生物成像方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于產(chǎn)生具有表面的生物樣本的圖像的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：樣本支座，其在使用時(shí)用于支承生物樣本；多個(gè)照明源，該多個(gè)照明源被布置在樣本支座周圍并且每一個(gè)在使用時(shí)適于從不同方向照射生物樣本；圖像捕獲裝置，用于捕獲投射在生物樣本上的照明，由此形成樣本的圖像；其中照明源中的至少一個(gè)的方向不垂直于樣本的表面。
【專利說明】生物成像方法和系統(tǒng)
[0001]描述發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種用于分析體外樣本的方法和系統(tǒng)。
[0003]發(fā)明背景
[0004]為了識(shí)別生物樣本，如微生物、細(xì)胞和組織培養(yǎng)物、細(xì)胞或亞細(xì)胞提取物以及純化的分子，在許多環(huán)境中進(jìn)行體外分析。將各種材料的樣本從其通常的生物環(huán)境中分離出來并提供它們可以在其中生長的環(huán)境。通常以培養(yǎng)皿的形式來提供該環(huán)境，所述培養(yǎng)皿被放入培養(yǎng)箱中以使樣本生長。培養(yǎng)皿通常包括促進(jìn)樣本的生長的微生物培養(yǎng)基。理想地，在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基上的培育導(dǎo)致許多樣本菌落的生長。通常進(jìn)行隨后的菌落分析以識(shí)別微生物并評估它們對抗微生物劑的敏感性或抗性。
[0005]樣本分析的重要部分是例如從菌落中識(shí)別特定的微生物或細(xì)菌的能力。另外，也可以基于樣本中的微生物的生長以及與應(yīng)用到樣本的任何藥物的相互作用分析利用適當(dāng)藥物的細(xì)菌的治療。
[0006]許多初步分析是由合格的科學(xué)家們通過在培養(yǎng)皿中的視覺分析進(jìn)行。初步視覺分析效果良好，但由于可能難以解釋的不同微生物的形狀、顏色、尺寸和形式的巨大差異，易于出現(xiàn)人為錯(cuò)誤和不一致性。然而，在目前，視域仍然是快速地識(shí)別微生物的最好方法之一。另外，由于許多生長是“隨機(jī)的”，所以不容易對微生物生長建模以及找出適用于以上所識(shí)別的差異性的自動(dòng)系統(tǒng)。
[0007]已知的培養(yǎng)箱可以包括窗口，通過該窗口可以觀察樣本，但一般地，將培養(yǎng)皿從培養(yǎng)箱中取出以在視覺上進(jìn)行分析。初步視覺分析涉及將培養(yǎng)皿保持在光源的前面以識(shí)別菌落。然后，根據(jù)需要，可以在特定的已識(shí)別的菌落上進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的化學(xué)和顯微鏡分析方法。
[0008]生物掃描儀，即用于掃描或計(jì)數(shù)細(xì)菌菌落的裝置，在現(xiàn)有技術(shù)中這是熟知的。例如，US2004/0101951和US2010/0232660都公開了用于掃描生物生長板的生物掃描儀，其具有不同的結(jié)構(gòu)，但都共同具有產(chǎn)生板的圖像并對這些圖像進(jìn)行分析以檢測生物生長的能力。然而，均使用單個(gè)光源提供前照明或后照明。實(shí)際上，在US2004/0101951和US2010/0232660中都記載了“一些生物生長板可能僅需要前照明或后照明，而不是兩者(some biologicalgrowthplatesmayrequireonlyfrontorbackiIlumination, butnotboth)”。這種照明是基本的且不允許獲得具有以有效的方式進(jìn)行初步分析的足夠質(zhì)量的圖像。
[0009]存在培養(yǎng)皿中的樣本被不同顏色或波長的光照射以形成樣本的圖像的某些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。所述圖像由適當(dāng)定向的照相機(jī)捕獲。
[0010]FR2926820公開了一種用于檢測生物樣本中的至少一種特定微生物的方法，所述方法尤其包括將培養(yǎng)基經(jīng)受至少兩種輻射的步驟，每種輻射具有特定的波長。優(yōu)選地，使用兩個(gè)照明系統(tǒng)，每個(gè)照明系統(tǒng)發(fā)射特定波長的輻射。更具體地，該文獻(xiàn)的圖1示出了頂部可見光和紫外線背光的組合。然后，使用來自兩種不同照明的隨后的組合圖像檢測特定微生物的存在。
[0011]類似地，公布的日本專利申請JP2010104301尤其描述了一種用于檢測微生物的方法，包括使微生物在其上生長的培養(yǎng)基成像的成像步驟和菌落檢測步驟，所述方法還使用頂部光和背光的組合。
[0012]獲得生物樣本的圖像后，通常存在可被應(yīng)用來增強(qiáng)圖像并進(jìn)行圖像處理的方法。然而，存在許多與增強(qiáng)生物樣本的圖像相關(guān)聯(lián)的問題。這些包括:
[0013]-被觀察的菌落的尺寸；
[0014]-一個(gè)菌落與另一個(gè)菌落的接近度；
[0015]-菌落的顏色混合；
[0016]-培養(yǎng)皿的性質(zhì)；
[0017]-培養(yǎng)基的性質(zhì)；
[0018]-等等。
[0019]這些問題中的許多只能通過定制應(yīng)用來解決。
[0020]發(fā)明目的
[0021]本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的問題中的至少一些。
[0022]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種用于分析生物樣本的自動(dòng)系統(tǒng)和方法。
[0023]發(fā)明概述
[0024]本發(fā)明提供一種如所附權(quán)利要求中闡述的方法和系統(tǒng)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于產(chǎn)生具有表面的生物樣本的圖像的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括樣本支座，其在使用時(shí)用于支承生物樣本；多個(gè)照明源，該多個(gè)照明源被布置在樣本支座周圍并且每一個(gè)在使用時(shí)適于從不同方向照射生物樣本；圖像捕獲裝置，用于捕獲投射在生物樣本上的照明，由此形成樣本的圖像；其中照明源中的至少一個(gè)的方向不垂直于樣本的表面。
[0026]可選地，照明源中的至少兩個(gè)的方向?qū)嵸|(zhì)上不共面。在一個(gè)實(shí)施例中，至少兩個(gè)照明源的方向之間的最大交叉角小于170°，可選地小于160°，可選地小于150°。使用各自的方向?qū)嵸|(zhì)上不共面的至少兩個(gè)照明源允許對象的改進(jìn)識(shí)別和檢測、對象的標(biāo)記和表征。
[0027]可選地，多個(gè)照明源包括以下兩個(gè)或兩個(gè)以上:背光源；接近水平的源；朝向表面的環(huán)形源；背向表面的環(huán)形源；以及垂直源，其中每一個(gè)限定不同類型的照明源。
[0028]可選地，多個(gè)照明源中的至少兩個(gè)是不同類型的照明源。
[0029]可選地，多個(gè)照明源包括以下三個(gè)或三個(gè)以上:背光源；接近水平的源；朝向表面的環(huán)形源；背向表面的環(huán)形源；以及垂直源，其中每一個(gè)限定不同類型的照明源。
[0030]可選地，多個(gè)照明源中的至少三個(gè)是不同類型的照明源。
[0031]使用不同類型的至少兩個(gè)或三個(gè)照明源(如背光源、接近水平的源等等)還允許對象的改進(jìn)識(shí)別和檢測、對象的標(biāo)記和表征。
[0032]可選地，多個(gè)照明源被用于生成多個(gè)圖像，該多個(gè)圖像可以被組合以形成復(fù)合結(jié)果圖像。
[0033]可選地，多個(gè)照明源的不同組合可被用于針對不同的生物分析生成不同的圖像。
[0034]可選地，每個(gè)照明源被包括在單元中并且其中每個(gè)單元可堆疊在彼此的頂部上。[0035]可選地，單元相對于彼此可移動(dòng)。
