包括無透鏡成像系統的劑量計的制作方法
【專利摘要】一種方法包括使在傳感器表面和顯微術樣本室的表面之間移位的樣本成像，以產生該樣本的至少一部分的圖像。所述圖像使用無透鏡光學顯微術產生，所述樣本至少包含來自對象的血液。該方法還包括自動區分圖像中的不同類型的細胞；基于自動區分生成一種或多種細胞類型的計數；以及基于該計數得到對象吸收的輻射劑量。
【專利說明】包括無透鏡成像系統的劑量計
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請具有于2013年11月17日提交的美國臨時專利申請61/917，195的申請日的優先權。該申請還涉及于2009年10月28日提交的美國專利申請61/255,781;于2010年10月27日提交的美國專利申請12/913，639;于2011年4月27日提交的美國專利申請13/095，175;于2013年2月6日提交的美國專利申請61/761，467;于2013年3月14日提交的美國專利申請61/785，762 ；以及于2013年6日26日提交的美國專利申請61/839，735。所有這些在先前句子中提及的申請的全部內容作為引用并入本文。
技術領域
[0003]本公開涉及包括無透鏡成像系統的劑量計以及與該劑量計相關的方法和系統。
【背景技術】
[0004]在一些方法中，通過分析外周血液淋巴細胞中的染色體異常(比如雙著絲粒和環形形式)來測量輻射劑量的生物反應或生物劑量測定法。替代地或額外地，還可通過使用例如電子順磁共振來檢測牙釉質中的輻射誘導自由基來執行該測量。
[0005]在其它方法中，通過監控在輻射暴露之后在幾小時或幾天內發展的劑量依賴性、輻射誘導淋巴球減少癥、嗜中性白血球減少癥、白血球減少癥、血小板減少癥和/或全血細胞減少癥來執行生物劑量測定法。通常，該監控由熟練技術人員使用復雜的儀器來執行。在一些情形中，流式細胞儀和顯微鏡可用于相關血液分析。

【發明內容】

[0006]總體上，在一方面，一種方法包括使在傳感器表面和顯微術樣本室表面之間移位的樣本成像，以產生該樣本的至少一部分的圖像。該圖像使用無透鏡光學顯微術產生，該樣本至少包含來自對象的血液。該方法還包括自動區分圖像中的不同類型的細胞、基于該自動區分生成一種或多種細胞類型的計數以及基于該計數得到對象吸收的輻射劑量。
[0007]總體上，在另一方面，一種設備包括無透鏡成像系統和處理器。無透鏡成像系統包括顯微術樣本室和具有共同傳感器表面的傳感器陣列。該室包括上表面。上表面和傳感器表面之間的空間用于接收要成像的樣本。處理器構造成自動接收由無透鏡成像系統生成的樣本的至少一部分的圖像。該樣本至少包含來自對象的血液。處理器還構造成自動顯示與被對象吸收的輻射劑量相關的信息。
[0008]方法和/或設備的實施可包括下列特征中的兩個或更多個的一種或任何組合。生成一種或多種細胞類型的計數包括生成淋巴細胞的計數。基于淋巴細胞的計數估計淋巴細胞的耗減。該樣本是在第一時間從對象取得的第一樣本，淋巴細胞的計數是對于淋巴細胞的第一計數，使在第二不同時間從對象取得的第二樣本成像，基于第二樣本生成淋巴細胞的第二計數，基于淋巴細胞的第一和第二計數估計淋巴細胞耗減。該樣本包含分布在樣本的血液細胞中的參照珠(fiduciary bead)。基于顏色、細胞尺寸、細胞核形狀和細胞核尺寸中的一個或多個來區分不同類型的細胞。用對于成像樣本的體積的校正生成一種或多種細胞類型的計數。該樣本包含來自對象的稀釋血液，用對于血液的稀釋的校正生成一種或多種細胞類型的計數。該樣本包含抗凝血劑、稀釋劑、著色劑、抗體、紅細胞裂解液和其它試劑中的一個或多個。生成一種或多種細胞類型的計數包括基于檢測與一種或多種細胞類型相關的一個或多個表面抗原來生成該計數。在不使用透鏡的情況下執行成像。該成像包括以一百萬像素或更高的分辨率來成像。該成像包括通過提升和降低顯微術樣本室的表面來快速再混合和再取樣移位的樣本。該圖像包含與分布在樣本中的僅單層中的細胞有關的信息。傳感器陣列形成在CMOS芯片中。傳感器陣列中的每個傳感器具有約2μπι乘2μπι或更小的尺寸。處理器構造成自動分析包含在圖像中的數據。自動分析數據包括對圖像中的不同類型的細胞進行分類。該處理器構造成生成一種或多種細胞類型的計數。該處理器構造成基于該計數得到對象吸收的輻射劑量。該處理器構造成將接收的圖像自動輸送至該設備外部的機器，以使該機器處理包含在圖像中的信息，并提供與輻射劑量有關的信息。存在網絡接口將該設備經由有線或無線連接而連接到網絡。該設備是手持裝置。傳感器包括能夠進行無透鏡光學顯微術的數字圖像傳感器。
[0009]實施可提供下列優點中的一個或多個。
[00?0]包括無透鏡成像系統的劑量計可提供快速即時(point-of-care)地確定在福射暴露之后由對象吸收的輻射劑量。各裝置可由病人操作來進行自我評估或者在現場由非熟練操作者在沒有特殊訓練的情況下操作。劑量計的尺寸是緊湊的，并且是便攜式的，例如可在口袋中。它們以低成本制造，從而允許例如針對大群體的快速分診進行廣泛和快速配置。劑量計實施平臺光學顯微技術，并適于額外能力，比如計數任何類型的正常血液細胞、檢測異常血液細胞或寄生物以及化學分析血液或其它流體。裝置的修改或維護即使在現場中也易于執行。與劑量計一起使用的樣本易于制備，例如從病人的手指中收集或者使用具有預加載材料的吸液管制備，并被高速轉移至劑量計，例如以每個樣本小于I分鐘的速度。劑量計使用的吞吐量可以較高，例如每小時30測試或更多。
