自动辨别微粒的衍射图像测量分析系统及方法技术方案

一种自动辨别微粒的衍射图像测量分析系统及方法，系统有由流动微粒组成的样品流，与样品流相交的相干激发光束，具有第一中心散射角度的相干散射光束的第一散射光接受物镜部分、第一分光及滤波部分、第一成像测量及数据输出部分、图像处理电路及计算机部分以及与图像处理电路及计算机部分相连的显示部分；方法是获得相应的可调波长及偏振衍射图像数据；存储数据；进行图像空间坐标变换；进行特征甄别并选取特征区域；选取衍射图像模式特征；确定所测量微粒在衍射图像特征参数矢量样本空间的位置；确定所测量微粒在衍射图像特征参数矢量样本空间的位置。本发明专利技术具有可根据微粒内部三维结构特征快速分析辨别大量微粒以及无需对微粒染色的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种衍射图像测量分析系统及方法。特别是涉及一种测量由微粒相干 散射光形成的波长及偏振可调的衍射图像信号，计算提取其与微粒内部三维结构特征高度 相关的图像特征，可自动快速准确分析辩别微粒的自动辨别微粒的衍射图像测量分析系统 及方法。
技术介绍
在细胞生物学研究，生物技术研究，药物研发，环境污染监测，大气科学等许多领 域内研究人员需要可快速准确分析辨别大量线性尺度为一微米至数百微米的单个微粒的 方法及仪器系统。很多情况下，包括以细胞为代表的生物微粒在内的微粒之功能或其对与 外界的相互作用常常与其三维结构形态紧密关联。因此通过对比微粒三维结构形态的特征 与差异是分析辨别微粒的最佳方法之一。例如光学显微镜是人类用于观察微粒结构形态最 早也是目前最常用的仪器之一。但由于下述原因，使用光学显微镜分析辨别微粒的方法具 有局限性，很难用于对包含大量微粒的微粒群落进行快速分析辨别。第一，常用的光学显微 镜(如荧光显微镜，明视场或暗视场显微镜等)是基于非相干成像原理设计的，其图像是通 过对微粒三维结构的二维投影而形成，利用这种图像所测的微粒结构特征为结构二维投影 特征，无法真实反映微粒的三维结构形态与特征。第二，由于显微图像是对微粒三维结构 的二维投影，据此图像分析辨别微粒通常需要非常复杂的图像分析方法，在分析具有复杂 三维结构形态的细胞时更是如此，一般需要人工分析，因而基于光学显微镜的图像分析方 法很难自动化，而且相关的光学显微镜操作与图像测量也需人工操作，费时，易产生误差且 分析速度极低。第三，包括细胞在内的许多微粒在可见光及近红外光波长范围内不含特征 吸收或可发荧光的分子，因此必须在染色后才能在光学显微镜下观察其结构形态，染色往 往需要昂贵的试剂和复杂费时的工序，并有可能对所观察的生物微粒如细胞等产生干扰效 应。近年来，光学显微镜技术取得了新进展，例如使用共聚焦技术，可获取多幅景深很短的 二维图像，通过二维图像叠加重建微粒的三维结构形态。共聚焦光学显微镜技术只解决了 上述第一个问题，但需要更长的时间，而其他问题依然未解决。在世纪六十年代以来对以细胞为代表的微粒在层流快速流动状态下进行光学测 量的研究基础之上，流式细胞仪成为一种集流体力学，激光技术，光电测量以及数据处理研 究成果之大成的可对大量单个细胞进行快速测量分析的仪器。流式细胞仪利用同心喷嘴和 液体压强差在样品室内形成由样品流和鞘流组成的层流。环包在样品流外的鞘流通过压强 差减小含有微粒的样品流直径，迫使微粒以单列方式流动通过激发光束，被激发光束照射 的微粒会产生与激发光波长相同的散射光，其强度随散射角度变化而变化。这种波长与激 发光波长相等的散射光也称为弹性散射光，是由于微粒内部的被激发光束电磁场感应而形 成的分子电偶极子产生的辐射。微粒内部的感应分子电偶极子浓度分布由其内部的光折射 率分布表达，因此微粒内部三维结构可通过其光折射率三维分布表达。如微粒内部的光折 射率三维分布不均勻或与其所悬浮的载体材料光折射率不同，散射光即存在，并且通常是5微粒被光照的条件下所产生的各种光信号中最强的信号。被激发光束照射的微粒如含有荧 光分子还会产生其波长大于激发光波长的荧光，荧光是由于微粒内部的荧光分子被激发后 产生的辐射光。许多包括细胞在内的微粒不含或含有很少的荧光分子，所以这些微粒只有 在染色后才可产生足够强度荧光信号。流式细胞仪通过测量染色后微粒产生的荧光以及散 射光信号，可对微粒进行快速分析辨别，其处理速度可达每秒数千个微粒。与光学显微分析 方法相比，在分析包含大量微粒的群落及统计分布有其独特的优势。自上世纪八十年代以 来，流式细胞仪在细胞生物学研究，污染监测和其他领域领域内得到广泛应用。目前流式细胞仪产品可按其光学信号测量方式分为角度积分型与非相干图像型 两种，绝大多数现有流式细胞仪为角度积分型。