一种基于单相机双模态成像的免标记流式检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于单相机明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置及方法，光束发生单元，生成明场光束和激光光束，并将两者整合为混合光束，以激发样品悬液；样本控制单元，固定承载样品悬液的鞘流器组件，并带动其三轴可移动，调整样品悬液的成像区域；图像采集单元，包括两个采集通道，不同的采集通道分别用于获取明场信号和二维光散射信号，且两种信号通过光路设计和刀锋直角棱镜合并为双模态信号，由单相机记录双模态明场散射信号；成像分析单元，对捕获的双模态明场散射信号进行图像预处理、提取图像特征参数和分类。本发明专利技术同时获取样本的明场图样和二维光散射图样，并应用于单个微颗粒的尺寸鉴定及细胞亚型的无标记检测分类。型的无标记检测分类。型的无标记检测分类。

A label free flow detection device and method based on single camera dual-mode imaging

【技术实现步骤摘要】
一种基于单相机双模态成像的免标记流式检测装置及方法


[0001]本专利技术属于细胞检测与分析
，具体涉及一种基于单相机明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]临床上对细胞的检测分类主要依赖于流式细胞仪。流式细胞术可以测量流体中单个细胞或颗粒的理化性质，通常具有高通量和多参数等特点，该技术可以获取细胞大小、DNA含量、蛋白质和抗原表达等信息，在生物学中具有重要应用。传统流式细胞仪通常需要使用各种荧光染料对细胞进行复杂的染色标记，染色过程繁琐复杂且外力操作会对细胞的结构和功能产生一定的损害，此外荧光信号较弱，测量光路相对复杂，仪器设施较为昂贵。
[0004]与单细胞荧光测量相比，无标记光散射是一种快速、非侵入性、高灵敏度和实时监测的技术方法。各种光散射研究表明，细胞和细胞核的体积与前向散射(FSC)有关，而细胞的内部结构和细胞器的分布在侧向散射(SSC)中起着更重要的作用。传统流式细胞仪通过探测颗粒一维FSC光散射信号，可实现对颗粒的尺寸鉴别，但这种根据光强度的相对大小实现对尺寸的测量往往依赖于激发光源的稳定性、检测器灵敏度和信号转换器的高性能。考虑到细胞内部结构的复杂性，仅获得一维光散射可能会丢失细胞信息。而二维光散射测量方法沿着极角和方位角的光散射信号可以获得更多有关细胞内部结构的信息。在2007年，苏等人报道一种基于孔径的方法可以在微流体通道中流动的单个细胞中获得二维光散射信号。该方法进一步发展为基于显微镜的无标记细胞计数法，用于分析宫颈癌细胞、白血病细胞和卵巢癌细胞。
[0005]虽然二维光散射信号包含更多有关细胞结构的信息，但很难在光散射模式和细胞内部结构之间建立准确的分析模型，而之前的细胞二维光散射流式研究并不能同时提供传统意义上的细胞图像。开发基于单相机成像流式细胞仪以同时获得单细胞的二维光散射模态和明场模态来对细胞进行多模态分析是非常有意义的。商业成像流式细胞仪利用落射荧光激发方案和时间延迟积分(TDI)相机提供多路复用成像以在单探测器上同时获得单个细胞的明场和荧光成像，可以同时对样品进行多模态性检测以提高分析能力。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于单相机明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置及方法，本专利技术通过光路结构设计将单个颗粒或细胞的两种不同信号同时汇聚到一个相机芯片中，同时获取样本的明场图样和二维光散射图样，并应用于单个微颗粒的尺寸鉴定及细胞亚型的无标记检测分类。
[0007]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于单相机明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置，包括：
[0009]光束发生单元，用于生成明场光束和激光光束，并将两者整合为混合光束，以激发样品悬液；
[0010]样本控制单元，用于固定承载样品悬液的鞘流器组件，并带动其三轴可移动，以调整样品悬液的成像区域；
[0011]图像采集单元，包括两个采集通道，不同的采集通道分别用于获取明场信号和二维光散射信号，且两种信号通过刀锋直角棱镜合并为双模态信号，同时汇聚到单个探测器上，实现单相机明场图像和二维光散射图像的同时一一对应获取；
[0012]成像分析单元，用于对捕获的双模态明场散射信号进行图像预处理、提取图像特征参数和分类。
[0013]作为可选择的实施方式，所述光束发生单元，包括白光光源、激光光源、反射镜片、第一二向色镜和第一物镜，激光光源用于发射激光光束，反射镜用于调整所述激光光束的传播方向以投射到第一二向色镜上，白光光源用于向第一二向色镜发射明场光束，第一二向色镜用于对激光光束反射，并对明场光束过滤，以混合为一束混合光束，第一物镜用于将混合光束调制汇聚为点状激发照明光束。
[0014]作为进一步的限定，所述第一二向色镜为短通二向色镜。
[0015]作为可选择的实施方式，所述样本控制单元包括用于固定鞘流器组件的固定机构，以及带动所述固定机构三轴可移动的三轴位移台。
