專利名稱：自動(dòng)檢測(cè)具有與疾病相關(guān)的核密度特征和細(xì)胞質(zhì)密度特征的細(xì)胞的光學(xué)投影成像系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及投影成像系統(tǒng)以及細(xì)胞分類法，尤其涉及采用投影成像的高通量流式自動(dòng)系統(tǒng)，例如流式光學(xué)X線斷層攝影(FOT)，其基于對(duì)與疾病有關(guān)的核密度特征和細(xì)胞質(zhì)密度特征(nucleardensitometric features(NDF)和(cytoplasmic densitometricCDF)的高定量測(cè)量，檢測(cè)異常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞以及檢測(cè)不尋常細(xì)胞。
背景技術(shù)：
診斷患者所患癌癥的最常用方法是得到懷疑組織的樣本，然后在顯微鏡下檢查有無(wú)明顯的惡性細(xì)胞。當(dāng)懷疑組織的解剖位置已知時(shí)，所述方法相對(duì)較為簡(jiǎn)單，但是當(dāng)不存在有可以輕易確定的腫瘤或癌前損傷時(shí)，所述方法就不那么簡(jiǎn)單。例如，為了從痰液中檢測(cè)有無(wú)肺癌需要在樣本中找到一個(gè)或多個(gè)相對(duì)較為不尋常的腫瘤細(xì)胞。因此，如果樣本不能靈敏且精確地反映肺部情況，就不能正確診斷出患有肺癌的患者。
Palcic等人在美國(guó)專利申請(qǐng)US6026174中公開(kāi)了一個(gè)基于顯微鏡的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)用于檢測(cè)診斷細(xì)胞和具有與惡性腫瘤相關(guān)改變的細(xì)胞。所述Palcic等人的系統(tǒng)包括一個(gè)自動(dòng)分類器，具有常規(guī)顯微鏡、照相機(jī)和圖像數(shù)字轉(zhuǎn)換器，控制并與上述組件連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行初次細(xì)胞分類的初級(jí)分類器，以及進(jìn)行接下來(lái)的細(xì)胞分類的次級(jí)分類器。該方法利用自動(dòng)分類器自動(dòng)檢測(cè)診斷細(xì)胞以及具有與惡性腫瘤相關(guān)改變的細(xì)胞。然而，常規(guī)顯微鏡的使用限制了所述診斷結(jié)果的質(zhì)量，其不能對(duì)著色密度進(jìn)行精確測(cè)量。所述Palcic等人的方法沒(méi)有提及分子探針的使用。
隨著分子探針的出現(xiàn)，例如抗體探針和核酸雜交探針，通過(guò)標(biāo)記這些分子探針然后測(cè)量它們?cè)谏锛?xì)胞和組織中的位置和濃度，從而解決新的與疾病相關(guān)的問(wèn)題。隨著人們對(duì)這些探針進(jìn)行更加精確地定位和定量的需求，同時(shí)還出現(xiàn)了對(duì)改進(jìn)技術(shù)的需求，用于在顯微鏡下對(duì)探針密度進(jìn)行兩維(二維)和三維(3維)的測(cè)量。常規(guī)的光學(xué)顯微技術(shù)利用玻片上的細(xì)胞，由于焦平面深度、采樣角度以及細(xì)胞制備中所產(chǎn)生的通常導(dǎo)致細(xì)胞在成像平面上重疊的問(wèn)題，其僅僅進(jìn)行近似兩維和三維的測(cè)量。光學(xué)顯微技術(shù)的另一個(gè)缺陷是通過(guò)物鏡觀察而存在的固有局限性，其中只有位于窄的焦平面中的區(qū)域提供了分析用的精確數(shù)據(jù)。
流式細(xì)胞儀方法通過(guò)使細(xì)胞在流體中一個(gè)接一個(gè)的流動(dòng)，從而克服了上述細(xì)胞重疊的問(wèn)題。不幸地是，流式細(xì)胞儀系統(tǒng)不能產(chǎn)生與傳統(tǒng)光學(xué)顯微技術(shù)相同質(zhì)量的細(xì)胞圖像，而且無(wú)論如何其不是三維的。相關(guān)背景技術(shù)參見(jiàn)Shapiro，HM，Practical Flow Cytometry，第3版，Wiley-Liss，1995。
在計(jì)算機(jī)輔助斷層攝影技術(shù)領(lǐng)域，Johnson等人提出的美國(guó)專利No.5402460于1995年3月28日公開(kāi)，其題目為“三維微斷層分析系統(tǒng)”。其中公開(kāi)了一種微斷層系統(tǒng)，通過(guò)x線發(fā)生器和x線檢測(cè)器產(chǎn)生樣本的高分辨率三維圖像，其中x線檢測(cè)器用于測(cè)量x線束經(jīng)過(guò)所述樣本發(fā)生的減弱。Johnson等人的微斷層系統(tǒng)對(duì)樣本的每次觀察產(chǎn)生兩個(gè)投影，每個(gè)投影采用不同能量的x線束。在對(duì)樣本的一個(gè)觀察產(chǎn)生兩個(gè)投影之后，將樣本在樣本支架上旋轉(zhuǎn)然后進(jìn)行另一組投影。對(duì)樣本每次觀察產(chǎn)生的投影一起進(jìn)行分析，提供關(guān)于材料的相位差的定量指標(biāo)，所述材料包括上述樣本。結(jié)合不同觀察的投影提供樣本的三維圖像。本文結(jié)合并引用美國(guó)專利No.5402460。盡管美國(guó)專利No.5402460中教導(dǎo)的x-線技術(shù)在某些應(yīng)用中有用，但是其不能提供用于流式細(xì)胞儀的光學(xué)技術(shù)方案，通過(guò)所述光學(xué)技術(shù)方案可以測(cè)量生物細(xì)胞內(nèi)分子密度的三維分布。
為了克服上述系統(tǒng)中的上述和其它缺陷，本發(fā)明的目的是將流式細(xì)胞儀中一個(gè)接一個(gè)的顯示細(xì)胞與多個(gè)點(diǎn)光源投影的計(jì)算機(jī)光學(xué)斷層攝影技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從多個(gè)投影中重建細(xì)胞內(nèi)的密度信息。重建的三維密度信息能夠精確測(cè)量核密度特征(NDF)和細(xì)胞質(zhì)密度特征(CDF)。
本文中所提及的NDF和CDF是投影成像系統(tǒng)所特有的，不需要使用透鏡和焦平面及其固有的不希望有的模糊制品，其產(chǎn)生原因是位于窄的焦平面之外的非聚焦結(jié)構(gòu)。由于投影成像系統(tǒng)不需要透鏡和焦平面，而產(chǎn)生x射線照相，其中所述結(jié)構(gòu)均同時(shí)清楚顯示，因而密度特征的測(cè)量比傳統(tǒng)顯微系統(tǒng)更加定量及精確。所以，術(shù)語(yǔ)“NDF”和“CDF”指由x射線照相得到的密度特征量度以及采用x射線照相的斷層攝影重建。NDF和CDF是指公知的在與癌癥組織相關(guān)的細(xì)胞中發(fā)生的細(xì)微變化。上述變化指示偏離常態(tài)，并反映與疾病過(guò)程相關(guān)的分子變化。
然而，目前NDF和CDF仍沒(méi)有被廣泛接受用于篩選確定病人是否患有或?qū)⒁加邪┌Y，這是因?yàn)闇y(cè)量方法沒(méi)有提供足夠的精確度和/或通量。一般地，通過(guò)仔細(xì)選擇取自腫瘤或癌前損傷附近位置的細(xì)胞樣本，并采用具有相對(duì)高放大倍率的顯微鏡觀察細(xì)胞，從而檢測(cè)NDF和CDF。但是，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的NDF和CDF變化被認(rèn)為是非常細(xì)微的，以至于通過(guò)常規(guī)顯微設(shè)備工作的病理學(xué)家不能可靠地檢測(cè)出上述變化，特別是病理學(xué)家通常不能進(jìn)行定量測(cè)量。例如，NDF變化可以由核內(nèi)DNA的分布和密度指示，伴隨著核形狀的微小變化。由于人類觀察者們不能較為容易地對(duì)上述微小細(xì)胞變化進(jìn)行定量，因此很難確定哪個(gè)細(xì)胞顯示了NDF改變。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種檢測(cè)細(xì)胞樣本中靶細(xì)胞的方法，包括以下步驟，獲得細(xì)胞樣本并將細(xì)胞懸浮于溶液中；如果需要，將細(xì)胞樣本中的細(xì)胞固定于溶液中；對(duì)細(xì)胞進(jìn)行著色和/或標(biāo)記，以產(chǎn)生與樣本的每個(gè)分子內(nèi)的核分子或其它結(jié)構(gòu)有關(guān)的光學(xué)密度；用“點(diǎn)”光源照明樣本，通過(guò)數(shù)字陣列檢測(cè)器得到透過(guò)樣本的一個(gè)或多個(gè)投影成像(例如，x射線照相)；補(bǔ)償投影成像在背景照明上的變化；分析投影成像并檢測(cè)靶目標(biāo)；對(duì)每個(gè)靶目標(biāo)計(jì)算一組一維(一維)和兩維(二維)特征值；將上述特征值組提供給至少一個(gè)分類器(90)，分類器確定和表征細(xì)胞樣本中的靶細(xì)胞。
另一方面，本發(fā)明提供了自動(dòng)檢測(cè)細(xì)胞樣本中NDF和CDF的系統(tǒng)。優(yōu)選的系統(tǒng)包括流式光學(xué)X線斷層攝影(FOT)裝置，其由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制并與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接。FOT捕獲的投影成像存儲(chǔ)在圖像處理板中，并經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制以檢測(cè)是否存在一維和兩維的NDF和CDF。通過(guò)計(jì)算機(jī)可以重建多個(gè)投影圖像以產(chǎn)生三維(3維)或更高維(3維+)的圖像以及與之相關(guān)的NDF和CDF。