[0036]可選地，樣本相對于多個(gè)照明源可移動(dòng)。
[0037]可選地，照明源包括紅色、綠色、藍(lán)色源，白色光源或UV源。
[0038]可選地，樣本能夠被接近水平的源照射。
[0039]可選地，系統(tǒng)還包括用于增強(qiáng)或處理圖像以實(shí)現(xiàn)樣本的生物分析的處理系統(tǒng)。
[0040]可選地,系統(tǒng)與培養(yǎng)箱系統(tǒng)組合，用于在使樣本成像之前，培育樣本。
[0041]本發(fā)明還涉及一種用于培育生物樣本的培養(yǎng)箱，其包括如權(quán)利要求中定義的成像系統(tǒng)。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種產(chǎn)生生物樣本的圖像的方法，其中樣本具有表面，該方法包括以下步驟:
[0043]-利用多個(gè)照明源照射樣本，多個(gè)照明源被布置在樣本支座周圍并且每一個(gè)在使用時(shí)適于從不同方向照射生物樣本；
[0044]-捕獲投射在生物樣本上的照明，由此形成樣本的圖像；
[0045]其中照射步驟包括利用照明源中的至少一個(gè)照射樣本，所述照明源中的至少一個(gè)指向不垂直于樣本的表面的方向。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于增強(qiáng)生物樣本的圖像的系統(tǒng)和方法，其中生物樣本已經(jīng)在器皿中生長在培養(yǎng)基上并且其中通過利用接近水平的照明光束照射包含樣本和培養(yǎng)基的器皿形成了圖像，該方法包括以下步驟:通過將多個(gè)不同顏色的照明源分別應(yīng)用到器皿和培養(yǎng)基獲得作為測試圖像的器皿和培養(yǎng)基的圖像；對于每種顏色，測量器皿和培養(yǎng)基的吸收率；形成用于器皿和培養(yǎng)基的每種顏色的吸收率的模型；通過將多個(gè)不同顏色的照明源分別應(yīng)用到器皿、培養(yǎng)基和生物樣本獲得并處理器皿、培養(yǎng)基和生物樣本的圖像；對于每種顏色，產(chǎn)生器皿、培養(yǎng)基和生物樣本的源圖像；將用于器皿和培養(yǎng)基的每種顏色的吸收率的模型應(yīng)用到各自的源圖像以去除器皿和培養(yǎng)基的吸收效應(yīng)；組合每種顏色的源圖像以形成突出生物樣本的復(fù)合圖像。
[0047]可選地，照射步驟包括利用紅色、綠色、藍(lán)色源和/或UV源進(jìn)行照射。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種確定生物成像系統(tǒng)中的生物樣本的圖像的理想曝光時(shí)間的系統(tǒng)和方法，步驟包括:識(shí)別待成像的樣本的一個(gè)或多個(gè)特征；基于一個(gè)或多個(gè)特征確定默認(rèn)曝光時(shí)間；以默認(rèn)曝光時(shí)間拍攝圖像；分析圖像以確定圖像中的多個(gè)區(qū)域，如與感興趣的領(lǐng)域相關(guān)的區(qū)域以及與感興趣的領(lǐng)域無關(guān)的區(qū)域；確定多個(gè)區(qū)域之間的相對亮度以估計(jì)圖像的期望亮度；在一個(gè)區(qū)域中，如與樣本相關(guān)的區(qū)域，應(yīng)用分類算法以將與生物樣本相關(guān)的圖像的部分聚集在一起以及將與生物樣本無關(guān)的圖像的部分聚集在一起；確定每部分中的亮度以獲得圖像的實(shí)際亮度的值；將實(shí)際的亮度與期望的亮度相比較以確定其間的差異系數(shù)；如果系數(shù)在預(yù)定等級(jí)之上，則判斷默認(rèn)曝光時(shí)間不正確，并且然后基于系數(shù)以新的曝光時(shí)間再拍攝新的圖像。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種根據(jù)生物樣本的圖像確定生物樣本的表面上的輪廓和起伏信息的系統(tǒng)和方法，該方法包括以下步驟:利用樣本上方的至少一個(gè)垂直源照射樣本并獲得樣本的單色圖像；利用來自任何方向的第二源照射樣本以生成樣本的第二圖像；對單色圖像實(shí)施變換以形成經(jīng)變換的單色圖像；抑制經(jīng)變換的單色圖像中的低頻亮度值；確定經(jīng)變換的單色圖像中的每個(gè)像素的亮度值；將亮度值與第二圖像在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上組合以形成最終圖像，該最終圖像使輪廓明顯并提供了起伏信息。
[0050]可選地，利用樣本上方的至少一個(gè)垂直源照射樣本并獲得樣本的單色圖像的步驟包括利用在至少兩個(gè)不同位置處的至少兩個(gè)垂直源照射樣本。
[0051]可選地，利用第二源照射樣本的步驟包括使用具有多個(gè)顏色通道的源并將第二圖像形成為彩色圖像。
[0052]可選地，利用第二源照射樣本的步驟包括分別利用紅色、綠色和藍(lán)色源中的每一個(gè)照射樣本以及將亮度值與由此形成的紅色、綠色和藍(lán)色圖像中的每一個(gè)組合以針對每種顏色形成加重輪廓并提供起伏信息的圖像并將三種顏色組合以獲得所述最終圖像。
[0053]可選地,樣本是包括培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿，微生物菌落存在于培養(yǎng)基上。
[0054]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種檢測與器皿相關(guān)聯(lián)的特征的系統(tǒng)和方法，包括以下步驟:使用多個(gè)照明源中的一個(gè)或多個(gè)獲得器皿的一個(gè)或多個(gè)圖像，每個(gè)照明源能夠從不同的方向照射器皿；實(shí)施對象檢測變換以識(shí)別器皿的邊緣；確定器皿的內(nèi)部的圖像。
[0055]可選地，確定器皿的內(nèi)部的圖像的步驟包括遮蓋所述的圖像或每張圖像的器皿的邊緣以生成顯示器皿的內(nèi)部的結(jié)果圖像。
[0056]可選地，方法還包括識(shí)別器皿內(nèi)的任何微生物菌落的不存在。
[0057]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種檢測器皿上具有非生物特征的預(yù)定格式的對象的系統(tǒng)和方法，包括以下步驟:使用多個(gè)照明源中的一個(gè)或多個(gè)獲得器皿的一個(gè)或多個(gè)圖像，每個(gè)照明源能夠從不同的方向照射器皿；形成所述的圖像或每張圖像的數(shù)字圖像；識(shí)別具有非生物特征的預(yù)定格式的對象。
[0058]可選地，形成所述的圖像或每張圖像的數(shù)字圖像的步驟包括在器皿的一個(gè)或多個(gè)圖像中檢索具有點(diǎn)狀或深色的對象。
[0059]可選地，方法還包括遮蓋所識(shí)別的對象以生成結(jié)果圖像，其中對象是不可見的。
[0060]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種分離包括培養(yǎng)基的器皿中的微生物菌落的系統(tǒng)和方法，該方法包括以下步驟:使用多個(gè)照明源中的一個(gè)或多個(gè)獲得器皿的一個(gè)或多個(gè)圖像，每個(gè)照明源能夠從不同的方向照射器皿；選擇圖像或圖像的組合以進(jìn)行進(jìn)一步處理；實(shí)施圓形對象檢測變換以識(shí)別器皿中的一個(gè)或多個(gè)基本為圓形的對象，其中圓形對象代表器皿中被分離的菌落；對于每個(gè)所識(shí)別的基本為圓形的對象，確定那個(gè)對象的分離區(qū)域。
[0061]可選地，確定對象的分離區(qū)域的步驟包括確定所識(shí)別的基本為圓形的對象的中心；通過應(yīng)用二值化步驟形成所識(shí)別的基本為圓形的對象的數(shù)字化圖像以獲得二值化圖像，其中二值化圖像的中心對應(yīng)于所識(shí)別的基本為圓形的對象的中心；驗(yàn)證二值化圖像中的對象的圓度；進(jìn)行測試以識(shí)別對象的分離區(qū)域從而確定菌落的尺寸以及菌落與其它菌落的分離區(qū)域。
[0062]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種檢測包括培養(yǎng)基的器皿中的大量菌落和/或非圓形菌落的系統(tǒng)和方法，該方法包括以下步驟:使用多個(gè)照明源中的一個(gè)或多個(gè)獲得器皿的一個(gè)或多個(gè)圖像，每個(gè)照明源能夠從不同的方向照射器皿；形成圖像的數(shù)字化圖像；通過識(shí)別高密度菌落和肖_圓形菌落檢測生長。
