專利名稱：測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時間延遲積分成像系統(tǒng)。特別是涉及一種可消除由于被測微粒運動造成的衍射圖像模糊，從而提高由微粒相干散射光形成的衍射圖像信噪比和對比度的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微粒群落通常含有大量線性尺度為0. 1微米至數(shù)百微米的微粒。在細胞生物學研究，生物技術(shù)研究，藥物研發(fā)，環(huán)境污染監(jiān)測，大氣科學等許多領(lǐng)域內(nèi)研究人員需要可快速準確分析辨別微粒群落中單個微粒的方法及儀器系統(tǒng)。很多情況下，包括以細胞為代表的生物微粒在內(nèi)的微粒之功能或其對與外界的相互作用常常與其三維結(jié)構(gòu)形態(tài)緊密關(guān)聯(lián)。因此觀察測量微粒三維結(jié)構(gòu)形態(tài)并對比其特征差異是分析辨別微粒的最佳方法之一。例如光學顯微鏡是人類用于觀察微粒結(jié)構(gòu)形態(tài)最早也是目前最常用的儀器之一。但由于下述原因，使用光學顯微鏡分析辨別微粒的方法具有局限性，很難用于對包含大量微粒的微粒群落進行快速分析辨別。第一，常用的光學顯微鏡(如熒光顯微鏡，明視場或暗視場顯微鏡等)是基于非相干成像原理設計的，其圖像是通過對微粒三維結(jié)構(gòu)的二維投影而形成，利用這種圖像所測量得到的微粒結(jié)構(gòu)特征為結(jié)構(gòu)二維投影特征，無法真實反映微粒的三維結(jié)構(gòu)形態(tài)與特征。第二，由于顯微圖像為微粒三維結(jié)構(gòu)的二維投影，據(jù)此圖像分析辨別微粒通常需要非常復雜的圖像分析過程，在分析具有復雜三維結(jié)構(gòu)形態(tài)的細胞時更是如此，一般需要人工操作，因而基于光學顯微鏡的圖像分析方法很難自動化，而且相關(guān)的光學顯微鏡操作與圖像測量也需人工操作，費時，易產(chǎn)生誤差且分析速度極低。第三，包括細胞在內(nèi)的許多微粒在可見光及近紅外光波長范圍內(nèi)不含特征吸收或可發(fā)熒光的分子，因此必須在染色后才能在光學顯微鏡下觀察其結(jié)構(gòu)形態(tài)，染色往往需要昂貴的試劑和復雜費時的工序， 并有可能對所觀察的生物微粒如細胞等產(chǎn)生干擾效應。近年來，光學顯微鏡技術(shù)取得了新進展，例如使用共聚焦技術(shù)，可獲取多幅景深很短的二維圖像，通過二維圖像疊加重建微粒的三維結(jié)構(gòu)形態(tài)。但共聚焦光學顯微鏡技術(shù)只解決了上述第一個問題，且需要更長的時間， 其他問題依然未解決。上世紀六十年代以來對以細胞為代表的微粒在攜載流體層流內(nèi)快速流動狀態(tài)下進行了深入的光學測量研究。在這些研究基礎(chǔ)之上，形成了流式細胞儀技術(shù)，為一種集流體力學，激光技術(shù)，光電測量以及數(shù)據(jù)處理研究成果之大的可對大量單個細胞進行快速測量分析的儀器。流式細胞儀利用同心噴嘴和流體壓強差在樣品室內(nèi)形成由樣品流和鞘流組成的層流。環(huán)包在樣品流外的鞘流通過壓強差減小含有微粒的樣品流直徑，迫使所攜載的微粒以單列方式流動通過激發(fā)光束，被激發(fā)光束照射的微粒會產(chǎn)生與激發(fā)光波長相同的散射光，其強度隨散射角度變化而變化。這種波長與激發(fā)光波長相等的散射光也稱為彈性散射光，是由于微粒內(nèi)部的被激發(fā)光束電磁場感應而形成的分子電偶極子產(chǎn)生的輻射。微粒內(nèi)部的感應分子電偶極子濃度分布由其內(nèi)部的光折射率分布表達，因此微粒內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)可通過其光折射率三維分布表達。如微粒內(nèi)部的光折射率三維分布不均勻或與其所懸浮的載體材料光折射率不同，散射光即存在，并且通常是微粒被光照的條件下所產(chǎn)生的各種光信號中最強的信號。被激發(fā)光束照射的微粒如含有熒光分子還會產(chǎn)生熒光，是由于微粒內(nèi)部的熒光分子被激發(fā)后產(chǎn)生的輻射光，其波長一般大于激發(fā)光波長。許多包括細胞在內(nèi)的微粒不含或含有很少的熒光分子，所以這些微粒只有在染色后才可產(chǎn)生足夠強度熒光信號。 目前流式細胞儀技術(shù)主要通過測量染色后微粒產(chǎn)生的熒光信號對微粒進行快速分析辨別， 其處理速度可達每秒數(shù)千個微粒。在分析包含大量微粒的群落時，流式細胞儀方法可做單微粒分析，其速度遠大于光學顯微分析方法，因此在獲得具有統(tǒng)計意義的數(shù)據(jù)方面有其獨特的優(yōu)勢。