CN110672501A - 包括无透镜成像***的剂量计 - Google Patents

Abstract

一种方法包括使在传感器表面和显微术样本室的表面之间移位的样本成像，以产生该样本的至少一部分的图像。所述图像使用无透镜光学显微术产生，所述样本至少包含来自对象的血液。该方法还包括自动区分图像中的不同类型的细胞；基于自动区分生成一种或多种细胞类型的计数；以及基于该计数得到对象吸收的辐射剂量。

Description

包括无透镜成像***的剂量计

本申请是申请日为2014年12月16日、申请号为201480075775.3、发明名称为“包括无透镜成像***的剂量计”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请具有于2013年11月17日提交的美国临时专利申请61/917,195的申请日的优先权。该申请还涉及于2009年10月28日提交的美国专利申请61/255,781；于2010年10月27日提交的美国专利申请12/913,639；于2011年4月27日提交的美国专利申请13/095,175；于2013年2月6日提交的美国专利申请61/761,467；于2013年3月14日提交的美国专利申请61/785,762；以及于2013年6日26日提交的美国专利申请61/839,735。所有这些在先前句子中提及的申请的全部内容作为引用并入本文。

技术领域

本公开涉及包括无透镜成像***的剂量计以及与该剂量计相关的方法和***。

背景技术

在一些方法中，通过分析外周血液淋巴细胞中的染色体异常(比如双着丝粒和环形形式)来测量辐射剂量的生物反应或生物剂量测定法。替代地或额外地，还可通过使用例如电子顺磁共振来检测牙釉质中的辐射诱导自由基来执行该测量。

在其它方法中，通过监控在辐射暴露之后在几小时或几天内发展的剂量依赖性、辐射诱导淋巴球减少症、嗜中性白血球减少症、白血球减少症、血小板减少症和/或全血细胞减少症来执行生物剂量测定法。通常，该监控由熟练技术人员使用复杂的仪器来执行。在一些情形中，流式细胞仪和显微镜可用于相关血液分析。

发明内容

总体上，在一方面，一种方法包括使在传感器表面和显微术样本室表面之间移位的样本成像，以产生该样本的至少一部分的图像。该图像使用无透镜光学显微术产生，该样本至少包含来自对象的血液。该方法还包括自动区分图像中的不同类型的细胞、基于该自动区分生成一种或多种细胞类型的计数以及基于该计数得到对象吸收的辐射剂量。

总体上，在另一方面，一种设备包括无透镜成像***和处理器。无透镜成像***包括显微术样本室和具有共同传感器表面的传感器阵列。该室包括上表面。上表面和传感器表面之间的空间用于接收要成像的样本。处理器构造成自动接收由无透镜成像***生成的样本的至少一部分的图像。该样本至少包含来自对象的血液。处理器还构造成自动显示与被对象吸收的辐射剂量相关的信息。

方法和/或设备的实施可包括下列特征中的两个或更多个的一种或任何组合。生成一种或多种细胞类型的计数包括生成淋巴细胞的计数。基于淋巴细胞的计数估计淋巴细胞的耗减。该样本是在第一时间从对象取得的第一样本，淋巴细胞的计数是对于淋巴细胞的第一计数，使在第二不同时间从对象取得的第二样本成像，基于第二样本生成淋巴细胞的第二计数，基于淋巴细胞的第一和第二计数估计淋巴细胞耗减。该样本包含分布在样本的血液细胞中的参照珠(fiduciary bead)。基于颜色、细胞尺寸、细胞核形状和细胞核尺寸中的一个或多个来区分不同类型的细胞。用对于成像样本的体积的校正生成一种或多种细胞类型的计数。该样本包含来自对象的稀释血液，用对于血液的稀释的校正生成一种或多种细胞类型的计数。该样本包含抗凝血剂、稀释剂、着色剂、抗体、红细胞裂解液和其它试剂中的一个或多个。生成一种或多种细胞类型的计数包括基于检测与一种或多种细胞类型相关的一个或多个表面抗原来生成该计数。在不使用透镜的情况下执行成像。该成像包括以一百万像素或更高的分辨率来成像。该成像包括通过提升和降低显微术样本室的表面来快速再混合和再取样移位的样本。该图像包含与分布在样本中的仅单层中的细胞有关的信息。传感器阵列形成在CMOS芯片中。传感器阵列中的每个传感器具有约2μm乘2μm或更小的尺寸。处理器构造成自动分析包含在图像中的数据。自动分析数据包括对图像中的不同类型的细胞进行分类。该处理器构造成生成一种或多种细胞类型的计数。该处理器构造成基于该计数得到对象吸收的辐射剂量。该处理器构造成将接收的图像自动输送至该设备外部的机器，以使该机器处理包含在图像中的信息，并提供与辐射剂量有关的信息。存在网络接口将该设备经由有线或无线连接而连接到网络。该设备是手持装置。传感器包括能够进行无透镜光学显微术的数字图像传感器。

实施可提供下列优点中的一个或多个。

包括无透镜成像***的剂量计可提供快速即时(point-of-care)地确定在辐射暴露之后由对象吸收的辐射剂量。各装置可由病人操作来进行自我评估或者在现场由非熟练操作者在没有特殊训练的情况下操作。剂量计的尺寸是紧凑的，并且是便携式的，例如可在口袋中。它们以低成本制造，从而允许例如针对大群体的快速分诊进行广泛和快速配置。剂量计实施平台光学显微技术，并适于额外能力，比如计数任何类型的正常血液细胞、检测异常血液细胞或寄生物以及化学分析血液或其它流体。装置的修改或维护即使在现场中也易于执行。与剂量计一起使用的样本易于制备，例如从病人的手指中收集或者使用具有预加载材料的吸液管制备，并被高速转移至剂量计，例如以每个样本小于1分钟的速度。剂量计使用的吞吐量可以较高，例如每小时30测试或更多。

从说明书和附图以及从权利要求中，本发明的其它特征、目的和优点是明显的。

附图说明

图1是检测和使用代表样本的光的***的部分截面的示意性侧视图。

图2是用于检测和使用代表样本的光的元件的示意性侧视截面图。

图3是剂量计的示意性框图。

图4是流程图。

图5A是在对样本中的细胞分类之前，血液样本的像场的一部分的放大图。

图5B是血液样本的像场的一部分的放大图，显示出被分类的细胞。

图6是对由本公开的剂量计确定的血液样本的淋巴细胞计数的线性回归分析，与通过当前医院标准仪器测量的相同血液样本的淋巴细胞计数对比绘制。

附图及所示元件并不总是依比例绘制，许多是示意性示出。附图中的元件的空间关系可与说明书文字中的不同，例如，上方和下方以及顶部和底部在附图中可以与在说明书文字部分中相反的方式示出。

具体实施方式

概述

涉及核反应堆或放射性材料运输以及恐怖袭击的事故可使大群体暴露于危险(潜在致命)的辐射。在这种事件中，希望快速确定群体中的哪些个体需要紧急医疗处理。为了执行大群体(例如数万或数十万或者甚至几百万人口)的分诊，可能甚至需要由不经训练的操作人员使用具有高吞吐量的装置快速且有效地估计由每个个体吸收的辐射剂量。至少部分地实现该估计的一种可能方式是经由生物剂量测定法，即，测量个体的可接近组织中的生物标志，生物标志的水平具有与所吸收辐射剂量相关的定量关系。这种生物标志的示例包括牙釉质中的辐射诱导自由基(其可通过电子顺磁共振(EPR)来测量)、临床症状(比如呕吐)的发作、外周血液淋巴细胞中的染色体异常或组蛋白磷酸化的发生以及外周血液中的各细胞类型的绝对计数的改变。

在辐射生物标志中，淋巴细胞的耗减与染色体异常和牙釉质EPR高度相关，并且是可靠的辐射生物标志。外周血液中的淋巴细胞的耗减可以强大地且可靠地测量，以用于辐射剂量估计。

本公开的剂量计计数外周血液中的淋巴细胞，并提供大群体的快速、早期和精确治疗分诊。剂量计可以是紧凑的和便携式的，例如手持式的。例如，剂量计的尺寸可以是约20cm x 12cm x 5cm。剂量计易于使用，并在短期内(例如几分钟内)提供可靠结果。在一些示例中，剂量计即时地自动计数来自指尖刺全血的淋巴细胞和全部白血液细胞，并在2分钟或更少的时间内输出计数和/或屏幕结果(例如指示被测量的个体是否需要治疗)。当剂量计基于测量结果确定了被测量的人员已暴露于超过预定阈值(例如2格雷(Gy)或更高)的辐射时，剂量计可将该指示发送至操作者。该指示可包含详细细胞计数和/或辐射剂量信息。然而，在一些情形中，该指示可简单地为被测量人员是否需要进一步医疗。该指示可具有各种形式，例如视觉或声音。结果，剂量计可由医护人员或未经训练人员使用。剂量计还可比较便宜，使得可分布大量剂量计，以增加群体分诊(triage)的速度。在紧急的辐射暴露情形下，显著数量的未暴露个体还有可能呈现到分诊地点，从而表明类似的症候学。多个(例如几百、几千或甚至更多个)剂量计可在现场分配给专业人员和/或非专业的本地响应者以实施高吞吐量的分诊。由于辐射暴露而需要治疗的个体可在短暂的治疗窗内被识别出，以进行有效的治疗。有时，个体可配备剂量计，并可执行自我评估。

参见图3，剂量计300包含无透镜成像***302和与无透镜成像***302连通的处理器304。处理器304可执行一个或多个算法来控制无透镜成像***302，并分析图像，例如自动地检测和分类细胞或者基于先前公布的数据绘制跟随辐射暴露的淋巴细胞耗减曲线。可选地，剂量计包含数据库308，其存储用于执行数据分析的公布的数据和其它数据。每个分析的结果还可存储在数据库308中，以随后使用，例如用于统计研究。在一些实施中，还可与每个分析相关地存储用于分析的对象标识符(例如名字、社会保障号等)。在一些实施中，分析结果还可存储在剂量计的远程数据库中，例如计算机中。该数据可从剂量计被直接输入这种数据库中，或者经由触摸屏或键盘或声音录制(例如利用语音识别软件)被输入这种数据库中。剂量计300可包含网络接口，例如USB端口、有线连接或无线连接(比如网络连接)，使得剂量计300可连接至网络或另一机器。数据可从剂量计300下载和/或上传至剂量计300。另外，可选地，剂量计300包含用户接口306，例如显示器和输入机构，经由用户接口，操作者与剂量计300交互。

