材料分析系統、方法和設備的製作方法

2023-05-23 11:16:26

材料分析系統、方法和設備的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於分析材料的系統和方法以及涉及用於分析材料特別是但不必唯一地是生物材料的設備。本發明包括：接收至少包括與感興趣的材料的樣品相關聯的全息強度圖案的全息強度數據，通過應用圖像處理算法和技術來處理接收到的全息強度數據，以至少執行檢測和識別所述樣品中的至少一個感興趣的對象的步驟中的一個或者兩個步驟，因而至少生成合適的輸出。
【專利說明】材料分析系統、方法和設備

【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及例如用於分析生物材料例如血液的材料分析方法、系統以及設備。

【背景技術】
[0002] 當前，在南非每年完成大約八百萬個全血計數（FBC)。當醫師面臨明顯患病的患者 時，FBC為醫師需要的最初的且最常見的病理測試。對於南非的和發展中國家的其它地方 的FBC而言，在城鄉診所、醫院和醫生的會診室中從患者採血。
[0003] 對於每個測試而言，血液被採入藥瓶，暫時冷藏保存，並且由速遞員經由公路運輸 至最近的病理實驗室，在病理實驗室中由自動血液計數儀執行FBC，由病理醫師解釋FBC的 結果。
[0004] 該操作的物流顯著導致了測試成本。到目前為止的大部分測試結果由病理醫師在 該實驗室進行印刷並且解釋，並且然後傳送並且送回到請求的醫師或者診所，然後醫師或 者診所治療患者。典型的周轉時間為48小時。
[0005] 注意到，在一些情況中，實驗室可能使用數字全息顯微鏡來有助於測試。然而，這 些設備是難處理的，並且可能需要專業操作者來操作這些設備。
[0006] 因此，本發明的目的在於處理或者至少改善上述問題和/或者缺點；或者為傳統 系統、設備和方法提供替代。