自上世紀八十年代以來，流式細胞儀在細胞生物學研究，污染監(jiān)測和其他領(lǐng)域領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應用。目前流式細胞儀產(chǎn)品可按其光學信號測量方式分為角度積分型與非相干圖像型兩種。絕大多數(shù)現(xiàn)有流式細胞儀為角度積分型，在這種流式細胞儀中，流動微粒在入射光束照射下產(chǎn)生的散射光信號和熒光信號由不同的單體光電傳感器(如光電二極管，光電倍增管等)接受而產(chǎn)生相應的輸出電信號。單體傳感器為只輸出1個電信號的傳感器，其信號強度正比于散射光或熒光信號強度在傳感器面積相對于光源所形成的立體角度內(nèi)的積分值， 簡稱為散射光或熒光信號。熒光信號與微粒內(nèi)部包含的特定分子(如細胞中的可與熒光分子結(jié)合的某種蛋白質(zhì)分子)存在與否以及數(shù)量有關(guān)，而角度積分后的散射光信號則只與微粒體積和內(nèi)部光折射率均勻度即顆粒度有關(guān)，無法反映微粒內(nèi)部光折射率的三維分布。將散射光和熒光信號結(jié)合，通過計算機進行數(shù)據(jù)分析，可對包含大量微粒的群落進行自動分析辨別，達到將群落中的微粒進行快速種類區(qū)分的目的。目前角度積分型流式細胞儀通?？蓽y量2到10個熒光信號以及2個散射光信號。熒光信號不包含結(jié)構(gòu)信息，雖然2個散射光信號(前向與側(cè)向散射光信號)可提供體積和內(nèi)部顆粒度的信息，但其結(jié)構(gòu)信息含量極其有限，因而角度積分型流式細胞儀主要依靠熒光信號對微粒進行快速分析辨別。近年來圖像測量技術(shù)開始在流式細胞儀中得到應用，已經(jīng)出現(xiàn)了非相干成像型流式細胞儀產(chǎn)品。這種流式細胞儀基于傳統(tǒng)的光學顯微鏡方法，利用如電荷耦合器件(CCD) 相機類圖像傳感器測量非相干光信號在空間的角度分布，可輸出熒光，明視場和暗視場等圖像數(shù)據(jù)，但這些圖像均為微粒三維結(jié)構(gòu)的二維投影。與角度積分型流式細胞儀相比，非相干圖像型流式細胞儀可對每個運動微粒測量并輸出多幅圖像，其包含的結(jié)構(gòu)信息顯然大為增加，因此可對微粒結(jié)構(gòu)進行更細致的分析。但非相干光信號成像型流式細胞儀具有與傳統(tǒng)的光學顯微鏡方法類似的局限性，如無法根據(jù)微粒三維結(jié)構(gòu)位形態(tài)特征分析辨別微粒， 需要對微粒染色才能獲得熒光圖像等。更為重要的是，由于二維投影圖像與三維結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常復雜，通常需要人工分析，因此無法實現(xiàn)通過計算機軟件對包含大量微粒的群落進行自動圖像數(shù)據(jù)分析，也無法達到將群落中的微粒進行快速分類的目的。由于非相干成像型流式細胞儀可以每秒測量幾百至上千個微粒，其圖像信號數(shù)據(jù)總量非常大，由于無法實現(xiàn)自動圖像信號分析，其應用受到極大的限制。如前所述，在激發(fā)光束照射下的微粒會產(chǎn)生波長與激發(fā)光波長相同的散射光。如果激發(fā)光束為一具有高度相干性的光束，在波長相等的條件下散射光也具有高度相干性。 含有熒光分子的微粒也會同時產(chǎn)生熒光，其波長與激發(fā)光束波長不同，即使在激發(fā)光束具有高度相關(guān)性的條件下也不具有相干性。如使用具有高度相干性的激光束作為激發(fā)光束， 微粒內(nèi)部的感應分子電偶極子產(chǎn)生的具有高度相干性的散射光電磁場會在空間內(nèi)形成由于相位差造成的光強度隨角度變化的衍射分布，相干散射光的衍射分布及偏振態(tài)由激發(fā)光束波長與偏振態(tài)以及微粒內(nèi)部的光折射率與其懸浮介質(zhì)折射率差的三維分布決定，因此相干散射光強的衍射分布及偏振態(tài)與微粒內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)形態(tài)高度相關(guān)，也與激發(fā)光束波長及偏振態(tài)有關(guān)。利用圖像傳感器測量相干散射光的衍射分布即為衍射圖像。通過多幅衍射圖像計算分析微粒三維結(jié)構(gòu)特征，可重建微粒三維結(jié)構(gòu)形態(tài)或獲得相關(guān)信息。這種方法的最早應用為可見光波長范圍內(nèi)的激光全息成像技術(shù)以及在X光波長范圍內(nèi)推算重建生物大分子三維結(jié)構(gòu)的X射線衍射技術(shù)。一般情況下，重建微粒三維結(jié)構(gòu)需要在不同激發(fā)光束入射角度下獲得足夠多幅(5至10幅或更多)衍射圖像后再做復雜的三維結(jié)構(gòu)重建計算。在細胞流式儀中由于微?？焖倭鲃?