展示模块将所述图像数据从所述图像采集模块转换成用于观察或分析的图像。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光子通量为设定值，并且所述系统通过控制曝光时间控制照相机传感器积分，其中，所述校准模块确定用于多种板和培养基的默认光子通量和曝光时间。3.根据权利要求1所述的系统，其中，针对分散在所述培养基上的所述样品的图像的至少一部分确定信噪比。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述图像采集模块针对至少一个或更多个通道或者一个或更多个频谱带获得来自所述照相机的图像数据。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述图像采集模块针对每个图像采集为每个像素分配灰度值，并且每个像素的所述灰度值在每个图像采集之后被更新。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述更新的灰度值是所述先前的灰度值减去预定的参考值，其中，所述预定的参考值是基于所述板、所述板培养基的预定值，并且所述图像采集模块的所述曝光时间针对每个采集为每个像素分配灰度值，以及每个像素的所述灰度值在每个图像采集之后被更新。7.根据权利要求2所述的系统，其中，通过使用新的曝...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·R·马尔科尔波利，C·奥尔尼，D·莫雷尔，
申请(专利权)人：BD科斯特公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL