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原文传递基于图像的细胞分选系统和方法

专利名称：	基于图像的细胞分选系统和方法
摘要：	公开了用于流动系统中的粒子的成像和基于图像的分选的系统、装置和方法，包含流式细胞仪中的细胞。在一些方面，一种系统包含：粒子流装置，其用于使粒子流过通道；成像系统，其用于在流过所述通道期间获得粒子的图像数据；处理单元，其用于确定与所述粒子相关联的性质并产生用于基于与粒子性质相关联的分选标准对所述粒子进行分选的控制命令；以及致动器，其用于将所述粒子实时地引导到所述粒子流装置的多个输出路径之一中。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	美国;US
申请人：	加利福尼亚大学董事会
发明人：	卢煜华;韩媛媛;顾义;张策
专利状态：	有效
申请日期：	2017-06-09T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-07T00:00:00+0800
申请号：	CN201780046504.9
公开号：	CN109863384A
代理机构：	北京英赛嘉华知识产权代理有限责任公司
代理人：	王达佐;洪欣
分类号：	G01N15/14(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	美国加利福尼亚州
主权项：	1.一种基于图像的粒子分选系统，其包括：粒子流装置，其构造成包含：基板；形成在所述基板上的通道，所述通道能够操作以使细胞沿着流动方向流动到所述通道的第一区域；以及在靠近所述通道中的所述第一区域的第二区域处从所述通道分叉的两个或两个以上输出路径；成像系统，其与所述粒子流装置介接，并且能够操作以在流过所述通道期间细胞位于所述第一区域时获得与所述细胞相关联的图像数据；与所述成像系统通信的数据处理和控制单元，所述数据处理和控制单元包含处理器，所述处理器被配置成处理由所述成像系统获得的所述图像数据，以从所述处理的图像数据确定与所述细胞相关联的一个或多个性质，并且基于所述确定的一个或多个性质与分选标准的比较来产生控制命令，其中所述控制命令是在所述细胞在所述通道中流动期间产生的，并且指示基于从对应于所述细胞的图像信号数据确定的一个或多个细胞性质确定的分选决策；以及致动器，其可操作地联接到所述粒子流装置并且与所述致动器通信，所述致动器能够操作以基于所述控制命令将所述细胞引导到所述两个或两个以上输出路径中的输出路径中，其中所述系统能够操作以在从由所述成像系统进行图像捕获的第一时间到由所述致动器进行粒子引导的第二时间的15毫秒或更短的时间帧范围内在所述通道中的流动期间对所述细胞中的每一个进行分选。 2.根据权利要求1所述的系统，其中所述粒子流装置包含微流体装置或流动池，所述微流体装置或流动池与所述微流体装置或所述流动池的所述基板上的所述致动器集成。 3.根据权利要求1所述的系统，其中所述致动器包含压电致动器，所述压电致动器联接到所述基板并且能够操作以产生偏转以使所述细胞在所述第二区域中在某一方向上移动，从而沿着轨迹将所述细胞引导到所述两个或两个以上输出路径中的所述输出路径。 4.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像系统包含：一个或多个光源，所述光源用于在所述粒子流装置的所述第一区域处提供输入光；以及光学成像器，所述光学成像器用于从所述第一区域中的所述输入光照射的所述细胞中捕获所述图像数据。 5.根据权利要求4所述的系统，其中所述一个或多个光源包含激光器或发光二极管(LED)中的至少一种。 6.根据权利要求4所述的系统，其中所述光学成像器包含显微镜的物镜，所述物镜光学联接到空间滤波器、发射滤波器和光电倍增管。 7.根据权利要求6所述的系统，其中所述光学成像器进一步包含一个或多个光导元件，以在所述第一区域处引导所述输入光，以将由所述细胞发射或散射的光引导到所述光学成像器的光学元件，或两者。 8.根据权利要求7所述的系统，其中所述光导元件包含分色镜。 9.根据权利要求6所述的系统，其中所述光学成像器包含两个或两个以上光电倍增管，以基于由所述细胞发射或散射的两个或两个以上光带或者两个或两个以上类型的光产生两个或两个以上对应信号。 10.