，很難同時得到足夠多幅不同角度的衍射圖像數(shù)據(jù)，即使能夠獲得足夠多幅的圖像，也不可能在數(shù)秒或更短時間內(nèi)完成三維結(jié)構(gòu)重建計算。此外微粒在層流流體攜載條件下流過入射光束時，其附近經(jīng)常會存在曲率半徑極小的光學界面， 包括鞘流與流體室材料如玻璃等的折射率不同造成的界面等。這些曲率半徑極小的光學界面通常會引起成為圖像噪音的散射光場，一般可大于或遠大于微粒所產(chǎn)生的衍射光強分布，使得所測量到的衍射圖像與微粒結(jié)構(gòu)有關(guān)的信號對比度很小。獲得高質(zhì)量的與微粒結(jié)構(gòu)有關(guān)的光學衍射圖像需要減小或消除由于這些光學界面所產(chǎn)生的圖像噪音，為一個很難解決的技術(shù)問題。此外如何利用所獲得的衍射圖像數(shù)據(jù)，得到與微粒三維結(jié)構(gòu)特征高度相關(guān)的信息并據(jù)此快速分析包含大量微粒的群落并分類，也是一個很難解決的問題。由于這些問題，盡管目前商用流式細胞儀大多使用激光束作為激發(fā)光束，但均無法通過測量與分析衍射圖像的方式辨別微粒。在角度積分型流式細胞儀中，其所測得的散射光信號為角度積分，因此由于散射光相干性造成的隨角度變化的衍射分布在經(jīng)過角度積分后的信號中基本消失，所得到的結(jié)構(gòu)特征只包括體積和內(nèi)部顆粒度類的簡單特征；而在非相干成像型流式細胞儀中，其熒光圖像由于熒光波長相對于激發(fā)光束波長的變化為非相干圖像，而明視場或暗視場圖像則一般是在非相干白光照射條件下獲得的，也屬于非相干圖像。
最近在對包括細胞在內(nèi)的微粒光散射的理論和實驗進行多年研究基礎(chǔ)之上， 一種新型衍射成像型流式細胞儀方法已經(jīng)公布，詳細討論可見參考文獻(例如X. H. Hu, K. M. Jacobs, J. Q. Lu,"Flow cytometer apparatus for three dimensional diffraction imaging and related methods”，PCT Application No. WO 2009/151610 by East Carolina University)。這種新型衍射成像型流式細胞儀提出了將層流控制在主要由液體形成的流體室內(nèi)流動的設計概念，使用如電荷耦合器件相機等圖像傳感器紀錄微粒所產(chǎn)生相干散射光的角度分布，可獲得高對比度的衍射圖像信號。實驗結(jié)果表明這種新型衍射成像信號型流式細胞儀可根據(jù)微粒衍射圖像信號分析辨別具有不同三維結(jié)構(gòu)的微粒，詳細討論可見參考文獻(例如 K. M. Jacobs，L. V. Yang，J. Ding，A. Ε. Ekpenyong, R. Castellone，J. Q. Lu， X. H. Hu, "Diffraction imaging of spheres and melanoma cells with a microscope objective，，，Journal of Biophotonics，vol. 2，pp. 521-527 (2009) ；K. Μ. Jacobs，J. Q. Lu， X. H. Hu,"Development of a diffraction imaging flow cytometer”，Optics Letters， vol.34, pp. ^85-2987 (2009))。通過基于經(jīng)典電動力學理論的微粒光散射模型和大規(guī)模數(shù)值計算，現(xiàn)已證明由衍射圖像型流式細胞儀所獲得的微粒二維衍射圖像與其三維結(jié)構(gòu)高度相關(guān)，可以從中提取許多與微粒三維結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的圖像特征，詳細討論可見參考文獻 (例如 J. Q. Lu，P. Yang, X. H. Hu，“Simulations of Light scattering from a biconcavered blood cell using the FDTD method”，Journal of Biomedical Optics，vol. 10， 024022 (2005) ；R. S. Brock，X. H. Hu，D. A. Weidner，J. R. Mourant, J. Q. Lu， “ Effect of detailed cell structure on light scattering distribution :FDTD study of a B-cell with 3D structure constructed from confocal images “ ， Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer，vol. 102，pp.25-36 (2006))。