CN105067617A - 一种基于相衬图像和共焦散射显微光谱细胞识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于相衬图像和共焦散射显微光谱细胞识别装置，用于检测待检样品中的早期癌变细胞，包括：光源照明单元，用于发射和传输光；相衬成像单元，包括相衬显微镜和相机；共焦光谱信息获取单元，包括光谱仪，用于收集被所述待检样品散射的另一部分所述耦和透镜组聚焦光照射到样品，被样品散射的光再被耦和透镜接收和传输，得到含有所述细胞成分信息的光谱；图像处理与光谱分析单元，用于接收所述相衬图像和所述光谱，并计算分析得出所述待检样品中的细胞的同正常细胞匹配的定性和定量结果；以及控制单元，用于控制所述光源照明单元、所述相衬成像单元控制、所述共焦光谱信息获取单元、所述图像处理与光谱分析单元正常工作。

Description

一种基于相衬图像和共焦散射显微光谱细胞识别装置及方法

技术领域

本发明涉及一种检测细胞的装置及方法，尤其是涉及一种能同时获得细胞形态和主成分的细胞识别装置及方法。

背景技术

早期癌症检测是目前医学界的重大课题。传统的检测技术往往在肿瘤达到某种尺寸才能发现，这往往耽误最佳治疗时间。如果在细胞早期少量癌变时就能检测出来，将会极大的帮助癌症患者和医生早发现，早干预，早治疗，提高癌症患者的生存时间和生存质量。

生物组织癌变过程中，癌变细胞的形态和结构相对正常细胞存在很大的差别，这些差别体现在：癌细胞的体积较正常细胞大，细胞核也明显增大且外形不规则，细胞核包含的脱氧核糖核酸(DNA)内含物和染色体的质地也会有变化。据此，癌细胞形态和生化成分的差异和变化必然会对细胞的图像和光学光谱特性产生重大影响，检测和识别癌细胞同正常细胞的细胞图像和光学光谱特性的异同程度可以作为辅助医生识别早起癌细胞的一种指标。

医学理论和临床诊断实践和研究结果表明，肿瘤诊断的金标准是病理切片的显微观察，但是显微图像也只是反应细胞的形态特征，另一方面分析费时费力，医生的临床经验等主观因素较多地影响诊断结果。当前开发的基于光学方法的检测手段都存在一些缺陷：内窥式激光共聚焦显微镜作为当前研究的热点，也只能得到组织细胞三维形态的变化，给出定性的疾病分析，与传统的病理分析相比，只是可以实现在体，无创，实时地细胞成像分析，其结果仍然是定性的；光谱分析技术具有快速、灵敏、准确等独特的优点，但目前光谱研究都是针对组织层面的，只能得到组织体的平均光学特性，没有达到细胞层面，无法适应早期数量较少且没有聚集的癌细胞的识别检测，同时单个较少癌细胞的信号会湮没在别的正常细胞中，必然导致检测分析的分辨率不高，特异性较差。因而，开发一种辅助医生实现对少量异常细胞的识别和监测从而可以定量的识别异常细胞同正常细胞的图像和光谱信息差别程度的装置和方法是有实际迫切需要的。

发明内容

本发明是为解决上述问题而提出的，提供了一种基于相衬图像和共焦散射显微光谱细胞识别装置，用于检测待检样品中的早期癌变细胞，包括：

光源照明单元，用于发射和传输光，包括光源和光纤耦合器，耦合透镜组；

相衬成像单元，设置于所述耦合透镜组的光线照射的样品后，包括相衬显微镜和相机，所述待检样品放置于所述相衬显微镜上，

一部分所述耦和透镜组聚焦光照射到样品，穿过所述待检样品，进入所述相衬显微镜，得到所述待检样品中细胞的相衬图像，所述相机用于采集所述相衬图像；

共焦光谱信息获取单元，包括光谱仪，用于收集被所述待检样品散射的另一部分所述耦和透镜组聚焦光照射到样品，被样品散射的光再被耦和透镜接收和传输，得到含有所述细胞成分信息的光谱；

图像处理与光谱分析单元，用于接收所述相衬图像和所述光谱，并计算分析得出所述待检样品中的细胞的同正常细胞匹配的定性和定量结果；以及

控制单元，用于控制所述光源照明单元、所述相衬成像单元控制、所述共焦光谱信息获取单元、所述图像处理与光谱分析单元正常工作；

其中，所述光纤耦合器，设置于光源的光路上，和光源之间由光纤连接；耦合透镜组，包括准直透镜和汇聚透镜；所述光纤耦合器有两个通道，一个通道用于传导所述光源发出的照明光进入所述耦合透镜组后穿过所述待检样品并进入所述相衬显微镜，另一个通道用于传输被所述待检样品背向散射光到所述光谱仪。

