用于通过子像素对准使高密度生化阵列成像的方法和系统技术方案

用于对高密度生化阵列成像的系统和相关方法包括一个或多个成像通道和相应的一个或多个时间延迟积分型成像相机，其中成像通道共用公共的物镜，时间延迟积分型成像相机具有光学对准机构，其允许四个自由度X、Y、旋转和比例中每一个进行独立的通道内调整和通道间调整。成像通道被配置成独立检查生化阵列中图像的不同光谱。

Method and system for subpixel imaging of high density biochemical arrays

A system for high density array imaging and biochemical methods including one or more imaging channels and one or more of the corresponding time delay integral imaging camera, the imaging channels share a common objective, time delay integral imaging camera with optical alignment mechanism, which allows the four degrees of freedom, Y, X the scale and rotation of each independent channel and inter channel adjustment adjustment. The imaging channel is configured to independently examine the different spectra of the images in the biochemical array.

【技术实现步骤摘要】
专利技术背景本公开一般涉及用于高密度生化阵列的成像系统的领域。高密度生化阵列和相关的机器允许多个生化实验(有时为数十亿)并行进行。这种能力是通过以极小体积进行每次实验并将实验非常紧密地封装在一起的技术发展积累获得的。为了有效地观察实验，需要与其他高技术产业中的小型化进步相似的进步。具体地，需要的是快速、准确、可重复且耐用的用于生化阵列的成像技术。
技术实现思路
根据本专利技术，用于对高密度生化阵列成像的系统和相关方法包括一个或多个成像通道和相应的一个或多个时间延迟积分型成像相机，其中一个或多个成像通道共用公共的物镜，时间延迟积分型成像相机具有光学对准机构，其允许四个自由度：X、Y、旋转和比例中每一个进行独立的通道内和通道间调整。成像通道被配置成独立检查生化阵列中的图像的不同波长。通过参考以下参照附图的详细描述，可以更好地理解本专利技术。附图说明图1A为第一多通道生化阵列成像系统的示意图。图1B为第二多通道生化阵列成像系统的示意图。图1C为第三多通道生化阵列成像系统的示意图。图1D为第四多通道生化阵列成像系统的示意图。图2为横向偏移板的示意图。图3示出X和Y偏移。图4示出X和Y的对准误差。图5为使用时间延迟积分对具有像素阵列的点进行成像的概念图。图6为图5的时间延迟积分成像的结果的概念图。图7示出了在对准前两个相机、载物片和定位台之间的转动对准关系。图8示出了在对准后两个相机、载物片和定位台之间的转动对准关系。图9示出了在载物片对准中使用的参考框。具体实施方式人类基因组研究和生化阵列的其他用途需要先进的成像系统来实现商业上可行的数据采集率。除其他因素外，每单位时间的可采集数据的生化实验的次数取决于阵列密度和图像获取速度。增加的阵列密度会使图像获取问题复杂化，因为其使得对图像中的每个实验(数以百万计)的特性保持跟踪具有挑战性。对于DNA阵列，所需的数据通常为四进制的；核苷酸可为A、C、G或T。这些可能性标有一组四个不同颜色的荧光分子标记。每个荧光标记吸收一定波长的光并发出较长波长的光。