此夕卜， 最近已經(jīng)提出了通過測量多幅衍射圖像，分析其灰度關(guān)聯(lián)并提取與微粒三維結(jié)構(gòu)高度相關(guān)的圖像特征，從而快速準確分析辨別微粒的測量分析系統(tǒng)和方法，詳細討論可見參考文獻(董珂，胡新華“自動辨別微粒的衍射圖像測量分析系統(tǒng)及方法”，中國發(fā)明專利申請?zhí)?01010221714. 7)。與此相關(guān)的利用具有時間延遲積分功能的圖像傳感器測量運動微粒所產(chǎn)生的非相干圖像也已見報道，詳細討論可見參考文獻(E.K. Zuba-Surma, M. Kucia, W. Wu, I.Klich, J. W. Lillard, Jr. , J. Ratajczak, and Μ. Ζ. Ratajczak, " Very small embryonic-like stem cells are present in adult murine organs ImageStream-based morphological analysis and distribution studies, " Cytometry A, vol. 73A, PP. 1116-1127(2008))。但如何測量運動微粒所產(chǎn)生相干散射光形成的衍射圖像，同時消除圖像模糊和延長有效曝光時間以獲得具有高對比度的衍射圖像，尚無有效的測量系統(tǒng)與方法。光電圖像傳感器如電荷耦合器件(CCD)傳感器等由許多位于不同行和列的單個像素組成，每個像素在曝光時間內(nèi)接受到達所在位置上的入射子光束內(nèi)所含的光子后轉(zhuǎn)換為電荷信號，然后再將傳感器所有像素電荷信號逐行移動至讀出寄存器后輸出電流脈沖序列信號成為模擬圖像信號。圖像傳感器行電荷的移動輸出過程也稱為圖像讀出過程。在拍攝靜止物體時，普通電荷耦合器件傳感器在圖像讀出過程中一般會通過電學或機械遮光的方法避免移動中的像素在此段時間再將入射光束的光子轉(zhuǎn)換為電荷信號。否則輸出圖像信號會由于其中的像素電荷在移動過程中接受不同位置上的入射子光束光子轉(zhuǎn)換得到的部分電荷而造成圖像模糊。運動微粒在相干光激發(fā)條件下所產(chǎn)生的相干散射光在空間的分布會隨著微粒移動而移動，通過光學成像系統(tǒng)后的相干散射光空間分布也隨之移動。如果使用普通圖像傳感器時，相干散射光空間分布在曝光時間內(nèi)的移動會造成普通圖像傳感器同一像素在不同時間接受其空間分布內(nèi)來自于多個不同空間位置的子光束光子轉(zhuǎn)換得到的電荷，造成衍射圖像模糊和衍射圖像對比度下降。盡管可通過減小曝光時間降低相干散射光空間分布移動的影響和圖像模糊程度，但也會同時造成接受到的圖像信號光子數(shù)量減小，使得衍射圖信噪比或?qū)Ρ榷认陆怠?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種通過選擇特殊適當?shù)某上裎恢?、采用具有時間延遲積分功能的圖像傳感器及同步觸發(fā)和圖像信號讀出電路的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，包括有用于測量樣品流中運動微粒產(chǎn)生的相干散射光空間分布的衍射成像裝置，還包括有
測量運動微粒速度的測速裝置，用于產(chǎn)生樣品流中運動微粒的兩路或多路測速電脈沖信號；測速脈沖裝置，與測量運動微粒速度的測速裝置相連，根據(jù)運動微粒兩路以上測速電脈沖信號自動產(chǎn)生測速電脈沖序列信號；同步觸發(fā)脈沖裝置，與測速脈沖裝置相連，根據(jù)測速電脈沖序列信號產(chǎn)生同步觸發(fā)時鐘信號，該信號包括測量運動微粒產(chǎn)生的相干散射光空間分布所需的觸發(fā)時間和利用時間延遲積分方法所需的確定行像素轉(zhuǎn)移速率的重復頻率；時間延遲積分圖像傳感器，與同步觸發(fā)脈沖裝置相連，根據(jù)同步觸發(fā)脈沖裝置發(fā)出的同步觸發(fā)時鐘信號的觸發(fā)時間和重復頻率，測量通過成像裝置采集的相干散射光空間分布而獲得衍射圖像，該衍射圖像的行像素信號輸出至行像素圖像信號讀出裝置，該行像素圖像信號讀出裝置將模擬行像素圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字行像素圖像信號；圖像信號處理傳輸裝置，與行像素圖像信號讀出裝置相連，用于將所獲得的數(shù)字衍射圖像信號傳輸至圖像處理存儲裝置。所述的測量運動微粒速度的測速裝置，采用通過樣品流的兩個或多個測速光束及相應的光傳感器或置于樣品流附近的兩個或多個測速電傳感器在運動微粒通過測速光束或測速電傳感器時產(chǎn)生兩個或多個測速電脈沖信號。