本发明提供的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，为了节省成本便于普及应用或者获得更高准确度的结果，还可以具有这样的特征：其中，所述的光源为白光光源，所述白光光源为卤素灯光源或白光激光器。

本发明提供的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，还可以具有这样的特征：所述共焦光谱信息获取单元包括光纤耦合器和光纤束，光纤耦合器位于所述光谱仪和所述耦合透镜之间，光纤束同光纤耦合器相连，耦合透镜接收样品散射光，再经光纤耦合器耦合并由光纤束传输到所述光谱仪。

本发明提供的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，为了方便调节待检样品的位置来选择目标细胞，以获取高质量的相衬图像和光谱信息，还可以具有这样的特征：所述相衬成像单元还包括三维扫描平台，设置于所述耦合透镜组与相衬显微镜间，用于驱动所述待检样品在三维位置的扫描。

本发明提供的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，为了便于信息交换，还可以具有这样的特征：其中，所述相机为CCD相机，所述光谱仪为光纤CCD光谱仪。

本发明还提供一种利用本发明的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置进行早期癌细胞识别的方法，包括以下步骤：

步骤一，将所述待检样品放置在所述三维扫描平台上；

步骤二，通过所述控制单元操纵装置获取所述光谱和所述相衬图像；

步骤三，所述图像处理与光谱分析单元分析处理所述光谱和所述相衬图像，获得所述待检样品中细胞与癌细胞的匹配程度的定性和定量结果。

本发明提供的利用基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置进行早期癌细胞识别的方法，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤三包括对所述光谱进行主成分分析得出所述待检样品中细胞的主要特征，即细胞的主成分，作为神经网络的输入信息，通过神经网络组合算法自动得到细胞的类别；在利用图像模糊识别算法识别所述待检样品中细胞结构上同正常细胞的定量差别结果。

发明作用与效果

基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，利用共焦光谱信息获取单元、相衬成像单元来获取待检样品的相衬图像和散射光谱，同时使用图像处理与光谱分析单元对获取的光谱和相衬图像做分析，同时相衬图像可以快速的获取目标细胞的三维形态，综合光谱提供的细胞主成份信息和相衬图像提供的细胞形态信息，将这些信息同正常细胞对比，从而定性和定量的给出目标细胞是否为癌细胞的结论。

附图说明

图1为本发明的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置结构框图；

图2为本发明的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置的光路图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置作具体说明。

图1为本实施例的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置组成示意图。

如图1所示，基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置100包括：

光源照明单元10，用于发射和传输光，

共焦光谱信息获取单元11，用于收集被所述待检样品散射的另一部分所述平行光，得到含有所述细胞成分信息的光谱；

相衬成像单元12，设置于所述平行光的光路上，一部分所述平行光穿过所述待检样品，得到所述待检样品中细胞的相衬图像；

图像处理与光谱分析单元13，用于接收所述相衬图像和所述光谱，并计算分析得出所述待检样品中的细胞的同正常细胞匹配的定性和定量结果；以及控制单元，用于控制所述光源照明单元10、所述共焦光谱信息获取单元11、所述相衬成像单元11、所述图像处理与光谱分析单元13正常工作。

其工作过程是：光源照明单元10发出的光照射到待检样品后分别将形成的图像信息和散射光传输到所述相衬成像单元11和所述共焦光谱信息获取单元11；

共焦光谱信息获取单元11接收携带细胞信息的背向散射的光信号，获取光谱信息进入图像处理与光谱分析单元13进行分析；

相衬成像单元11获取反映细胞形态和结构的相衬图像信息进入图像处理与光谱分析单元13；

图像处理与光谱分析单元13同时获取被测细胞的相衬图像和反映生化成分的光谱信息，综合分析光谱信息和相衬图像信息得出待检样品中细胞同正常细胞的定量差别的定性和定量结果。

图2为本实施例的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置的光路图

如图2所示，在基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置的***光路图中，所述的所述光源照明单元10包括光源101和位于光源101光路上的光纤耦合器102和耦合透镜组103(包括准直透镜和会聚透镜)，所述光源101中的光源为传统的白光光源——卤素灯光源，用于提供照明光，波长在390—2900nm，这样可以大大降低***成本；也可以采用白光激光器，这样可以提供***的分辨能力。光源101同光纤耦合器102之间用光纤连接。照明光经光纤耦合器102的一个通路传输进入耦合透镜组103，光线经耦合透镜组103由发散变为聚焦光线到被测样品上。

