用于对未切片组织样本成像的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种装置，该装置包括：主成像系统，其配置为使用照明源通过一个或多个光谱分离的通道采集组织样本的图像，并配置为执行光学深度切片；辅助成像系统，其配置为采集组织样本的辅助图像；样本保持器，其内具有透明窗口，该样本保持器包括一个或多个位置传感器，其中该样本保持器配置为可在样本平面中平移；用户输入设备，其配置为接受用户输入，其中该样本保持器配置为实时响应用户输入而平移；处理单元，其配置为对由主成像系统采集的图像序列、辅助图像和至少一个样本保持器位置执行指令序列以生成组织样本的复合表现，其包括样本中细胞核的表现；和显示设备，其配置为实时显示组织样本的复合表现。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于对未切片组织样本成像的方法和装置相关申请本申请要求2016年2月12日提交的美国临时申请号62/294,473的权益。上述申请的全部教导以引用方式并入本文。政府支持本专利技术在国立卫生研究院R01-CA178636的政府支持下完成。政府拥有本专利技术的某些权利。
技术介绍
外科病理学是涉及对在手术期间从患者移除的组织的评估以处理医学状况的医学领域。许多外科程序需要对在手术期间移除的组织进行显微评估以确定可能需要额外治疗或手术的病理的存在。大多数显微评估的组织用甲醛或其他固定剂防腐，包埋到石蜡或类似介质中，并然后切成光学薄切片，其被染色或以其他方式标记。评估最通常在透射照明显微镜上进行，其中通过吸收透射经过样本的光生成图像。这种评估方法是冗长的，因为为了切割和染色组织而需要大量的化学处理，并可能延迟外科手术而达到花费昂贵或在某些情况下甚至不可实行的程度。因为冗长的处理在许多类型的手术期间排除了进行组织学评估的可能性，故经历癌症或其他病理(包括乳腺癌)切除的患者可能需要多次手术以实现病理组织的完全去除。例如，在乳腺癌保乳手术中，大多数患者可能因为在手术结束后发现在切除组织的表面上存在癌的微观区域而需要二次手术来实现疾病的完全治疗。术中成像技术如Mohs显微手术(MMS)可通过冷冻组织、将其切成薄切片并然后染色和在常规透射照明病理学显微镜上评估切片以确定切除的充分性来降低二次手术的比率。这些技术耗时且灵敏度不够而不适用于多种癌症的治疗，包括乳腺癌的治疗。或者，标准的石蜡包埋组织病理学(PEH)既具有成本效益又具有高度灵敏性，但过于耗时(固定和石蜡包埋需要几乎1天的处理时间)而不能用于许多手术场景中。因此，需要用于评估组织的病理存在的替代设备和方法。程序如MMS和PEH会招致长的处理时间，这主要是因为需要将组织物理地切成薄的(通常约5微米)的切片，这些切片可被染色、装载在载玻片上并在透射照明病理学显微镜上成像。切片过程是必要的，因为透射照明显微术依赖于使光透射经过样本，在其中光被染料吸收，从而通过相对于其他颜色衰减某些颜色来产生图像。得到的彩色图像代表在较大的组织样本内切割的单个图像平面，并用于由受过训练的病理学家通过检查组织或个体细胞的病理学迹象(例如，增大或不规则形状的细胞或细胞核)来进行诊断。通常该图像由H&E染色产生，该染色由苏木精(一种主要将细胞核染成紫色的染料)和曙红(一种使许多其他组织组分如细胞质、基质和胶原蛋白呈现粉色的复染染料)组成。为了使这个过程起作用，必须将组织切得足够薄以使光可透射通过样本，从而通过从较大样本物理切割平面(切片)来有效地形成单个图像平面。就乳腺癌而言，主要基于细胞核的外观、取向和密度进行诊断。为缩短样品制备时间，过去提出了光学深度切片，其中使用先进的显微技术在较大的完整3D样本内选择性地对单个2D平面成像。这些技术通过使用光学方法选择性地对单个平面成像来避免与PEH和MMS相关联的冗长的物理切片过程，因此可在成像时间的最小化很重要的场景中使用。在设备和方法中，已提出大样本的光学切片反射共焦成像与用于指导的低放大倍率成像相结合，主要用于如皮肤癌的应用。然而，单独的反射共焦不能提供细胞核成像所需的分子对比度，因此不能用来在许多外科病理学应用中进行诊断，包括保乳手术，其中诊断标准严格依赖于检查细胞核的位置、组织和外观。