所述的測速裝置包括有測速輸入光束，用于照射樣品流；分光器，位于樣品流遠離測速脈沖裝置的一側(cè)，使測速輸入光束被分為兩束或多束測速光束后再通過樣品流；第一測速光傳感器和第二測速光傳感器，并排位于樣品流另一側(cè)，輸入端分別接收樣品流內(nèi)運動微粒穿過相應測速光束時產(chǎn)生的散射光，輸出端分別與測速脈沖裝置相連將所產(chǎn)生的測速電脈沖信號，送至測速脈沖裝置。所述的測速裝置包括有分別對應的設置在樣品流兩側(cè)的第一測速電傳感器的兩個電極，以及分別對應的設置在樣品流兩側(cè)的第二測速電傳感器的兩個電極，用于獲得兩個測速電信號脈沖。所述的同步觸發(fā)脈沖裝置所產(chǎn)生的同步觸發(fā)時鐘信號由多組時鐘信號組成，所述多組時鐘信號中的行像素移動時鐘信號的時間間隔由所測相干散射光空間分布移動速度決定，所述多組時鐘信號中的行像素讀出時鐘信號的脈沖個數(shù)由時間延遲積分圖像傳感器的行像素個數(shù)決定。本發(fā)明的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，采用具有時間延遲積分功能的圖像傳感器及同步觸發(fā)和圖像信號讀出電路，在行像素電荷轉(zhuǎn)移讀出過程中允許像素在與運動微粒相干散射光同步運動的條件下繼續(xù)接受入射光子并將所轉(zhuǎn)化的電荷相加或積分，消除在曝光時間內(nèi)由于被測微粒運動造成的衍射圖像模糊，從而延長有效曝光時間，獲得與微粒三維結(jié)構(gòu)高度相關(guān)的并具有較高對比度的衍射圖像數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可消除由于被測微粒運動造成的衍射圖像模糊，從而提高由微粒相干散射光空間分布形成的衍射圖像信噪比和對比度。


圖1是基于光學測速原理的運動粒子衍射圖像的時間延遲積分測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是電學測速原理示意圖；圖3是測速脈沖裝置的原理示意圖；圖4是衍射圖像時間延遲積分測量原理的示意圖。其中1 運動微粒2 樣品流
3 測速輸入光束4 分光器
5 第一測速光束6 第二測速光束
7 第一測速光傳感器8 第二測速光傳感器
9 測速脈沖裝置10 測速電脈沖序列信號輸出線
11同步觸發(fā)脈沖裝置12:同步觸發(fā)時鐘信號輸出線
20相干激發(fā)光束21 相干散射光束
22成像裝置23 時間延遲積分圖像傳感器
24行像素圖像輸出線25 行像素圖像讀出裝置
26行像素圖像信號輸出線27 圖像信號處理傳輸裝置
28圖像數(shù)據(jù)輸出線29 圖像處理存儲裝置
31第一測速電傳感器32 第二測速電傳感器
33第一電脈沖信號整形器34 第二電脈沖信號整形器
35時鐘信號發(fā)生器40 :a散射子光束
41:b散射子光束42 讀出寄存器
Ql時的A行像素電荷Q2 :t2時的B行像素電荷
Q3:t2時的A行像素電荷Q4 :t3時的B行像素電荷
Q5:t3時的A行像素電荷
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)做出詳細說明。本發(fā)明的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，需要測量運動微粒在通過相干激發(fā)光束20之前的運動速度。測量運動微粒速度的一種實現(xiàn)方法可使用兩束通過樣品流的光束測量流動微粒的速度。兩束測速光束可來自于同一光束，也可用兩個光源各自產(chǎn)生。如圖1所示，本發(fā)明的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，包括有衍射成像裝置，用于測量樣品流2中運動微粒1在相干激發(fā)光束20激發(fā)下所產(chǎn)生的相干散射光空間分布的；測量運動微粒速度的測速裝置，用于產(chǎn)生樣品流2中運動微粒1的兩路或多路測速電脈沖信號，其起始時間可用于觸發(fā)圖像傳感器，其電脈沖信號之間的延遲時間與運動微粒速度成反比，因此可用于測量微粒速度；測速脈沖裝置9，通過導線與與測量運動微粒速度的測速裝置相連，根據(jù)運動微粒兩路以上測速電脈沖信號自動產(chǎn)生測速電脈沖序列信號；同步觸發(fā)脈沖裝置11，通過測速電脈沖序列信號輸出線10與測速脈沖裝置9相連，根據(jù)測速電脈沖序列信號產(chǎn)生同步觸發(fā)時鐘信號，該信號包括測量運動微粒產(chǎn)生的相干散射光空間分布所需的觸發(fā)時間和利用時間延遲積分方法所需的確定行像素轉(zhuǎn)移速率的重復頻率；可根據(jù)測速脈沖裝置9輸出的測速電脈沖信號之間的延遲時間決定時間延遲積分圖像傳感器所需的同步觸發(fā)時鐘信號的重復頻率，使得在同步觸發(fā)時鐘信號控制下的行像素電荷移動至位于傳感器輸出端的讀出寄存器的速度與相干散射光空間分布的移動速度相同；所述的同步觸發(fā)脈沖裝置11所產(chǎn)生的同步觸發(fā)時鐘信號由多組時鐘信號組成， 所述多組時鐘信號中的行像素移動時鐘信號的時間間隔由所測相干散射光空間分布移動速度決定，所述多組時鐘信號中的行像素讀出時鐘信號的脈沖個數(shù)由時間延遲積分圖像傳感器23每行內(nèi)的像素個數(shù)決定。