【發明內容】

[0007] 本發明的第一方面提供一種用於分析材料的方法，方法包括：
[0008] 接收至少包括與感興趣的材料的樣品相關聯的全息強度圖案的全息強度數據，全 息強度數據由數據獲取裝置獲取；並且
[0009] 處理接收全息強度數據，以至少執行樣品中的至少一個感興趣對象的檢測步驟和 識別步驟中的一個步驟或者兩個步驟。
[0010] 用於處理接收到的全息強度數據的步驟可以至少包括以下步驟：
[0011] 從接收全息強度數據中確定一個或多個數據關鍵點，全息強度數據與包括三維空 間的傳播空間中的離散位置相關聯，與數據獲取裝置相關聯的光照在三維空間上傳播以有 助於獲取全息強度數據；並且
[0012] 將所確定的數據關鍵點和與對象相關聯的至少一個預先確定的對象描述符進行 比較，以確定匹配，因而有助於樣品中的至少一個感興趣對象的檢測步驟和識別步驟中的 一個步驟或者兩個步驟，其中，對象描述符為傳播空間不變量。
[0013] 方法可以包括提供多個對象描述符，每個對象描述符可以包括與傳播空間中的多 個期望離散位置分別相關聯的多個描述符子集，其中，每個描述符子集包括一個或多個描 述符關鍵點。
[0014] 方法可以包括用於確定對象描述符的在先步驟，對於每個對象而言，在先步驟可 以包括：
[0015] 接收該對象的圖像；
[0016] 對於傳播空間之上的多個離散位置的接收圖像應用波形傳播算法，因而生成與傳 播空間之上的離散位置對應的多個全息強度圖案；
[0017] 確定在傳播空間之上的每個生成全息強度圖案的描述符關鍵點；並且
[0018] 使用確定描述符關鍵點和表示傳播空間之上的相關聯的離散位置的信息，以生成 與對象相關聯的對象描述符。
[0019] 注意到，多個生成全息強度圖案可以由波形傳播等式人工地生成。雖然方法包括 自動生成人工全息圖以在其上訓練，但是應當明白的是，在一些示例性實施例中，方法可以 包括：通過手動地生成多個物理全息圖以在其上訓練來確定用於對象描述符確定的描述符 關鍵點。
[0020] 對象的圖像通常包括對象的顯微鏡圖像。
[0021] 方法還可以包括：
[0022] 通過將確定的描述符關鍵點與傳播空間中的對應離散位置相關聯來生成對象描 述符子集；
[0023] 通過將與對象對應的每個生成描述符子集進行關聯來生成與對象相關聯的對象 描述符；並且
[0024] 將所生成對象描述符存儲到資料庫中。
[0025] 在一個示例性的實施例中，對象描述符另外是尺度空間不變量，因此，方法可以包 括：
[0026] 通過將模糊算法應用於每個生成全息強度圖案，生成在傳播空間之上生成多個全 息強度圖案中的每個全息強度圖案的尺度空間，因而生成模糊圖像；
[0027] 通過將生成模糊圖像彼此相減來確定生成模糊圖像之間的差；
[0028] 在確定的差中找到極值的尺度不變量關鍵點；並且
[0029] 使用尺度不變量關鍵點來生成尺度空間不變量對象描述。
[0030] 注意到，方法可以包括通過以下步驟來確定匹配的精確度：
[0031] 將重建算法應用於接收全息強度數據，以重建接收到的全息強度數據回到與匹配 關鍵點相關聯的傳播空間中的離散位置；
[0032] 在傳播空間的該位置得出關鍵點；
[0033] 將新得出的關鍵點與對象描述符進行比較，以確定匹配置信度。
[0034] 方法可以包括從數據獲取裝置以硬線連接的方式接收或者從包括數據獲取裝置 的多個地理上分布的分析站以無線方式接收全息強度數據。
[0035] 方法可以包括控制數據獲取裝置來生成至少包括與樣品相關聯的全息強度圖案 的全息數據。
[0036] 方法可以包括：
[0037] 生成與檢測和識別操作中的一個或者兩個相關聯的輸出數據；並且
[0038] 經由硬線連接的或者無線的數據裝置向用戶接口模塊發送所輸出的數據，以至少 用於因而輸出。
[0039] 方法可以包括：
[0040] 通過確定相似感興趣對象的總和來對檢測或者識別的感興趣對象進行分類；
[0041] 通過重建接收全息強度數據來生成樣品的圖像；
[0042] 生成包括確定的總和以及生成樣品圖像中的一個或者兩個的輸出數據；並且
[0043] 經由硬線連接的或者無線的數據裝置向用戶接口模塊發送所輸出的數據，以至少 用於因而輸出。
[0044] 本發明的第二方面提供一種材料分析系統，包括：
[0045] 存儲器設備，其存儲數據；