已基于如全视野光学相干断层扫描术的技术提出了其他方法，但这些方法也缺乏解析细胞核的能力。大多数可产生光学切片图像的显微技术不通过透射光的光学吸收产生图像，故本质上不产生类似于常规透射照明显微术的图像。因此，对于绝大多数在常规透射照明显微术方面受过训练的病理学家和外科医生来说，通过这些方法产生的图像的解读将是困难或含糊的。代替透射照明，大多数光学切片技术以落射照明(epi-illumination)模式操作，其中照明和成像都从样本的相同表面发生。此外，大多数基于由样本反射的光的总功率(反射共焦显微术或光学相干断层扫描术)或从样本返回的光的波长相对于照明波长的光谱偏移(例如，荧光、二次谐波产生或拉曼散射)产生图像。在任一情况下，当存在感兴趣的物质时，将产生较亮的图像，否则较暗。然而，已经证实，有可能使用计算方法从组织产生虚拟透射照明图像，其可精确地再现常规透射照明显微术中存在的诊断特征。通过产生示出细胞核和其他细胞组分的图像，如在使用H&E载玻片的透射照明显微镜中显现的那样，这些被称为虚拟透射照明显微术(VTM)的方法使得在现有病理学技术方面受过训练的病理学家能够更快地进行诊断。然而，VTM方法整合到用于外科病理成像的设备和方法中受到的关注较少，因此通常不可用于外科程序中。又一个问题涉及到许多外科切除物的较大规模以及在手术期间评估它们的有限时间。由于显微评估需要有限视野的高放大倍率成像，故在大的手术样品上定位病理区域可能是耗时的。例如，用于共焦成像的典型20倍率图像可能覆盖不到一平方毫米，而典型的乳腺切除物可能具有大于10,000平方毫米的表面积。然而，手术时间是珍贵的，并且存在着患者可合理地保持在手术中的最大时间量，这使得整个非常大的切除物整体的全面成像不切实际。不幸的是，许多先前提出的手术成像设备和方法依赖于能够以高分辨率对整个表面全面地成像、将一块块的许多单个图像拼接在一起、然后使用拼接图像来进行诊断，这对于大样本来说是一个不切实际地缓慢的过程。目前使用的用于外科病理学的方法通常采用各种标记，如缝合线或彩色墨水，其在切除期间或之后但在组织学检查之前放置在样本上以指导组织学评估。这些标记常被用来使组织相对于其所提取的手术腔定向和指示组织的组织学相关方位的位置。例如，在用保乳手术治疗的乳腺癌中，从患者取出切除的组织，用至多6种不同的颜色着墨，每种颜色指示样本的不同方位(aspect)(侧面)。着墨后，将样本剖切成若干薄片，边缘上的着墨方位指示组织学相关的手术切缘。尽管剖切过程导致组织样本的原始形状的丧失，但通过参考切片边缘上存在的彩色墨水，受过训练的病理学家可定位组织的原始表面并评估任何病变与切缘或切除边缘的接近程度。如果病变存在于切除边缘上或太靠近切除边缘，则可认为手术切缘不充分而需要额外的手术切除，并基于墨水的颜色指导切除的位置。着墨程序也被用在其他外科手术中，包括许多皮肤恶性肿瘤如基底细胞癌的治疗。因此，必要的是用于评估手术病理学的成像系统包括用于评估缝合线、外科墨水或其他外源标记的位置的方法和设备。然而，在荧光成像、反射共焦成像或光学相干断层扫描中，对缝合线、外科墨水或其他外源标记成像是困难或不可能的，需要其他方法例如可用来实时向用户指导诊断相关的区域而同时避免对不相关的区域成像的白光成像或窄带成像。
技术实现思路
本专利技术一般性地涉及外科病理学成像的领域。具体而言，本专利技术涉及使用倒置显微镜对切除的外科组织进行实时病理学评估的设备和方法。需要一种能够快速评估大的组织区域的系统，该组织可能具有包埋在较大的正常或诊断无关组织区域中的病理学的孤立或病灶区域。这样的系统可实时评估数千平方毫米面积中局部病理的存在，然后响应用户输入而实时提供病灶病理的高分辨率VTM图像。