時間延遲積分圖像傳感器23，通過同步觸發(fā)時鐘信號輸出線12與同步觸發(fā)脈沖裝置11相連，根據(jù)同步觸發(fā)脈沖裝置11產(chǎn)生的同步觸發(fā)時鐘信號的觸發(fā)時間和重復頻率， 測量通過成像裝置22采集的相干散射光空間分布，所形成的衍射圖像逐行移動至輸出端的讀出寄存器作為模擬行像素圖像信號輸入至行像素圖像信號讀出裝置25，該行像素圖像信號讀出裝置25可根據(jù)同步觸發(fā)時鐘信號將讀出寄存器輸出的行像素電荷模擬信號進行放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字行像素圖像信號輸出。行像素圖像信號讀出裝置25可由前置放大器(如 Analog Devices公司生產(chǎn)的ADA4841-1運算放大器)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(如Analog Devices 公司生產(chǎn)的AD9273-25)組成；圖像信號處理傳輸裝置27，通過行像素圖像信號輸出線沈與行像素圖像信號讀出裝置25相連，讀入存儲預定行數(shù)的行像素圖像信號，通過圖像數(shù)據(jù)輸出線觀將所組成的數(shù)字圖像信號按照所選擇的通訊協(xié)議傳輸至圖像處理存儲裝置29，圖像信號處理傳輸裝置 27的功能可由圖像接收板實現(xiàn)(如Active Silicon公司生產(chǎn)的AS-PHX-DMCL-PE1)。其中，所述的測量運動微粒速度的測速裝置，采用通過樣品流2的兩個或多個測速光束及相應的光傳感器或置于樣品流2附近的兩個或多個測速電傳感器在運動微粒通過測速光束或測速電傳感器時產(chǎn)生兩個或多個測速電脈沖信號。具體的，所述的測速裝置包括有測速輸入光束3，用于照射樣品流2中的運動微粒1 ；分光器4，位于樣品流2遠離測速脈沖裝置9的一側(cè)，使測速輸入光束3被分為兩束或多束測速光束后再通過樣品流2 ；第一測速光傳感器7和第二測速光傳感器8，并排位于樣品流2另一側(cè)，其輸入端分別接收樣品流2中運動微粒通過第一和第二測速光束時產(chǎn)生的散射光，其輸出端分別與測速脈沖裝置9相連將所產(chǎn)生的測速電脈沖信號，送至測速脈沖裝置9?；蛘呷鐖D2所示，所述的測速裝置包括有分別對應的設置在樣品流2兩側(cè)的第一測速電傳感器31的兩個電極，以及分別對應的設置在樣品流2兩側(cè)的第二測速電傳感器32 的兩個電極，用于獲得兩個測速電信號脈沖。所述的具有時間延遲積分功能的時間延遲積分圖像傳感器23為特殊設計的圖像傳感器(如Hamamatsu公司生產(chǎn)的型號為S10201-04的圖像傳感器)，其垂直于圖像讀出移動方向的行像素電荷可在輸入的同步觸發(fā)時鐘信號控制下在同一個方向上與運動微粒產(chǎn)生的相干散射光空間分布同步移動直至到達位于傳感器輸出端的讀出寄存器，行像素電荷在移動過程中可連續(xù)地接受由同步運動的相干散射光空間分布轉(zhuǎn)換得到的信號電荷，從而可同時消除微粒運動造成的圖像模糊并提高衍射圖像信噪比或?qū)Ρ榷取１景l(fā)明的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)的工作原理如下。如圖1所示，本發(fā)明的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，第一測速光束5和第二測速光束6即通過分光器4將測速輸入光束3分為兩束而獲得。隨樣品流 2移動的運動微粒1在經(jīng)過第一測速光束5和第二測速光束6時會產(chǎn)生各自的散射光脈沖， 由第一測速光傳感器7和第二測速光傳感器8分別轉(zhuǎn)換為測速電脈沖信號后輸出至測速脈沖裝置9。由于運動微粒通過第一測速光束5和第二測速光束6的時間不同，也即兩個測速電脈沖信號之間存在一與運動微粒流動速度成反比的延遲時間。測速脈沖裝置9可根據(jù)該延遲時間輸出一其重復頻率與其成反比的測速電脈沖序列信號，該測速電脈沖序列信號的起始時間由測速電脈沖信號起始時間決定，通過測速電脈沖序列信號輸出線10輸入至同步觸發(fā)脈沖裝置11。而同步觸發(fā)脈沖裝置11在收到測速電脈沖序列信號后，根據(jù)其起始時間與重復頻率產(chǎn)生多個同步觸發(fā)時鐘信號，其起始時間、脈沖個數(shù)和時間間隔分別由時間延遲積分圖像傳感器23的觸發(fā)時間、行圖像像素個數(shù)以及所測相干散射光空間分布移動速度決定。