[0063]可選地，識(shí)別高密度菌落和非圓形菌落的步驟包括確定對比度高于預(yù)定值的區(qū)域。
[0064]可選地，形成圖像的數(shù)字化圖像的步驟包括利用基于區(qū)域的分割技術(shù)分割所述圖像。
[0065]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種檢測包括培養(yǎng)基的器皿中的群游微生物的系統(tǒng)和方法，該方法包括以下步驟:使用多個(gè)照明源中的一個(gè)或多個(gè)獲得器皿的一個(gè)或多個(gè)圖像，每個(gè)照明源能夠從不同的方向照射器皿；選擇具有輪廓或起伏信息的圖像；將預(yù)定濾波器應(yīng)用到所選擇的圖像以形成經(jīng)濾波的圖像；從經(jīng)濾波的圖像中減去所選擇的圖像以生成顯示紋理的圖像。
[0066]可選地，應(yīng)用濾波器的步驟包括將7x7中值濾波器應(yīng)用到數(shù)字化圖像中的每個(gè)點(diǎn)。
[0067]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種檢測由包括培養(yǎng)基的器皿中的至少一種微生物進(jìn)行的α和/或β溶血的系統(tǒng)和方法，該方法包括以下步驟:
[0068]-使用多個(gè)照明源中的一個(gè)或多個(gè)獲得器皿的第一和第二圖像，每個(gè)照明源能夠從不同的方向照射器皿；
[0069]-基于融合算法將第一和第二圖像組合以對不同的圖像特征應(yīng)用不同的權(quán)重以生成具有輪廓信息的彩色圖像，使得可以檢測α和/或β溶血。
[0070]附圖的簡要說明
[0071]現(xiàn)在將以示例方式參考附圖，其中:
[0072]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的生物分析系統(tǒng)；
[0073]圖2a、2b和2c是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的圖1系統(tǒng)的成像系統(tǒng)的示意圖；
[0074]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了應(yīng)用到樣本的不同類型的照明的圖2系統(tǒng)的簡化圖；
[0075]圖4a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的背光照明源的示意性表示；
[0076]圖4b是與背光照明相關(guān)的漫射器的示意性前視圖和后視圖表示；
[0077]圖4c是與環(huán)形照明相關(guān)的漫射器的示意性前視圖和后視圖表示；
[0078]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的樣本抽取器和相關(guān)聯(lián)的接近水平的照明源的示意性表示；
[0079]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的環(huán)形照明源的示意性表示；
[0080]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了用于不同應(yīng)用的不同照明類型的表格；
[0081]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了用于與不同圖像處理技術(shù)相關(guān)聯(lián)的不同培養(yǎng)基的不同照明類型的表格；
[0082]圖9a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面用于第一種圖像增強(qiáng)技術(shù)的源圖像；
[0083]圖9b是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面在第一種圖像增強(qiáng)技術(shù)之后的結(jié)果圖像；
[0084]圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了第一種圖像增強(qiáng)技術(shù)的步驟的流程圖；
[0085]圖1laUlb和Ilc是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了用于紅色、綠色和藍(lán)色的吸收測量和模型的曲線圖；
[0086]圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的另一種圖像增強(qiáng)技術(shù)的流程圖；
[0087]圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的圖12流程圖的元件之一的流程圖；
[0088]圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面在另一種圖像增強(qiáng)技術(shù)之后的兩個(gè)結(jié)果圖像；[0089]圖15a和15b是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了用于再一種圖像增強(qiáng)技術(shù)的可能的變換函數(shù)的兩幅曲線圖；以及
[0090]圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面在再一種圖像增強(qiáng)技術(shù)之后的結(jié)果圖像；
[0091]圖17是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的圖像處理技術(shù)的實(shí)例；
[0092]圖18是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的用于標(biāo)記檢測的過程；
[0093]圖19和19a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了用于圖像處理技術(shù)的步驟的過程圖；
[0094]圖20是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了用于圖像處理技術(shù)的步驟的過程圖；
[0095]圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了用于圖像處理技術(shù)的步驟的過程圖；
[0096]圖22是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面用于圖像處理技術(shù)中的矩陣；
[0097]圖23是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面示出了用于圖像處理技術(shù)的步驟的過程圖；
[0098]圖24和25是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的成像系統(tǒng)的機(jī)器人臂的示意性表示；
[0099]圖26是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的用于培養(yǎng)皿的掩模的不意性表不；以及
[0100]圖27是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面在環(huán)形照明期間提供有掩模的培養(yǎng)皿的剖面視圖。
[0101]優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明
[0102]本發(fā)明涉及一種用于以全自動(dòng)或半自動(dòng)的方式分析生物標(biāo)本的系統(tǒng)。在本說明書中，術(shù)語“對象”指的是真實(shí)對象，如氣泡或菌落，術(shù)語“標(biāo)記”指的是器皿的特征，如偽影或絹印，術(shù)語“特性”涉及對象的特征。另外，術(shù)語“陪替氏平皿”定義了培養(yǎng)皿的組件和覆蓋培養(yǎng)皿的蓋。
[0103]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)100的實(shí)例。