為了測(cè)量NDF和CDF，需獲取細(xì)胞樣本，并在懸浮液中著色，然后由FOT成像。所述著色是化學(xué)計(jì)量的，和/或與DNA和/或DNA相關(guān)蛋白，或包括細(xì)胞質(zhì)的細(xì)胞內(nèi)的其它靶分子成比例。然后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接對(duì)投影圖像進(jìn)行分析和/或計(jì)算出也被分析的三維(3D)重建。所述圖像對(duì)于不均衡照明和圖像獲取系統(tǒng)的其它缺陷進(jìn)行校正。對(duì)所述圖像進(jìn)行校正后，計(jì)算靶目標(biāo)的邊緣、表面積、體積和密度，也就是界限，界線確定哪些像素或體素屬于靶目標(biāo)或靶結(jié)構(gòu)而哪些屬于背景。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為每個(gè)目標(biāo)或結(jié)構(gòu)計(jì)算一組一維，二維，3維和3維+特征值。對(duì)于某些特征的計(jì)算，用一個(gè)或多個(gè)像素(或體素)擴(kuò)大或縮小邊緣(或表面)，從而對(duì)沿著最高梯度值的界限進(jìn)行校正。這樣做的目的是使每個(gè)特征在不同類型目標(biāo)之間都具有更高的分辨能力，從而是目標(biāo)特異性的。然后通過(guò)分類器分析這些特征值，分類器用這些特征值確定目標(biāo)是人造物品還是細(xì)胞核或靶結(jié)構(gòu)。如果目標(biāo)似乎是細(xì)胞核或靶結(jié)構(gòu)，然后用所述分類器對(duì)特征值進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以確定所述目標(biāo)是否顯示指示疾病的NDF和CDF?；跇颖局兴l(fā)現(xiàn)的目標(biāo)的數(shù)量，所述目標(biāo)似乎具有顯著的與疾病相關(guān)的NDF和CDF改變，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)以確定所述細(xì)胞樣本來(lái)自的病人是健康的還是患有惡性腫瘤。
在其它實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種檢測(cè)細(xì)胞樣本中上皮細(xì)胞的方法，以及在所述上皮細(xì)胞中檢測(cè)具有與疾病有關(guān)的NDF和CDF的細(xì)胞。在另一實(shí)施例中，提供了一種預(yù)測(cè)病人是否會(huì)患有癌癥的方法。


附圖1示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中流式細(xì)胞儀系統(tǒng)的例子。
附圖2示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中單個(gè)細(xì)胞流動(dòng)過(guò)程的例子。
附圖3A和附圖3B示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中一個(gè)細(xì)胞和重建橫截面的例子。
附圖4示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中重建圓柱體的例子。
附圖5示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中流式光學(xué)X線斷層攝影(FOT)系統(tǒng)的例子。
附圖6示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中位于重建圓柱體內(nèi)的投射射線的例子。
附圖7示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中重建圓柱體的頂視圖。
附圖8示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中在細(xì)胞重建中采用的光源/單列射線結(jié)構(gòu)的幾何形狀。
附圖9示意性地顯示了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中對(duì)來(lái)自投影圖像和X線斷層攝影重建的NDF和CDF進(jìn)行分析所采用的分類方法。
具體實(shí)施例方式
此處結(jié)合特定的生物細(xì)胞實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是，應(yīng)該這樣理解，這些例子用于闡述本發(fā)明的原理，并不對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。在一個(gè)實(shí)施例中，在一微觀體積內(nèi)構(gòu)建點(diǎn)密度和發(fā)射密度的三維分布考慮到位于所述微觀體積內(nèi)的任何位置測(cè)量密度和熒光，并確定靶結(jié)構(gòu)、靶分子或靶分子探針的位置。采用標(biāo)記的分子探針，可以測(cè)量結(jié)合在所述微觀目標(biāo)特定結(jié)構(gòu)上的探針數(shù)量。為了闡述，可以用至少一種標(biāo)記分子探針標(biāo)記例如生物細(xì)胞等的目標(biāo)，所述探針的測(cè)量量和位置可以產(chǎn)生關(guān)于細(xì)胞疾病狀態(tài)的重要信息，包括但不局限于，各種腫瘤，例如肺癌、乳腺癌、前列腺癌、宮頸癌以及卵巢癌。
制備用于流式細(xì)胞儀的生物細(xì)胞，并用標(biāo)記的用于特定疾病診斷的分子探針進(jìn)行著色或標(biāo)記，使其流過(guò)一裝置，收集投影圖像，并從基本垂直于細(xì)胞流動(dòng)矢徑的光學(xué)投射射線路徑重建二維和3維密度信息。控制細(xì)胞沿某一軸的流動(dòng)速度，重建的垂直二維平面可以被正確地沿著上述細(xì)胞軸進(jìn)行定位(或迭加)，以產(chǎn)生完整細(xì)胞的3維圖像，或可以直接從二維光透射投影或發(fā)射投影計(jì)算出細(xì)胞的3維圖像。
由于下列特征，流式細(xì)胞儀非常適合于圖像重建●細(xì)胞以單行通過(guò)毛細(xì)管，因此細(xì)胞重疊和遮蔽降至最低，●可以直接測(cè)量通過(guò)毛細(xì)管的細(xì)胞流動(dòng)速度，其是恒定的，●細(xì)胞趨向于毛細(xì)管的中心軸，因此在結(jié)構(gòu)上是放射狀對(duì)稱的，●取決于細(xì)胞固定和懸浮試劑，細(xì)胞可以保持可塑性，相應(yīng)于毛細(xì)管的速度梯度，細(xì)胞可以呈現(xiàn)沿z軸的伸長(zhǎng)形狀。
本發(fā)明利用了上述特點(diǎn)提供用于點(diǎn)光源投影成像和斷層成像重建的系統(tǒng)。
參照?qǐng)D1，圖1示意性地給出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的流式細(xì)胞儀系統(tǒng)的例子。所述系統(tǒng)以坐標(biāo)系11進(jìn)行定向，所述坐標(biāo)系11具有x、y、z方向的三個(gè)坐標(biāo)。在操作時(shí)，用公知的注射裝置4將細(xì)胞1注射入注射管3。所述毛細(xì)管在注射端5較寬，包括一壓力蓋6。從管8引入外鞘流7，以在毛細(xì)管2內(nèi)產(chǎn)生層流。傳統(tǒng)流式細(xì)胞儀的特征在于，制備并懸浮于溶液中的細(xì)胞1可以被沖壓通過(guò)毛細(xì)管2，從而細(xì)胞沿著流動(dòng)軸伸長(zhǎng)，并朝著毛細(xì)管2的中心軸近似向下移動(dòng)，用虛線9表示。較為有利的是，細(xì)胞可以軸向?qū)ΨQ地流動(dòng)，并沿著圓柱形毛細(xì)管的中心軸以單列、恒定速度10移動(dòng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，圖2示意性地給出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單個(gè)細(xì)胞的流動(dòng)過(guò)程。一個(gè)細(xì)胞1以用速度矢量10表示的恒定速度(V)移動(dòng)通過(guò)毛細(xì)管2。所述細(xì)胞1包括細(xì)胞質(zhì)壁12和細(xì)胞核壁13。在流動(dòng)通過(guò)毛細(xì)管2的過(guò)程中，細(xì)胞1通過(guò)多個(gè)重建平面，為了進(jìn)行闡述，分別用第一、第二和第三重建平面14a，14b和14c表示。穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)壁的第一平面片段15a位于重建平面14a內(nèi)。類似地，穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)壁和細(xì)胞核壁的第二平面片段15b位于重建平面14b內(nèi)，第三平面片段15b位于重建平面14c內(nèi)。本發(fā)明的一個(gè)主要特征在于許多具有可選擇波長(zhǎng)的點(diǎn)光源同心分布在毛細(xì)管周圍。所述點(diǎn)光源與相對(duì)的光傳感器陣列共同工作，所述光傳感器陣列對(duì)光譜的可選擇部分敏感，從而可以得到透射穿過(guò)細(xì)胞的光的投影?？梢灾苯佑脭鄬訄D像重建算法對(duì)得到的投影圖像進(jìn)行分析或處理，以提供細(xì)胞內(nèi)密度和/或發(fā)射強(qiáng)度分布的空間圖形或圖像。應(yīng)該這樣理解，在實(shí)際工作中，依賴于呈現(xiàn)給系統(tǒng)的目標(biāo)的所需圖像分辨率，重建平面的數(shù)量可以從幾個(gè)到幾百個(gè)或更多。可以在軟件中結(jié)合或迭加一組重建的平行平面片段圖像，以產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)密度和發(fā)射強(qiáng)度的三維(3維)圖像。此外，用平面(二維)光傳感器陣列代替線(一維)傳感器陣列，用錐形照明射線模式代替扇形照明射線模式，可以同時(shí)得到多個(gè)連續(xù)通過(guò)流動(dòng)細(xì)胞的平面片段。作為結(jié)果，采用錐形光束重建算法，可以直接從兩維(二維)投影計(jì)算出細(xì)胞體積內(nèi)的密度和發(fā)射強(qiáng)度分布的三維(3維)圖像。作為選擇，可以直接分析具有無(wú)限景深的二維點(diǎn)光源投影圖像。