[0011]從說明書和附圖以及從權利要求中，本發明的其它特征、目的和優點是明顯的。
【附圖說明】
[0012]圖1是檢測和使用代表樣本的光的系統的部分截面的示意性側視圖。
[0013]圖2是用于檢測和使用代表樣本的光的元件的示意性側視截面圖。
[0014]圖3是劑量計的示意性框圖。
[0015]圖4是流程圖。
[0016]圖5A是在對樣本中的細胞分類之前，血液樣本的像場的一部分的放大圖。
[0017]圖5B是血液樣本的像場的一部分的放大圖，顯示出被分類的細胞。
[0018]圖6是對由本公開的劑量計確定的血液樣本的淋巴細胞計數的線性回歸分析，與通過當前醫院標準儀器測量的相同血液樣本的淋巴細胞計數對比繪制。
[0019]附圖及所示元件并不總是依比例繪制，許多是示意性示出。附圖中的元件的空間關系可與說明書文字中的不同，例如，上方和下方以及頂部和底部在附圖中可以與在說明書文字部分中相反的方式不出。
【具體實施方式】
[0020]概述
[0021]涉及核反應堆或放射性材料運輸以及恐怖襲擊的事故可使大群體暴露于危險(潛在致命)的輻射。在這種事件中，希望快速確定群體中的哪些個體需要緊急醫療處理。為了執行大群體(例如數萬或數十萬或者甚至幾百萬人口)的分診，可能甚至需要由不經訓練的操作人員使用具有高吞吐量的裝置快速且有效地估計由每個個體吸收的輻射劑量。至少部分地實現該估計的一種可能方式是經由生物劑量測定法，即，測量個體的可接近組織中的生物標志，生物標志的水平具有與所吸收輻射劑量相關的定量關系。這種生物標志的示例包括牙釉質中的輻射誘導自由基(其可通過電子順磁共振(EPR)來測量)、臨床癥狀(比如嘔吐)的發作、外周血液淋巴細胞中的染色體異常或組蛋白磷酸化的發生以及外周血液中的各細胞類型的絕對計數的改變。
[0022]在輻射生物標志中，淋巴細胞的耗減與染色體異常和牙釉質EPR高度相關，并且是可靠的輻射生物標志。外周血液中的淋巴細胞的耗減可以強大地且可靠地測量，以用于輻射劑量估計。
[0023]本公開的劑量計計數外周血液中的淋巴細胞，并提供大群體的快速、早期和精確治療分診。劑量計可以是緊湊的和便攜式的，例如手持式的。例如，劑量計的尺寸可以是約20cm X 12cm x 5cm。劑量計易于使用，并在短期內(例如幾分鐘內)提供可靠結果。在一些示例中，劑量計即時地自動計數來自指尖刺全血的淋巴細胞和全部白血液細胞，并在2分鐘或更少的時間內輸出計數和/或屏幕結果(例如指示被測量的個體是否需要治療)。當劑量計基于測量結果確定了被測量的人員已暴露于超過預定閾值(例如2格雷(Gy)或更高)的輻射時，劑量計可將該指示發送至操作者。該指示可包含詳細細胞計數和/或輻射劑量信息。然而，在一些情形中，該指示可簡單地為被測量人員是否需要進一步醫療。該指示可具有各種形式，例如視覺或聲音。結果，劑量計可由醫護人員或未經訓練人員使用。劑量計還可比較便宜，使得可分布大量劑量計，以增加群體分診(triage)的速度。在緊急的輻射暴露情形下，顯著數量的未暴露個體還有可能呈現到分診地點，從而表明類似的癥候學。多個(例如幾百、幾千或甚至更多個)劑量計可在現場分配給專業人員和/或非專業的本地響應者以實施高吞吐量的分診。由于輻射暴露而需要治療的個體可在短暫的治療窗內被識別出，以進行有效的治療。有時，個體可配備劑量計，并可執行自我評估。
[0024]參見圖3，劑量計300包含無透鏡成像系統302和與無透鏡成像系統302連通的處理器304。處理器304可執行一個或多個算法來控制無透鏡成像系統302，并分析圖像，例如自動地檢測和分類細胞或者基于先前公布的數據繪制跟隨輻射暴露的淋巴細胞耗減曲線。可選地，劑量計包含數據庫308，其存儲用于執行數據分析的公布的數據和其它數據。每個分析的結果還可存儲在數據庫308中，以隨后使用，例如用于統計研究。在一些實施中，還可與每個分析相關地存儲用于分析的對象標識符(例如名字、社會保障號等)。在一些實施中，分析結果還可存儲在劑量計的遠程數據庫中，例如計算機中。該數據可從劑量計被直接輸入這種數據庫中，或者經由觸摸屏或鍵盤或聲音錄制(例如利用語音識別軟件)被輸入這種數據庫中。劑量計300可包含網絡接口，例如USB端口、有線連接或無線連接(比如網絡連接)，使得劑量計300可連接至網絡或另一機器。數據可從劑量計300下載和/或上傳至劑量計300。另外，可選地，劑量計300包含用戶接口 306，例如顯示器和輸入機構，經由用戶接口，操作者與劑量計300交互。
[0025]在一些實施中，替代地或額外地，除了控制成像系統和/或分析數據，控制和/或數據分析還可在劑量計300外部執行。例如，劑量計300可例如無線地連接到外部處理器，例如計算機或智能手機，外部處理器實施控制無透鏡成像系統和/或分析數據的一個或多個算法。算法可例如經由網絡分配(比如郵件或網站下載)或經由硬拷貝(比如CD)被分配到外部處理器。外部處理器可以是劑量計300本地的，例如操作者的智能手機或平板，使得外部處理器可經由有線或無線連接到劑量計。外部處理器還可以離劑量計300是遠程的，例如遠程服務器。遠程服務器可由用于精確測量的一個或多個大數據庫支持。使用外部處理器，可以簡化或甚至消除劑量計的部件，比如處理器304、數據庫308和/或用戶接口 306，使得減少劑量計的成本、重量和/或尺寸。例如，使用USD端口連接到膝上型計算機來進行操作的劑量計可具有約8cm X 5cm x 6cm或更小的尺寸。