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据处理和控制单元的所述处理器包含并行的现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)或FPGA和GPU。 11.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据处理和控制单元被配置成接收包含与在所述粒子流装置上的所述第一区域中成像的所述细胞相关联的时域信号数据的所述图像数据，处理所述图像数据以产生代表所述细胞的图像的图像数据集，分析所述产生的图像数据集以从与同所述细胞相关联的所述一个或多个性质相关联的所述图像数据集中提取一个或多个参数，并且基于所提取的一个或多个参数与所述分选标准的一个或多个阈值的比较来确定所述控制命令。 12.根据权利要求11所述的系统，其中所述数据处理和控制单元被配置成处理所述图像数据以通过对所述图像数据进行滤波、基于所述经滤波数据重建第一图像、以及调整所述重建的第一图像的大小以产生第二图像来产生所述图像数据集，其中所述第二图像包含二值图像数据。 13.根据权利要求1所述的系统，其中与所述细胞相关联的所述一个或多个性质包含以下一项或多项：所述细胞的或所述细胞上的特征的数量或大小、附着于所述细胞的一个或多个粒子，或所述细胞的特定形态或所述细胞的一部分。 14.根据权利要求1所述的系统，其中所述分选标准包含细胞轮廓、细胞大小、细胞形状、细胞核大小、细胞核形状、荧光图案或荧光颜色分布。 15.根据权利要求1所述的系统，其中与所述细胞相关联的所述一个或多个性质包含所述细胞的生理性质，包含：细胞生命周期阶段、所述细胞对蛋白质的表达或定位、所述细胞对基因的表达或定位、对所述细胞的损伤或所述细胞对物质或粒子的吞噬。 16.根据权利要求15所述的系统，其中对所述细胞的所述确定的损伤包含DNA损伤。 17.一种用于基于图像的粒子分选的方法，其包括：获得流过粒子流装置的通道的细胞的图像信号数据；处理所述图像信号数据以产生代表所述细胞的图像的图像数据集；分析所述产生的图像数据集以从所述处理的图像数据中识别所述细胞的一个或多个性质；利用分选标准评估所述细胞的述一个或多个识别的性质以产生控制命令从而基于在所述粒子流装置中的细胞流动期间从对应于所述细胞的所述图像信号数据中确定的一个或多个细胞性质对所述细胞进行分选；以及基于所述控制命令将所述细胞引导到所述粒子流装置的多个输出路径之一中。 18.根据权利要求17所述的方法，其中在15毫秒或更短的时间帧内在所述细胞在所述通道中流动期间执行所述获得、所述处理、所述分析、所述产生和所述引导操作。 19.根据权利要求17所述的方法，其中所述产生所述控制命令包含从所述细胞的与所述细胞的所述识别的一个或多个性质相关联的所述处理后图像数据中提取一个或多个参数，以及将从所述图像中提取的一个或多个参数与所述分选标准的一个或多个阈值进行比较。 20.根据权利要求17所述的方法，其中所述处理所述图像信号数据以产生所述图像数据集包含：对所述图像信号数据进行滤波；基于所述经滤波数据重建第一图像；以及调整所述重建的第一图像的大小以产生第二图像，其中所述第二图像包含二值图像数据。 21.根据权利要求17所述的方法，其中所述处理所述图像信号数据包含在产生代表所述细胞的所述图像的所述图像数据集之前检测所述细胞的存在。 22.根据权利要求21所述的方法，其中所述检测所述细胞的存在包含：计算与所述图像信号数据的信号强度的量值相关联的亮度值；用第一阈值评估所述亮度值；当所述亮度值超过所述第一阈值时确定导数值；评估所述导数值超过第二阈值；以及确定所述导数值超过所述第二阈值。 23.根据权利要求17所述的方法，其中与所述细胞相关联的所述一个或多个性质包含以下一项或多项：所述细胞的或所述细胞上的特征的数量或大小、附着于所述细胞的一个或多个粒子，或所述细胞的特定形态或所述细胞的一部分。 24.根据权利要求17所述的方法，其中所述分选标准包含细胞轮廓、细胞大小、细胞形状、细胞核大小、细胞核形状、荧光图案或荧光颜色分布。 25.根据权利要求17所述的方法，其中与所述细胞相关联的所述一个或多个性质包含所述细胞的生理性质，包含：细胞生命周期阶段、所述细胞对蛋白质的表达或定位、所述细胞对基因的表达或定位、对所述细胞的损伤或所述细胞对物质或粒子的吞噬。 26.根据权利要求25所述的方法，其中对所述细胞的所述确定的损伤包含DNA损伤。
所属类别：	发明专利