在这种流式细胞仪中，流动微粒在入射光束 照射下产生的散射光信号和荧光信号由不同的单体光电传感器(如光电二极管，光电倍增 管等)接受而产生相应的输出电信号。单体传感器为只输出1个电信号的传感器，其信号强 度正比于散射光或荧光信号强度在传感器面积相对于光源所形成的立体角度内的积分值， 简称为散射光或荧光信号。荧光信号与微粒内部包含的特定分子(如细胞中的可与荧光分 子结合的某种蛋白质分子)存在与否以及数量有关，而角度积分后的散射光信号则只与微 粒体积和内部光折射率均勻度即颗粒度有关，与光折射率分布不同，颗粒度为光折射率分 布的角度积分值。将散射光和荧光信号结合，通过计算机进行数据分析，可对包含大量微粒 的群落进行自动分析辨别，达到将群落中的微粒进行快速种类区分的目的。目前角度积分 型流式细胞仪通常可测量2到10个荧光信号以及2个散射光信号。荧光信号不包含结构 信息，虽然2个散射光信号(前向与侧向散射光信号)可提供体积和内部颗粒度的信息，但 其结构信息含量极其有限，因而角度积分型流式细胞仪主要依靠荧光信号对微粒进行快速 分析辨别。近年来图像测量技术开始在流式细胞仪得到应用，形成非相干图像型流式细胞 仪。这种流式细胞仪基于传统的光学显微镜方法，利用如电荷耦合器件(CCD)相机等图像 传感器测量非相干光信号在空间的角度分布，可输出荧光，明视场和暗视场等图像数据，但 各种图像均为微粒三维结构的二维投影。与角度积分型流式细胞仪相比，非相干图像型流 式细胞仪可对每个流动微粒测量并输出多幅图像，其包含的结构信息显然大为增加，因此 可对微粒结构进行更细致的分析。但与传统的光学显微镜方法相同，利用非相干光信号成 像的图像型流式细胞仪具有类似的局限性，如无法根据微粒三维结构位形态特征分析辨别 微粒，需要对微粒染色才能获得荧光图像等。更为重要的是，由于二维投影图像与三维结 构之间的关系非常复杂，通常需要人工分析，因此很难实现通过计算机软件对包含大量微 粒的群落进行自动图像数据分析，无法达到将群落中的微粒进行快速种类区分的目的。由 于图像信号型流式细胞仪可以每秒测量几百至上千个微粒，其图像信号数据总量非常大， 如无法实现自动图像信号分析，其应用受到极大的限制。如前所述，在激发光束照射下的微粒会产生散射光，其波长与激发光波长相同。如 果激发光束为一具有高度相干性的光束，在波长相等的条件下散射光也具有高度相干性。 含有荧光分子的微粒也会同时产生荧光，其波长与激发光束波长不同，不具有相干性。如使 用具有高度相干性的激光束作为激发光束，微粒内部的感应分子电偶极子产生的具有高度 相干性的散射光电磁场会在空间内形成由于相位差造成的光强度随角度变化的衍射分布， 相干散射光的衍射分布及偏振态由激发光束波长与偏振态以及微粒内部的光折射率与其6悬浮介质折射率差的三维分布决定，因此相干散射光强的衍射分布及偏振态与微粒内部三 维结构形态高度相关，也与激发光束波长及偏振态有关。利用图像传感器测量相干散射光 的衍射分布即为衍射图像。通过多幅衍射图像计算分析微粒三维结构特征，可获得微粒三 维结构形态或相关之信息。这种方法的最早应用为可见光波长范围内的激光全息成像技术 以及在X光波长范围内推算生物大分子三维结构的X射线衍射技术。一般情况下，推算微 粒三维结构需要在不同激发光束入射角度下获得足够多幅(5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动辨别微粒的衍射图像测量分析系统，包括有由流动微粒（１）组成的样品流（２），其特征在于，还设置有与样品流（２）相交的相干激发光束（３），测量被相干激发光束（３）所激发的微粒射出的具有第一中心散射角度（２３）的相干散射光束（４）的第一散射光接受物镜部分（Ａ），第一分光及滤波部分（Ｂ），第一成像测量及数据输出部分（Ｃ），图像处理电路及计算机部分（Ｄ）以及与图像处理电路及计算机部分（Ｄ）相连的显示部分；其中，所述的第一分光及滤波部分（Ｂ）用于对所接收的微粒发射的散射光进行分光和滤波；所述的第一成像测量及数据输出部分（Ｃ）用于对分光和滤波后的散射光进行成像测量及数据输出，从而获得由相干散射光束（４）形成的衍射图像；所述的图像处理电路及计算机部分（Ｄ）用于接收数据输出部分（Ｃ）的输出信息，提取不同波长及偏振衍射图像数据特征并计算、分析和辨别。所述的显示部分是将计算、分析和辨别结果的统计数据进行显示。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董珂，胡新华，
申请(专利权)人：董珂，胡新华，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]