[0026]無透鏡成像系統302具有數字圖像傳感器結構，其能夠執行大量平行、近場光學顯微術。數字圖像傳感器的示例是CMOS圖像傳感器，其細節在下面進一步解釋。CMOS圖像傳感器可以陣列布置。傳感器的分辨率不受衍射限制，而是由近場孔徑的尺寸(即像素)確定。CMOS傳感器可具有高成像分辨率，例如1.4μπι平方像素、1.1ym平方像素、0.9μπι平方像素或甚至更高。系統302不需要掃描、聚焦或其它移動零件。
[0027]在使用時，血液的標本或樣本靠近傳感表面放置或放置在傳感器表面上。無透鏡成像系統302以足夠分辨率使新鮮血液細胞的單層成像，以識別容納足夠數量細胞以進行有用分析的小面積(例如1mm2)內的最相關細胞類。用于分析的樣本可以比較小，例如10μL、UiL或甚至更小。圖4示出使用無透鏡成像系統使血液樣本成像的示例過程。一開始，使用具有劑量計的一次性毛細吸液管例如通過標準刺指針采集血液樣本(402)。吸液管預加載預定量的著色劑和/或其它試劑，使得當血液從吸液管排出時，血液被著色。然后，將包含著色血液的樣本排出至劑量計的傳感器室中(404)。該室封閉，成像系統使樣本成像(406)。在一些示例中，在約0.05秒內或獲得全分辨率(例如8百萬像素)的單獨全場圖像。然后，無透鏡成像系統302將數據(例如表示圖像的數據)輸出至內部或外部處理器以進行分析(408)。數據分析的一個示例是通過各種計算器件來改進圖像質量，例如通過根據本領域已知方法組合多個相繼獲得的圖像，例如在Milanfar P(2010)Super-Resolut1n Imaging(CRC出版社，博卡拉頓市，佛羅里達州)中所述的，該文章的全部內容作為引用并入本文。
[0028]示例無透鏡成像系統
[0029]如圖1所不，在我們在此描述的概念的一些實施方式中，系統200可捕獲與光傳感器102接觸(或緊密靠近光傳感器)的高樣本101(例如氣相、液相或固相或它們的組合或其它形式的樣本)的分辨率圖像(例如全彩色、灰度、“黑白”或它們的組合)。光傳感器包含光敏元件105的二維布置，其可對應于圖像中的像素的陣列。為了簡化，我們有時將光傳感器的元件稱為像素。
[0030]我們有時以最寬廣的含義使用術語“光敏位置”來包含例如分別對光敏感或分別能夠發光或兩者均有的裝置的任何特征，包含光敏元件或像素和光源位置。我們有時使用術語光源位置來指代能夠發光的元件。在一些情況下，我們使用術語光敏位置來指代裝置的不具有任何覆蓋、保護層、屏蔽件的特征或可能將光敏與環境或樣本分離的任何其它特征的暴露的光敏感部分。
[0031]我們有時以最寬廣的含義使用術語“接觸顯微鏡”或“接觸顯微術”來指代包含(a)緊密間隔開的光敏的高分辨率傳感器或光發射位置(在裝置表面處暴露于環境)的高分辨組以及(b)與要成像的樣本表面部分相關的裝置(在光發射位置的情況下，離光發射位置和樣本比較遠的光檢測器)的任何裝置(或技術)，使得樣本的一部分與表面接觸(或幾乎接觸)，當樣本的一部分到位時，通過傳感器可獲得可用高分辨率圖像。
[0032]在接觸顯微術中，在不存在任何中間材料的情況下，樣本與傳感器的光敏特征或者光源的光發射特征直接接觸，或者樣本可與光敏或發光特征幾乎接觸。幾乎接觸指的是不直接接觸。然而，樣本和光敏或發射特征之間的接近度可基于一個或多個因素變化，包括光的類型。例如，在一些情況下，這可意味著位于該特征的近場內，即位于涉及光的波長的1/2內的距離處或可能在涉及光的波長內的距離處。在另一示例中，當用準直光照明時，標本可以離傳感器表面幾微米遠，同時產生良好質量的圖像。對于一些應用，該距離可以高達幾十微米，同時產生良好質量的圖像。
[0033]我們以最寬廣的含義使用裝置的概念來使樣本與表面相關聯，以包含便于使例如樣本的一部分與光敏位置移動、流動、輸送、放置或呈現接觸或幾乎接觸的任何種類的任何機構，包含例如使用機械、電子、機電、聲學、磁性、氣動、液壓、重力、慣性或其它特征的任何機構。
[0034]有時，加載到傳感器上的樣本量大于成像所需的量。在一些實施中，樣本需要是比較薄的層的形式，例如Ιμπι至ΙΟΟμπι，或者具有的厚度使得樣本細胞的單層分散在傳感器上以用于成像。蓋或帽或室或室頂95可以移動(或者下降)以接觸樣本，并調節傳感器上的樣本量，例如樣本的厚度。作為示例，該調節可通過將室頂95的一端壓靠在樣本101上使得過量的樣本量流出傳感器102的周界來完成。室頂還可以其它方式下降。我們有時將位于完成其下降的室頂95的表面和傳感器表面102之間的空間稱為室，樣本位于其中。
[0035]作為光敏元件的一部分或除了光敏元件，傳感器還可包含其它部件，以驅動或讀取各元件，生成、處理或輸送信號至各元件和來自各元件的信號，并執行其它功能。通常，當我們提到傳感器時，我們指的是集成電路或其部分，其(a)在光敏元件處接收光(有時發射光)并產生表示由光敏元件檢測的光強的信號或數據，以及(b)直接驅動光敏元件或導致由光敏元件輸送的光產生信號或數據的任何電子元件，但是不是(C)用于處理信號或數據以形成圖像的任何其它電路。