在一些实施中，替代地或额外地，除了控制成像***和/或分析数据，控制和/或数据分析还可在剂量计300外部执行。例如，剂量计300可例如无线地连接到外部处理器，例如计算机或智能手机，外部处理器实施控制无透镜成像***和/或分析数据的一个或多个算法。算法可例如经由网络分配(比如邮件或网站下载)或经由硬拷贝(比如CD)被分配到外部处理器。外部处理器可以是剂量计300本地的，例如操作者的智能手机或平板，使得外部处理器可经由有线或无线连接到剂量计。外部处理器还可以离剂量计300是远程的，例如远程服务器。远程服务器可由用于精确测量的一个或多个大数据库支持。使用外部处理器，可以简化或甚至消除剂量计的部件，比如处理器304、数据库308和/或用户接口306，使得减少剂量计的成本、重量和/或尺寸。例如，使用USD端口连接到膝上型计算机来进行操作的剂量计可具有约8cm x 5cm x 6cm或更小的尺寸。

无透镜成像***302具有数字图像传感器结构，其能够执行大量平行、近场光学显微术。数字图像传感器的示例是CMOS图像传感器，其细节在下面进一步解释。CMOS图像传感器可以阵列布置。传感器的分辨率不受衍射限制，而是由近场孔径的尺寸(即像素)确定。CMOS传感器可具有高成像分辨率，例如1.4μm平方像素、1.1μm平方像素、0.9μm平方像素或甚至更高。***302不需要扫描、聚焦或其它移动零件。

在使用时，血液的标本或样本靠近传感表面放置或放置在传感器表面上。无透镜成像***302以足够分辨率使新鲜血液细胞的单层成像，以识别容纳足够数量细胞以进行有用分析的小面积(例如10mm²)内的最相关细胞类。用于分析的样本可以比较小，例如10μL、1μL或甚至更小。图4示出使用无透镜成像***使血液样本成像的示例过程。一开始，使用具有剂量计的一次性毛细吸液管例如通过标准刺指针采集血液样本(402)。吸液管预加载预定量的着色剂和/或其它试剂，使得当血液从吸液管排出时，血液被着色。然后，将包含着色血液的样本排出至剂量计的传感器室中(404)。该室封闭，成像***使样本成像(406)。在一些示例中，在约0.05秒内或获得全分辨率(例如8百万像素)的单独全场图像。然后，无透镜成像***302将数据(例如表示图像的数据)输出至内部或外部处理器以进行分析(408)。数据分析的一个示例是通过各种计算器件来改进图像质量，例如通过根据本领域已知方法组合多个相继获得的图像，例如在Milanfar P(2010)Super-Resolution Imaging(CRC出版社,博卡拉顿市,佛罗里达州)中所述的，该文章的全部内容作为引用并入本文。

示例无透镜成像***

如图1所示，在我们在此描述的概念的一些实施方式中，***200可捕获与光传感器102接触(或紧密靠近光传感器)的高样本101(例如气相、液相或固相或它们的组合或其它形式的样本)的分辨率图像(例如全彩色、灰度、“黑白”或它们的组合)。光传感器包含光敏元件105的二维布置，其可对应于图像中的像素的阵列。为了简化，我们有时将光传感器的元件称为像素。

我们有时以最宽广的含义使用术语“光敏位置”来包含例如分别对光敏感或分别能够发光或两者均有的装置的任何特征，包含光敏元件或像素和光源位置。我们有时使用术语光源位置来指代能够发光的元件。在一些情况下，我们使用术语光敏位置来指代装置的不具有任何覆盖、保护层、屏蔽件的特征或可能将光敏与环境或样本分离的任何其它特征的暴露的光敏感部分。

我们有时以最宽广的含义使用术语“接触显微镜”或“接触显微术”来指代包含(a)紧密间隔开的光敏的高分辨率传感器或光发射位置(在装置表面处暴露于环境)的高分辨组以及(b)与要成像的样本表面部分相关的装置(在光发射位置的情况下，离光发射位置和样本比较远的光检测器)的任何装置(或技术)，使得样本的一部分与表面接触(或几乎接触)，当样本的一部分到位时，通过传感器可获得可用高分辨率图像。

在接触显微术中，在不存在任何中间材料的情况下，样本与传感器的光敏特征或者光源的光发射特征直接接触，或者样本可与光敏或发光特征几乎接触。几乎接触指的是不直接接触。然而，样本和光敏或发射特征之间的接近度可基于一个或多个因素变化，包括光的类型。例如，在一些情况下，这可意味着位于该特征的近场内，即位于涉及光的波长的1/2内的距离处或可能在涉及光的波长内的距离处。在另一示例中，当用准直光照明时，标本可以离传感器表面几微米远，同时产生良好质量的图像。对于一些应用，该距离可以高达几十微米，同时产生良好质量的图像。

我们以最宽广的含义使用装置的概念来使样本与表面相关联，以包含便于使例如样本的一部分与光敏位置移动、流动、输送、放置或呈现接触或几乎接触的任何种类的任何机构，包含例如使用机械、电子、机电、声学、磁性、气动、液压、重力、惯性或其它特征的任何机构。