[0046] 數據接收器模塊，其與數據獲取裝置進行數據通信，並且被配置為接收由數據獲 取裝置獲取的至少包括與感興趣的材料的樣品相關聯的全息強度圖案的全息強度數據；以 及
[0047] 圖像處理器，其被配置為處理接收全息強度數據，以至少執行樣品中的至少一個 感興趣對象的檢測操作和識別操作中的一個操作或者兩個操作。
[0048] 圖像處理器可以包括：
[0049] 關鍵點提取模塊，其被配置為從接收全息強度數據中確定一個或多個數據關鍵 點，全息強度數據與包括這樣一種空間的傳播空間中的離散位置相關聯，與數據獲取裝置 相關聯的光照在該空間上傳播以有助於獲取全息強度數據；並且
[0050] 對象分類器，其被配置為將所確定的數據關鍵點與在存儲器設備中存儲的與對象 相關聯的至少一個預先確定的對象描述符進行比較，以確定匹配，因而有助於樣品中的至 少一個感興趣對象的檢測步驟和識別步驟中的一個步驟或者兩個步驟，其中，對象描述符 為傳播空間不變量。
[0051] 存儲器設備可以存儲多個對象描述符，每個對象描述符包括與傳播空間中的多個 期望離散位置分別相關聯的多個描述符子集，其中，每個描述符子集包括一個或多個描述 符關鍵點。
[0052] 材料分析系統可以包括訓練模塊，其被配置為確定對象描述符，其中，對於每個對 象而言，訓練模塊被配置為：
[0053] 接收對象的圖像；
[0054] 對於傳播空間之上的多個離散位置的接收圖像應用波形傳播算法，因而生成與傳 播空間之上的離散位置對應的多個全息強度圖案；
[0055] 確定在傳播空間之上的每個生成全息強度圖案的描述符關鍵點；並且
[0056] 使用所確定的描述符關鍵點和表示傳播空間之上的相關聯的離散位置的信息，以 生成與對象相關聯的對象描述符。
[0057] 數據接收器模塊可以與數據獲取裝置進行硬線連接數據通信或者與包括數據獲 取裝置的多個地理上分布的分析站進行無線數據通信。
[0058] 系統可以包括數據獲取裝置或者包括數據獲取裝置的多個地理上分布的分析站， 其中，每個數據獲取裝置包括數字全息顯微鏡配置，其至少包括用於生成光照的光照源和 用於在使用中響應於在其上入射的生成光照而生成全息強度數據的圖像傳感器，其中，傳 播空間包括光照源和圖像形成裝置之間的三維空間的至少一部分。
[0059] 數字全息顯微鏡布置還可以包括：
[0060] 空間濾波器，其位於離光照源預先確定的距離處，空間濾波器至少包括一個光照 孔，以用於來自光照源的光照從光照孔通過；以及
[0061] 樣品保持器，其可去除地位於離空間濾波器的預先確定的距離處，樣品保持器被 配置為保持感興趣的材料的樣品，其中，圖像傳感器與樣品保持器間隔開，從而在使用中， 來自光照源的光照從光照源傳播通過光照孔、通過保持感興趣的材料的樣品的樣品保持器 到圖像傳感器上，圖像傳感器響應於在其上入射的光照而生成感興趣的材料的樣品的全息 強度數據；其中，傳播空間包括三維空間，來自光照源或者從光照孔和樣品保持器中的一個 或者兩個傳播的光照在三維空間上傳播，以到達圖像傳感器，因而形成全息強度數據。
[0062] 系統可以包括用戶接口模塊，其被配置為接收用戶輸入和輸出，並且在存儲器設 備中至少存儲與由圖像處理器模塊執行的檢測操作和識別操作中的一個或者兩個相關聯 的生成輸出數據。
[0063] 系統可以為用於分析與人類用戶相關聯的生物材料的樣品的生物材料分析系統， 因此，系統包括用戶交互模塊，其被配置為在存儲器設備中生成用於系統的至少一個用戶 的用戶配置文件，用戶配置文件存儲與特定用戶相關聯的生成輸出數據。
[0064] 本發明的第三方面提供一種材料分析設備，包括：
[0065] 外殼，其被配置為在使用中可去除地接收攜帶感興趣的材料的樣品的樣品保持 器；
[0066] 數據獲取裝置，其位於外殼中，以用於獲取感興趣的材料的樣品的全息強度圖 案；
[0067] 存儲器設備，其存儲數據；
[0068] 圖像處理器，其被配置為處理所獲取的全息強度數據，以至少執行檢測和識別樣 品中的至少一個感興趣對象的一個操作或者兩個操作，因而生成與操作相關聯的輸出數 據；以及
[0069] 用戶接口，其配置為接收用戶輸入並且輸出至少包括由圖像處理器生成輸出數據 的信息。
[0070] 圖像處理器可以包括：
[0071] 關鍵字提取模塊，其被配置為從接收全息強度數據中確定一個或多個數據關鍵 點，全息強度數據與包括這樣一種空間的傳播空間中的離散位置相關聯，與數據獲取裝置 相關聯的光照在該種空間上傳播以有助於獲取全息強度數據；並且