多通道成像仪同时采集四种可能波长范围中尽可能多的波长的数据。图1A至图1D为多通道生化阵列成像系统。这些多通道系统中的每个成像通道对于图像旋转、x和y偏移以及比例(放大率)均都具有其自身独立的调整，在下文中被称为通道内和通道间调整的独立性。图1A示出了双通道系统。图1B和图1C示出了具有调整x和y图像偏移的替代装置的图1A的系统。图1D示出了多个四自由度的成像通道可如何被添加至多通道系统。图1A的系统具有两个同时成像的通道，其中每个通道具有用于图像调整的四个自由度：旋转、x和y偏移以及比例或放大率。高精度定位台扫描显微镜物镜下的载物片，载物片以旋转对称轴表征。在图1A中，常规的时间延迟积分(TDI，time delay integration)式相机105安装在旋转台102上。相机105可根据系统进行的何种操作而以TDI模式或全帧模式操作。横向偏移板110移动相机105中的图像位置。镜筒透镜117和辅助透镜115共同形成变焦透镜系统以聚焦并改变相机105中的图像的尺寸。旋转台102被配置成将TDI相机105绕共同的旋转对称轴线106转动，以使TDI相机105的内部CCD阵列(未示出)相对于样本145定向使得能够沿扫描轴线104(穿过图的平面)适当地对样本145进行扫描。相机105、旋转台102、板110以及由镜筒透镜117和辅助透镜115形成的变焦透镜系统共同形成一个独立成像通道139。第二独立成像通道140包括第二相机、偏移板和变焦透镜系统，第二相机安装在旋转台上。分束器和滤波器组件127将不同波长的光引导至不同的成像通道139、140。在图1A中仅示出了一个分束器/滤波器组件127。然而，在系统的其他实施方式中，额外的分束器和/或滤波器可通过机器人移入或移出机械系统。块125表示自动聚焦和照明系统。所有成像通道共用的显微镜物镜130被聚焦在生化阵列载物片形式的样本145上，生化阵列载物片安装在包括旋转台135和X-Y台137的定位台上。由荧光标记的生物分子所发出的光通过显微镜物镜采集并根据波长被聚焦至一个或其他TDI相机中的像素上。具有两个成像通道的系统可同时记录两个波长范围内的图像数据。不同的二色性或多色性分束器和/或滤波器127的替换允许在另外的波长“范围(bin)”内的图像数据被采集。每个成像通道具有其自身的变焦透镜系统以调整图像焦点和放大率。这样的调整例如通常在更换二色性滤波器时进行。每个相机可独立旋转，阵列载物片还可在其X-Y定位系统的顶部旋转。变焦系统是非典型的，其提供了受约束且非常有限的放大率(比例)调整范围，但以很高精度和稳定性进行此调整。透镜115和117安装在精密台上(未示出)，精密台使透镜115和117以1微米步长沿透镜轴线移动。在示例性的系统中，焦距f1和f2分别为约500mm和165mm，并且其最大比例改变不超过3％。该精密的变焦系统允许标定16X的显微镜的放大率逐步调整至约0.00009X那么小，并同时保持聚焦。图1B示出了图1A的系统的变型。在图1B中，镜子111取代了图1A的偏移板110。镜子提供了使相机105中的图像偏移的替代装置。出于清楚显示的目的，在图1B中未示出第二成像通道140。图1C示出了图1A和图1B的系统的变型。在图1C中，相机105被安装在x-y定位台103以及旋转台102上。在图1C的系统的通道中既没有包含偏移板(例如图1A中的110)，也没有包含偏移镜(例如图1B中的111)。相反地，机械x-y定位台103为相机105提供横向偏移控制。图1D示出了与图1A至图1C所示的那些类似的系统可如何被构造成具有任意数量的成像通道，每个成像通道具有能够彼此独立调整的参数并且每个通道还能够独立于任意其他通道进行调整以使得在一个通道中的调整不影响其他通道。这种通道内和通道间调整的独立性在本文中被称为四自由度成像通道独立性。在图1D中，分束器/滤波器组件128和129将不同波长的光分别引导至成像通道141和142。每个成像通道可包含用于图像旋转、x和y偏移、以及比例或放大率的独立调整。