有时，加载到传感器上的样本量大于成像所需的量。在一些实施中，样本需要是比较薄的层的形式，例如1μm至100μm，或者具有的厚度使得样本细胞的单层分散在传感器上以用于成像。盖或帽或室或室顶95可以移动(或者下降)以接触样本，并调节传感器上的样本量，例如样本的厚度。作为示例，该调节可通过将室顶95的一端压靠在样本101上使得过量的样本量流出传感器102的周界来完成。室顶还可以其它方式下降。我们有时将位于完成其下降的室顶95的表面和传感器表面102之间的空间称为室，样本位于其中。

作为光敏元件的一部分或除了光敏元件，传感器还可包含其它部件，以驱动或读取各元件，生成、处理或输送信号至各元件和来自各元件的信号，并执行其它功能。通常，当我们提到传感器时，我们指的是集成电路或其部分，其(a)在光敏元件处接收光(有时发射光)并产生表示由光敏元件检测的光强的信号或数据，以及(b)直接驱动光敏元件或导致由光敏元件输送的光产生信号或数据的任何电子元件，但是不是(c)用于处理信号或数据以形成图像的任何其它电路。

传感器102可以是集成电路芯片104的一部分或形成在集成电路芯片上，集成电路芯片可以均匀制造模式或以混合制造模式制成。芯片104可安装在头板106上，头板106可以是控制单元108的一部分或连接到控制单元。在一些应用中，帽或盖或室或室壁95在邻近传感器的暴露表面103头板一部分或两者的空间或室内可抵靠、接触、围绕、包围或容纳样本或其一部分。

控制单元108可以是用户装置110的一部分或连接到用户装置110。用户装置110可提供与用户115的接口109，可经由用户接口从用户接收命令111和信息113，处理它们，并将它们发送到控制单元108，可接收来自控制单元的信息117，处理该信息，并经由用户接口将其提供给用户。在一些情形中，用户接口可经由用户装置的控制单元108或头板106或它们的组合来操作。命令和信息111、113和117可以穿过各部件中的任何两个或更多个。

该***还可包含样本传输和操纵装置131、133，其可包含机械、电子或电气部件或它们的组合，它们使得或导致样本被输送至传感器、保持在传感器和从传感器移动(根据需要)。该装置131、133还可在成像前后处理样本，包括使材料与样本混合、从样本移除材料、从源取得材料、处置成像的样本和相对于样本需要的任何其它功能，以操作***来执行成像。

用户装置110可以是智能手机(另一种手持式装置)、仪器、***、制造部件、工作站或包含专用于与控制单元交互的功能的装置或具有不限于与控制单元交互的功能的装置或两者的组合的任何其它用户装置。

整个工作***或商用产品或部件不必包含所有传感器、芯片、头板、控制单元和用户装置，但是可包含它们中的任何两个或更多个的组合。

在各实施方式中，传感器102、芯片104、头板106、控制单元108和用户装置110中的两个或更多个的组合之间可具有各种机械和电子连接件。此外，用于各种操作所需的机械、流体流、电子、软件、数据处理、通信、存储和电子功能可以各种方式分布在***的这些零件的两个和三个或更多个之间。功能的分布可以是任意的或者以各种各样方式基于商用和技术考虑。

在一些情形中，传感器102(我们用其指代芯片104的光敏区域)可操作为电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。其它成像方式是可能的。如较早所提及的，在一些示例中，传感器像素化，即，相对于光敏图像元素(像素)105的行和列(或其它阵列布置)操作。

在操作期间，传感器响应于入射的电磁辐射(例如光)99，入射的电磁辐射穿过1010样本、从样本101散射或从样本发出。穿过样本或从样本散射或从样本发出的光的波长可以改变，例如当其穿过或散或或发出时。入射的电磁辐射99和传输、散射或发出的辐射的波长通常位于可见光、近紫外或近红外的范围内。例如，我们以最宽广的含义使用术语光来包含所有这些范围。

因为样本101与传感器的表面103接触或基本接触或紧密邻近，所以在***中不需要使用任何光学元件来折射或准直或重新引导来自样本的光至传感器。

来自样本的邻近像素的一部分107(或位于入射光99和像素之间的路径中)的光大部分(在一些情况下基本上完全)由像素105接收。

在该布置中，由传感器的像素阵列感测的光直接表示样本的各部分的对应阵列，并因此有效表示样本的图像，具有高分辨率的图像。

就到达传感器的光的初始源位于环境中来说，光可以是环境光或者可由专用光源119提供。在一些实施中，其可用于控制对样本的照明，尤其通过控制光源或滤掉环境光或两者控制照明的均匀性或取向。

为了捕获样本的图像，传感器在概念上的图像捕获周期期间被驱动和读取。在图像捕获周期期间，由传感器在所有像素处接收的光被转换为输送至芯片的电子部件的电信号(例如模拟信号或数字信号)。取决于技术，该信号可以平行地或顺序地读取。在一些范围内，比如由14位数字值表示的范围内，来自每个像素的电信号通常由量化的强度值表示，量化的强度值对应于由像素感测的光的强度。颜色信息可以各种方式获得，例如使用在相邻像素上***排列的不同的带通光学过滤器，或者利用不同颜色照明相继成像，并可以其它方式获得。

不管使用什么方法，从各像素在空间和/或时间中接收的电信号可表示样本的全彩色高分辨率高动态范围图像。

除了***的电子特征，下面讨论操控、容纳和照明样本101的机械元件。

形成***的电子和机械部件的一些或所有(包含传感器、芯片104、头板106、控制单元108、用户装置110和用户接口109或它们中的任何两个或更多个的组合)可以制造为单独商用产品，并且可以重复利用或一次性的。