[0036]傳感器102可以是集成電路芯片104的一部分或形成在集成電路芯片上，集成電路芯片可以均勻制造模式或以混合制造模式制成。芯片104可安裝在頭板106上，頭板106可以是控制單元108的一部分或連接到控制單元。在一些應用中，帽或蓋或室或室壁95在鄰近傳感器的暴露表面103頭板一部分或兩者的空間或室內可抵罪、接觸、圍繞、包圍或谷納樣本或其一部分。
[0037]控制單元108可以是用戶裝置110的一部分或連接到用戶裝置110。用戶裝置110可提供與用戶115的接口 109，可經由用戶接口從用戶接收命令111和信息113，處理它們，并將它們發送到控制單元108，可接收來自控制單元的信息117，處理該信息，并經由用戶接口將其提供給用戶。在一些情形中，用戶接口可經由用戶裝置的控制單元108或頭板106或它們的組合來操作。命令和信息111、113和117可以穿過各部件中的任何兩個或更多個。
[0038]該系統還可包含樣本傳輸和操縱裝置131、133，其可包含機械、電子或電氣部件或它們的組合，它們使得或導致樣本被輸送至傳感器、保持在傳感器和從傳感器移動(根據需要)。該裝置131、133還可在成像前后處理樣本，包括使材料與樣本混合、從樣本移除材料、從源取得材料、處置成像的樣本和相對于樣本需要的任何其它功能，以操作系統來執行成像。
[0039]用戶裝置110可以是智能手機(另一種手持式裝置)、儀器、系統、制造部件、工作站或包含專用于與控制單元交互的功能的裝置或具有不限于與控制單元交互的功能的裝置或兩者的組合的任何其它用戶裝置。
[0040]整個工作系統或商用產品或部件不必包含所有傳感器、芯片、頭板、控制單元和用戶裝置，但是可包含它們中的任何兩個或更多個的組合。
[0041]在各實施方式中，傳感器102、芯片104、頭板106、控制單元108和用戶裝置110中的兩個或更多個的組合之間可具有各種機械和電子連接件。此外，用于各種操作所需的機械、流體流、電子、軟件、數據處理、通信、存儲和電子功能可以各種方式分布在系統的這些零件的兩個和三個或更多個之間。功能的分布可以是任意的或者以各種各樣方式基于商用和技術考慮。
[0042]在一些情形中，傳感器102(我們用其指代芯片104的光敏區域)可操作為電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳感器。其它成像方式是可能的。如較早所提及的，在一些示例中，傳感器像素化，即，相對于光敏圖像元素(像素)105的行和列(或其它陣列布置)操作。
[0043]在操作期間，傳感器響應于入射的電磁輻射(例如光)99，入射的電磁輻射穿過1010樣本、從樣本101散射或從樣本發出。穿過樣本或從樣本散射或從樣本發出的光的波長可以改變，例如當其穿過或散或或發出時。入射的電磁輻射99和傳輸、散射或發出的輻射的波長通常位于可見光、近紫外或近紅外的范圍內。例如，我們以最寬廣的含義使用術語光來包含所有這些范圍。
[0044]因為樣本101與傳感器的表面103接觸或基本接觸或緊密鄰近，所以在系統中不需要使用任何光學元件來折射或準直或重新引導來自樣本的光至傳感器。
[0045]來自樣本的鄰近像素的一部分107(或位于入射光99和像素之間的路徑中)的光大部分(在一些情況下基本上完全)由像素105接收。
[0046]在該布置中，由傳感器的像素陣列感測的光直接表示樣本的各部分的對應陣列，并因此有效表示樣本的圖像，具有高分辨率的圖像。
[0047]就到達傳感器的光的初始源位于環境中來說，光可以是環境光或者可由專用光源119提供。在一些實施中，其可用于控制對樣本的照明，尤其通過控制光源或濾掉環境光或兩者控制照明的均勻性或取向。
[0048]為了捕獲樣本的圖像，傳感器在概念上的圖像捕獲周期期間被驅動和讀取。在圖像捕獲周期期間，由傳感器在所有像素處接收的光被轉換為輸送至芯片的電子部件的電信號(例如模擬信號或數字信號)。取決于技術，該信號可以平行地或順序地讀取。在一些范圍內，比如由14位數字值表示的范圍內，來自每個像素的電信號通常由量化的強度值表示，量化的強度值對應于由像素感測的光的強度。顏色信息可以各種方式獲得，例如使用在相鄰像素上系統排列的不同的帶通光學過濾器，或者利用不同顏色照明相繼成像，并可以其它方式獲得。
[0049]不管使用什么方法，從各像素在空間和/或時間中接收的電信號可表示樣本的全彩色高分辨率高動態范圍圖像。
[0050]除了系統的電子特征，下面討論操控、容納和照明樣本101的機械元件。
[0051 ]形成系統的電子和機械部件的一些或所有(包含傳感器、芯片104、頭板106、控制單元108、用戶裝置110和用戶接口 109或它們中的任何兩個或更多個的組合)可以制造為單獨商用產品，并且可以重復利用或一次性的。
[0052]對于高分辨率成像，成像每個樣本的單層。單層成像可以通過控制加載在傳感器上的樣本體積來實現。這種控制的示例包含在將樣本加載在傳感器上之前的樣本處理、在樣本加載進室中之后使用無透鏡成像系統100的室的機械控制和/或兩者的組合。