[0104]系統(tǒng)100包括樣本器皿庫102、自動(dòng)劃線機(jī)104、智能培養(yǎng)箱系統(tǒng)106、處理單元108以及識(shí)別系統(tǒng)110。
[0105]樣本庫102手動(dòng)地或自動(dòng)地生成樣本器皿，生物樣本可以在樣本器皿中生長并被分析。樣本器皿通常為培養(yǎng)皿，盡管也可以使用其它器皿。因此，本文參考培養(yǎng)皿并不是限定性的。
[0106]樣本器皿庫將適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基加到培養(yǎng)皿以使生物樣本能夠生長。利用傳送帶或其它自動(dòng)系統(tǒng)可以將培養(yǎng)皿從樣本器皿庫傳遞到過程的下一個(gè)階段?？商鎿Q地，樣本可以由操作者來傳遞。
[0107]自動(dòng)劃線機(jī)104將生物樣本施加到培養(yǎng)皿，且然后以已知的方式分布樣本。例如，使用長度約等于培養(yǎng)皿半徑的梳狀件將樣本施加在培養(yǎng)皿中。梳狀件被應(yīng)用并且被翻轉(zhuǎn)以將生物樣本散布在培養(yǎng)皿表面上。合適的自動(dòng)劃線機(jī)的實(shí)例由 申請人:以PRnvn Isola商標(biāo)名商業(yè)化。
[0108]一旦生物樣本被分布在培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)基上，操作者手動(dòng)地或利用傳送帶或其它自動(dòng)系統(tǒng)將培養(yǎng)皿傳遞到過程的下一個(gè)階段。
[0109]智能培養(yǎng)箱系統(tǒng)106包括培養(yǎng)箱112和成像系統(tǒng)114。培養(yǎng)皿被引入培養(yǎng)箱中并在預(yù)定溫度下被培育預(yù)定時(shí)間。這導(dǎo)致生物樣本生長，在培養(yǎng)皿的表面上產(chǎn)生大量的微生物菌落。一旦培養(yǎng)皿已經(jīng)按照需要進(jìn)行了培育，培養(yǎng)皿則被傳遞到成像系統(tǒng)114。成像系統(tǒng)是獨(dú)特的、新穎的系統(tǒng)，總的來說，用于產(chǎn)生系統(tǒng)中產(chǎn)生的菌落和培養(yǎng)物的圖像。下文將進(jìn)一步描述成像系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。
[0110]圖像被用在樣本的分析的第一階段。該階段可以識(shí)別菌落以及生物樣本的其它方面以進(jìn)一步幫助和促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的活性和功能。
[0111]在已經(jīng)生成培養(yǎng)皿的圖像之后，接著，培養(yǎng)皿被傳遞到過程的下一個(gè)階段。這可以由傳送帶或其它自動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)地執(zhí)行或由操作者執(zhí)行。
[0112]根據(jù)所需的樣本分析，處理單元108可以采用各種不同的形式。例如，基于所述圖像可以提取特定的菌落，以進(jìn)行進(jìn)一步的分析或處理。此時(shí)，可將許多其它的過程應(yīng)用于培養(yǎng)皿。如果需要的話，培養(yǎng)皿可以被返回到培養(yǎng)箱以進(jìn)一步生長和/或被返回到成像系統(tǒng)。
[0113]在完成所有必要的處理和成像之后，可通過手動(dòng)或自動(dòng)過程將培養(yǎng)皿傳遞到識(shí)別系統(tǒng)110。
[0114]識(shí)別系統(tǒng)110可被用于通過多種不同的方式識(shí)別以菌落的形式存在于培養(yǎng)皿上的微生物。識(shí)別可通過微生物的代謝的分析進(jìn)行且可以是自動(dòng)的或手動(dòng)的。例如利用由 申請人:商業(yè)化的ViTEKL?系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)分析。使用質(zhì)譜技術(shù)同樣可以執(zhí)行所述識(shí)別。其它分析也可以包括檢測抗微生物劑抗性機(jī)制。
[0115]將要理解的是，整個(gè)系統(tǒng)的各種元件可以被改變以實(shí)現(xiàn)不同的功能。另外，某些步驟可以以不同的順序進(jìn)行。
[0116]如前面所提及的，智能培養(yǎng)箱系統(tǒng)是本發(fā)明的重要方面并且包括獨(dú)特的成像系統(tǒng)?，F(xiàn)在，參考圖2a、2b和2c將更詳細(xì)地描述成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)114包括基本單元202。基本單元包括用于產(chǎn)生紅色、綠色和藍(lán)色背光照明的光學(xué)器件和控制電路?；締卧砂刂破?，該控制器可以是具有如圖2b所示的三個(gè)位置的輪子形式。這些位置對應(yīng)于“沒有背景”、“白色背景”和“黑色背景”的不同照明。“沒有背景”位置指的是輪子中的圓形孔150?！鞍咨尘啊蔽恢弥傅氖禽喿又械陌咨尘皥A160?！昂谏尘啊蔽恢弥傅氖禽喿又械暮谏尘皥A170。根據(jù)樣本的性質(zhì)，沒有背景被用于背光，而白色和黑色背景被用于所有其它類型的照明。
[0117]在基本單元上方，有樣本保持單元204。樣本保持單元可包括抽取器，該抽取器能夠滑入和滑出并且包括適于支承培養(yǎng)皿的凹槽206。另外，如圖2c所示，樣本保持單元包括四個(gè)分別為208、210、212和214的紅色、綠色、藍(lán)色水平照明源。四個(gè)照明源被直線地定位在樣本凹槽周圍且是獨(dú)立可控的。在使用中，培養(yǎng)皿的頂部基本與四個(gè)水平照明源的頂部成直線。水平照明源允許用水平的或接近水平的光束照射培養(yǎng)皿。
[0118]應(yīng)當(dāng)注意的是，凹槽的底部是光學(xué)透射的以允許背光照明照射使用中的樣本。樣本保持單元還包括操作四個(gè)水平照明源所需的光學(xué)器件和控制裝置。
[0119]樣本保持單元可包括可替換的方位(未示出)，其中，傳送帶將樣本傳遞到用于成像的位置。抽取器可以由具有樣本保持區(qū)域的傳送帶系統(tǒng)代替，每一個(gè)樣本保持區(qū)域是透明的以允許使用背光。傳送帶系統(tǒng)可將樣本移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?，且然后拍攝所需的圖像。然后，傳送帶將下一個(gè)樣本移動(dòng)到用于成像的位置且將第一樣本移動(dòng)到處理的下一個(gè)階段。這使得能夠在不同的位置且當(dāng)樣本正在移動(dòng)時(shí)進(jìn)行拍攝圖像。
[0120]在另一個(gè)可替換的實(shí)施例中，系統(tǒng)可包括機(jī)器人臂，該機(jī)器人臂能夠?qū)⑴囵B(yǎng)皿裝載到樣本保持器中或裝載到傳送帶上。另外，機(jī)器人臂可以在成像之前移除培養(yǎng)皿的蓋且在那之后將蓋替換。這可以通過倒置培養(yǎng)皿并使蓋脫落來完成。將蓋移除確保在某些照明源照射樣本時(shí)蓋不產(chǎn)生反射。
[0121]如下所述的圖24和25中示出了機(jī)器人臂的可能實(shí)施例。
[0122]另外，為了移入和移出成像區(qū)域，樣本保持單元還可包括用來改變相對于正常位置的樣本位置的機(jī)構(gòu)。例如，樣本保持器可能能夠?qū)颖径ㄎ辉谙鄬μ囟ü馐奶囟ń嵌忍?。也可以利用適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)進(jìn)行樣本的其它運(yùn)動(dòng)，例如旋轉(zhuǎn)。作為結(jié)果，樣本和照明源的任何相對運(yùn)動(dòng)可以通過移動(dòng)樣本保持單元中的樣本或照明源來實(shí)現(xiàn)。變化是無止境的。
[0123]在樣本保持單元具有正常的位置(如成像系統(tǒng)中的輪子上的水平位置)的情況下，掩模可以被加入以改進(jìn)從培養(yǎng)皿的內(nèi)部拍攝的圖像的質(zhì)量。如下所述在圖26中示出了與提供有掩模的培養(yǎng)皿相關(guān)的實(shí)施例。