对于高分辨率成像，成像每个样本的单层。单层成像可以通过控制加载在传感器上的样本体积来实现。这种控制的示例包含在将样本加载在传感器上之前的样本处理、在样本加载进室中之后使用无透镜成像***100的室的机械控制和/或两者的组合。

参见图2，被成像的样本101(我们有时使用词语标本与词语样本互换)可由小的类似类型的单元97构成或包括小的类似类型的单元，比如颗粒、块、斑点、有机体、细胞或分子或它们的组合或不同类型的任何两个或更多个的组合。单元97可悬浮或承载在液体104中，以形成液体悬浮样本单元97，在气体中被夹带以形成气体悬浮样本单元(未示出)，以未悬浮或未夹带形式停留在传感器表面上(未示出)，或者以固体、凝胶或其它整体自支撑材料(比如组织的截面层)的集成基体(matrix)保持，仅举出几个示例。我们有时十分宽广地使用术语基体来包含例如保持样本单元的任何材料，包括液体、气体、固体、凝胶或任何其它材料。

额外地，样本101还可包含间隔特征230，用于控制传感器102上的样本101的体积。在一些情形中，对于给定各类的样本单元或者样本的精确指定体积(例如，对于血液计数，或者其它分析，其中，样本单元的数量针对样本的精确体积进行计数)，由传感器成像的样本的体积由传感器的顶部有效成像表面的宽度和长度以及该表面和室顶的平坦底部表面之间的间隙220(或室)来控制。在一些情况下，该体积不必是精确的，但是间隙高度需要是精确量，或者不大于某一个量，或者不小于某一个量，或者这些条件的组合。

各种技术和装置可用于形成和维持间隙的高度(例如精确高度)。我们宽广地指代这些技术和装置为间隔特征。在图2所示示例中，间隔特征包含微球体或其它种类的均匀尺寸的珠，即10μm或3.0μm或5.0μm。为了确立精确和均匀间隔及由此确立样本空间的体积，有用地，指定珠尺寸的精度，例如珠可以被指定为2μm，具有正负100纳米的精度。珠可以是非球形的。珠可以各种不同方式使用。

如图2所示，在一些实施方式中，当样本被输送到传感器表面103时，珠230可包含在样本内，例如具有液体基体的样本，样本单元(可以小于珠)悬浮在液体基体中。如果室顶被允许安定或向下按压在样本上，假设在样本中有足够的珠，它们良好地合理地分布在液体内，那么，可以获得均匀的精确间隙高度。为此，例如，珠可以每毫升样本10000-500000个的浓度存在于样本中。如果珠被选择成在样本中接近中性浮力，则可以通过简单的机械搅动来完成维持珠在样本中的均匀分布。

在一些情况下，珠可大概具有与样本单元相同的尺寸。在一些实施方式中，可以包含两种不同尺寸的珠。更大的尺寸限定出预期间隔。更小的尺寸可以被计数，以证实样本空间的体积是按照预期的，假设更小的珠均匀地合理分布在样本中，并且每样本体积中的更小的珠的数量是已知的。珠可以是透明的，以允许光穿过到达传感器，或者可以是彩色的，或荧光的，或者不透明的，或者这些特性中的两个或更多个的组合。

在样本被加载到室中之后，室顶可以相对于传感器表面103下降以从传感器102移除过量样本体积，并允许样本单元97(比如分布在流体中的细胞)更均匀地分布在传感器102的表面103上。在一些实施中，移除过量体积不会改变样本单元的体浓度，使得样本的比较小的体积(例如约1μL)的成像产生可应用于分配在传感器上的总样本(例如约40μL或更多)的数据。在其它实施方式中，新浓度一贯与样本单元的体积浓度成比例，从而允许确定校正因子。为了实现用于成像的期望样本浓度，如下进一步所述，对样本进行进一步处理。

室顶可以各种方式下降。在一个示例中，再次参见图2，室顶具有平坦的顶表面400，在室顶下降期间，顶表面400基本上保持与传感器102的顶表面103平行。我们有时称该过程为平坦的线性降落。

示例剂量计

包括无透镜成像***(比如图1所示***100)的剂量计(比如图3所示剂量计)可执行快速和可靠生物剂量测定用于自我评估，或者由大量紧急医疗服务提供者(不用特定训练技术)在主要辐射事件的一天或两个内进行大群体的分诊。剂量计可以是袖珍的装置，其测量特定白血液细胞的绝对计数，以经由淋巴细胞减少来估计吸收的辐射剂量。剂量计可具有高灵敏度、专一性、可重复性和可再现性。用于分析过程(例如至少包括图4的工艺400的步骤404、406、408)的周转时间是几分或更少。剂量计是可操作的，并输出指示，该指示易于由在技术领域中不具有广泛训练的人们理解，例如护理人员或其它紧急护理员。病人甚至可使用剂量计来执行自我评估。剂量计可由电池或其它电源供电，并可以是能源有效的。例如，在不更换电池或不充电的情况下，剂量计可运行至少24小时。该装置是可靠的，使得故障之间的平均时间较高，例如几十或几百小时。该装置可包含自诊断能力，以识别故障部件，这些部件可易于在现场更换。操作者可经由图形用户界面与剂量计交互。