本文描述的系统和方法包括以下特征的组合：允许对大样本区域进行在许多手术切缘上存在大的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于组织样本的实时光学成像的装置，所述装置包含：主成像系统，其配置为使用照明源通过一个或多个光谱分离的通道采集组织样本的图像，所述一个或多个光谱分离的通道中的至少一个配置为检测与所述照明源的波长范围不同的波长范围，所述主成像系统是具有帧采集速率的倒置显微镜并配置为执行光学深度切片，所述主图像系统配置为采集图像序列；辅助成像系统，其中所述辅助成像系统配置为采集所述组织样本的辅助图像，其中所述辅助图像的面积大于由所述主成像系统采集的所述图像序列的每一图像的面积；样本保持器，其内具有透明窗口，所述样本保持器设置在所述主成像系统的焦平面处的样本平面中，所述样本保持器配置为将所述组织样本保持在所述透明窗口上，所述样本保持器包括一个或多个位置传感器，其中所述样本保持器配置为可在所述样本平面中平移，所述一个或多个位置传感器配置为测量样本保持器位置，并且其中所述样本保持器配置为可平移到所述辅助成像系统的焦平面；用户输入设备，其配置为接受用户输入，其中所述样本保持器配置为实时响应所述用户输入而平移；处理单元，其与所述主成像系统、所述辅助成像系统和所述位置传感器电连通，其中所述处理单元配置为对由所述主成像系统采集的图像序列、所述辅助图像和至少一个样本保持器位置执行指令序列以生成所述组织样本的复合表现，所述复合表现包括所述样本中细胞核的表现；和显示设备，其与所述处理单元电连通，所述显示设备配置为实时显示所述组织样本的所述复合表现。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.12 US 62/294,4731.一种用于组织样本的实时光学成像的装置，所述装置包含：主成像系统，其配置为使用照明源通过一个或多个光谱分离的通道采集组织样本的图像，所述一个或多个光谱分离的通道中的至少一个配置为检测与所述照明源的波长范围不同的波长范围，所述主成像系统是具有帧采集速率的倒置显微镜并配置为执行光学深度切片，所述主图像系统配置为采集图像序列；辅助成像系统，其中所述辅助成像系统配置为采集所述组织样本的辅助图像，其中所述辅助图像的面积大于由所述主成像系统采集的所述图像序列的每一图像的面积；样本保持器，其内具有透明窗口，所述样本保持器设置在所述主成像系统的焦平面处的样本平面中，所述样本保持器配置为将所述组织样本保持在所述透明窗口上，所述样本保持器包括一个或多个位置传感器，其中所述样本保持器配置为可在所述样本平面中平移，所述一个或多个位置传感器配置为测量样本保持器位置，并且其中所述样本保持器配置为可平移到所述辅助成像系统的焦平面；用户输入设备，其配置为接受用户输入，其中所述样本保持器配置为实时响应所述用户输入而平移；处理单元，其与所述主成像系统、所述辅助成像系统和所述位置传感器电连通，其中所述处理单元配置为对由所述主成像系统采集的图像序列、所述辅助图像和至少一个样本保持器位置执行指令序列以生成所述组织样本的复合表现，所述复合表现包括所述样本中细胞核的表现；和显示设备，其与所述处理单元电连通，所述显示设备配置为实时显示所述组织样本的所述复合表现。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述细胞核的表现包括虚拟透射照明显微术。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述主成像系统为多光子、共焦、光片、紫外线表面激发或结构化照明显微镜。4.根据权利要求2所述的装置，其中所述主成像系统包含两个或更多个可互换物镜。5.根据权利要求2所述的装置，其中由所述主成像系统采集的所述图像序列的每一图像通过两个或更多个光谱分离的通道采集；并且其中所述两个或更多个光谱分离的通道中的至少一个配置为检测由核对比剂发射的光，并且其中所述两个或更多个光谱分离的通道中的至少一个配置为检测自补充对比源发射的光。6.根据权利要求2所述的装置，其中所述样本保持器还包含一个或多个用于平移所述样本保持器的致动器。7.根据权利要求2所述的装置，其中所述用户输入设备为操纵杆、旋钮、拨盘、键盘或其他数字输入设备。8.根据权利要求2所述的装置，其中所述用户输入设备包括从用户向所述样本保持器的力的机械传递以移动所述样本保持器。9.根据权利要求2所述的装置，其中所述辅助成像系统包含光传感器的一维数字阵列。10.