所述的相衬成像单元12，包括相衬显微镜121和设置于其上的CCD相机122，其中相衬显微镜121具有相衬板1211，相衬显微镜121上安装有三维样品台1212，用于代替一般的载物台。将被照明的待检样品的待测细胞在三维样品台1212上定位，调节相衬显微镜121获取被测细胞的相衬图像，观测细胞形态结构；通过CCD相机122接收相衬图像并传输到图像处理与光谱分析单元13，用于图像的存储和分析。

所述的光纤共聚焦光谱分析单元11，包括光纤束111和光纤CCD光谱仪112，光纤束111同光源照明单元10中的光纤耦合器102的另一个通路连接，光纤耦合器102中一个通路传输光源101照射光到耦合透镜组103后被聚焦照射到被测样品上，同时样品上包含样品散射和吸收特性的后向散射光信号由耦合透镜组103收集耦合到光纤耦合器102的另一个通路中经由光纤束111传输并被同光纤束111连接的光纤CCD光谱仪112接收检测，实现光电信号的转换。其中三维扫描平台1212用于调整被测细胞的位置。光纤CCD光谱仪112实现光电信号转换后，传输到图像处理与光谱分析单元13获取和分析被测细胞的信号光谱。

所述的图像处理与光谱分析单元13，其操纵由一台通用计算机完成，包括图像处理与光谱分析两个模块，其通过数据采集卡将光纤CCD光谱仪112和CCD相机122同通用计算机连接用于计算机和CCD光谱仪112和CCD相机122的通信，并由通用计算机分析光纤CCD光谱仪112传输的被测细胞的信号光谱；同时，也接收CCD相机122传输的细胞显微图像信息。最终，所获取的信息经过通用计算机的计算分析，特别是通过光谱主成分和神经网络组合算法自动识别细胞的种类，图像模糊识别算法分析被测细胞的形态等计算机特定运算，将结果以可视化的图像和图表，文字等信息展现在操纵者面前。

控制单元也由通用计算机完成，其与光纤CCD光谱仪112和CCD相机122以及图像处理与光谱分析单元13相连接，在通用计算机由控制软件完成整个的控制操纵。

整个***中，光源101提供的照明光经光纤耦合器102传输，通过耦合透镜组103，聚焦并定位到被测细胞样品上，光纤接收样品的后向散射信号光，经过光纤束111输出，传输到光纤CCD光谱仪112，输入图像处理与光谱分析单元13获取细胞的光谱信息。耦合透镜组112的光轴与相衬显微镜121的成像物镜的光轴重合，这样可以使用同一照明光源同时为两个检测***(光纤共聚焦光谱分析单元11和相衬成像单元12)提供照明，也便于通过相衬显微镜121和CCD相机122接收被测细胞的相衬图像，这样就使得图像处理与光谱分析单元13同时获取了被测细胞的光谱信息和形态信息。其中光纤的数值孔径与耦合透镜组103的数值孔径相匹配，这样做能提高光能的传输效率，更好地利用光能量，提高测量细胞内部的结构形态和成分信息的对比度。

使用时，以实施例中将光纤CCD光谱仪112和CCD相机122连接到数据采集卡并与通用计算机的相应端口相连，使用设计好的软件来实现计算机化操纵。以待检的样品为一小块人体组织为例，其操纵步骤如下：

步骤一，将所述待检样品放置在所述三维扫描平台上；

步骤二，通过所述控制单元操纵装置获取所述光谱和所述相衬图像，这一步的操作都由监测人员在通用计算机上完成；

步骤三，所述图像处理与光谱分析单元分析处理所述光谱和所述相衬图像，获得所述待检样品中细胞与癌细胞的匹配程度的定性和定量结果。

上述步骤三，其中还包含以下的计算机软件计算分析步骤：

步骤一，所述图像处理与光谱分析单元接收所述相衬图像和所述光谱；

步骤二，根据所述光谱，基于主成分分析方法得到不同种类细胞的主成分，用于区分不同种类细胞的神经网络输入信息；

步骤三，运行神经网络组合算法分析所述显微光谱并结合所述步骤二中所述主成分初步识别所述待检样品中细胞同癌细胞的匹配程度；

步骤四，运行图像模糊识别算法识别所述相衬图像中细胞的形态；

步骤五，调用自带的正常细胞的相衬图像和光谱，并将其与所述相衬图像和所述光谱进行进一步对比，并与所述步骤四细胞形态结论结合，综合计算分析出匹配度；

实施例的作用和有益效果

基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，利用共焦光谱信息获取单元、相衬成像单元来获取待检样品的相衬图像和散射光谱，同时使用图像处理与光谱分析单元对获取的光谱和相衬图像做分析，融合了光谱分析技术具有快速、灵敏、准确等独特的优点来分析目标细胞的主成份，同时相衬图像可以快速的获取目标细胞的三维形态，综合光谱提供的细胞主成份信息和相衬图像提供的细胞形态信息，将这些信息同正常细胞对比，从而定性和定量的给出目标细胞是否为癌细胞的结论。