對(duì)于生物細(xì)胞，重建平面之間的距離(d)可以是幾微米或更小。位于細(xì)胞1內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)可以與不同時(shí)間間隔的每個(gè)重建平面重合，其中時(shí)間間隔(t)可以表述為t＝d÷V(方程1)結(jié)合參照附圖3A和3B，其示意性地給出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的重建橫截面16。流動(dòng)細(xì)胞的軸向?qū)ΨQ以及向心性有利于由通過(guò)細(xì)胞的光投影重建細(xì)胞內(nèi)的點(diǎn)密度。此外，投影的采樣空間可以做成包括三個(gè)分離腔室的模型1.細(xì)胞17外部的流體(也就是外鞘流體或細(xì)胞懸浮介質(zhì))，2.細(xì)胞質(zhì)18，以及3.細(xì)胞核19定量知曉在這三個(gè)腔室中的光密度或分子探針的分布就足夠解決細(xì)胞生物學(xué)和疾病診斷中的許多重要問(wèn)題。此外，如果特定分子探針優(yōu)選結(jié)合至細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞壁12和細(xì)胞核壁13的邊界表面，計(jì)算這兩個(gè)邊界表面是非常有用的。此外，將這些壁作為上述三個(gè)不同腔室的過(guò)渡表面是足夠的。
通過(guò)將細(xì)胞的重建片段結(jié)合起來(lái)，或以螺旋狀體積測(cè)量的方式進(jìn)行重建，可以產(chǎn)生3維形態(tài)和體積信息，但是絕對(duì)(與相對(duì)相反)體積依賴于細(xì)胞位置的準(zhǔn)確信息。細(xì)胞位置是流動(dòng)速度的函數(shù)。但是，在一些情況下，密度或分子探針的相對(duì)濃度足夠用于解決下述診斷問(wèn)題有多少探針位于相對(duì)于細(xì)胞核的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，而又有多少未結(jié)合探針位于背景液體中？或者，探針主要位于細(xì)胞膜上還是位于核膜表面？盡管通過(guò)毛細(xì)管的細(xì)胞可以在結(jié)構(gòu)上變成放射對(duì)稱狀，至少一個(gè)結(jié)合分子探針在核和細(xì)胞質(zhì)腔室內(nèi)的分布并不是如上所述的軸向?qū)ΨQ。因此，需要的是成像系統(tǒng)以及(特別是發(fā)射)重建算法提供足夠的空間分辨率對(duì)結(jié)合的熒光分子探針的體積進(jìn)行定位，其比上述要求的提供三個(gè)腔室分析的分辨率更加精細(xì)。進(jìn)一步地，需要的是所述系統(tǒng)提供關(guān)于在兩個(gè)細(xì)胞內(nèi)腔室中非對(duì)稱分布的探針濃度的定量信息。通過(guò)亞微?？臻g分辨率有助于了解探針與特定亞細(xì)胞腔室、位于細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核中的結(jié)構(gòu)或細(xì)胞器之間的關(guān)系。
一個(gè)更加特殊的例子是關(guān)于早期檢測(cè)高?；颊叩陌┌Y。在上述情況下，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生改變，某些基因?qū)⒈磉_(dá)過(guò)高或過(guò)低。測(cè)量相對(duì)于細(xì)胞核的細(xì)胞質(zhì)中基因產(chǎn)物(通常為蛋白質(zhì))的相對(duì)過(guò)度或過(guò)低表達(dá)，同時(shí)使背景懸浮液體中的非結(jié)合探針正常化，這在診斷上是非常重要的。如果基因產(chǎn)物是蛋白質(zhì)，可以使用標(biāo)記抗體探針定位和/或定量基因產(chǎn)物蛋白質(zhì)以評(píng)價(jià)細(xì)胞的疾病狀態(tài)。因此，對(duì)這三個(gè)腔室的分析足夠用于確定疾病狀態(tài)。
現(xiàn)在參照附圖4，附圖4中示意性地給出了重建圓柱體的例子，所述重建圓柱體包繞流動(dòng)管2，所述流動(dòng)管包括流動(dòng)細(xì)胞1，如本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述。重建圓柱體20，例如包括由點(diǎn)光源21構(gòu)成的的螺旋線24，所述點(diǎn)光源以預(yù)定螺旋傾斜度分布，其傾斜角為θ。每個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出一光子束22，其中光子束22通常為錐形或扇形。在附圖4中光源為螺旋狀設(shè)置，但是部分地依據(jù)電子設(shè)備的速度、細(xì)胞速度以及使傳感器(檢測(cè)器)處的投影信號(hào)不產(chǎn)生重疊的幾何圖形，點(diǎn)光源的排列可以是各種各樣的幾何圖案。傳感元件23用于接受來(lái)自點(diǎn)光源的光。
當(dāng)完整細(xì)胞1經(jīng)過(guò)光源時(shí)，固定的點(diǎn)光源21與相對(duì)的安裝在管外周的檢測(cè)器23可以對(duì)細(xì)胞1進(jìn)行多投射角度的采樣。通過(guò)對(duì)點(diǎn)光源和減弱的透射光和/或散射光和/或發(fā)射光的發(fā)射或讀出進(jìn)行時(shí)間控制，或?qū)烧叨歼M(jìn)行時(shí)間控制，每個(gè)檢測(cè)出的信號(hào)將與沿著流動(dòng)細(xì)胞z方向的軸的一個(gè)特定已知位置一致。這樣，以已知速度并沿著垂直于光源的一個(gè)已知軸流動(dòng)的細(xì)胞1可以用經(jīng)過(guò)細(xì)胞的投影進(jìn)行光學(xué)切割并重建形成x-y平面的二維片段，所述光源可以同步發(fā)射光或被檢測(cè)出。通過(guò)將序列片段迭加或在數(shù)學(xué)上結(jié)合起來(lái)，可以形成細(xì)胞的3維圖形。同時(shí)還可以將細(xì)胞運(yùn)動(dòng)與流動(dòng)軸周圍的光源位置結(jié)合起來(lái)，以產(chǎn)生可以重建的數(shù)據(jù)，例如以螺旋形式構(gòu)建細(xì)胞的3維圖形。可以通過(guò)迭加連續(xù)的平面圖像進(jìn)行重建，所述平面圖像是通過(guò)扇形光束重建算法由線性(一維)投影重建的，或是通過(guò)錐形光束重建算法由平面(二維)投影重建的。所述細(xì)胞的3維圖像可以產(chǎn)生關(guān)于亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及有關(guān)標(biāo)記分子探針的位置和數(shù)量的定量量度，所述分子探針提供診斷信息。
如上所述，重建截面或體積的二維或3維密度結(jié)構(gòu)要求有一個(gè)以上的經(jīng)過(guò)細(xì)胞截面的投影。在傳統(tǒng)的一個(gè)片段與一個(gè)片段的醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)斷層x射線照相法中，通過(guò)使患者保持不動(dòng)，而x射線源和相對(duì)的檢測(cè)器沿著外周移動(dòng)產(chǎn)生經(jīng)過(guò)患者的多個(gè)投射角度，從而進(jìn)行多個(gè)投影。通過(guò)類比，本發(fā)明的流式光斷層成像系統(tǒng)以預(yù)定速度使細(xì)胞通過(guò)多個(gè)光源，所述光源以不同角度設(shè)置在毛細(xì)管的外周，從而當(dāng)細(xì)胞經(jīng)過(guò)點(diǎn)光源時(shí)產(chǎn)生多個(gè)投影。這些點(diǎn)光源發(fā)出光子，所述光子經(jīng)過(guò)細(xì)胞被與光源相對(duì)的傳感器陣列檢測(cè)。所述點(diǎn)光源可以沿著螺旋線24和其它適當(dāng)?shù)膸缀螆D案排列在毛細(xì)管的外周，這樣當(dāng)細(xì)胞經(jīng)過(guò)點(diǎn)光源陣列，可以從多個(gè)角度對(duì)細(xì)胞的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣。對(duì)于好的采樣幾何圖案，這些點(diǎn)光源可以覆蓋外周的至少180度。在某些情況下，較少的角度覆蓋范圍(也就是低于采樣的角度)是可行的，但是額外的放射覆蓋范圍將提高計(jì)算機(jī)重建的精確度和信噪比。根據(jù)幾何學(xué)，對(duì)于錐形或扇形光束圖像重建，較為有利的是采用傳統(tǒng)的分析、迭代或統(tǒng)計(jì)學(xué)算法。(參見(jiàn)例如，Gilbert，P，“Iterative Methods for the three-dimensionalreconstruction of an object from projections”，Journal of TheoreticalBiology 36105-17，1972；Oppenheim，BE，“More accurate algorithms foriterative 3 dimensional reconstruction，”IEEE Transactions on NuclearScience NS-2172-7，1974；Singer，JR，Grunbaum，F(xiàn)A，Kohn，P和Zubelli，JP，“Image reconstruction of the interior of bodies that diffuse radiation”Science 248(4958)990-3，1990；Mueller，K和Yage，R，“Rapid 3-Dcone-beam reconstruction with the simultaneous algebraic reconstructiontechnique(SART)using 2-D textrue mapping hardware”，IEEEtransactions on Medical imaging 19(12)1227-37，2001.)