根据权利要求2所述的装置，其中所述辅助成像系统包含两个或更多个光谱上不同的通道。11.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理单元配置为比较所述辅助成像系统的所述两个或更多个光谱上不同的通道以识别所述组织样品中外科墨水、缝合线或外源标记的位置。12.根据权利要求11所述的装置，其中所述组织样本的所述复合表现包括所述组织样本上所述外科墨水、缝合线或外源标记的一个或多个位置。13.根据权利要求2所述的装置，其中所述辅助成像系统包括窄带照明器。14.根据权利要求2所述的装置，其中所述样本保持器还包括可移除透明窗口。15.根据权利要求14所述的装置，其中所述可移除透明窗口包括围绕所述透明窗口的流体保持结构。16.根据权利要求2所述的装置，其中所述样本保持器还包括样本分隔器。17.根据权利要求2所述的装置，其中所述样本保持器还包括盖子。18.根据权利要求2所述的装置，其中所述辅助成像系统还包括照明源。19.根据权利要求18所述的装置，其中所述照明源配置为附接到所述盖子。20.根据权利要求17所述的装置，其中所述盖子还包括配置为将所述组织样本保持贴靠所述透明窗口的样本引导件。21.根据权利要求2所述的装置，其中所述透明窗口包含玻璃、熔融石英、二氧化硅或氟化钙。22.根据权利要求2所述的装置，其中所述处理单元还包括具有用于并行处理的硬件的图形处理单元，并且进一步地，其中所述图形处理单元包括用于对由所述主成像系统采集的所述图像序列进行一系列并行处理操作的计算机可执行指令。23.根据权利要求2所述的装置，其中所述处理单元配置为在所述样本保持器的平移后不到250毫秒内更新所述组织样本的所述复合表现。24.根据权利要求22所述的装置，其中所述图形处理单元包括用于针对虚拟透射照明显微术处理的一系列并行处理操作的计算机可执行指令。25.根据权利要求5所述的装置，其中所述处理单元包括用于使用非线性过程对所述图像序列的虚拟透射照明显微术处理的计算机可执行指令：R＝(1/(1-exp(-k))^2)*(exp(-B_苏木精,红*I_核*k)-exp(-k))*(exp(-B_曙红,红*I_辅助*k)-exp(-k))G＝(1/(1-exp(-k))^2)*(exp(-B_苏木精,绿*I_核*k)-exp(-k))*(exp(-B_曙红,绿*I_辅助*k)-exp(-k))B＝(1/(1-exp(-k))^2)*(exp(-B_苏木精,蓝*I_核*k)-exp(-k))*(exp(-B_曙红,蓝*I_辅助*k)-exp(-k))其中，R、G和B分别是所述虚拟透射照明图像的红色、绿色和蓝色强度，B_苏木精,红、B_苏木精,绿和B_苏木精,蓝分别是苏木精对红色、绿色和蓝色光的吸收，B_曙红,红、B_曙红,绿和B_曙红,蓝分别是曙红对红色、绿色和蓝色光的吸收，而I_核是对细胞核或细胞核组分具有特异性的对比剂的强度，I_辅助是所述补充对比源的强度，以及k是任意缩放常数。26.根据权利要求2所述的装置，其中对于由所述主成像系统采集的所述图像序列的每一图像，所述组织样本的所述复合表现包括：来自所述图像序列的图像的表现；和所述辅助图像的表现，所述辅助图像的子区域指示所述样本保持器上采集来自所述图像序列的该图像的位置，其中所述辅助图像的所述子区域使用来自所述一个或多个位置传感器的一个或多个样本保持器位置来计算。27.一种套件，所述套件包含：根据权利要求1至26中任一项所述的装置；和吸收由所述主成像系统发射的光的主要荧光核对比剂，并且其中所述主要荧光核对比剂的荧光发射波长对应于所述光谱分离的通道中的至少一个。28.根据权利要求27所述的装置，所述装置还包含：荧光发射波长不同于所述主要荧光核对比剂的荧光发射波长的辅助荧光对比剂，其中所述辅助荧光对比剂对选自细胞质、基质、胶原...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·G·藤本，M·G·贾科梅利，吉竹忠行，L·C·卡希尔，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US