x和y偏移控制可通过倾斜板(例如板110)、镜子(例如镜子111)、时间延迟积分脉冲定时(如下所述)或技术组合来实现。下面将参照图2更详细地描述横向偏移板。图2为横向偏移板110的示意图。板110使相机105中图像的位置移动。在图2中，示出了光束150穿过板110并呈现为光束152。因为光束以非垂直入射的方式穿过板，所以其位置偏移了Δx量，Δx量由下式给出： Δ x = t s i n θ - t n c o s θ sin θ 1 - ( 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于对准显微镜的方法，包括：(a)提供荧光显微镜，所述荧光显微镜包括：x‑y定位台，用于操作样本结构中的生化实验的平面阵列；以及时间延迟积分式相机，具有带旋转定向的CCD成像阵列；(b)沿旋转对称轴线获取所述样本结构中的生化实验阵列的CCD成像阵列上的图像；(c)计算相机成像阵列绕所述旋转对称轴线与所述生化阵列之间的第一角度；(d)计算所述生化阵列绕所述旋转对称轴线与所述x‑y定位台之间的第二角度；(e)将所述阵列旋转所述第二角度以使所述生化阵列与定位台对准；以及(f)将所述相机旋转在步骤(c)与(d)中得到的角度之和以使所述相机CCD成像阵列与所述x‑y定位台对准。

【技术特征摘要】
2010.10.26 US 12/912,6411.用于对准显微镜的方法，包括：(a)提供荧光显微镜，所述荧光显微镜包括：x-y定位台，用于操作样本结构中的生化实验的平面阵列；以及时间延迟积分式相机，具有带旋转定向的CCD成像阵列；(b)沿旋转对称轴线获取所述样本结构中的生化实验阵列的CCD成像阵列上的图像；(c)计算相机成像阵列绕所述旋转对称轴线与所述生化阵列之间的第一角度；(d)计算所述生化阵列绕所述旋转对称轴线与所述x-y定位台之间的第二角度；(e)将所述阵列旋转所述第二角度以使所述生化阵列与定位台对准；以及(f)将所述相机旋转在步骤(c)与(d)中得到的角度之和以使所述相机CCD成像阵列与所述x-y定位台对准。2.如权利要求1所述的方法，还包括：(g)重复步骤(c)和(d)以确定所述相机CCD阵列与所述生化阵列之间的第一角度和所述生化阵列与所述x-y定位台之间的第二角度为零；以及，如果所述第一角度或所述第二角度不为零，则重复步骤(a)至(g)。3.如权利要求1所述的方法，还包括在垂直于所述旋转对称轴线的平面中相对于所述相机成像阵列平移所述生化阵列。4.如权利要求1所述的方法，还包括在垂直于所述旋转对称轴线的平面中通过改变放大率将所述生化阵列的图像相对于所述相机成像阵列进行缩放。5.如权利要求1所述的方法，还包括引导所述生化阵列的图像穿过多色性滤波器系统，所述多色性滤波器系统沿所述旋转对称轴线设置以使第一光经过具有所述相机成像阵列的第一成像通道并使第二光经过第二成像通道，所述第一光的波长与第一荧光染料的发射光谱相对应，所述第二光的波长与第二荧光染料的发射光谱相对应。6.用于对准成像系统的方法，所述成像系统包括显微镜物镜和相机，所述方法包括：(a)采集从x-y定位台上的样本发出的光；(b)沿所述显微镜物镜的旋转对称轴线获取所述样本的图像；(c)计算所述相机绕所述旋转对称轴线与所述样本之间的第一角度；(d)计算所述样本绕所述旋转对称轴线与所述x-y定位台之间的第二角度；(e)将所述样本旋转所述第二角度，以使所述样本与所述x-y定位台对准；以及(f)将所述相机旋转所述第一角度和所述第二角度之和，以使所述相机与所述x-y定位台对准。7.如权利要求6所述的方法，还包括：(g)重复步骤(c)和(d)以确定所述相机与所述样本之间的所述第一角度或所述样本与所述x-y定位台之间的所述第二角度是否为零；以及(h)如果所述第一角度或所述第二角度不为零，则重复步骤(a)至步骤(g)。8.如权利要求6所述的方法，还包括：(g)执行扫描操作，以在垂直于所述旋转对称轴线的平面中获得所述样本的图像数据。