相關(guān)的方法包括但不局限于ART(代數(shù)重建技術(shù)，如Bellman，SH，Bender，R，Gordon，R和Rowe，JE的“ART is science being A defense of algebraicreconstruction techniques for three-dimensional electron microscopy”，Journal of Theoretical Biology 32205-16，1971)，SIRT(聯(lián)立迭代重建技術(shù)，例如Gilbert，id#1493中所述)，MLEM(最大似然期望值最大化，例如，Manglos，SH，Jaszcak，RJ和Floyd，CE的“Maxium likelihoodreconstruction for cone beam SPECTdevelopment and initial tests”，Physics in Medicine and Biology 34(12)1947-57，1989，#1382)，以及OSEM(有序子集期望值最大化，例如Manglos，SH，Gagne，GM，KrolA，Thomas，F(xiàn)D和Narayanaswamy，R“Transmission maximum-likelihoodreconstruction with ordered subsets for cone beam CT”，Physics inMedicine and Biology 40(7)1225-41，1995，#4389)。
方法流式細(xì)胞儀參見(jiàn)附圖5，其示意性給出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的流式光學(xué)斷層成像系統(tǒng)(FOT)。所述流式光學(xué)斷層成像系統(tǒng)包括一流式細(xì)胞儀，以及位于毛細(xì)管2周圍的重建圓柱體20。光子源25和光子傳感器26與作為觸發(fā)裝置的脈沖高度分析儀27一起工作。脈沖高度分析儀按照公知的原理工作，為細(xì)胞的開(kāi)始提供第一觸發(fā)點(diǎn)28，為細(xì)胞的結(jié)束提供第二觸發(fā)點(diǎn)29，所述脈沖高度分析儀輸出與每個(gè)細(xì)胞的開(kāi)始和結(jié)束相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)30，其中所述觸發(fā)信號(hào)被重建圓柱體20接收。
計(jì)算機(jī)40通過(guò)信號(hào)線41-43將數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和定時(shí)信號(hào)傳輸給點(diǎn)光源21、傳感元件23和脈沖高度分析儀27。所述計(jì)算機(jī)可以包括一個(gè)公知的計(jì)算機(jī)或多個(gè)計(jì)算機(jī)以及適于圖像獲取和圖像重建處理的陣列處理器。
商業(yè)上的流式細(xì)胞儀具有三個(gè)基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)也就是，圓柱形流動(dòng)管，矩形流動(dòng)管和空氣系統(tǒng)中的流動(dòng)(參見(jiàn)，Shapiro，HM，PracticalFlow Cytometry，3rd，ed.，Wiley-liss，1995)。優(yōu)選的結(jié)構(gòu)為圓柱形流動(dòng)管，這是因?yàn)楸３肿罾硐氲膱A柱形幾何形狀對(duì)于重建算法是非常重要的，將由于流動(dòng)硬件而導(dǎo)致的徑向依賴性降至最低(見(jiàn)附圖1)。而且，圓柱形流動(dòng)管可以相對(duì)于毛細(xì)管的橫截面具有均勻的薄壁。
此外，觸發(fā)裝置可以位于重建模塊的上游，提供一定時(shí)信號(hào)，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入然后從重建圓柱體中出去時(shí)，啟動(dòng)然后終止數(shù)據(jù)采集。有利的是，所述觸發(fā)裝置可以包括一激光二極管，CCD，PMT，光電探測(cè)器組合，固態(tài)光電探測(cè)器和上述元件的組合。所述觸發(fā)裝置有一閾值設(shè)置用于探測(cè)流動(dòng)細(xì)胞的存在，因此產(chǎn)生一觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)下游的重建圓柱體開(kāi)始采集關(guān)于特定靶細(xì)胞的數(shù)據(jù)，所述觸發(fā)信號(hào)與已知的細(xì)胞速度用于計(jì)算。進(jìn)一步地，對(duì)應(yīng)于細(xì)胞進(jìn)入和流出重建圓柱體的第一和第二觸發(fā)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔可以被分為相等或不等的增量，在每個(gè)增量期間，可以通過(guò)選通光源21和對(duì)傳感器陣列23進(jìn)行讀數(shù)獲得另外的投影數(shù)據(jù)。
需要對(duì)流動(dòng)速度進(jìn)行控制和精確地測(cè)量。在高級(jí)商業(yè)系統(tǒng)中采用1米/秒至10米/秒之間的速度具有上述能力。根據(jù)下文所要描述的數(shù)據(jù)采集速度和信噪比可以確定最佳細(xì)胞速度。
重建模塊現(xiàn)在參照附圖6，其示意性地給出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的重建圓柱體20內(nèi)的扇形投射射線的例子。重建圓柱體的目的是提供將多個(gè)沿著小的外周固定的點(diǎn)光源21a-21c發(fā)出的光投射至圓柱形毛細(xì)管。點(diǎn)光源發(fā)出的光子具有已知的投射幾何形狀，例如扇形或錐形，并通過(guò)毛細(xì)管被傳感元件23a，23b或23c陣列檢測(cè)出，所述傳感元件陣列可以根據(jù)情況位于相應(yīng)的點(diǎn)光源對(duì)面的更大的外周上。出于闡述的目的，圖中給出了適于扇形光束透射的彎曲線(一維)傳感器陣列，但是也可以采用適于錐形光束照明的直線(一維)傳感器陣列或平面(二維)傳感器陣列。這樣，可以產(chǎn)生一組投射射線，其中投射射線可以被描繪成連接點(diǎn)光源和單個(gè)傳感元件的直線。沿著例如射線31的特定投射射線離開(kāi)點(diǎn)光源的光子數(shù)量與特定傳感元件接收的光子數(shù)量之差與丟失或減弱的光子數(shù)量有關(guān)，其原因是細(xì)胞與沿著投射光線路徑的流動(dòng)管內(nèi)其它內(nèi)容物的相互作用。
然而，由于光散射、光子能量漂移、不完善的幾何圖形以及校準(zhǔn)不正可以使情況變得復(fù)雜，當(dāng)同時(shí)激發(fā)多個(gè)點(diǎn)光源時(shí)，不同光源的光子可以到達(dá)同一個(gè)特定傳感元件。通過(guò)細(xì)心地構(gòu)造重建圓柱體，例如通過(guò)仔細(xì)選擇本文所述的點(diǎn)光源的圖案以及與它們相對(duì)的檢測(cè)器，以及對(duì)多個(gè)點(diǎn)光源的激活和傳感器的讀出進(jìn)行適當(dāng)?shù)貢r(shí)間控制或多路傳輸，可以將由于上述問(wèn)題導(dǎo)致的光子污染降至最低但是不能消除。
對(duì)系統(tǒng)校準(zhǔn)可以估計(jì)出光子污染，例如沒(méi)有細(xì)胞存在。也就是說(shuō)，可以輪流啟動(dòng)每個(gè)光源并測(cè)量其對(duì)每個(gè)傳感器的影響，從而提供偏移數(shù)據(jù)使系統(tǒng)正?；Ａ硗獾男?zhǔn)步驟使用，例如光學(xué)特性已知的成像乳膠聚合物珠或其它微球或橢圓形小球，并采用所需要的密度范圍進(jìn)行細(xì)胞成像。通過(guò)如下文所述在檢測(cè)器中使用帶通濾波器，由熒光探針發(fā)出的光子可以與來(lái)源于點(diǎn)光源的光子區(qū)分開(kāi)來(lái)。
光源每個(gè)光源可以具有相同的一般特性，優(yōu)選地●可以近似為小的圓形點(diǎn)光源，●可以以已知的光譜容量發(fā)光，●從光源發(fā)出的光子可以具有已知的幾何圖形，例如錐形或扇形。
每個(gè)光源產(chǎn)生針對(duì)每個(gè)投射角的數(shù)據(jù)。當(dāng)細(xì)胞流過(guò)模塊時(shí)，沿著螺旋線排列的多個(gè)光源產(chǎn)生來(lái)源于經(jīng)過(guò)每個(gè)連續(xù)平面(或重建部分)的多個(gè)投射角的數(shù)據(jù)，所述螺旋線的軸線是流動(dòng)管的中心軸。根據(jù)傳感器的幾何圖形，數(shù)個(gè)點(diǎn)光源可以共同線性排列在同一個(gè)外周上，這樣投影不會(huì)在傳感器上重疊。將光源等距離地沿著180度的螺旋線排列，可以獲得良好的采樣幾何圖形，然而在某些情況下，也可以是較小的角度覆蓋范圍，為了提供信噪比可以采用360度覆蓋范圍。理想的光源數(shù)目是每個(gè)平面重建(x-y平面)或體積重建內(nèi)所需分辨率的函數(shù)。出于闡述的目的，點(diǎn)光源采用了螺旋分布，但是應(yīng)這樣理解，點(diǎn)光源陣列可以采用各種各樣的幾何圖形。進(jìn)一步地，通過(guò)采用各種各樣的二極管或其它激光器或白色或其它寬帶光源的帶通濾波器，例如汞或氙弧光燈，光源的波長(zhǎng)是可以選擇的。
現(xiàn)在參照附圖7，其示意性地給出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的附圖6中重建圓柱體的頂視圖。圖中給出了第一點(diǎn)光源21a和傳感器陣列23a，以及具有細(xì)胞核19的細(xì)胞，所述細(xì)胞垂直于光源軌跡投射的平面流動(dòng)，其在兩維上構(gòu)成了重建圓圈32，其中所有的投影，即使以時(shí)間交錯(cuò)模式獲取的投影，均被描繪成重疊的，其中包含了整個(gè)細(xì)胞。第二個(gè)點(diǎn)光源21b和第二個(gè)傳感器陣列23b排列在螺旋線周圍大約30°，第三個(gè)點(diǎn)光源21c和第三個(gè)傳感器陣列23c排列在螺旋線周圍大約90°。