剂量计可以是自主的，并且能够计算、显示、存档和无线传输结果，而不需要外部计算机用于任何操作方面。此外，剂量计包含传感器控制电子器件、照明器、显示器和报告部件，其可由电子、机械和软件工程进行处理。

剂量计可包含提供约8.25mm²的传感器表面的CMOS芯片，并包括3280乘2464阵列的1.1μm像素传感器，具有良好的分辨率和采样统计。芯片可以视频速率收集样本图像，例如约每秒24全帧数。芯片可以比较薄，例如约200μm至约300μm。尽管未示出或相对于图1和2进行讨论，但是剂量计的无透镜成像***可检测荧光。例如，图像传感器表面包含过滤器的一个或多个层，其可包含与在可见波长上的光传输显微术兼容的UV(紫外线)阻挡过滤器。那么，样本的荧光成像可例如通过UV激励来执行。荧光成像可允许使用额外的生物剂量测定标志，比如淋巴细胞中的组蛋白γ-H2AX的磷酸化水平，其尤其有利于早期监控(例如暴露后小于24小时)和低剂量(例如小于1Gy)。

用于控制无透镜成像***并用于分析来自无透镜成像***的数据输出的一个或多个算法可以预先开发。该算法还可基于剂量计的用途进行升级。在一些实施中，公布的生物剂量测定数据、急性放射综合征文献和内部产生的数据可用于确定用于样本操纵和数据分析的剂量计参数，例如用于淋巴细胞和其它基于血液细胞的血液生物剂量测定。该参数可使用现有样本进一步分析和验证，以确认剂量计的可检测性和可靠性适于分诊目的。在一些实施中，分析和验证过程可识别出会打扰对来自剂量计的结果的解释的潜在干扰物质和条件。

除了剂量计，为了便于血液采样和成像，可以给剂量计操作者提供用于样本收集、传送和添加试剂、抗体和/或体积参照微珠的吸液管***。在控制无透镜成像***和分析数据的算法中可考虑用于***校准的参照珠悬浮物，以改进细胞分类的精度。

在一些实施方式中，还可通过免疫地检测特定表面抗原(例如CD3和CD19)来检测T和B淋巴细胞来增强细胞分类的精度。上面讨论的样本处理(例如添加试剂、着色和/或添加微珠)进一步地，在成像之前，朝向表面抗原(例如CD3和CD19)引导的荧光或微珠标记的抗体可添加到处理的样本。这种添加可使血液样本中的淋巴细胞的分类明确，因为淋巴细胞通过微珠耦合抗体被呈现为荧光或“装饰的”。抗体还可包含在吸液管***中。然而，该添加可增加整体成本和样本操纵复杂度。

在使用时，再次参见图4，通过对对象的清洁(例如使用一次性酒精药签)指尖施加标准刺来采集血液样本(402)。根据标准惯例，挤出连续的血滴。为了传输样本(404)，传输装置取得血滴的一部分(可以为5μl那样小或50μl那样大)。传输装置可以是体积吸液管、校准的毛细管、微量吸管或其它类似装置。在一些实施方式中，该部分是连续滴的第三滴的一部分。从第三滴进行测量可改进测量精度。传输装置可预加载抗凝血剂、稀释剂、着色剂、抗体、参照珠、红细胞裂解液和/或其它试剂。或者，这些材料中的一个或多个可以通过一个或多个其它吸液管以关于血液体积的预定体积比例添加到血液样本。用这种试剂稀释或不稀释的血液可被传输到无透镜成像***的室，并被照明和成像(406)。成像血液的体积由室尺寸的先前校准确定，通过包含和计数以已知浓度添加到备注的参照珠，和/或通过其它手段。

然后，一个或多个算法(例如计算机视觉软件)用于分析来自无透镜成像***的数据输出(408)。例如，该算法基于细胞的颜色和尺寸、细胞核形状和尺寸和/或其它参数在血液的成像颗粒中识别出淋巴细胞。作为示例，图5A示出血液样本的成像场500的一部分。图5B示出通过软件自动分类和标记(利用圆圈)的红血球502和白细胞504。那么，基于分类的细胞(比如图5B所示的那些)确定绝对淋巴细胞计数，其可基于成像备注样本的体积和稀释进行校正(需要的话)。示出由本公开的剂量计确定的淋巴细胞计数的精度的示例在图6中示出。由本公开的剂量计确定的血液样本的淋巴细胞计数的线性回归分析与通过当前医院标准仪器测量的相同血液样本的淋巴细胞计数对比绘制。

如果从辐射暴露到血液采样的时间已知，则单个淋巴细胞计数可用于估计淋巴细胞的耗减率，并由此估计吸收的辐射剂量，假设预暴露计数处于正常平均值。在一些实施中，相对于在类似个体中的正常计数，基于淋巴细胞计数来确定淋巴细胞耗减。在示例中，参考正常计数可以是2.45x10⁹细胞/L。参考正常计数可以针对年龄、性别等进行校正。正常平均值一般是已知的。例如，参见The Medical Basis for Radiation AccidentPreparedness,KF Hubner,SF Fry,eds,Elsevier North Holland Inc.,1980,297-310,以及，内科医学年鉴,2004,140卷：1037-51。