9.如权利要求8所述的方法，其中，执行所述扫描操作包括：(h)在所述扫描操作期间，通过使用基于图像的控制循环校正定位误差。10.如权利要求8所述的方法，其中，执行所述扫描操作包括：(h)进行包括X偏移和Y偏移的动态调整。11.如权利要求10所述的方法，其中，执行所述动态调整包括：(i)从所述相机读取所述图像数据；(j)基于所述图像数据计算误差校正；(k)基于所述误差校正，在垂直于所述旋转对称轴线的平面中分别计算在X方向和Y方向的所述X偏移和所述Y偏移；以及(l)在获得所述样本随后的图像数据之前，应用所述X偏移和所述Y偏移。12.如权利要求11所述的方法，其中，应用所述X偏移包括：(m)基于所述X偏移旋转偏移板。13.如权利要求11所述的方法，其中，应用所述X偏移包括：(m)基于所述X偏移旋转镜子。14.如权利要求11所述的方法，其中，应用所述X偏移包括：(m)基于所述X偏移平移所述x-y定位台。15.如权利要求11所述的方法，其中，应用所述Y偏移包括：(m)基于所述Y偏移平移所述x-y定位台。16.如权利要求11所述的方法，其中，所述相机是TDI相机，以及其中应用所述Y偏移包括：(m)基于所述Y偏移改变所述TDI相机的脉冲定时。17.如权利要求6所述的方法，其中，所述样本包括生化阵列，所述生化阵列安装在所述x-y定位台上。18.成像系统，包括：显微镜物镜；相机，配置成通过沿与所述显微镜物镜的旋转对称轴线垂直的扫描轴线扫描样本来产生图像；以及沿所述旋转对称轴线的横向偏移系统，所述横向偏移系统配置成独立地移动所述相机中的所述图像在垂直于所述扫描轴线的平面中的位置，其中，所述横向偏移系统包括偏移板，所述偏移板安装至振镜机构。19.如权利要求18所述的成像系统，其中，所述横向偏移系统包括使所述旋转对称轴线改变方向的镜子。20.成像系统，包括：显微镜物镜；相机，配置成通过沿与所述显微镜物镜的旋转对称轴线垂直的扫描轴线扫描样本来产生图像；以及沿所述旋转对称轴线的横向偏移系统，所述横向偏移系统配置成独立地移动所述相机中的所述图像在垂直于所述扫描轴线的平面中的位置，其中，所述横向偏移系统包括旋转台和x-y定位台，以及其中，所述相机被安装至所述旋转台和所述x-y定位台上。21.如权利要求18所述的成像系统，其中，所述样本包括被安装在x-y定位台上的生化阵列。22.如权利要求18所述的成像系统，还包括变焦透镜系统，所述变焦透镜系统配置为改变沿所述旋转对称轴线被引导至所述相机的所述图像的比例。23.如权利要求18所述的成像系统，其中，所述显微镜物镜包括物镜，所述物镜配置为沿所述旋转对称轴线将所述图像引导至所述相机。24.成像系统，包括：显微镜物镜；相机，配置成通过沿与所述显微镜物镜的旋转对称轴线垂直的扫描轴线扫描样本来产生图像；以及沿所述旋转对称轴线的横向偏移系统，所述横向偏移系统配置成独立地移动所述相机中的所述图像在垂直于所述扫描轴线的平面中的位置；所述成像系统还包括：支持所述相机的旋转台，所述旋转台能够绕所述旋转对称轴线旋转。25.如权利要求18所述的成像系统，还包括定位台，所述定位台能够在垂直于所述旋转对称轴线的平面中，在X方向和Y方向上平移，其中，所述样品包括被安装至所述定位台上的生化阵列。26.如权利要求19所述的成像系统，其中，所述相机是TDI相机，所述TDI相机配置成执行在所述Y方向上的对准。27.成像系统，包括：显微镜物镜；相机，配置成通过沿与所述显微镜物镜的旋转对称轴线垂直的扫描轴线扫描样本来产生图像；以及沿所述旋转对称轴线的横向偏移系统，所述横向偏移系统配置成独立地移动所述相机中的所述图像在垂直于所述扫描轴线的平面中的位置；其中，所述相机是第一相机，以及所述横向偏移...

【专利技术属性】
技术研发人员：布赖恩·P·斯泰克，克雷格·E·乌里奇，
申请(专利权)人：考利达基因组股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US