數(shù)據(jù)收集與位于“厚”的平面軸向橫截面內(nèi)的細(xì)胞速度同步控制。理想的平面厚度是在z方向上所需分辨率的函數(shù)。典型地，軸向(z方向)上的分辨率小于平面橫軸向方向的分辨率。同時(shí)，重建的最佳圓圈可以由投影扇形的重疊交叉部分限定，所述投影扇形的頂點(diǎn)為點(diǎn)光源，底部為傳感陣列的寬度。理想的是，重建圓柱體的幾何圖形應(yīng)使流動(dòng)細(xì)胞的橫截面全部包含在重建圓圈中。
在構(gòu)建點(diǎn)光源時(shí)可以采用數(shù)個(gè)選擇方案，例如●在激光或其它高強(qiáng)度光子源的前面有一小孔，●具有小的橫截面的光纖，●在光子源前有一具有短焦距的透鏡，●發(fā)出的一個(gè)點(diǎn)位于磷表面上(CRT的一種形式)的電子束，以及●以上所述的不同組合。
所述幾何圖形為點(diǎn)光源離靶目標(biāo)(細(xì)胞)越近，放大倍率越高，這是因?yàn)殡x光源越近的目標(biāo)對(duì)著越寬的幾何角度。相反，如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前知道所需要的分辨率，可以針對(duì)該特定分辨率將幾何圖形優(yōu)化。有關(guān)背景技術(shù)，可以參見(jiàn)Blass，M(主編)，Handbook of Opticsfiberoptics and nonlinear optics，第2版，第4卷，Mcgraw-Hill，2001。
現(xiàn)在參見(jiàn)附圖8，其示意性地給出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在細(xì)胞重建中采用的直線陣列23。例如，對(duì)于包含在30微米直徑的重建圓圈內(nèi)的細(xì)胞橫截面12和核19，以及所需的0.5微米分辨率，Nyquist采樣(也就是2倍的過(guò)采樣)規(guī)定了每個(gè)點(diǎn)光源21至少需要120個(gè)傳感元件33。位于頂點(diǎn)的點(diǎn)光源21和位于底部的線陣列長(zhǎng)度34構(gòu)成了一三角形35，從而例如直徑為30微米的細(xì)胞位于三角形35之內(nèi)，其盡可能地接近于點(diǎn)光源21。在該例子中，如果陣列中的每個(gè)元件(例如，CCD)為20微米寬，陣列長(zhǎng)度為2400微米，則細(xì)胞的中心距離點(diǎn)光源約100微米(毛細(xì)管直徑的一半)，當(dāng)點(diǎn)光源和線性陣列之間的距離是8毫米，提供80倍的放大。
在第二個(gè)例子中，重建圓圈的直徑為30微米，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的像素大小為4微米。在該情況下，所述陣列可以含有120個(gè)元件，寬度為480微米，可以距離點(diǎn)光源1.6mm放置，當(dāng)點(diǎn)光源和細(xì)胞間的距離為100微米，提供160倍的放大。
傳感元件每個(gè)點(diǎn)光源應(yīng)具有一對(duì)應(yīng)的傳感元件陣列，例如以直線或曲線幾何排列的CCD，其與點(diǎn)光源相對(duì)，用于接收透射穿過(guò)重建圓圈的光子射線。典型地，線陣列的傳感元件以點(diǎn)光源和中心流動(dòng)軸之間的線為中心，并可以垂直于流動(dòng)軸排列?？梢圆捎枚S陣列，其中只對(duì)二維陣列內(nèi)每條線上的元件子集進(jìn)行讀數(shù)用作重建輸入。在二維陣列中，將適當(dāng)數(shù)量的元件沿著點(diǎn)光源的螺旋形排列適當(dāng)?shù)嘏c每個(gè)不同點(diǎn)光源對(duì)齊，從而將每個(gè)元件的連續(xù)子集交錯(cuò)開(kāi)來(lái)。
對(duì)于一個(gè)片段接一個(gè)片段的扇形光束重建，使用30微米重建圓圈和每個(gè)扇形有120個(gè)傳感元件，獲得0.5微米的分辨率，一個(gè)具有2000×2000 20微米元件的二維陣列足夠用于進(jìn)行檢測(cè)136，點(diǎn)光源以1徑向角度增量設(shè)置，其中連續(xù)視野之間的平均偏移量為300微米，其等于15個(gè)傳感元件(在陣列的中心，偏移量可以是140微米或7個(gè)元件，但是在陣列的邊緣，視野之間的1徑向角度范圍可以導(dǎo)致更大的偏移量)。如果傳感器陣列中平均15排為一組為每片提供投影數(shù)據(jù)，那么在細(xì)胞圖像中z軸分辨率為3.75微米，然而如果每個(gè)投影平均為2排，則目標(biāo)空間的軸向分辨率為0.5微米，等于橫軸向的分辨率。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，二維陣列沿著圓柱形外周彎曲排列，所述圓柱形外周與重建圓柱體同心，這樣所有射線路徑在長(zhǎng)度上均相等。對(duì)于30微米的重建圓圈，一個(gè)彎曲的二維陣列，其中只含有所需的相對(duì)于點(diǎn)光源的螺旋軌跡的元件，所述二維陣列可以是寬為120個(gè)元件、高(長(zhǎng)度)為136個(gè)元件的倍數(shù)的螺旋條帶，如上文所述。
盡管出于闡述的目的描述了平面或“厚”的扇形照明，但是應(yīng)這樣理解，真正的未經(jīng)準(zhǔn)直的錐形光束照明可以與二維平面檢測(cè)器結(jié)合使用，采用錐形光束算法進(jìn)行3維重建。可以直接對(duì)所述二維投影圖像進(jìn)行分析，以獲得例如關(guān)于疾病狀態(tài)或細(xì)胞變化狀態(tài)的信息。對(duì)于直接的體積錐形光束重建，對(duì)多個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的照明進(jìn)行多路復(fù)用，考慮到點(diǎn)光源和檢測(cè)器的幾何排列，使得來(lái)自于不同點(diǎn)光源的照明錐形不與傳感器陣列重疊。
然而，如果細(xì)胞以1米/秒(或1,000,000米/秒)的速度流動(dòng)，二維陣列上的每個(gè)元件為20微米寬，每20微秒的線性讀出可以輕易地捕獲0.25微米細(xì)胞片段內(nèi)的數(shù)據(jù)。當(dāng)平均一排有15個(gè)傳感器為3.75微米的片段提供數(shù)據(jù)，那么每300微秒進(jìn)行一次讀數(shù)。采用更大的二維陣列可以使重建圖像的質(zhì)量得到顯著的改善。
對(duì)于特別適用于大量透射或發(fā)射波段的多譜段成像的本發(fā)明的實(shí)施例，包括系列設(shè)置的兩個(gè)或多個(gè)重建模塊是非常有利的。可以通過(guò)插入毛細(xì)管片段分離上述多個(gè)重建圓柱體，每個(gè)模塊提供充足的投影數(shù)據(jù)，用于產(chǎn)生關(guān)于流經(jīng)該模塊的目標(biāo)的完整重建圖像。每一個(gè)重建模塊中的點(diǎn)光源和/或傳感器陣列可以最優(yōu)化從而適合于一特定波段。例如，第一重建模塊可以采用強(qiáng)白光照明和不經(jīng)過(guò)濾檢測(cè)以提供完整的投影數(shù)據(jù)集以重建關(guān)于目標(biāo)光密度、吸收或散射系數(shù)的圖形，而第二重建模塊可以采用以495nm為中心的窄波帶照明，例如氬離子激光器(488nm)，以激發(fā)用熒光探針標(biāo)記的蛋白質(zhì)，與經(jīng)過(guò)濾的對(duì)520nm發(fā)射光敏感的傳感器陣列一起進(jìn)行免疫熒光研究，提供充足的第二完整投影數(shù)據(jù)，通過(guò)下文描述的發(fā)射光重建算法，描繪出標(biāo)記蛋白質(zhì)的濃度分布。第三個(gè)重建模塊可以使用以535和/或342nm為中心的窄帶照明，激發(fā)以化學(xué)計(jì)量結(jié)合至DNA的碘化丙啶(Propidium iodide)，以及過(guò)濾傳感器陣列，從而最佳地檢測(cè)出紅(617nm)的發(fā)射光以研究倍數(shù)性。應(yīng)這樣理解，上述例子僅用作說(shuō)明，所述方法通常適用于任一用于照明和檢測(cè)的波長(zhǎng)組合。
圖像重建最常用的、易于實(shí)施的重建算法，也就是公知的經(jīng)過(guò)濾的反向投射法，衍生自采用錐形光束和扇形光束的計(jì)算機(jī)斷層x射線照相(CT)中的類似范例(參見(jiàn)以下參考文獻(xiàn)，例如，Kak，AC和Slaney，M，Principles of computerized tomographic imaging，IEEE Press，紐約，1988，和Herman，G，Image reconstruction from projectionsthe fundamentals ofcomputerized tomography，Academic Press，紐約，1988)。這些方法的基礎(chǔ)是經(jīng)修正的Radon轉(zhuǎn)換定律，其反映了光源/檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的特定幾何圖形和照明光束的射線路徑。然而，對(duì)于臨床用x射線CT，為了一個(gè)片段接一個(gè)片段的獲取，使人體固定不動(dòng)，而x射線源和檢測(cè)器陣列沿著患者周圍的弧形移動(dòng)從位于給定片段內(nèi)的多個(gè)投射角度采集數(shù)據(jù)。然后將患者沿著z軸重新定位，采集另一片段的數(shù)據(jù)等等。此外，在更加先進(jìn)的臨床螺旋CT中，患者在z方向上連續(xù)平移，而光源/檢測(cè)器設(shè)備連續(xù)旋轉(zhuǎn)提供螺旋形的投射數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)推得到垂直于患者z軸的投影。在流式光學(xué)X線斷層攝影中，研究對(duì)象(細(xì)胞)相對(duì)于靜止光源和檢測(cè)器陣列以恒定速度流動(dòng)，其中多個(gè)光源/檢測(cè)器系統(tǒng)與沿著細(xì)胞速度矢量的特定選通時(shí)間點(diǎn)同步獲得數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生位于一個(gè)給定片段或體積內(nèi)的多個(gè)投射角數(shù)據(jù)。對(duì)于一個(gè)片段接一個(gè)片段的掃描，重建算法計(jì)算垂直于移動(dòng)軸的平面的二維圖像，多個(gè)片段的序列迭加將產(chǎn)生研究對(duì)象的3維圖像，其中對(duì)比度是CT或流式光學(xué)X線斷層攝影中研究對(duì)象的x射線減弱系數(shù)或光密度變化的函數(shù)。對(duì)于體積、錐形光束掃描，重建算法直接從平面透射或發(fā)射光投影計(jì)算細(xì)胞內(nèi)或其它研究對(duì)象內(nèi)的體積的3維圖像，其中對(duì)比度是成像目標(biāo)內(nèi)的光密度和/或標(biāo)記探針密度分布的函數(shù)。