在一些实施中，更多精确估计可通过在间隔几小时后从相同个体获得第二血液样本来实现。在一些实施中，可采集和分析甚至更多的血液样本。淋巴细胞减少率可基于下列模型计算出(例如参见“急性辐射综合征治疗指南”，Radiation Injury TreatmentNetwork,September 2010；http://www.ritn.netAVorkArea DownloadAsset.aspx？id＝2147483696,该文章的全部内容作为引用并入本文)。

Lt＝2.45 x l0⁹/L x e^-k(D)t

其中，Lt等于淋巴细胞计数，2.45 x l0⁹/L等于表示一般群体中的平均淋巴细胞计数的常数，k(D)等于用于特定急性光子剂量D的淋巴细胞减少率常数，t等于暴露之后的时间(天)。通过这些手段，用于剂量估计的计算器可在美国卫生与公众服务部的辐射紧急医疗管理网站,http://www.remm.nlm.gOv/ars_wbd.htm#lymphocyte获得。

在一些实施中，淋巴细胞计数可进一步基于已知变化因子进行校正。例如，淋巴细胞没有完美地均匀分布在血液样本内，非均匀分布可导致淋巴细胞的实际数量与由剂量计产生的计数之间的差别。而且，无透镜成像***中的室的体积还可随着测试而变化。结果，被成像的样本的实际体积可随着样本而不同。变化因子可以统计确定，以校正淋巴细胞计数。

下面说明确定从室体积变化中引起的变化因子的示例。通过计数以已知浓度包含在血液样本中的参照珠来确定室的实际体积，从而减少因室体积变化引起的误差。基于在血液样本中1000个珠的假设，由于随机分布引起的计数变化是3.3％(1000个珠，计数的标准偏差＝32.85，变化系数(CV)＝3.3％)。这两个独立的误差源(来自室体积和珠计数)导致8.9％的组合误差。在一些实施中，传感器的表面积增加，总体体积误差因子小于5％。

在一些实施中，通过在第一数据采集之后将样本重新加载进室中来增加被分析的体积。通过引入新的样本体积来改进用于罕见细胞(或颗粒)的计数统计。当室顶下降到位(～0.1μL)时，由于体积加载(～10μL或更多)远大于实际监控的体积，所以可在将室顶重新下降至其“读取”位置之前通过提升和下降室顶几次来混合样本而有效地重新加载新的样本体积。室顶的快速提升和下降机构是用于改进样本统计的一般有用策略。

在一些实施中，花费约30秒来传输样本和采集图像(例如图4所示的工艺400的步骤404和406)，约120秒或更少(例如小于30秒或小于15秒)来用于图像处理和分析。考虑对象制备和装置清洁，每个剂量计的吞吐量可多于每小时30测试。

本说明书所述的主题和功能操作的实施例可以在数字电路中、在有形实现的计算机软件或固件中、在计算机硬件中实施，包括本说明书公开的结构和它们的结构等同物或者它们中的一个或多个的组合。本说明书描述的主题的实施例可实施为一个或多个计算机程序，即编码在有形非临时存储介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理设备执行，或者控制数据处理设备的操作。替代地或额外地，程序指令可编码在人工生成的传播信号上，例如机器生成的电子、光学或电磁信号，其产生用于编码信息以传输至合适的接收器设备而由数据处理设备执行。计算机存储介质可以是机器可读存储装置、机器可读存储基底、随机或串行存取存储装置或它们中的一个或多个的组合。

术语“数据处理设备”指的是数据处理硬件，并包含用于处理数据的所有种类的设备、装置和机器，举例来说，包括可编程数字处理器、数字计算机或多个数字处理器或计算机。该设备还可以是或进一步包括专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(特定用途集成电路)。除了硬件，该设备可选地包括产生用于计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理***、操作***或它们中的一个或多个的组合的代码。

计算机程序(还可称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码)可以编程语言的任何形式编写，包括编译或直译语言，或陈述或过程语言，其可以任何形式配置，包括作为独立程序或模块、部件、子程序或用它于用在计算环境中的其它单元。计算机程序可以(但并非必要)对应于文件***中的文件。程序可存储在保持其它程序或数据的文件中的一部分中，例如存储在标记语言文档中、专用于所关注程序的单个文件、或多个的协调文件中的一个或多个脚本，例如存储一个或多个模块、子程序或代码的一部分的文件。计算机程序可配置成在一个计算机或多个计算机(位于一个地点或分布在由数据通信网络互连的多个地点)上执行。

本说明书所述的过程和逻辑流可以由一个或多个可编程计算机执行，可编程计算机执行一个或多个计算机程序，以通过操作输入数据和产生输出来执行功能。工艺和逻辑流还可专用逻辑电路执行，设备还可实现为专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(特定用途集成电路)。对于“构造”成执行特定操作或动作的一个或多个计算机的***意味着装配在其软件、固件、硬件或它们的组合上的***，在操作时，导致***执行操作或动作。对于构造成执行特定操作或动作的一个或多个计算机程序意味着一个或多个程序包括指令，当由数据处理执行时，导致设备执行操作和动作。