基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置使用相衬显微成像可以将未染色的细胞结构，也就是无明显吸收和荧光信息的细胞结构通过细胞不同位置的位相信息成像出来，这样就大大的简化了检材的前处理过程，节省了时间和试剂成本，特别是将一些不方便或不能用传统荧光检测的情形也纳入了检测的范围，扩大了癌细胞早期检测的对象。

基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，使用的光源为卤素灯光源，这样可以大大降低***成本，也可以采用白光激光器，这样可以提高***的分辨能力。

基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置中的光处理单元采用的光纤耦合器将入射光和接收传输的散射光分路传输，实现了相衬成像和光谱采集共用一个光路***，大大的简化了光路，使光路结构简单，便于操纵，节省了成本。

基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置中的光信号采集分别采用光纤CCD光谱仪CCD相机，输出的直接为数字信息，方便了后续的计算机处理。

Claims (7)

1.一种基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，用于检测待检样品中的早期癌变细胞，其特征在于，包括：

光源照明单元，用于发射和传输光，包括光源和光纤耦合器，耦合透镜组；

相衬成像单元，设置于所述耦合透镜组的光线照射的样品后，包括相衬显微镜和相机，所述待检样品放置于所述相衬显微镜上，

一部分所述耦和透镜组聚焦光照射到样品，穿过所述待检样品，进入所述相衬显微镜，得到所述待检样品中细胞的相衬图像，所述相机用于采集所述相衬图像；

共焦光谱信息获取单元，包括光谱仪，用于收集被所述待检样品散射的另一部分所述耦和透镜组聚焦光照射到样品，被样品散射的光再被耦和透镜接收和传输，得到含有所述细胞成分信息的光谱；

图像处理与光谱分析单元，用于接收所述相衬图像和所述光谱，并计算分析得出所述待检样品中的细胞的同正常细胞匹配的定性和定量结果；以及

控制单元，用于控制所述光源照明单元、所述相衬成像单元控制、所述共焦光谱信息获取单元、所述图像处理与光谱分析单元正常工作；

其中，所述光纤耦合器，设置于光源的光路上，和光源之间由光纤连接；耦合透镜组，包括准直透镜和汇聚透镜；所述光纤耦合器有两个通道，一个通道用于传导所述光源发出的照明光进入所述耦合透镜组后穿过所述待检样品并进入所述相衬显微镜，另一个通道用于传输被所述待检样品背向散射光到所述光谱仪。

2.如权利要求1所述的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，其特征在于：

其中，所述的光源为白光光源，所述白光光源为卤素灯光源或白光激光器。

3.如权利要求1所述的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，其特征在于：

所述共焦光谱信息获取单元包括光纤耦合器和光纤束，光纤耦合器位于所述光谱仪和所述耦合透镜之间，光纤束同光纤耦合器相连，耦合透镜接收样品散射光，再经光纤耦合器耦合并由光纤束传输到所述光谱仪。

4.如权利要求1所述的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，其特征在于：

所述相衬成像单元还包括三维扫描平台，设置于所述耦合透镜组与相衬显微镜间，用于驱动所述待检样品在三维位置的扫描。

5.如权利要求1所述的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置，其特征在于：

其中，所述相机为CCD相机，所述光谱仪为光纤CCD光谱仪。

6.一种利用权利要求1中所述的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置进行早期癌细胞识别的方法，包括以下步骤：

步骤一，将所述待检样品放置在所述三维扫描平台上；

步骤二，通过所述控制单元操纵装置获取所述光谱和所述相衬图像；

步骤三，所述图像处理与光谱分析单元分析处理所述光谱和所述相衬图像，获得所述待检样品中细胞与癌细胞的匹配程度的定性和定量结果。

7.如权利要求7中所述的基于相衬图像和共焦散射显微光谱的细胞识别装置进行早期癌细胞识别的方法，其特征在于：

其中，所述步骤三包括对所述光谱进行主成分分析得出所述待检样品中细胞的主要特征，即细胞的主成分，作为神经网络的输入信息，通过神经网络组合算法自动得到细胞的类别；在利用图像模糊识别算法识别所述待检样品中细胞结构上同正常细胞的定量差别结果。