同步觸發(fā)脈沖裝置11可用現(xiàn)場可編程門陣列器件(如Altera公司生產(chǎn)的 Cyclone系列產(chǎn)品)實現(xiàn)上述功能。同步觸發(fā)時鐘信號經(jīng)同步觸發(fā)時鐘信號輸出線12輸出至時間延遲積分圖像傳感器23，對移動的相干散射光束21進行同步測量。測量運動微粒速度的另一種實現(xiàn)方法可基于電學測量原理。如圖2所示，即為使用兩或多對置于層流或樣品流兩邊的電傳感器電極測量運動微粒的速度。電學測速可通過不同方式實現(xiàn)，例如測量運動粒子在電傳感器電極之間通過時造成的直流阻抗變化或交流電導率變化所形成的測速電脈沖信號。由于運動粒子通過第一測速電傳感器31和第二測速電傳感器32的時間不同，所獲得兩個測速電脈沖信號之間存在與運動微粒流動速度成反比的時間延遲，在與起始時間一同輸出至測速脈沖裝置9后通過與圖1所述的相同方式產(chǎn)生用于對相干散射光束21進行同步測量的同步觸發(fā)時鐘信號。圖3所示為測速脈沖裝置9的一種實施方式。通過光傳感器7和8所獲得的測速電脈沖信號分別輸入至第一電脈沖信號整形器33與第二電脈沖信號整形器34。脈沖信號整形器可將測速電脈沖信號放大后變?yōu)闀r鐘信號發(fā)生器35所能接受的脈沖信號，可用差動電壓比較器(如iTexas Instruments公司生產(chǎn)的LM311)和其它元件實現(xiàn)這些功能。時鐘信號發(fā)生器35用于根據(jù)輸入的脈沖信號的起始時間和延遲時間產(chǎn)生測速電脈沖序列信號，通過測速電脈沖序列信號輸出線10傳送至同步觸發(fā)觸發(fā)裝置11。時鐘信號發(fā)生器35 可用單片微控制器(如Philips Semiconductors公司生產(chǎn)的P89V51RD2FA)實現(xiàn)此功能。圖4示意性地介紹了用于測量衍射圖像的時間延遲積分圖像傳感器23所涉及的時間延遲積分測量原理。與普通圖像傳感器不同，時間延遲積分圖像傳感器23允許像素在讀出移動過程中繼續(xù)接受通過成像系統(tǒng)后到達傳感器的相干散射光。當運動微粒1在、時間進入圖像傳感器視場時由于入射激光束激發(fā)而產(chǎn)生相干散射光，其空間分布在圖3中由 a散射子光束和b散射子光束示意性地代表，分別用實線40和41表示。其中的a散射子光束40在通過成像光學系統(tǒng)(圖4中未顯示)后到達圖像傳感器的頂部某一像素位置并在、時間轉(zhuǎn)換為A行對應像素電荷。運動微粒在時間為t2期間移動至新的位置，由圖3中的虛線和、標志顯示。在同步觸發(fā)時鐘信號的控制下，A行像素電荷也相應移動到新的位置，如圖3顯示的t2時的A行像素電荷。在與a散射子光束40同步移動過程中，A行對應像素接受同一 a散射子光束所含的光子并產(chǎn)生新的電荷，與已移動儲存至該像素位置內(nèi)的電荷連續(xù)相加也即對電荷“積分”。類似地，運動微粒產(chǎn)生的b散射子光束41在t2時進入視場后，對應的t2時的B行內(nèi)像素會在同步移動過程連續(xù)地接受同一 b散射子光束所含的光子并積分電荷。上述電荷積分過程在像素行到達位于時間延遲積分圖像傳感器23輸出端的讀出寄存器42時結(jié)束，所積分的電荷達到最大值，在圖3中由相應像素的灰度增加代表。 在同步移動條件下，每一像素所輸出的積分電荷完全來自于運動微粒在視場內(nèi)所產(chǎn)生的同一散射子光束的光子，因此不會造成由于接受來自于不同散射子光束的光子而形成的圖像模糊現(xiàn)象。此外由于時間延遲積分圖像傳感器23可在運動微粒在視場內(nèi)移動過程中連續(xù)曝光，其有效曝光時間可遠大于普通圖像傳感器，從而可提高衍射圖像的對比度或信噪比。
從下述例子可看出使用時間延遲積分圖像傳感器的益處。考慮一個移動速度ν為 20毫米/秒，直徑d為10微米的細胞。如果使用一個普通圖像傳感器，當曝光時間t選為 100微秒=0. 1毫秒時，細胞在曝光時間內(nèi)移動距離D為2微米，也即細胞的相對移動百分比為D/d = 20%。這樣大的相對移動會使得所測量到的衍射圖像產(chǎn)生相當大的模糊，造成圖像對比度下降，可能會影響根據(jù)圖像特征辨別細胞種類的能力。如采用具有1 行像素的時間延遲積分圖像傳感器，在行像素電荷移動速率與運動微粒通過成像系統(tǒng)后到達傳感器上的相干散射光空間分布同步移動的條件下，細胞的相對移動百分比為0，也即完全消除了相對運動造成的圖像模糊；而如果時間延遲積分圖像傳感器的1 行像素通過成像系統(tǒng)形成的在微粒移動方向上的視場距離L為100微米=0. 1毫米時，則微粒在通過距離L時所需的時間T為L/v = 0. 2/20 = 0. 01秒=10毫秒，由于時間延遲積分圖像傳感器可在微粒通過視場距離L時的全部時間內(nèi)保持曝光，所以時間延遲積分圖像傳感器所接受的散射光子數(shù)為上述普通圖像傳感器的100( = T/t)倍，因此可極大地提高所測量到的衍射圖像信噪比和對比度。