举例来说，适于执行计算机程序的计算机可以基于通用或专用微处理器或两者，或者任何其它种类的中央处理单元。一般来说，中央处理单元接收来自只读存储器或随机存储器或两者的指令和数据。计算机的核心元件是用于执行或实施指令的中央处理单元以及用于存储指令和数据的一个或多个存储装置。一般来说，计算机还包括或可操作地联接成接收来自一个或多个大容量存储装置(用于存储数据)的数据或将数据传送至一个或多个大容量存储装置(或者两者都有)，例如磁存储器、磁光盘或光盘。然而，计算机不必具有这种装置。此外，计算机可嵌入另一装置中，例如移动悄悄话、个人数字助理(PDA)、移动声音或视频播放器、游戏控制台、全球定位***(GPS)接收器或便携式存储装置(例如通用串行总线(USB)闪存盘)，仅提及一些。

适于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括非易失性存储器、介质和存储装置的所有形式，举例来说，包括半导体存储装置，例如EPROM、EEPROM和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘和可移除盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或结合进专用逻辑电路中。

本说明书所述对各***和过程(或它们的一部分)的控制可以在计算机程序产品中实施，计算机程序产品包括存储在一个或多个非易失性机器可读存储介质上、可在一个或多个处理装置上执行的指令。本说明书或其一部分所述***可实施为包括一个或多个处理装置和存储器的设备、方法或电子***，以存储可执行指令来进行本说明书所述操作。

尽管本说明书包含许多特定实施方式细节，但是这些不应被理解为限制本发明的范围或本发明所要求的范围，而是应理解为描述对于特定发明的特定实施例而言特定的特征。在分离实施例的情形下，在本说明书中所述的某些特征还可以在单个实施例中组合起来实施。相反地，在单个实施例中描述的各特征还可在多个实施例中分离地或以任何合适的子组合实施。此外，尽管上面特征描述为以一定组合发生作用，甚至这样要求，但是来自所要求组合的一个或多个特征在一些情况下可从组合中去除，所要求组合可被引导至子组合或子组合的变型。

类似地，尽管附图中以特定顺序描绘各操作，但是这不应理解为要求这种操作以所示特定顺序或以相继顺序执行，或者执行所有所示操作来获得期望结果。在某些情形中，多任务和并行处理是有利的。此外，上述实施例中的各***模块和部件的分离不应理解为在所有实施例中要求这种操作，其应理解为所述程序部件和***可一般在单个软件产品中结合在一起或封装进多个软件产品中。

描述了主题特定实施例。其它实施例在下面权利要求的范围内。例如，权利要求中引用的动作可以不同顺序执行，仍获得期望结果。作为一个示例，附图所示工艺不必要求所示特定顺序或相继顺序，以获得期望结果。在一些情况，多任务和并行处理是有利的。除了在由事故导致的辐射曝露中使用，剂量计还可用在放射疗法(比如治疗癌症)和实验研究中。

Claims (32)

1.一种方法，包括：

在成像传感器的传感器表面处提供样本的第一体积，

在成像传感器的传感器表面处混合至少一部分样本，以在传感器表面处提供样本的第二体积，

使用成像传感器通过无透镜光学显微镜捕获第一体积的图像和第二体积的图像，以及

基于图像，得出与第一体积和第二体积中存在的单元有关的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信息包括血液中的类型细胞的计数。

3.权利要求2的方法，其中细胞的类型包括淋巴细胞。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信息包括基于所述图像的淋巴细胞耗减。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样本包括在第一时间从对象采集的第一样本，并且所述方法包括：

对于在不同的第二时间从对象的时间采集的第二个样本重复提供、混合、捕获和得出活动，以及

估计淋巴细胞耗减。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述样本包含参照珠。

7.根据权利要求2所述的方法，其中基于颜色、细胞大小、核形状和核大小中的一个或多个来区分不同类型的细胞。

8.根据权利要求2所述的方法，其中针对成像样本的体积校正计数。

9.根据权利要求2所述的方法，其中，所述样本包含来自所述对象的稀释的血液，并且针对所述血液的稀释度校正计数。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样本包含抗凝剂、稀释剂、着色剂、抗体、红细胞裂解液和其他试剂中的一个或多个。

11.根据权利要求2的方法，其中所述计数基于一个或多个表面抗原的检测。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，以1兆像素或更高的分辨率捕获图像。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像包含关于分布在样本中不超过单层的单位的信息。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合包括重新混合。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合包括重新采样。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样本包括对象的体液。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述样本包括对象的血液。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信息包括统计信息。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一体积和第二体积包含在图像中捕获的单元，并且第一体积中的至少一些单元与第二体积中的一些单元不同。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合包括相对于所述传感器表面移动混合元件。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述混合元件的移动包括朝向或远离所述传感器表面或两者移动所述混合元件。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述混合元件的移动包括使所述混合元件朝向和远离所述传感器表面移动超过一次。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述混合元件的移动迅速完成。

24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述混合元件包括混合表面。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述混合表面是腔室顶部的一部分。

26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述混合元件与所述样本的一部分接触。

27.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述单位有关的信息包括与所述样本中的至少一个类型的单位有关的信息。

28.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述单位有关的信息包括被从其获得样本的对象所吸收的辐射剂量。

29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述单元包括血细胞。

30.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述运动的至少一部分期间，所述混合表面在平行于所述传感器表面的同时被移动。

31.根据权利要求24所述的方法，包括在使所述样本成像的同时使所述混合表面与所述样本接触。

32.根据权利要求31所述的方法，包括在对所述样本成像的同时，使所述样本包括不超过细胞的单层。

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