测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统技术方案

一种测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，有测量样品流中运动微粒产生的相干散射光空间分布的衍射成像装置；测量运动微粒速度的测速装置；与测量运动微粒速度的测速装置相连，自动产生测速电脉冲序列信号的测速脉冲装置；与测速脉冲装置相连，产生同步触发时钟信号的同步触发脉冲装置；与同步触发脉冲装置相连，获得衍射图像的时间延迟积分图像传感器；与行像素图像信号读出装置相连，将数字衍射图像信号传输至图像处理存储装置的图像信号处理传输装置。本发明专利技术能够消除在曝光时间内的衍射图像模糊，延长有效曝光时间，获得与微粒三维结构高度相关的具有较高对比度的衍射图像数据。提高由微粒相干散射光空间分布形成的衍射图像信噪比和对比度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种时间延迟积分成像系统。特别是涉及一种可消除由于被测微粒运动造成的衍射图像模糊，从而提高由微粒相干散射光形成的衍射图像信噪比和对比度的测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统。
技术介绍
微粒群落通常含有大量线性尺度为0. 1微米至数百微米的微粒。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微粒群落中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。因此观察测量微粒三维结构形态并对比其特征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，利用这种图像所测量得到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，由于显微图像为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过程，在分析具有复杂三维结构形态的细胞时更是如此，一般需要人工操作，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。但共聚焦光学显微镜技术只解决了上述第一个问题，且需要更长的时间， 其他问题依然未解决。上世纪六十年代以来对以细胞为代表的微粒在携载流体层流内快速流动状态下进行了深入的光学测量研究。在这些研究基础之上，形成了流式细胞仪技术，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流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，迫使所携载的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荧光，是由于微粒内部的荧光分子被激发后产生的辐射光，其波长一般大于激发光波长。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。 目前流式细胞仪技术主要通过测量染色后微粒产生的荧光信号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。在分析包含大量微粒的群落时，流式细胞仪方法可做单微粒分析，其速度远大于光学显微分析方法，因此在获得具有统计意义的数据方面有其独特的优势。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，无法反映微粒内部光折射率的三维分布。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中得到应用，已经出现了非相干成像型流式细胞仪产品。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) 相机类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，但这些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运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。但非相干光信号成像型流式细胞仪具有与传统的光学显微镜方法类似的局限性，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，因此无法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，也无法达到将群落中的微粒进行快速分类的目的。由于非相干成像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，由于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波长与激发光波长相同的散射光。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，即使在激发光束具有高度相关性的条件下也不具有相干性。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，可重建微粒三维结构形态或获得相关信息。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光波长范围内推算重建生物大分子三维结构的X射线衍射技术。一般情况下，重建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(本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种测量运动粒子衍射图像的时间延迟积分成像系统，包括有用于测量样品流（２）中运动微粒（１）产生的相干散射光空间分布的衍射成像装置，其特征在于，还包括有：测量运动微粒速度的测速装置，用于产生样品流（２）中运动微粒（１）的两路或多路测速电脉冲信号；测速脉冲装置（９），与测量运动微粒速度的测速装置相连，根据运动微粒两路以上测速电脉冲信号自动产生测速电脉冲序列信号；同步触发脉冲装置（１１），与测速脉冲装置（９）相连，根据测速电脉冲序列信号产生同步触发时钟信号，该信号包括测量运动微粒产生的相干散射光空间分布所需的触发时间和利用时间延迟积分方法所需的确定行像素转移速率的重复频率；时间延迟积分图像传感器（２３），与同步触发脉冲装置（１１）相连，根据同步触发脉冲装置（１１）发出的同步触发时钟信号的触发时间和重复频率，测量通过成像装置（２２）采集的相干散射光空间分布而获得衍射图像，该衍射图像的行像素信号输出至行像素图像信号读出装置（２５），该行像素图像信号读出装置（２５）将模拟行像素图像信号转换为数字行像素图像信号；图像信号处理传输装置（２７），与行像素图像信号读出装置（２５）相连，用于将所获得的数字衍射图像信号传输至图像处理存储装置（２９）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡新华，冯远明，马玉祥，徐寿岩，
申请(专利权)人：天津炜辐医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：12