權(quán)利要求
1.一種測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，包括有用于測量樣品流(2) 中運動微粒(1)產(chǎn)生的相干散射光空間分布的衍射成像裝置，其特征在于，還包括有測量運動微粒速度的測速裝置，用于產(chǎn)生樣品流O)中運動微粒(1)的兩路或多路測速電脈沖信號；測速脈沖裝置(9)，與測量運動微粒速度的測速裝置相連，根據(jù)運動微粒兩路以上測速電脈沖信號自動產(chǎn)生測速電脈沖序列信號；同步觸發(fā)脈沖裝置(11)，與測速脈沖裝置(9)相連，根據(jù)測速電脈沖序列信號產(chǎn)生同步觸發(fā)時鐘信號，該信號包括測量運動微粒產(chǎn)生的相干散射光空間分布所需的觸發(fā)時間和利用時間延遲積分方法所需的確定行像素轉(zhuǎn)移速率的重復頻率；時間延遲積分圖像傳感器(23)，與同步觸發(fā)脈沖裝置(11)相連，根據(jù)同步觸發(fā)脈沖裝置(11)發(fā)出的同步觸發(fā)時鐘信號的觸發(fā)時間和重復頻率，測量通過成像裝置0 采集的相干散射光空間分布而獲得衍射圖像，該衍射圖像的行像素信號輸出至行像素圖像信號讀出裝置(25)，該行像素圖像信號讀出裝置0 將模擬行像素圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字行像素圖像信號；圖像信號處理傳輸裝置(27)，與行像素圖像信號讀出裝置0 相連，用于將所獲得的數(shù)字衍射圖像信號傳輸至圖像處理存儲裝置09)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的測量運動微粒速度的測速裝置，采用通過樣品流的兩個或多個測速光束及相應的光傳感器或置于樣品流附近的兩個或多個測速電傳感器在運動微粒通過測速光束或測速電傳感器時產(chǎn)生兩個或多個測速電脈沖信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的測速裝置包括有測速輸入光束(3)，用于照射樣品流；分光器G)，位于樣品流( 遠離測速脈沖裝置(9)的一側(cè)，使測速輸入光束C3)被分為兩束或多束測速光束后再通過樣品流；第一測速光傳感器(7)和第二測速光傳感器(8)，并排位于樣品流( 另一側(cè)，輸入端分別接收樣品流內(nèi)運動微粒穿過相應測速光束時產(chǎn)生的散射光，輸出端分別與測速脈沖裝置(9)相連將所產(chǎn)生的測速電脈沖信號，送至測速脈沖裝置(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的測速裝置包括有分別對應的設置在樣品流( 兩側(cè)的第一測速電傳感器(31) 的兩個電極，以及分別對應的設置在樣品流( 兩側(cè)的第二測速電傳感器(3 的兩個電極，用于獲得兩個測速電信號脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的同步觸發(fā)脈沖裝置(11)所產(chǎn)生的同步觸發(fā)時鐘信號由多組時鐘信號組成，所述多組時鐘信號中的行像素移動時鐘信號的時間間隔由所測相干散射光空間分布移動速度決定，所述多組時鐘信號中的行像素讀出時鐘信號的脈沖個數(shù)由時間延遲積分圖像傳感器 (23)的行像素個數(shù)決定。
全文摘要
一種測量運動粒子衍射圖像的時間延遲積分成像系統(tǒng)，有測量樣品流中運動微粒產(chǎn)生的相干散射光空間分布的衍射成像裝置；測量運動微粒速度的測速裝置；與測量運動微粒速度的測速裝置相連，自動產(chǎn)生測速電脈沖序列信號的測速脈沖裝置；與測速脈沖裝置相連，產(chǎn)生同步觸發(fā)時鐘信號的同步觸發(fā)脈沖裝置；與同步觸發(fā)脈沖裝置相連，獲得衍射圖像的時間延遲積分圖像傳感器；與行像素圖像信號讀出裝置相連，將數(shù)字衍射圖像信號傳輸至圖像處理存儲裝置的圖像信號處理傳輸裝置。本發(fā)明能夠消除在曝光時間內(nèi)的衍射圖像模糊，延長有效曝光時間，獲得與微粒三維結(jié)構(gòu)高度相關(guān)的具有較高對比度的衍射圖像數(shù)據(jù)。提高由微粒相干散射光空間分布形成的衍射圖像信噪比和對比度。
文檔編號G01N15/14GK102288530SQ20101061277
公開日2011年12月21日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者馮遠明, 徐壽巖, 胡新華, 馬玉祥 申請人:天津煒輻醫(yī)療科技有限公司