[0016]作为可选择的实施方式，所述图像采集单元包括第一采集通道(即明场采集通道)、第二采集通道(二维光散射采集通道)、刀锋直角棱镜和探测器，所述第一采集通道和第二采集通道垂直设置，两个采集通道的信号均投射至刀锋直角棱镜上，刀锋直角棱镜用于将两个采集通道的信号合并为双模态明场散射信号，并投射到所述单相机上。实现一个相机芯片一边(左边)成像聚焦明场信号，另一边(右边)成像对应的去焦二维光散射信号。
[0017]作为进一步的限定，所述第一采集通道包括第二物镜、带通滤光片和第一反射镜，其中，所述第二物镜、带通滤光片和样本控制单元在同一光路上，且该光路与混合光束传播路径相同。
[0018]作为进一步的限定，所述第二采集通道包括依次布设的第三物镜、第二二向色镜和第二反射镜，且第二采集通道与混合光束传播路径垂直。
[0019]作为更进一步的限定，所述第二二向色镜为长通二向色镜。
[0020]作为进一步的限定，所述相机为单个CMOS相机。
[0021]作为可选择的实施方式，所述成像分析单元包括图像预处理模块、特征参数提取模块和支持向量机自动分类模块，其中：
[0022]所述图像预处理模块，被配置为对采集的双模态明场散射信号进行去噪、筛选、裁剪和调整处理，分为对应的明场通道数据集和散射通道数据集；
[0023]所述特征参数提取模块，被配置为利用梯度向量直方图算法提取各数据集的图像特征参数；
[0024]所述支持向量机自动分类模块，被配置为利用训练后的支持向量机模型进行样本自动分类。
[0025]基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：
[0026]启动光束发生单元，生成明场光束和激光光束，并使两者最终的传播路径重合，整
合为混合光束，以激发样品悬液；
[0027]设置两个采集通道的位置，调整鞘流器组件的位置，使样品悬液移动至明场采集物镜和散射采集物镜中心成像区域；
[0028]调整两个采集通道的位置，使明场信号采集通道聚焦采集样品悬液的明场信号，调整二维光散射信号采集通道在去焦模式下采集相应角度范围内的散射光，使明场信号和二维光散射信号能够合并为双模态信号；
[0029]确定鞘液和样本液的速度，在稳定状态下，利用单相机同时记录双模态明场散射信号，成像分析单元对捕获的双模态明场散射信号进行图像预处理、提取图像特征参数和分类。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0031]传统方法上利用显微镜切换相应镜片来获取细胞的不同模态信号，本专利技术利用直角棱镜和不同镜片的独特设计组合将不同信号同时汇聚到单一探测器上，可以同时获取样本的明场和散射双模态信号，光路设计简单新颖，操作方便。
[0032]本专利技术采用探测侧向二维光散射图样实现颗粒亚微米水平的尺度差异的灵敏检测，比传统流式细胞仪中根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单相机明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置，其特征是：包括：光束发生单元，利用第一二向色镜将来自于激光器和明场光源的光束整合为明场激光混合光束，以激发样品悬液；样本控制单元，用于固定承载样品悬液的鞘流器组件，并带动其三轴可移动，以调整样品悬液的成像区域；图像采集单元，包括两个采集通道，不同的采集通道分别用于获取明场信号和二维光散射信号，且两种信号通过简单新颖的光路设计，通过刀锋直角棱镜合并为双模态信号后同时汇聚到单个相机上，实现单探测器明场图像和二维光散射图像的同时一一对应获取；成像分析单元，用于对捕获的双模态明场散射信号进行图像预处理、提取图像特征参数和分类。2.如权利要求1所述的一种明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置，其特征是：所述光束发生单元，包括白光光源、激光光源、反射镜片、第一二向色镜和第一物镜，激光光源用于发射激光光束，反射镜用于调整所述激光光束的传播方向以投射到第一二向色镜上，白光光源用于向第一二向色镜发射明场光束，第一二向色镜用于对激光光束反射，并对明场光束过滤，以混合为一束混合光束，第一物镜用于将混合光束调制汇聚为点状激发照明光束。3.如权利要求2所述的一种基于单相机明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置，其特征是：所述第一二向色镜为短通二向色镜。4.如权利要求1所述的一种基于单相机明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置，其特征是：所述图像采集单元包括第一采集通道、第二采集通道、直角棱镜和探测器，所述第一采集通道和第二采集通道垂直设置，两个采集通道的信号利用反射镜调整方向后均投射至刀锋直角棱镜上，刀锋直角棱镜将来自于两个采集通道的信号合并为双模态明场散射信号后同时投射到单个CMOS相机芯片上。5.如权利要求4所述的一种基于单相机明场和散射双模态成像的免标记流式细胞检测装置，其特征是：所述第一采集通道包括第二物镜、带通滤光片和第一反射镜，其中，所述第二物镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏绚涛，王志文，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：