理想的是，對(duì)于透射數(shù)據(jù)產(chǎn)生細(xì)胞密度重建，或?qū)τ诎l(fā)射數(shù)據(jù)重建標(biāo)記探針?lè)植?，或者兩者都包括，采用圖像重建算法而不是過(guò)濾的反向投射。在某些情況下，常用的一類算法也就是公知的迭代重建算法更加有效，特別是對(duì)于發(fā)射斷層成像或在例如本發(fā)明中，在已知目標(biāo)軸向?qū)ΨQ和具有三個(gè)腔室性質(zhì)的情況下，在重建算法中可以結(jié)合先驗(yàn)信息以提高重建的質(zhì)量(參見(jiàn)，例如Gilbert，P，“Iterative methodsfor the three-dimensional reconstruction of an object fromprojections”，Journal of theoretical Biology 36105-17，1972以及上文提及的其它參考文獻(xiàn))。
類似地，一種方法可以是有利地采用基于有限元素模型(FEM)的統(tǒng)計(jì)重建算法。FEM算法衍生自線性傳輸理論，其中在元素的所有邊緣求解光子傳播/移動(dòng)方程從而產(chǎn)生成像目標(biāo)的吸收、散射、反射率和各向異性因數(shù)特性的某些組合的兩維或三維圖形。上述方法的例子參見(jiàn)Paulsen，KD和Jiang，H的“Spatially varing optical propertyreconstruction using a finite element diffusion equation approximation”，Medical Physics 22(691-701)1995，以及Hampel，U和Freyer，R的“Fastimage reconstruction for optical absorption tomography in media withradially symmetric boundaries”，Medical Physics 25(1)92-101，1998，以及Jiang，H、Paulsen，KD和Osterberg，UL，“Frequency-domain near-infraredphoto diffusion imaginginitial evaluation in multitarget tissuelikephantoms”，Me dical Physics 25(2)183-93，1998。
顏色分離如果使用多顏色的點(diǎn)光源(例如，白光)，則可以采用不同顏色著色(例如生色團(tuán))以區(qū)分大量的分子探針和細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征。本文，在光源或檢測(cè)陣列(或兩者)處采用系列帶通濾波器分離波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)單個(gè)著色分子進(jìn)行重建和空間定位。對(duì)多個(gè)探針成像的更穩(wěn)固的辦法是采用強(qiáng)白光光源，并同時(shí)收集傳感器陣列的多個(gè)過(guò)濾帶寬，從而通過(guò)圖像重建算法計(jì)算每個(gè)生色團(tuán)的空間成像片段。這些可以顯示為彩色圖像。
熒光、磷光、化學(xué)發(fā)光和納米顆粒發(fā)光作為流式光學(xué)斷層成像系統(tǒng)的一個(gè)特殊例子，某些特定分子探針可以用“報(bào)道分子”進(jìn)行標(biāo)記，所述報(bào)道分子在受到初級(jí)光子源激發(fā)時(shí)，可以發(fā)出不同波長(zhǎng)(更長(zhǎng))的光。來(lái)自報(bào)道分子的第二次發(fā)射可以用標(biāo)準(zhǔn)光濾波器過(guò)濾以將初級(jí)光源的光子從次級(jí)發(fā)射的光子中分離出來(lái)。然而，次級(jí)發(fā)射光子的圖像重建算法更加復(fù)雜，這是因?yàn)閺墓庠窗l(fā)出的第二次發(fā)射的光子不一定是沿著直線射線路徑。如果假設(shè)次級(jí)點(diǎn)光源發(fā)出的次級(jí)光子為均一球形，則到達(dá)任一傳感元件的次級(jí)光子強(qiáng)度是與傳感元件之間距離的簡(jiǎn)單函數(shù)。進(jìn)一步的精細(xì)化通過(guò)提供相對(duì)于點(diǎn)光源位于重建片段中的次級(jí)光子的空間分布，可以解釋次級(jí)光源發(fā)出的次級(jí)光子的非球形分布。上述任一方法提供了計(jì)算位于重建片段或體積內(nèi)的次級(jí)光源的位置的方法。成像目標(biāo)與檢測(cè)器陣列之間的校準(zhǔn)將改善圖像重建。
如果通過(guò)光過(guò)濾同時(shí)計(jì)算初級(jí)光子強(qiáng)度和次級(jí)光子強(qiáng)度，則原始光子強(qiáng)度的高分辨率密度重建可以疊加或融合在次級(jí)光源重建上，這樣在單個(gè)重建圖像中就具有圖像形態(tài)和定位的探針濃度。根據(jù)強(qiáng)度、信噪比、以及在光源和/或傳感器處過(guò)濾或產(chǎn)生窄波帶光子的能力，利用多個(gè)次級(jí)光源是有利的，每個(gè)次級(jí)光源對(duì)應(yīng)于不同的標(biāo)記分子探針。
2001年3月13日公開(kāi)的Basiji等人的美國(guó)專利No.6201628(題目是“高通量光掃描儀”)中披露了一掃描裝置，用于對(duì)底物熒光、光密度或磷光進(jìn)行自動(dòng)、快速和靈敏的掃描。所述掃描儀采用具有恒定路徑長(zhǎng)度的光學(xué)系統(tǒng)，可以使進(jìn)行高速掃描的移動(dòng)光束與減少噪聲的相位靈敏檢測(cè)結(jié)合起來(lái)。所述掃描儀包括光源，用于接收來(lái)自光源的光并將其掃過(guò)控制鏡的掃描鏡，用于接收來(lái)自掃描鏡的光并將其反射給底物的控制鏡，這樣所述光沿著掃描弧經(jīng)過(guò)底物，以及用于接收來(lái)自底物的發(fā)射或散射光的光電檢測(cè)器，其中光源至光電檢測(cè)器的光路路徑長(zhǎng)度在整個(gè)經(jīng)過(guò)底物的掃描中基本恒定。所述光學(xué)系統(tǒng)可以進(jìn)一步地包括波導(dǎo)或反射鏡用于收集來(lái)自底物的發(fā)射或散射光并將其引至光電檢測(cè)器。對(duì)于相位敏感檢測(cè)，光源是強(qiáng)度調(diào)制的，檢測(cè)器連接至相位敏感檢測(cè)電子設(shè)備。同時(shí)還提供了使用底物轉(zhuǎn)換器的掃描儀。對(duì)于兩維成像，所述底物被轉(zhuǎn)換成一維，而掃描鏡掃描在第二維中掃描光束。對(duì)于高通量的掃描儀，將多個(gè)底物放置于來(lái)自盤式供給機(jī)的傳輸帶上。美國(guó)專利No.6201628在本文結(jié)合并作為參考。然而，這些申請(qǐng)中沒(méi)有考慮到產(chǎn)生光學(xué)投射圖像，因此不能用這些圖像進(jìn)行斷層成像重建。
如上所述，本申請(qǐng)是一自動(dòng)檢測(cè)細(xì)胞核中NDF和細(xì)胞質(zhì)中CDF的系統(tǒng)，其對(duì)患者的細(xì)胞進(jìn)行光學(xué)投影和斷層成像重建。根據(jù)與疾病相關(guān)的NDF和CDF的存在與否，可以作出關(guān)于患者是否患有惡性腫瘤的結(jié)論。
現(xiàn)在參照附圖9，其示意性地給出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的對(duì)細(xì)胞重建數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的方法。該系統(tǒng)可以包括數(shù)個(gè)分類器，它們可以共同工作確定特定細(xì)胞樣本是否含有靶細(xì)胞和診斷細(xì)胞，所述細(xì)胞具有與疾病相關(guān)的NDF和CDF。一個(gè)分類器是計(jì)算機(jī)程序，基于特定特征值94對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析。本發(fā)明的自動(dòng)分類器系統(tǒng)可以包括，例如，初級(jí)分類器90，其執(zhí)行基本的篩選功能并選擇靶目標(biāo)。次級(jí)分類器92對(duì)細(xì)胞目標(biāo)進(jìn)行分類，分為形態(tài)上不正?；蛐螒B(tài)上正常但是具有與疾病相關(guān)的NDF和CDF，或正常而且不顯示與疾病相關(guān)的NDF和CDF。可以提供報(bào)道93對(duì)任一和全部分類器的分類結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)解釋。應(yīng)理解為根據(jù)應(yīng)用可以采用多個(gè)和不同的分類器。