[0053]參見圖2，被成像的樣本101(我們有時使用詞語標本與詞語樣本互換)可由小的類似類型的單元97構成或包括小的類似類型的單元，比如顆粒、塊、斑點、有機體、細胞或分子或它們的組合或不同類型的任何兩個或更多個的組合。單元97可懸浮或承載在液體104中，以形成液體懸浮樣本單元97，在氣體中被夾帶以形成氣體懸浮樣本單元(未示出)，以未懸浮或未夾帶形式停留在傳感器表面上(未示出)，或者以固體、凝膠或其它整體自支撐材料(比如組織的截面層)的集成基體(matrix)保持，僅舉出幾個示例。我們有時十分寬廣地使用術語基體來包含例如保持樣本單元的任何材料，包括液體、氣體、固體、凝膠或任何其它材料。
[0054]額外地，樣本101還可包含間隔特征230，用于控制傳感器102上的樣本101的體積。在一些情形中，對于給定各類的樣本單元或者樣本的精確指定體積(例如，對于血液計數，或者其它分析，其中，樣本單元的數量針對樣本的精確體積進行計數)，由傳感器成像的樣本的體積由傳感器的頂部有效成像表面的寬度和長度以及該表面和室頂的平坦底部表面之間的間隙220(或室)來控制。在一些情況下，該體積不必是精確的，但是間隙高度需要是精確量，或者不大于某一個量，或者不小于某一個量，或者這些條件的組合。
[0055]各種技術和裝置可用于形成和維持間隙的高度(例如精確高度)。我們寬廣地指代這些技術和裝置為間隔特征。在圖2所示示例中，間隔特征包含微球體或其它種類的均勻尺寸的珠，即ΙΟμπι或3.Ομπι或5.Ομπι。為了確立精確和均勻間隔及由此確立樣本空間的體積，有用地，指定珠尺寸的精度，例如珠可以被指定為2wii，具有正負100納米的精度。珠可以是非球形的。珠可以各種不同方式使用。
[0056]如圖2所不，在一些實施方式中，當樣本被輸送到傳感器表面103時，珠230可包含在樣本內，例如具有液體基體的樣本，樣本單元(可以小于珠)懸浮在液體基體中。如果室頂被允許安定或向下按壓在樣本上，假設在樣本中有足夠的珠，它們良好地合理地分布在液體內，那么，可以獲得均勻的精確間隙高度。為此，例如，珠可以每毫升樣本個的濃度存在于樣本中。如果珠被選擇成在樣本中接近中性浮力，則可以通過簡單的機械攪動來完成維持珠在樣本中的均勻分布。
[0057]在一些情況下，珠可大概具有與樣本單元相同的尺寸。在一些實施方式中，可以包含兩種不同尺寸的珠。更大的尺寸限定出預期間隔。更小的尺寸可以被計數，以證實樣本空間的體積是按照預期的，假設更小的珠均勻地合理分布在樣本中，并且每樣本體積中的更小的珠的數量是已知的。珠可以是透明的，以允許光穿過到達傳感器，或者可以是彩色的，或熒光的，或者不透明的，或者這些特性中的兩個或更多個的組合。
[0058]在樣本被加載到室中之后，室頂可以相對于傳感器表面103下降以從傳感器102移除過量樣本體積，并允許樣本單元97(比如分布在流體中的細胞)更均勻地分布在傳感器102的表面103上。在一些實施中，移除過量體積不會改變樣本單元的體濃度，使得樣本的比較小的體積(例如約IyL)的成像產生可應用于分配在傳感器上的總樣本(例如約40yL或更多)的數據。在其它實施方式中，新濃度一貫與樣本單元的體積濃度成比例，從而允許確定校正因子。為了實現用于成像的期望樣本濃度，如下進一步所述，對樣本進行進一步處理。
[0059]室頂可以各種方式下降。在一個示例中，再次參見圖2，室頂具有平坦的頂表面400，在室頂下降期間，頂表面400基本上保持與傳感器102的頂表面103平行。我們有時稱該過程為平坦的線性降落。
[0060]示例劑量計
[0061]包括無透鏡成像系統(比如圖1所示系統100)的劑量計(比如圖3所示劑量計)可執行快速和可靠生物劑量測定用于自我評估，或者由大量緊急醫療服務提供者(不用特定訓練技術)在主要輻射事件的一天或兩個內進行大群體的分診。劑量計可以是袖珍的裝置，其測量特定白血液細胞的絕對計數，以經由淋巴細胞減少來估計吸收的福射劑量。劑量計可具有高靈敏度、專一性、可重復性和可再現性。用于分析過程(例如至少包括圖4的工藝400的步驟404、406、408)的周轉時間是幾分或更少。劑量計是可操作的，并輸出指示，該指示易于由在技術領域中不具有廣泛訓練的人們理解，例如護理人員或其它緊急護理員。病人甚至可使用劑量計來執行自我評估。劑量計可由電池或其它電源供電，并可以是能源有效的。例如，在不更換電池或不充電的情況下，劑量計可運行至少24小時。該裝置是可靠的，使得故障之間的平均時間較高，例如幾十或幾百小時。該裝置可包含自診斷能力，以識別故障部件，這些部件可易于在現場更換。操作者可經由圖形用戶界面與劑量計交互。
[0062]劑量計可以是自主的，并且能夠計算、顯示、存檔和無線傳輸結果，而不需要外部計算機用于任何操作方面。此外，劑量計包含傳感器控制電子器件、照明器、顯示器和報告部件，其可由電子、機械和軟件工程進行處理。
[0063]劑量計可包含提供約8.25mm2的傳感器表面的CMOS芯片，并包括3280乘2464陣列的1.1ym像素傳感器，具有良好的分辨率和采樣統計。芯片可以視頻速率收集樣本圖像，例如約每秒24全幀數。芯片可以比較薄，例如約200μπι至約300μπι。盡管未示出或相對于圖1和2進行討論，但是劑量計的無透鏡成像系統可檢測熒光。例如，圖像傳感器表面包含過濾器的一個或多個層，其可包含與在可見波長上的光傳輸顯微術兼容的UV(紫外線)阻擋過濾器。那么，樣本的熒光成像可例如通過UV激勵來執行。熒光成像可允許使用額外的生物劑量測定標志，比如淋巴細胞中的組蛋白Τ-Η2ΑΧ的磷酸化水平，其尤其有利于早期監控(例如暴露后小于24小時)和低劑量(例如小于IGy)。