[0124]成像系統(tǒng)114還包括位于樣本保持單元上方的第一中間單元216。第一中間單元包括分別為218、220、222和224的四個(gè)直線定位的紅色、綠色、藍(lán)色照明源。照明源在使用中適于生成到樣本保持單元中的樣本凹槽上的環(huán)形照明且每一個(gè)照明源是獨(dú)立可控的。可以調(diào)節(jié)環(huán)形照明以從任何適當(dāng)?shù)姆较蛉肷湓跇颖旧?，包括橫向、非橫向或任何其它適當(dāng)?shù)姆轿弧?br>
[0125]成像系統(tǒng)還包括第二中間單元226。第二中間單元包括分別為228、230、232和234的四個(gè)直線定位的紅色、綠色、藍(lán)色照明源。照明源指向上方并從上方單元反射以產(chǎn)生反向環(huán)形照明，在使用中，該反向環(huán)形照明照射樣本凹槽中的樣本且每個(gè)照明源是獨(dú)立可控的。
[0126]成像系統(tǒng)的頭部單元236位于第二中間單元的上方。頭部單元包括白光照明源(其中的四個(gè)被示出)，分別為238、240、242、244、246、248、250和252，它們每一個(gè)是獨(dú)立可控的。八個(gè)照明源在使用中被布置以生成到樣本凹槽上的垂直照明。
[0127]頭部單元還包括圖像捕獲裝置254，如指向樣本凹槽的照相機(jī)。來自任何一個(gè)單元的照明源的任何組合的照射可以指向樣本凹槽。然后，圖像捕獲裝置可以從被照射的樣本凹槽中的任何樣本捕獲圖像。下文將更詳細(xì)地解釋圖像的使用和進(jìn)一步處理。
[0128]頭部單元還可包括用于操作各個(gè)光源的控制板256。除了在每個(gè)單元中控制其功能的控制電路和光學(xué)器件，可以有總體控制系統(tǒng)(未示出)?？刂葡到y(tǒng)可包括計(jì)算機(jī)、顯示單元、處理模塊和圖像增強(qiáng)算法、圖像處理以及任何其它過程或技術(shù)。
[0129]控制系統(tǒng)可被用于控制哪些照明源被用于特定應(yīng)用。另外，對于不同的應(yīng)用，控制系統(tǒng)可以應(yīng)用差分圖像增強(qiáng)技術(shù)和圖像處理。圖像增強(qiáng)技術(shù)是增強(qiáng)圖像的質(zhì)量或使得相關(guān)信息對觀察的專家可見的方法和技術(shù)。下文將更詳細(xì)地進(jìn)行描述的實(shí)例包括:不同圖像的融合，如垂直融合或用于溶血的融合、邊緣照明校正、曝光時(shí)間校正等等。圖像處理是從圖像提取信息以便提供決策支持或自動(dòng)決策。這不必包括圖像修改而是以自動(dòng)的方式確定更高等級(jí)的信息/解釋，下文將更詳細(xì)地進(jìn)行描述的實(shí)例包括:培養(yǎng)皿環(huán)的檢測、標(biāo)記的檢測、生長的檢測(質(zhì)量、分離的菌落、群游)、生長/不生長的全局決策，等等。
[0130]群游意在指示群游運(yùn)動(dòng)，其是快速的(2 - 10 μ m/s)且協(xié)調(diào)細(xì)菌群體在固體或半固體表面上的轉(zhuǎn)移。在沙雷式菌屬、沙門氏菌屬、氣單胞菌屬、芽孢桿菌屬，耶爾森氏菌屬、假單胞菌屬、變形桿菌屬、弧菌屬和埃希氏菌屬中對這種類型的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)做了大量研究。
[0131]控制系統(tǒng)可用于執(zhí)行任何其它功能和/或控制成像系統(tǒng)的操作。這些包括，但不限于，
[0132]-裝載和卸載樣本到樣本凹槽中；[0133]-檢查并調(diào)節(jié)樣本凹槽中的樣本的定位；
[0134]-控制亮度的等級(jí)；
[0135]-控制紅色、綠色、藍(lán)色分量的平衡；
[0136]-控制曝光時(shí)間；
[0137]-控制照明組合；
[0138]-測試系統(tǒng)；
[0139]-校準(zhǔn)系統(tǒng)；以及
[0140]-基于分析的使用和目的的任何其它適當(dāng)?shù)目刂啤?br>
[0141]形成成像系統(tǒng)的單元的每一個(gè)能夠相對于其它單元移動(dòng)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，某些光學(xué)調(diào)節(jié)可能是必要的，以確保樣本被所有源照射。
[0142]參考圖3，現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述成像系統(tǒng)的操作。
[0143]圖3示出了成像系統(tǒng)114的示意圖，用于演示各種照明源以及它們?nèi)绾斡绊懳挥诔上裣到y(tǒng)中的樣本300。樣本300可被接近水平的光束302、304照射。除了由附圖標(biāo)記302和304示出的分量以外，接近水平的光束實(shí)際上包括進(jìn)出紙面的分量。接近水平的光束由圖2的樣本保持單元204中的水平照明源生成。樣本還可以被圖2中的基本單元202產(chǎn)生的背光光束306照射。
[0144]環(huán)形光束308也可以照射樣本300并由第一中間單元216生成。由第二中間單元226生成的反向環(huán)形光束310也可以照射樣本。
[0145]垂直光束312也可以照射樣本并由頭部單元236中的照明源產(chǎn)生。
[0146]垂直光束和背光照明將照明應(yīng)用在相對于培養(yǎng)皿內(nèi)的樣本基本垂直的方向上。這些照明源中的每一個(gè)的光軸也相應(yīng)地垂直于樣本。接近水平的、環(huán)形的和反向環(huán)形照明不垂直于培養(yǎng)皿。類似地，因此，這些源的光軸不垂直于樣本。非垂直源向利用垂直源獲得的那些提供不同范圍或可替換的圖像。這些非垂直源在用它們創(chuàng)建的任何圖像中提供附加的和不同的光學(xué)特性。這確保了菌落的分離和檢測得以改進(jìn)。
[0147]圖3所示的且由圖2中的適當(dāng)?shù)膯卧傻恼彰髟纯梢允侨魏蝺?yōu)選的類型，如在紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)頻率下工作的發(fā)光二極管(LED);簡單的白色光源；紫外(UV)源或任何其它適當(dāng)?shù)妮椛湓?。照明源可以包括例?22個(gè)LED，其包括64個(gè)白色LED、86個(gè)紅色LED,86個(gè)綠色LED和86個(gè)藍(lán)色LED。在任何位置的光源的數(shù)量都可以與本文所示和所述的不同。在每個(gè)相應(yīng)頻率處工作的三組三個(gè)LED將在每個(gè)位置處提供RGB照明。對于不同的照明源，可能存在RGBLED的不同組合。例如，對于背光照明，LED可如圖4a所示的那樣定向。每種類型的照明利用包括特定布置的LED的特定卡提供?；締卧?02利用兩張卡400和402生成背光光束306，每張卡包括三個(gè)為一組布置的多個(gè)二極管。每三組LED404包括紅色、綠色和藍(lán)色LED。樣本的位置在406處示出?？傊?45個(gè)三個(gè)一組的LED位于每張卡上并用于產(chǎn)生背光光束306。除了每三個(gè)一組，可以每次照射紅色、綠色和藍(lán)色LED中的一個(gè)以在另一個(gè)之后生成一種有色照明。
[0148]將意識(shí)到的是，任何適當(dāng)方位和數(shù)量的二極管可被用來代替上述的實(shí)例。另外，可以選擇和使用RGB的不同組合。
[0149]另外，對于UV源，UV照明是通過兩張被同時(shí)照明的卡提供的。例如，每張卡包括500mA 強(qiáng)度的 UVLED。[0150]卡可包括用于確定LED的溫度和可能的像差的傳感器，使得如果問題可以被預(yù)見，可以在連續(xù)操作將各LED中關(guān)閉幾秒鐘。如圖4b所示，在卡400、402和凹槽中的樣本之間可能存在擴(kuò)散器。擴(kuò)散器有助于防止各LED在所得到的畫面中可見并且還有助于使背景光均勻。另外，擴(kuò)散器吸收來自強(qiáng)大的各LED的一些照明。當(dāng)使用直接光照時(shí)，可以使用非常短的曝光時(shí)間以最小化與照相機(jī)引起的所謂的拖尾有關(guān)的任何效應(yīng)。