如上所述，本發(fā)明的自動(dòng)系統(tǒng)可以包括一初級(jí)和次級(jí)分類器，但是也可以使用單個(gè)分類器用于順序進(jìn)行本發(fā)明的分類?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)方法產(chǎn)生分類函數(shù)的軟件包通常在商業(yè)上可以購(gòu)得。
本發(fā)明的自動(dòng)分類器優(yōu)選包括基于直接計(jì)算出的NDF和CDF、采用模糊二元判斷或Bayesian統(tǒng)計(jì)判斷來(lái)執(zhí)行其分類功能的分類器。所述分類器可以包括大量的特征值，例如包括形態(tài)特征，光度特征，離散質(zhì)地特征，Markovian質(zhì)地特征，非Markovian質(zhì)地特征，不規(guī)則碎片質(zhì)地特征以及運(yùn)轉(zhuǎn)周期質(zhì)地特征。
初級(jí)分類器典型地可將靶目標(biāo)分為三個(gè)類型1)包括診斷細(xì)胞和可能含有與疾病相關(guān)的NDF和CDF的細(xì)胞的上皮細(xì)胞；2)炎癥細(xì)胞；以及3)人造物品。初級(jí)分類器可以通過(guò)二元決策樹(shù)和選擇特征值進(jìn)行一個(gè)細(xì)胞接一個(gè)細(xì)胞的分類。
如上所述，本發(fā)明的系統(tǒng)將細(xì)胞核與人造物品、上皮細(xì)胞與其他細(xì)胞類型、具有與疾病相關(guān)的NDF和CDF的細(xì)胞與其它正常上皮細(xì)胞區(qū)分開(kāi)來(lái)的能力依賴于分類器根據(jù)計(jì)算的特征值進(jìn)行區(qū)分的能力。例如，為了判別正常上皮細(xì)胞和異常上皮細(xì)胞(也就是，診斷細(xì)胞)，本發(fā)明可以采用數(shù)個(gè)不同的判別函數(shù)，每個(gè)函數(shù)用于確認(rèn)特定類型的目標(biāo)，以及NDF和CDF發(fā)生的改變。
次級(jí)分類器對(duì)經(jīng)初級(jí)分類器選擇的細(xì)胞樣本中的上皮細(xì)胞進(jìn)行分類，也采用二元決策樹(shù)和特征值執(zhí)行其分類功能。所述次級(jí)分類器可以認(rèn)為是一個(gè)樣本接一個(gè)樣本的分類器，用于分析經(jīng)初級(jí)分類器分類的上皮細(xì)胞，并將這些細(xì)胞分為正常而且與疾病相關(guān)的NDF或CDF陰性，或正常而且與疾病相關(guān)的NDF或CDF陽(yáng)性。與初級(jí)分類器一樣，次級(jí)分類器基于一組優(yōu)選的NDF和CDF值對(duì)細(xì)胞進(jìn)行區(qū)分。
每個(gè)分類器所使用的特征組來(lái)自分析細(xì)胞核和/或細(xì)胞質(zhì)的定量密度特征的判別函數(shù)，而且優(yōu)選包括最小數(shù)量的特征。理想地，選擇最小數(shù)量的最佳核特征將產(chǎn)生有效且穩(wěn)定的分類器。也就是說(shuō)，分類器優(yōu)選可以精確地對(duì)細(xì)胞或細(xì)胞類型進(jìn)行分類，同時(shí)可靠地對(duì)各種細(xì)胞和樣本制劑進(jìn)行分類。
所述分類器可以包括至少一個(gè)判別函數(shù)，其中判別函數(shù)采用來(lái)自x射線照相的特征對(duì)樣本中靶細(xì)胞進(jìn)行分類，包括但不局限于，一維和二維核密度特征(NDF)以及細(xì)胞質(zhì)密度特征(CDF)，和選自以下的特征，包括面積、平均半徑、光密度(OD)方差、光密度斜度、光密度范圍、光密度平均值、光密度最大值、光點(diǎn)密度、低DNA區(qū)域、高DNA區(qū)域、低DNA量、高DNA量、高平均距離、中等/高平均距離、相關(guān)性、均勻性、熵、分形維數(shù)、DNA指數(shù)、質(zhì)地、點(diǎn)狀、連接部分以及在空間密度頻率空間中的各種諧波。
細(xì)胞樣本可以是人類的肺組織、宮頸組織、血樣或可以含有不尋常細(xì)胞。在一個(gè)例子中，用于確定NDF和CDF而對(duì)樣本進(jìn)行著色包括用化學(xué)計(jì)量或成比例的DNA和RNA染料進(jìn)行著色。DNA染料可以選自以下構(gòu)成的組中，福爾根(Feulgen)染料，Romanowski染料，May-Grunwald-Giemsa染料，甲基綠和硫堇。在另一例子中，樣本可以用抗體標(biāo)記物進(jìn)行著色以確定NDF和CDF。在另一個(gè)例子中，可以非常有利地采用核酸序列標(biāo)記物對(duì)樣本進(jìn)行著色。
本發(fā)明的系統(tǒng)對(duì)于分析生物細(xì)胞的不同類型是有用的。在一個(gè)例子中，靶細(xì)胞被選擇用于診斷癌癥，和/或，所述靶細(xì)胞可以有利地是擴(kuò)散前的癌細(xì)胞。靶細(xì)胞可以包括擴(kuò)散的癌細(xì)胞，其中利用所述靶細(xì)胞篩選癌癥患者。也可以利用靶細(xì)胞確定患者是否會(huì)患有擴(kuò)散性癌癥。所述擴(kuò)散癌細(xì)胞可以源自上皮細(xì)胞癌。選擇性地，或另外，所述擴(kuò)散前的癌細(xì)胞可以源自上皮細(xì)胞癌。有利地是，上皮細(xì)胞癌可以選自由以下構(gòu)成的組中，肺癌和喉癌、宮頸癌和卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、皮膚癌和胃腸道癌癥。
在用于分析多維圖像的實(shí)施例中，例如，3維圖像和更高維(3維+)圖像，對(duì)樣本中靶細(xì)胞進(jìn)行分類的特征可以包括但不局限于，一維、二維、3維、3維+核密度特征(NDF)和細(xì)胞質(zhì)特征(CDF)，以及選自由以下構(gòu)成的特征，包括面積、平均半徑、體積、平均體積、光密度(OD)方差、光密度斜度、光密度范圍、光密度平均值、光密度最大值、光點(diǎn)密度、低DNA容量、高DNA容量、低DNA量、高DNA量、高平均距離、中等/高平均距離、相關(guān)性、均勻性、熵、分形維數(shù)、DNA指數(shù)、質(zhì)地、點(diǎn)狀、連接部分以及在空間密度頻率空間中的各種諧波。高DNA容量，例如可以是高于對(duì)正常細(xì)胞群進(jìn)行測(cè)量得到的基線。
本文對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地描述以符合專利法，并提供了本領(lǐng)域技術(shù)人員所需的信息以應(yīng)用本發(fā)明的新穎原理，并構(gòu)建和使用所需要的示范性和專門組件。然而，應(yīng)理解為，本發(fā)明可以通過(guò)不同的設(shè)備、裝置和重建算法實(shí)施，可以對(duì)本發(fā)明作出關(guān)于設(shè)備細(xì)節(jié)和操作步驟的各種改變，只要不偏離本發(fā)明的真正精神和范圍。
權(quán)利要求
1.檢測(cè)細(xì)胞樣本中靶細(xì)胞(1)的方法，包括以下步驟(a)獲取細(xì)胞樣本，并將細(xì)胞(1)懸浮于溶液(17)中；(b)如果需要，將細(xì)胞樣本中的細(xì)胞(1)固定于溶液中；(c)標(biāo)記細(xì)胞(1)以生成樣本內(nèi)每個(gè)細(xì)胞的光密度；(d)用至少一個(gè)點(diǎn)光源(21)照明樣本；(e)用數(shù)字陣列檢測(cè)器(23)獲取至少一個(gè)通過(guò)樣本的投影圖像；(f)對(duì)所述至少一個(gè)投影圖像補(bǔ)償背景照明上的差異；(g)對(duì)所述至少一個(gè)投影圖像進(jìn)行分析以檢測(cè)至少一個(gè)靶目標(biāo)；(h)對(duì)于所述至少一個(gè)靶目標(biāo)計(jì)算具有一維(一維)特征值和二維(二維)特征值的特征值組(94)；(i)將上述特征值(94)組提供給至少一個(gè)分類器(90)；以及(j)使用上述特征值(94)組以及所述至少一個(gè)分類器(90)鑒別來(lái)自所述細(xì)胞樣本的所述至少一個(gè)靶目標(biāo)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于對(duì)所述樣本中所述至少一個(gè)靶目標(biāo)進(jìn)行分類的特征值(94)組選自由以下構(gòu)成的組中一維和二維核密度特征(NDF)、細(xì)胞質(zhì)密度特征(CDF)、面積、平均半徑、光密度(OD)方差、光密度斜度、光密度范圍、光密度平均值、光密度最大值、光點(diǎn)密度、低DNA區(qū)域、高DNA區(qū)域、低DNA量、高DNA量、高平均距離、中等/高平均距離、相關(guān)性、均勻性、熵、分形維數(shù)、DNA指數(shù)、質(zhì)地、點(diǎn)狀、連接部分以及在空間密度頻率空間中的諧波。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述至少一個(gè)分類器(90)的步驟包括使用具有至少一個(gè)判別函數(shù)的分類器。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)判別函數(shù)采用一組判別特征，該組判別特征選自由以下構(gòu)成的組中一維和二維核密度特征(NDF)、細(xì)胞質(zhì)密度特征(CDF)、面積、平均半徑、光密度(OD)方差、光密度斜度、光密度范圍、光密度平均值、光密度最大值、光點(diǎn)密度、低DNA區(qū)域、高DNA區(qū)域、低DNA量、高DNA量、高平均距離、中等/高平均距離、相關(guān)性、均勻性、熵、分形維數(shù)、DNA指數(shù)、質(zhì)地、點(diǎn)狀、連接部分以及在空間密度頻率空間中的諧波。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述細(xì)胞樣本包括人類肺樣本。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述細(xì)胞樣本包括人類宮頸樣本。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述細(xì)胞樣本包括人類血液樣本。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述細(xì)胞樣本包括不尋常細(xì)胞。