[0064]用于控制無透鏡成像系統并用于分析來自無透鏡成像系統的數據輸出的一個或多個算法可以預先開發。該算法還可基于劑量計的用途進行升級。在一些實施中，公布的生物劑量測定數據、急性放射綜合征文獻和內部產生的數據可用于確定用于樣本操縱和數據分析的劑量計參數，例如用于淋巴細胞和其它基于血液細胞的血液生物劑量測定。該參數可使用現有樣本進一步分析和驗證，以確認劑量計的可檢測性和可靠性適于分診目的。在一些實施中，分析和驗證過程可識別出會打擾對來自劑量計的結果的解釋的潛在干擾物質和條件。
[0065]除了劑量計，為了便于血液采樣和成像，可以給劑量計操作者提供用于樣本收集、傳送和添加試劑、抗體和/或體積參照微珠的吸液管系統。在控制無透鏡成像系統和分析數據的算法中可考慮用于系統校準的參照珠懸浮物，以改進細胞分類的精度。
[0066]在一些實施方式中，還可通過免疫地檢測特定表面抗原(例如⑶3和⑶19)來檢測T和B淋巴細胞來增強細胞分類的精度。上面討論的樣本處理(例如添加試劑、著色和/或添加微珠)進一步地，在成像之前，朝向表面抗原(例如CD3和CDl9)引導的熒光或微珠標記的抗體可添加到處理的樣本。這種添加可使血液樣本中的淋巴細胞的分類明確，因為淋巴細胞通過微珠耦合抗體被呈現為熒光或“裝飾的”。抗體還可包含在吸液管系統中。然而，該添加可增加整體成本和樣本操縱復雜度。
[0067]在使用時，再次參見圖4，通過對對象的清潔(例如使用一次性酒精藥簽)指尖施加標準刺來采集血液樣本(402)。根據標準慣例，擠出連續的血滴。為了傳輸樣本(404)，傳輸裝置取得血滴的一部分(可以為5μ1那樣小或50μ1那樣大)。傳輸裝置可以是體積吸液管、校準的毛細管、微量吸管或其它類似裝置。在一些實施方式中，該部分是連續滴的第三滴的一部分。從第三滴進行測量可改進測量精度。傳輸裝置可預加載抗凝血劑、稀釋劑、著色劑、抗體、參照珠、紅細胞裂解液和/或其它試劑。或者，這些材料中的一個或多個可以通過一個或多個其它吸液管以關于血液體積的預定體積比例添加到血液樣本。用這種試劑稀釋或不稀釋的血液可被傳輸到無透鏡成像系統的室，并被照明和成像(406) ο成像血液的體積由室尺寸的先前校準確定，通過包含和計數以已知濃度添加到備注的參照珠，和/或通過其它手段。
[0068]然后，一個或多個算法(例如計算機視覺軟件)用于分析來自無透鏡成像系統的數據輸出(408)。例如，該算法基于細胞的顏色和尺寸、細胞核形狀和尺寸和/或其它參數在血液的成像顆粒中識別出淋巴細胞。作為示例，圖5Α示出血液樣本的成像場500的一部分。圖5Β示出通過軟件自動分類和標記(利用圓圈)的紅血球502和白細胞504。那么，基于分類的細胞(比如圖5Β所示的那些)確定絕對淋巴細胞計數，其可基于成像備注樣本的體積和稀釋進行校正(需要的話)。示出由本公開的劑量計確定的淋巴細胞計數的精度的示例在圖6中示出。由本公開的劑量計確定的血液樣本的淋巴細胞計數的線性回歸分析與通過當前醫院標準儀器測量的相同血液樣本的淋巴細胞計數對比繪制。
[0069]如果從輻射暴露到血液采樣的時間已知，則單個淋巴細胞計數可用于估計淋巴細胞的耗減率，并由此估計吸收的輻射劑量，假設預暴露計數處于正常平均值。在一些實施中，相對于在類似個體中的正常計數，基于淋巴細胞計數來確定淋巴細胞耗減。在示例中，參考正常計數可以是2.45x 19細胞/L。參考正常計數可以針對年齡、性別等進行校正。正常平均值一般是已知的。例如，參見The Medical Basis for Radiat1n AccidentPreparedness,KF Hubner,SF Fry,eds,Elsevier North Holland Inc.，1980，297-310，以及，內科醫學年鑒，2004，140卷:1037-51。
[0070]在一些實施中，更多精確估計可通過在間隔幾小時后從相同個體獲得第二血液樣本來實現。在一些實施中，可采集和分析甚至更多的血液樣本。淋巴細胞減少率可基于下列模型計算出(例如參見“急性福射綜合征治療指南”，Radiat1n Injury TreatmentNetwork,September 2010;//www.ritn.netAVorkArea DownloadAsset.aspx?id =2147483696，該文章的全部內容作為引用并入本文)。
[0071]Lt = 2.45x 109/L x e—k(D)t
[0072]其中，Lt等于淋巴細胞計數，2.45x109/L等于表示一般群體中的平均淋巴細胞計數的常數，k(D)等于用于特定急性光子劑量D的淋巴細胞減少率常數，t等于暴露之后的時間(天)。通過這些手段，用于劑量估計的計算器可在美國衛生與公眾服務部的輻射緊急醫療管理網站，http: //www.remm.nlm.gOv/ars_wbd.htm#lymphocy te 獲得。
[0073]在一些實施中，淋巴細胞計數可進一步基于已知變化因子進行校正。例如，淋巴細胞沒有完美地均勻分布在血液樣本內，非均勻分布可導致淋巴細胞的實際數量與由劑量計產生的計數之間的差別。而且，無透鏡成像系統中的室的體積還可隨著測試而變化。結果，被成像的樣本的實際體積可隨著樣本而不同。變化因子可以統計確定，以校正淋巴細胞計數。