[0151]圖5示出了位于生成接近水平的光束302、304的樣本保持單元204中的照明源。存在8張卡，每張卡分別覆蓋側(cè)面500、502、504和506的一半長度。每張卡具有8個(gè)三個(gè)一組的RGBLED陣列。可以一起獨(dú)立地或以任何預(yù)定序列控制照明源。8張卡形成樣本抽取器機(jī)構(gòu)的一部分，該樣本抽取器機(jī)構(gòu)包括樣本凹槽。對于不同尺寸的樣本或培養(yǎng)皿，可以使用具有不同尺寸的孔510的透光接口 508。
[0152]參考圖6，在第一和第二中間單元216和226中的四個(gè)照明源中的每一個(gè)分別包括四張卡600、602、604和606，每張卡分別具有如所示定向的10個(gè)RGBLED608陣列。這些陣列在第一中間單元216的情況下產(chǎn)生環(huán)形光束308以及在第二中間單元226的情況下產(chǎn)生反向環(huán)形光束310。每張卡可以被獨(dú)立地控制，使得每張卡可以被一起控制或單獨(dú)地控制。為了防止來自樣本和培養(yǎng)基的不需要的反射，每張卡都配備有如圖4c所示的擴(kuò)散器。所述卡的每一個(gè)可以繞軸線旋轉(zhuǎn)(其中之一如610所示)，使得環(huán)形光束可以被定位以優(yōu)化樣本的照明。此調(diào)整是必要的以確保均勻的照明，而不考慮中間單元相對于樣本的垂直位置。
[0153]圖6示出了用于第一中間單元216的卡的位置。要理解的是，用于第二中間單元226的那些卡將向上指向并且可相應(yīng)地調(diào)整旋轉(zhuǎn)。
[0154]在頭部單元236中的垂直照明源238、240、242、244、246、248、250和252，每個(gè)都包括白色光源，其中每個(gè)源是獨(dú)立受控的，以生成垂直光束312。
[0155]圖像捕獲裝置254適于從上方捕獲樣本的圖像。對于具有90mm直徑的培養(yǎng)皿，將生成IOOmm2的圖像。這通常相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)圖像獲取裝置中的2050pixels2，盡管也可以使用其它像素尺寸，例如2448x2050像素。另外，由于培養(yǎng)皿通常為13mm高的柱形，根據(jù)培養(yǎng)皿內(nèi)的培養(yǎng)基層的高度，成像裝置的景深在± 6mm之間。
[0156]在以上提及的照明的所有例子中，成像裝置254從上方捕獲樣本的圖像。應(yīng)當(dāng)注意的是，照相機(jī)可以在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)拍攝一組連續(xù)的圖像以測量菌落的生長和其它時(shí)間相關(guān)的效應(yīng)。另外，照相機(jī)可以是用于其中菌落的生長過程等等正在被測量的某些應(yīng)用的攝像機(jī)。還可以通過利用合適的傳送帶或機(jī)器人臂使培養(yǎng)皿進(jìn)出成像系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)培養(yǎng)皿的運(yùn)動(dòng)。
[0157]照相機(jī)適于從不同的照明源拍攝不同類型的圖像。通常，圖像序列被拍攝用于特定的應(yīng)用。所述序列包括的步驟:利用特定的照明或照明的組合照射樣本，隨后拍攝特定類型的圖像，如單色、黑色和白色、具有相關(guān)的照明的RGB。然后，利用不同類型的照明或其組合拍攝下一張圖像，且所述序列繼續(xù)直到所有需要的圖像都被拍攝。照相機(jī)被控制在序列內(nèi)以拍攝適當(dāng)類型的圖像。
[0158]例如，照相機(jī)可以包括單色傳感器并使用具有最大速度為每秒17張圖像的逐行掃描CCD技術(shù)。照相機(jī)可以具有12至24伏特直流電的功率消耗。
[0159]現(xiàn)在將描述生成的圖像和圖像增強(qiáng)過程的更多細(xì)節(jié)。
[0160]如前面所提及的，成像系統(tǒng)114中的樣本可以從多個(gè)不同的光源被照射，所述多個(gè)不同的光源從不同的方向擊中樣本。在樣本被照射之后，從上方拍攝樣本的圖像。每個(gè)照明突出了樣本的不同方面。
[0161 ] 背光照明示出了培養(yǎng)皿的細(xì)節(jié)，包括在其基座上的任何標(biāo)記、邊緣的形式和培養(yǎng)皿的蓋；以及樣本中的菌落的布局和密度的詳細(xì)視圖。該照明提供了可以分離菌落、確定相似的菌落之間的差異(例如α和β溶血物種)的信息并通常給出了樣本的內(nèi)含物的視圖。
[0162]接近水平的照明被樣本及其內(nèi)含物折射和反射以形成圖像，該圖像可被用于分離和消除偽影。另外，基于照明被培養(yǎng)基的吸收，該圖像可被用于進(jìn)行校正，如下文將進(jìn)一步詳細(xì)描述的。該圖像也可被用于之后確定菌落覆蓋培養(yǎng)皿的百分比以提供菌落濃度的估計(jì)并確定在非不透明的培養(yǎng)基上的生長或不生長。
[0163]環(huán)形照明指向樣本并由培養(yǎng)基和已形成的任何菌落反射或折射到圖像捕獲裝置。由該照明所生成的圖像的目的是區(qū)分培養(yǎng)基和菌落的顏色的能力。由于一些具有非常明顯的顏色，識(shí)別顏色的能力常常是用于識(shí)別特定微生物的重要工具?？傮w結(jié)果是最接近生物學(xué)家期望看見的特定類型的微生物的視圖，例如，顏色、菌落方面等等。這對識(shí)別培養(yǎng)基中或菌落周圍的顏色上的細(xì)微變化是特別重要的。另外，通過環(huán)形照明生成的圖像允許檢測顯色培養(yǎng)基中的細(xì)菌菌落的下方和周圍的顏色的細(xì)微改變。
[0164]橫向環(huán)形照明是源218、220、222和224中的僅有的一個(gè)的照明。這給出了具有陰影的圖像，其可用于識(shí)別輪廓和起伏。作為照明方向的結(jié)果，所述源中的每一個(gè)將產(chǎn)生不同的陰影效應(yīng)。
[0165]反向環(huán)形照明從頭部單元反射到樣本上。然后，樣本將照明反射或折射到圖像捕獲裝置。由此捕獲的圖像給出樣本中的不同菌落的對比度的細(xì)節(jié)。該圖像還可以增加顏色信息。另外，該圖像可以提供紋理信息；菌落的方面和顏色；關(guān)于群游限制的信息以及關(guān)于菌落的起伏的某些信息，如高度、形式和形狀。
[0166]反向環(huán)形照明生成使得梯度的變化能夠可視化的準(zhǔn)垂直照明。這給出了紋理和粒度信息，并且在檢測不具有較大高度但是具有表面不規(guī)則性的菌落中是有用的。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)不同圖像使用反向環(huán)形照明進(jìn)行拍攝，并隨后將其被組合以便處理圖像的飽和度的可能性。
[0167]垂直照明源從上方照射樣本。該照明被樣本和菌落反射以給出提供詳細(xì)的輪廓信息的圖像。這可用于識(shí)別樣本的起伏和菌落的高度。然后，該信息可以被用來識(shí)別特定類型的微生物，因?yàn)榫涞钠鸱ǔＪ欠浅Ｌ厥獾摹＠?，某些菌落是圓頂形的，另一些是不平整的，其它的是平坦的，等等。
[0168]如上所述，照明源和方向中的每一個(gè)可用于加重和增強(qiáng)不同的圖像特征。通過使用來自不同源和方向的照明可以改變或修改所描述的實(shí)例而不偏離本發(fā)明的范圍。
[0169]此外，對于不同的應(yīng)用，可以使用不同波長的照明，例如紅外線和紫外線。
[0170]本發(fā)明的另一個(gè)重要應(yīng)用是從照明源的組合創(chuàng)建圖像以產(chǎn)生復(fù)合圖像，其可以加重和增強(qiáng)樣本的圖像的一個(gè)以上的特征。例如，背光圖像和環(huán)形圖像的組合在相似的菌落如α或β溶血的某些特征或性能的識(shí)別中可以特別有用。
[0171]可以影響到產(chǎn)生的圖像的另一個(gè)因素是用于使樣本生長的培養(yǎng)基的類型。存在許多不同的培養(yǎng)基；這些包括CPS，其是特別適于使用尿樣識(shí)別大腸桿菌、變形桿菌和KESC的培養(yǎng)基；以及C0S，其是包括用于識(shí)別溶血能力的血液的培養(yǎng)基。[0172]不同的培養(yǎng)基，如CPS和COS在性質(zhì)和顏色上非常不同。作為結(jié)果，作用在其上的照明可以生成不同類型的圖像。因此，不同照明源和源的組合可用于不同的培養(yǎng)基。