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，標(biāo)記樣本的步驟包括用選自著色由化學(xué)計(jì)量DNA染料，化學(xué)計(jì)量RNA染料，成比例的DNA染料，和成比例的RNA染料構(gòu)成的組的染料進(jìn)行著色。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，標(biāo)記所述樣本的步驟包括用選自著色由福爾根染料，Romanowski染料，May-Grunwald-Giemsa染料，甲基綠和硫堇構(gòu)成的組的染料進(jìn)行著色。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，標(biāo)記樣本的步驟包括用抗體標(biāo)記物進(jìn)行著色。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，標(biāo)記樣本的步驟包括用核酸序列標(biāo)記物進(jìn)行著色。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括選擇所述至少一個(gè)靶目標(biāo)進(jìn)行癌癥診斷的步驟。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括選擇所述至少一個(gè)靶目標(biāo)以包括擴(kuò)散前的癌細(xì)胞的步驟。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括選擇所述至少一個(gè)靶目標(biāo)以包括擴(kuò)散的癌細(xì)胞的步驟。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括使用至少一個(gè)靶目標(biāo)篩選癌癥患者的步驟。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括使用至少一個(gè)靶目標(biāo)確定患者是否會(huì)發(fā)展為擴(kuò)散性癌癥的步驟。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散前的癌細(xì)胞來(lái)自上皮細(xì)胞癌。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述上皮細(xì)胞癌選自由肺癌、喉癌、宮頸癌、卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、皮膚癌和胃腸道癌癥構(gòu)成的組。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散性癌細(xì)胞來(lái)自上皮細(xì)胞癌。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述上皮細(xì)胞癌選自由肺癌、喉癌、宮頸癌、卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、皮膚癌、胃腸道癌癥、淋巴瘤和骨癌構(gòu)成的組。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散前的癌細(xì)胞來(lái)自神經(jīng)內(nèi)分泌癌癥。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，神經(jīng)內(nèi)分泌癌癥選自由以下構(gòu)成的組肺癌、喉癌、宮頸癌、乳腺癌、胃腸道癌癥、淋巴瘤和骨癌。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散性癌細(xì)胞來(lái)自神經(jīng)內(nèi)分泌癌癥。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，神經(jīng)內(nèi)分泌癌癥選自由以下構(gòu)成的組中肺癌、喉癌、宮頸癌、乳腺癌、胃腸道癌癥、淋巴瘤和骨癌癥。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步地包括采用計(jì)算圖像重建方法以產(chǎn)生多維圖像，結(jié)合至少兩個(gè)投影圖像的步驟。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算圖像重建方法包括選自由以下構(gòu)成的組扇形光束投射幾何學(xué)和錐形光束投射幾何學(xué)。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步地包括對(duì)多維圖像進(jìn)行處理的以下步驟(a)對(duì)多維圖像補(bǔ)償背景照明上的差異；(b)分析所述多維圖像以檢測(cè)至少一個(gè)靶目標(biāo)；(c)計(jì)算結(jié)合至每個(gè)靶目標(biāo)的表面；(d)對(duì)每個(gè)靶目標(biāo)計(jì)算一組多維特征值(94)；以及(e)將上述多維特征值(94)組提供給至少一個(gè)分類器(90)，以鑒別和表征細(xì)胞樣本中的靶細(xì)胞。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，用于對(duì)樣本中的靶細(xì)胞進(jìn)行分類的多維特征值(94)選自由以下構(gòu)成的組一維核密度特征(NDF)、二維核密度特征、3維核密度特征和3維+核密度特征、一維細(xì)胞質(zhì)密度特征(CDF)、二維細(xì)胞質(zhì)密度特征，3維細(xì)胞質(zhì)密度特征和3維+細(xì)胞質(zhì)密度特征、面積、平均半徑、體積，平均體積，光密度(OD)方差、光密度斜度、光密度范圍、光密度平均值、光密度最大值、光點(diǎn)密度、低DNA容量、高DNA容量、低DNA量、高DNA量、高平均距離、中等/高平均距離、相關(guān)性、均勻性、熵、分形維數(shù)、DNA指數(shù)、質(zhì)地、點(diǎn)狀、連接部分以及在空間密度頻率空間中的諧波。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，多維特征值(94)包括一維，二維，3維，3維+特征，該些特征被分類程序利用用于表征與類型、成熟、疾病狀態(tài)、相對(duì)豐度和定量標(biāo)記物的存在有關(guān)的靶細(xì)胞。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，分類器檢測(cè)并表征包括不尋常細(xì)胞的靶細(xì)胞。
32.如權(quán)利要求28所述的方法，進(jìn)一步地包括基于對(duì)細(xì)胞的所述表征診斷細(xì)胞樣本。
33.鑒定來(lái)自細(xì)胞樣本的至少一個(gè)靶目標(biāo)的方法，包括以下步驟；(a)獲取細(xì)胞樣本，將細(xì)胞(1)懸浮于溶液(17)中；(b)如果需要，將所述細(xì)胞樣本中的所述細(xì)胞(1)固定于溶液(17)中；(c)標(biāo)記所述細(xì)胞(1)以產(chǎn)生樣本內(nèi)每個(gè)細(xì)胞的光密度；(d)用至少一個(gè)點(diǎn)光源(21)照明所述樣本；(e)用數(shù)字陣列檢測(cè)器(23)獲取至少一個(gè)通過(guò)樣本的投影圖像；(f)對(duì)所述至少一個(gè)投影圖像補(bǔ)償背景照明上的差異；(g)對(duì)所述至少一個(gè)投影圖像進(jìn)行分析以檢測(cè)至少一個(gè)靶目標(biāo)；(h)計(jì)算所述至少一個(gè)靶目標(biāo)的一組具有一維(1D)特征值和二維(2D)特征值的特征值(94)，其特征在于，所述對(duì)所述樣本中所述至少一個(gè)靶目標(biāo)進(jìn)行分類的所述一組特征值(94)選自由以下構(gòu)成的組一維核密度特征(NDF)、二維核密度特征、一維細(xì)胞質(zhì)密度特征(CDF)、二維細(xì)胞質(zhì)密度特征、面積、平均半徑、光密度(OD)方差、光密度斜度、光密度范圍、光密度平均值、光密度最大值、光點(diǎn)密度、低DNA區(qū)域、高DNA區(qū)域、低DNA量、高DNA量、高平均距離、中等/高平均距離、相關(guān)性、均勻性、熵、分形維數(shù)、DNA指數(shù)、質(zhì)地、點(diǎn)狀、連接部分以及在空間密度頻率空間中的諧波。(i)將上述特征值(94)組提供給至少一個(gè)分類器(90)；以及(j)使用上述特征值(94)組以及所述至少一個(gè)分類器(90)鑒別來(lái)自所述細(xì)胞樣本的所述至少一個(gè)靶目標(biāo)。
34.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)投影圖像包括一x射線照相。
全文摘要
用多維、高度定量的核密度特征和細(xì)胞質(zhì)密度特征(NDF和CDF)快速檢測(cè)靶細(xì)胞的系統(tǒng)和方法，其包括流式光學(xué)X線斷層攝影(FOT)設(shè)備，該流式光學(xué)X線斷層攝影(FOT)設(shè)備能夠產(chǎn)生包括細(xì)胞的精確密度信息的各種光學(xué)投影圖像(或x射線照相)，和用于對(duì)投影圖像進(jìn)行分析和重建成多維數(shù)據(jù)集的計(jì)算機(jī)和軟件，以及自動(dòng)特征收集和目標(biāo)分類器。所述系統(tǒng)和方法對(duì)于早期診斷癌癥是特別有用的，例如利用來(lái)自痰液或頰部刮片的支氣管樣本檢測(cè)肺癌，以及用宮頸刮片診斷宮頸癌或卵巢癌，所述系統(tǒng)可以用于檢測(cè)包括血液的樣本中的不尋常細(xì)胞。
文檔編號(hào)G01N33/554GK1623163SQ03802820
公開(kāi)日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2003年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月22日
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