[0074]下面說明確定從室體積變化中引起的變化因子的示例。通過計數以已知濃度包含在血液樣本中的參照珠來確定室的實際體積，從而減少因室體積變化引起的誤差。基于在血液樣本中1000個珠的假設，由于隨機分布引起的計數變化是3.3% (1000個珠，計數的標準偏差= 32.85，變化系數(CV) = 3.3%)。這兩個獨立的誤差源(來自室體積和珠計數)導致8.9%的組合誤差。在一些實施中，傳感器的表面積增加，總體體積誤差因子小于5%。
[0075]在一些實施中，通過在第一數據采集之后將樣本重新加載進室中來增加被分析的體積。通過引入新的樣本體積來改進用于罕見細胞(或顆粒)的計數統計。當室頂下降到位(?0.1yL)時，由于體積加載(?1yL或更多)遠大于實際監控的體積，所以可在將室頂重新下降至其“讀取”位置之前通過提升和下降室頂幾次來混合樣本而有效地重新加載新的樣本體積。室頂的快速提升和下降機構是用于改進樣本統計的一般有用策略。
[0076]在一些實施中，花費約30秒來傳輸樣本和采集圖像(例如圖4所示的工藝400的步驟404和406)，約120秒或更少(例如小于30秒或小于15秒)來用于圖像處理和分析。考慮對象制備和裝置清潔，每個劑量計的吞吐量可多于每小時30測試。
[0077]本說明書所述的主題和功能操作的實施例可以在數字電路中、在有形實現的計算機軟件或固件中、在計算機硬件中實施，包括本說明書公開的結構和它們的結構等同物或者它們中的一個或多個的組合。本說明書描述的主題的實施例可實施為一個或多個計算機程序，即編碼在有形非臨時存儲介質上的計算機程序指令的一個或多個模塊，用于由數據處理設備執行，或者控制數據處理設備的操作。替代地或額外地，程序指令可編碼在人工生成的傳播信號上，例如機器生成的電子、光學或電磁信號，其產生用于編碼信息以傳輸至合適的接收器設備而由數據處理設備執行。計算機存儲介質可以是機器可讀存儲裝置、機器可讀存儲基底、隨機或串行存取存儲裝置或它們中的一個或多個的組合。
[0078]術語“數據處理設備”指的是數據處理硬件，并包含用于處理數據的所有種類的設備、裝置和機器，舉例來說，包括可編程數字處理器、數字計算機或多個數字處理器或計算機。該設備還可以是或進一步包括專用邏輯電路，例如FPGA(現場可編程門陣列)或ASIC(特定用途集成電路)。除了硬件，該設備可選地包括產生用于計算機程序的執行環境的代碼，例如構成處理器固件、協議棧、數據庫管理系統、操作系統或它們中的一個或多個的組合的代碼。
[0079]計算機程序(還可稱為或描述為程序、軟件、軟件應用、模塊、軟件模塊、腳本或代碼)可以編程語言的任何形式編寫，包括編譯或直譯語言，或陳述或過程語言，其可以任何形式配置，包括作為獨立程序或模塊、部件、子程序或用它于用在計算環境中的其它單元。計算機程序可以(但并非必要)對應于文件系統中的文件。程序可存儲在保持其它程序或數據的文件中的一部分中，例如存儲在標記語言文檔中、專用于所關注程序的單個文件、或多個的協調文件中的一個或多個腳本，例如存儲一個或多個模塊、子程序或代碼的一部分的文件。計算機程序可配置成在一個計算機或多個計算機(位于一個地點或分布在由數據通信網絡互連的多個地點)上執行。
[0080]本說明書所述的過程和邏輯流可以由一個或多個可編程計算機執行，可編程計算機執行一個或多個計算機程序，以通過操作輸入數據和產生輸出來執行功能。工藝和邏輯流還可專用邏輯電路執行，設備還可實現為專用邏輯電路，例如FPGA(現場可編程門陣列)或ASIC(特定用途集成電路)。對于“構造”成執行特定操作或動作的一個或多個計算機的系統意味著裝配在其軟件、固件、硬件或它們的組合上的系統，在操作時，導致系統執行操作或動作。對于構造成執行特定操作或動作的一個或多個計算機程序意味著一個或多個程序包括指令，當由數據處理執行時，導致設備執行操作和動作。
[0081]舉例來說，適于執行計算機程序的計算機可以基于通用或專用微處理器或兩者，或者任何其它種類的中央處理單元。一般來說，中央處理單元接收來自只讀存儲器或隨機存儲器或兩者的指令和數據。計算機的核心元件是用于執行或實施指令的中央處理單元以及用于存儲指令和數據的一個或多個存儲裝置。一般來說，計算機還包括或可操作地聯接成接收來自一個或多個大容量存儲裝置(用于存儲數據)的數據或將數據傳送至一個或多個大容量存儲裝置(或者兩者都有)，例如磁存儲器、磁光盤或光盤。然而，計算機不必具有這種裝置。此外，計算機可嵌入另一裝置中，例如移動悄悄話、個人數字助理(PDA)、移動聲音或視頻播放器、游戲控制臺、全球定位系統(GPS)接收器或便攜式存儲裝置(例如通用串行總線(USB)閃存盤)，僅提及一些。
[0082]適于存儲計算機程序指令和數據的計算機可讀介質包括非易失性存儲器、介質和存儲裝置的所有形式，舉例來說，包括半導體存儲裝置，例如EPROM、EEPROM和閃存裝置;磁盤，例如內部硬盤和可移除盤;磁光盤；以及CD ROM和DVD-ROM盤。處理器和存儲器可由專用邏輯電路補充或結合進專用邏輯電路中。
[0083]本說明書所述對各系統和過程(或它們的一部分)的控制可以在計算機程序產品中實施，計算機程序產品包括存儲在一個或多個非易失性機器可讀存儲介質上、可在一個或多個處理裝置上執行的指令。本說明書或其一部分所述系統可實施為包括一個或多個處理裝置和存儲器的設備、方法或電子系統，以存儲可執行指令來進行本說明書所述操作。