[0173]圖7是識(shí)別如上所述的各種類型的照明以及對于某些應(yīng)用那些照明的一組可能用途的表格。如前面所提及的，存在許多不同類型的培養(yǎng)基。這些可以被廣泛地分類為不透明或透明/半透明的培養(yǎng)基。表格指出用于不同類型的培養(yǎng)基的不同類型的照明中的每一個(gè)的潛在用途。表格是自解釋性的并示出了用于進(jìn)行某些應(yīng)用和分析的最佳光條件中的一些。背光被方便地用于顯示不透明的血液培養(yǎng)物中的溶血并給出透明的或半透明的培養(yǎng)物中的培養(yǎng)皿的底部的信息的更好視圖。
[0174]接近水平的照明不適于不透明的培養(yǎng)物但可用于透明和半透明的培養(yǎng)物以去除培養(yǎng)皿偽影并減少灰塵和絹印的影響。
[0175]環(huán)形照明提供用于顏色再現(xiàn)的最佳視圖以提供一種最接近生物學(xué)家常常觀看的圖像。橫向環(huán)形照明也給出良好的顏色再現(xiàn)并且當(dāng)照明來自一側(cè)時(shí)，陰影的生成會(huì)給出一些起伏印記和紋理信息，盡管這使得顏色信息不太均勻。
[0176]反向環(huán)形照明進(jìn)一步產(chǎn)生顏色再現(xiàn)并且還提供帶有顏色信息的紋理和起伏印記。這在獲得群游的精確視圖中特別有用。
[0177]垂直照明對于確定表面信息是有用的，并且還給出了群游的良好視圖，氣泡、灰塵等的檢測。菌落表面和方面的單色信息是容易生成的。
[0178]本發(fā)明所提供的各種照明方向提供了一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由于許多不同類型的照明可被用于獲得生長在樣本中的菌落的圖像。不同的圖像可被用于識(shí)別不同的特征，并且作為結(jié)果提供一種識(shí)別這些特征的改進(jìn)的方法。
[0179]另外，圖像處理可被用于圖像上以生成增強(qiáng)的圖像，當(dāng)分析樣本的菌落和其它方面時(shí)，所述增強(qiáng)的圖像仍然是更加有用的。例如，利用適當(dāng)?shù)乃惴梢宰R(shí)別培養(yǎng)皿的底部上的寫入并將其自動(dòng)地去除。這產(chǎn)生在培養(yǎng)皿上的寫入的清楚的圖像。
[0180]其它算法可被用于促進(jìn)不同的圖像增強(qiáng)技術(shù)。以下部分將識(shí)別圖像增強(qiáng)算法的幾個(gè)實(shí)例，其改進(jìn)了由系統(tǒng)生成的圖像。
[0181]在本發(fā)明中使用的一種類型的照明在生物成像領(lǐng)域中是獨(dú)特的。這是接近水平的光束。在培養(yǎng)皿上使用接近水平的光束意味著該光束通過培養(yǎng)皿的邊緣和蓋子并通過培養(yǎng)基。這引起光的吸收并且就識(shí)別菌落及其特征而言其被預(yù)期不如來自其它方向的光束有用。然而，情況不是這樣。
[0182]接近水平的光束的使用增加了大量的有價(jià)值信息。即使在光束通過培養(yǎng)皿和培養(yǎng)基時(shí)存在照明的大量吸收，情況也是如此。當(dāng)接近水平的光束與菌落碰撞時(shí)，光束朝向圖像捕獲裝置反射和/或折射。這產(chǎn)生清楚地示出菌落的位置的圖像。該結(jié)果可以如圖9a所示。同時(shí)該圖像是有用的，它包括使得菌落識(shí)別非最佳的許多光學(xué)效應(yīng)。例如，培養(yǎng)基可以具有不均勻的表面，該不均勻的表面在樣本的顏色和對比度上有變化。另外，邊緣包括基于培養(yǎng)皿的各種層的顯著干擾，照明通過培養(yǎng)皿的各種層。這使得難以識(shí)別樣本的邊緣處的菌落。
[0183]相應(yīng)地，需要改進(jìn)該圖像的質(zhì)量以使識(shí)別菌落更加容易。本發(fā)明提出了一種用以嘗試改進(jìn)該圖像的質(zhì)量和有用性的邊緣照明校正過程。
[0184]現(xiàn)在參考圖10將描述邊緣照明校正過程。在步驟1000，將空白樣本置于樣本凹槽中。該空白樣本是具有培養(yǎng)基但沒有菌落或其它生物生長的培養(yǎng)皿。
[0185]在步驟1002中，將接近水平的紅色照明施加到空白樣本且在步驟1004中測量紅色吸收。在圖1la中示出了所測量的紅色吸收的實(shí)例。然后，對紅色吸收進(jìn)行建模并在步驟1006產(chǎn)生紅色吸收的模型。在圖1la中也示出了紅色吸收模型。
[0186]在步驟1008中，將接近水平的綠色照明施加到空白樣本且在步驟1010中測量綠色吸收。在圖1ib中示出了所測量的綠色吸收的實(shí)例。然后，對綠色吸收進(jìn)行建模并在步驟1012產(chǎn)生綠色吸收的模型。在圖1lb中也示出了綠色吸收模型。
[0187]在步驟1014中，將接近水平的藍(lán)色照明施加到空白樣本且在步驟1016中測量藍(lán)色吸收。在圖1lc中示出了所測量的藍(lán)色吸收的實(shí)例。然后，對藍(lán)色吸收進(jìn)行建模并在步驟1018產(chǎn)生藍(lán)色吸收的模型。在圖1lc中也示出了藍(lán)色吸收模型。
[0188]紅色、綠色和藍(lán)色吸收的模型被存儲(chǔ)在系統(tǒng)中并且參考特定的空白樣本類型?？赡艽嬖谟糜谠S多不同類型的空白樣本的許多模型。在這種情況下，模型被存儲(chǔ)為單獨(dú)的紅色、綠色和藍(lán)色模型，但是同樣可以被組合并被存儲(chǔ)為RGB或白色吸收模型。基于以上所述的測量，模型可以是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。類似地，可以使用其它類型的模型，如?shù)學(xué)模型或計(jì)算機(jī)生成模型。這樣的模型基于構(gòu)成培養(yǎng)基的化合物的固有吸收性能的組合。同樣，對于不同類型的照明，可以得到不同的模型。例如用于UV照明的模型對于用于RGB照明的模型將是不同的。
[0189]返回到圖10，現(xiàn)在描述應(yīng)用邊緣照明校正的測試樣本分析。在步驟1020，將測試樣本被裝入樣本凹槽。相關(guān)的空白樣本被識(shí)別且相關(guān)聯(lián)的模型被加載到系統(tǒng)中。
[0190]在步驟1022，將接近水平的紅色光束施加到樣本。然后，在步驟1024，由圖像捕獲裝置產(chǎn)生源圖像(紅色)。在步驟1026，用紅色吸收模型校正用于基于紅色的模型的源圖像(紅色)。這一般通過差分處理或算法來實(shí)現(xiàn)。然后，在步驟1028，創(chuàng)建目標(biāo)圖像(紅色)。
[0191]在步驟1030，將接近水平的綠色光束施加到樣本。然后，在步驟1032，由圖像捕獲裝置產(chǎn)生源圖像(綠色)。在步驟1034，用綠色吸收模型校正用于基于綠色的模型的源圖像(綠色)。這一般通過差分處理或算法來實(shí)現(xiàn)。然后，在步驟1036，創(chuàng)建目標(biāo)圖像(綠色)。
[0192]在步驟1038，將接近水平的藍(lán)色光束施加到樣本。然后，在步驟1040，由圖像捕獲裝置產(chǎn)生源圖像(藍(lán)色)。在步驟1042，用藍(lán)色吸收模型校正用于基于藍(lán)色的模型的源圖像(藍(lán)色)。這一般通過差分處理或算法來實(shí)現(xiàn)。然后，在步驟1044，創(chuàng)建目標(biāo)圖像(藍(lán)色)。
[0193]然后，在步驟1046，將三個(gè)目標(biāo)圖像組合成組合的目標(biāo)圖像。在圖9b中示出了組合的目標(biāo)圖像的實(shí)例。
[0194]邊緣照明校正過程使得菌落更明顯且被更好地定義。利用該圖像很容易分離特定的菌落，且然后在該菌落上進(jìn)行進(jìn)一步分析。
[0195]接近水平的光束與本發(fā)明的邊緣照明校正技術(shù)的使用在菌落的識(shí)別和分離中具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。源圖像和目標(biāo)圖像之間的鮮明對比是非常清晰的。如果使用本發(fā)明的邊緣照明校正過程，用戶將具有大得多的機(jī)會(huì)識(shí)別菌落。
[0196]在另一種圖像增強(qiáng)技術(shù)中，考慮并調(diào)節(jié)圖像的曝光時(shí)間，以優(yōu)化曝光時(shí)間。想要優(yōu)化曝光時(shí)間的原因是改進(jìn)菌落相對于培養(yǎng)基的可見性。確定培養(yǎng)皿的必要的曝光時(shí)間是一個(gè)復(fù)雜的問題，其在分析下識(shí)別生長在其中的微生物和菌落。該問題作為這種類型的分析的多個(gè)特定屬性的結(jié)果而出現(xiàn)。[0197]首先培養(yǎng)皿含有培養(yǎng)基，該培養(yǎng)基就透明度、不透明度、暗度、亮度等而言可以具有不同的屬性。另一個(gè)問題是培養(yǎng)皿本身的實(shí)際存在，其可以引起表面和邊緣反射。如果曝光條件并非最佳，區(qū)分菌落和培養(yǎng)基以精確地確定培養(yǎng)皿內(nèi)的菌落的位置可能更加困難。
[0198]圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的用于獲取具有最佳曝光時(shí)間的圖像的過程的流程圖。在第一個(gè)例子中，在步驟1200，識(shí)別獲取序列和培養(yǎng)基類型。獲取序列是一組照明、背景光條件，如“沒有背景”、“白色背景”和“黑色背景”；以及圖像捕獲參數(shù)和順序，它們被重復(fù)多次以進(jìn)行半自動(dòng)化分析。另外，可以考慮其它信息或特征。這包括與用于創(chuàng)建圖像的照明源相關(guān)的特征；物種類型；物種的濃度；等等。在步驟1202，確定每個(gè)圖像的默認(rèn)曝光時(shí)間。默認(rèn)曝光時(shí)間可以是預(yù)定的設(shè)定時(shí)間或可以基于來自曝光時(shí)間數(shù)據(jù)庫1204的歷史數(shù)據(jù)?？梢岳糜糜谀撤N培養(yǎng)基、用于特定樣本和/或用于培養(yǎng)基和樣本的某一組合的最佳曝光時(shí)間填充曝光時(shí)間數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫可以包括與圖像的已知特征中的任何一個(gè)特征或任意組合相關(guān)聯(lián)的默認(rèn)時(shí)間。該信息可以被預(yù)先載入或由來自過程本身的反饋產(chǎn)生。結(jié)果，在步驟1200，一旦特征被識(shí)別，可從數(shù)據(jù)庫1204檢索相應(yīng)的默認(rèn)曝光時(shí)間。數(shù)據(jù)庫可包括指示特定照明源的每一個(gè)的最大和最小曝光時(shí)間的表格。如果沒有已經(jīng)確定的默認(rèn)曝光，該表格可被用于確定默認(rèn)曝光時(shí)間。在步驟1206，建立默認(rèn)曝光時(shí)間，獲取圖像。將默認(rèn)曝光時(shí)間選擇為T0。如果照相機(jī)需要，可以基于色調(diào)飽和度值(HSV)獲得并轉(zhuǎn)化RGB初始圖像。這種情況發(fā)生在本發(fā)明中，但是可能并不總是需要的。
[0199]然后分析所獲取的圖像且在下面的步驟1208計(jì)算最佳理論曝光時(shí)間。參考處理算法，將更詳細(xì)地描述該分析和計(jì)算。在步驟1210，確定是否默認(rèn)曝光時(shí)間和最佳理論曝光時(shí)間是相同的或是不同的。 如果它們不是基本相似的(1212)，過程返回到步驟1206并利用如下所述確定的新的曝光時(shí)間Tl獲取新的圖像。如果在步驟1210默認(rèn)和理論曝光時(shí)間是基本相似的(1214)，在步驟1216，圖像被最終確定。
[0200]在步驟1208，進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)在將參考圖13對其進(jìn)行描述。在步驟1300，所獲取的圖像進(jìn)入所述過程。在步驟1302，檢測培養(yǎng)皿的輪廓。這使得圖像被分成兩個(gè)部分。這些部分是位于培養(yǎng)皿內(nèi)(即在感興趣的領(lǐng)域)和位于培養(yǎng)皿外(即不感興趣的領(lǐng)域)的那些部分。這又使得對應(yīng)于培養(yǎng)皿的壁的環(huán)被分離且然后隨后被忽視。
[0201]在步驟1304，確定培養(yǎng)皿外的部分(I,)和培養(yǎng)皿內(nèi)的部分(I肖)之間的對比度。
[0202]基于培養(yǎng)皿內(nèi)和外的亮度，分別為1^和L,，按如下所述測量對比度。該對比度也可具有對培養(yǎng)基的性質(zhì)以及照明是否已經(jīng)被反射或透射的依賴性。應(yīng)當(dāng)注意的是，COS是暗培養(yǎng)基并在反射和透射下以不同的方式反應(yīng)。由Ii @和II#的亮度(命名為1^和1^)計(jì)算對比度(CP)，如下:
[0203]
【權(quán)利要求】
1.一種用于產(chǎn)生具有表面的生物樣本的圖像的成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: -樣本支座，其在使用時(shí)用于支承生物樣本； -多個(gè)照明源，所述多個(gè)照明源被布置在所述樣本支座周圍并且每一個(gè)在使用時(shí)適于從不同方向照射所述生物樣本； -圖像捕獲裝置，用于捕獲投射在所述生物樣本上的照明，由此形成所述樣本的圖像； 其中所述照明源中的至少一個(gè)的方向不垂直于所述樣本的所述表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述照明源中的至少兩個(gè)的方向?qū)嵸|(zhì)上不共面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)照明源包括以下中的兩個(gè)或兩個(gè)以上:背光源；接近水平的源；朝向所述表面的環(huán)形源；背向所述表面的環(huán)形源；以及垂直源。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，多個(gè)照明源用于生成多個(gè)圖像，該多個(gè)圖像能夠被組合以形成復(fù)合結(jié)果圖像。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)照明源的不同組合能夠用于針對不同的生物分析生成不同的圖像。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，每個(gè)照明源被包括在單元中并且其中每個(gè)單元能夠堆疊在彼此的頂部上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述單元相對于彼此可移動(dòng)。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述樣本相對于所述多個(gè)照明源可移動(dòng)。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述照明源包括紅色、綠色、藍(lán)色源，白色光源或UV源。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述樣本能夠被接近水平的源照射。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，還包括用于增強(qiáng)或處理圖像以實(shí)現(xiàn)對所述樣本的生物分析的處理系統(tǒng)。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其與培養(yǎng)箱系統(tǒng)組合，用于在對樣本進(jìn)行成像之前對樣本進(jìn)行培育。
13.—種包括根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)的用于培育生物樣本的培養(yǎng)箱。
14.一種產(chǎn)生生物樣本的圖像的方法，其中所述樣本具有表面，所述方法包括以下步驟: -利用多個(gè)照明源照射樣本，所述多個(gè)照明源被布置在樣本支座周圍并且每一個(gè)在使用時(shí)適于從不同方向照射所述生物樣本； -捕獲投射在所述生物樣本上的照明，由此形成所述樣本的圖像； 其中所述照射的步驟包括利用所述照明源中的至少一個(gè)照射所述樣本，所述照明源中的所述至少一個(gè)指向不垂直于所述樣本的所述表面的方向。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK103748452SQ201280033489
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月6日
【發(fā)明者】D·德科, 弗萊德瑞克·皮恩斯頓, 丹尼斯·戴瑟利, 紀(jì)堯姆·布瓦西耶, 克里斯多佛·塔切爾, 科琳·菲爾希龍, 羅瑞德·拉比爾, 勞倫·埃拉諾, 萊昂蒂娜·賈科林 申請人:生物梅里埃公司, 原子能與替代能源委員會(huì)