[0084]盡管本說明書包含許多特定實施方式細節，但是這些不應被理解為限制本發明的范圍或本發明所要求的范圍，而是應理解為描述對于特定發明的特定實施例而言特定的特征。在分離實施例的情形下，在本說明書中所述的某些特征還可以在單個實施例中組合起來實施。相反地，在單個實施例中描述的各特征還可在多個實施例中分離地或以任何合適的子組合實施。此外，盡管上面特征描述為以一定組合發生作用，甚至這樣要求，但是來自所要求組合的一個或多個特征在一些情況下可從組合中去除，所要求組合可被引導至子組合或子組合的變型。
[0085]類似地，盡管附圖中以特定順序描繪各操作，但是這不應理解為要求這種操作以所示特定順序或以相繼順序執行，或者執行所有所示操作來獲得期望結果。在某些情形中，多任務和并行處理是有利的。此外，上述實施例中的各系統模塊和部件的分離不應理解為在所有實施例中要求這種操作，其應理解為所述程序部件和系統可一般在單個軟件產品中結合在一起或封裝進多個軟件產品中。
[0086]描述了主題特定實施例。其它實施例在下面權利要求的范圍內。例如，權利要求中引用的動作可以不同順序執行，仍獲得期望結果。作為一個示例，附圖所示工藝不必要求所示特定順序或相繼順序，以獲得期望結果。在一些情況，多任務和并行處理是有利的。除了在由事故導致的輻射曝露中使用，劑量計還可用在放射療法(比如治療癌癥)和實驗研究中。
【主權項】
1.一種方法，包括: 使在傳感器表面和顯微術樣本室的表面之間移位的樣本成像，以產生該樣本的至少一部分的圖像，所述圖像使用無透鏡光學顯微術產生，所述樣本至少包含來自對象的血液；自動區分圖像中不同類型的細胞； 基于自動區分生成一種或多種細胞類型的計數；以及 基于該計數得到對象吸收的輻射劑量。2.如權利要求1所述的方法，其中，生成一種或多種細胞類型的計數包括生成淋巴細胞的計數。3.如權利要求2所述的方法，包括基于淋巴細胞的計數估計淋巴細胞的耗減。4.如權利要求2所述的方法，其中，該樣本是在第一時刻從對象采集的第一樣本，對于淋巴細胞的計數是對于淋巴細胞的第一計數，所述方法包括: 使在第二不同時刻從對象采集的第二樣本成像； 基于第二樣本生成淋巴細胞的第二計數；以及 基于淋巴細胞的第一和第二計數估計淋巴細胞的耗減。5.如權利要求1所述的方法，其中，該樣本包含分布在樣本的血液細胞中的參照珠。6.如權利要求1所述的方法，其中，基于細胞的顏色、尺寸、細胞核形狀和細胞核尺寸中的一個或多個區分不同類型的細胞。7.如權利要求1所述的方法，其中，通過對于成像樣本的體積的校正生成一種或多種細胞類型的計數。8.如權利要求1所述的方法，其中，該樣本包含來自對象的稀釋血液，通過對于血液的稀釋的校正生成一種或多種細胞類型的計數。9.如權利要求1所述的方法，其中，該樣本包含抗凝血劑、稀釋劑、著色劑、抗體、紅細胞裂解液和其它試劑中的一個或多個。10.如權利要求1所述的方法，其中，生成一種或多種細胞類型的計數包括基于與一種或多種細胞類型相關的一個或多個表面抗原的檢測生成計數。11.如權利要求1所述的方法，其中，在不使用透鏡的情況下執行成像。12.如權利要求1所述的方法，其中，成像包括一百萬像素或更高像素的分辨率下的成像。13.如權利要求1所述的方法，其中，成像包括通過提升和下降顯微術樣本室的表面來快速地再混合和再采樣移位的樣本。14.如權利要求1所述的方法，其中，該圖像包含關于分布在樣本的僅單層中的細胞的?目息O15.—種設備，包括: 無透鏡成像系統，其包括: 傳感器陣列，具有共同傳感器表面；以及 顯微術樣本室，該室包括上表面、位于上表面和傳感器表面之間的空間，該空間用以接收用于成像的樣本;以及處理器，其被構造成: 自動地接收通過無透鏡成像系統生成的樣本的至少一部分的圖像，該樣本至少包含來自對象的血液；以及 自動地顯示與被對象吸收的福射劑量相關的信息。16.如權利要求15所述的設備，其中，傳感器陣列形成在CMOS芯片中。17.如權利要求15所述的設備，其中，傳感器陣列中的每個傳感器具有約2μπι乘2μπι或更小的尺寸。18.如權利要求15所述的設備，其中，該處理器構造成自動分析包含在圖像中的數據。19.如權利要求18所述的設備，其中，自動分析數據包括對圖像中的不同類型的細胞分類。20.如權利要求19所述的設備，其中，該處理器構造成生成一種或多種細胞類型的計數。21.如權利要求20所述的設備，其中，該處理器構造成基于該計數得到對象吸收的輻射劑量。22.如權利要求15所述的設備，其中，該處理器構造成將接收的圖像自動輸送到位于該設備外部的機器，以使機器處理包含在圖像中的信息并提供關于輻射劑量的信息。23.如權利要求15所述的設備，包括網絡接口，用于經由有線或無線連接將該設備連接到網絡。24.如權利要求15所述的設備，其中，該設備是手持式裝置。25.如權利要求15所述的設備，其中，該傳感器包括能夠進行無透鏡光學顯微技術的數字圖像傳感器。
【文檔編號】G06M11/00GK106030343SQ201480075775
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月16日
【發明人】A.M.法恩
【申請人】阿蘭蒂克微科學股份有限公司