[0072] 對象分類器，其被配置為將所確定的數據關鍵點與在存儲器設備中存儲的與對象 相關聯的至少一個預先確定的對象描述符進行比較，以確定匹配，因而有助於樣品中的至 少一個感興趣對象的檢測步驟和識別步驟中的一個步驟或者兩個步驟，其中，對象描述符 為傳播空間不變量並且包括與傳播空間中的多個期望離散位置分別相關聯的多個描述符 子集，並且其中，每個描述符子集包括一個或多個描述符關鍵點。
[0073] 數據捕獲裝置可以包括數字全息顯微鏡配置，其可以包括：
[0074] 光照源，其被配置為生成光照；
[0075] 空間濾波器，其其位於離光照源預先確定的距離處，空間濾波器至少包括一個光 照孔，以用於來自光照源的光照從光照孔通過；其中，樣品保持器可去除地定位在離空間濾 波器的預先確定的距離處；以及
[0076] 與樣品保持器間隔開的圖像傳感器，圖像傳感器至少被配置為在使用中響應於在 其上入射的生成光照，生成樣品保持器中的感興趣的材料的數字全息強度圖案；其中，傳播 空間包括這樣一種空間，來自光照源的或者從光照孔和樣品保持器中的一個或者兩個傳播 的光照在該種空間上傳播，以到達圖像傳感器，因而形成全息強度數據。
[0077] 設備可以包括通信模塊，其被配置為從設備無線地接收數據並且發送數據。
[0078] 設備可以為用於分析與人類用戶相關聯的生物材料的樣品的生物材料分析設備， 因此，設備包括用戶交互模塊，其被配置為在存儲器設備中生成用於設備的至少一個用戶 的用戶配置文件，用戶配置文件存儲與特定用戶相關聯的生成輸出數據。
[0079] 本發明的第四方面提供一種包括一組指令的非瞬態的計算機可讀存儲介質，當指 令由計算設備執行時使計算設備執行上述方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0080] 圖1示出根據本發明的示例性實施例的材料分析系統的示意圖；
[0081] 圖2更詳細地示出當樣品保持器在第一位置時圖1的分析站的前透視圖；
[0082] 圖3更詳細地示出當樣品保持器在第一位置時圖1的分析站的後透視圖；
[0083] 圖4更詳細地示出當樣品保持器在第二位置時圖1的分析站的前透視圖；
[0084] 圖5更詳細地示出根據本發明的示例性實施例的材料分析系統的示意圖的至少 一部分；
[0085] 圖6示出穿過根據本發明的分析站的示意截面圖，其更詳細地示出了根據本發明 的數據獲取裝置；
[0086] 圖7示出根據本發明的示例性實施例的材料分析設備的示意圖，其示出與該設備 相關聯的功能模塊。
[0087] 圖8 (a)示出材料的樣品、USAF測試載物片的的示例性原始傳統亮視場顯微鏡圖 像；
[0088] 圖8 (b)示出圖8 (a)的生成全息強度圖案的圖像；
[0089] 圖8(c)示出圖8(b)的全息強度圖案的重建圖像；
[0090] 圖9(a)示出從數字同軸全息顯微鏡系統中獲得的血塗片的全息圖；
[0091] 圖9(b)示出血塗片的重建圖像；並且
[0092] 圖9(c)示出使用傳統亮視場顯微鏡（400X)獲得的血塗片的圖像的比較；
[0093] 圖10(a)示出血塗片樣品的亮視場顯微鏡圖像；
[0094] 圖10(b)示出對應於圖10(a)的全息圖；
[0095] 圖10(c)示出與圖10(b)對應以便紅血細胞對焦的重建圖像；
[0096] 圖10(d)示出與圖10(b)對應以便白血細胞對焦的重建圖像；
[0097] 圖11 (a)不出具有白血細胞的血塗片的殼視場顯微鏡圖像的不例；
[0098] 圖11(b)示出紅血細胞的圖11(a)的帶注釋的圖像；
[0099] 圖11(c)示出紅血細胞的位置圖像；
[0100] 圖11⑷示出白血細胞的位置圖像；
[0101] 圖11(e)示出樣品中的單個白血細胞的圖像；
[0102] 圖12示出根據示例性實施例的方法的高級流程圖；
[0103] 圖13示出根據示例性實施例的方法的另一個高級流程圖；並且
[0104] 圖14示出以計算機系統的示例性形式的機器的圖示法，其中，在計算機系統中可 以執行用於使該機器執行本文所討論的方法中的任何一個或多個的一組指令。

【具體實施方式】
[0105] 在下面的說明書中，出於解釋目的，大量的具體細節被給出以提供對本公開的實 施例的透徹理解。然而，顯而易見的是，本領域的熟練技術人員可以在沒有這些具體細節的 情況下實施本公開。
[0106] 參考圖1，根據本發明的示例性實施例的系統通常由參考數字10來指示。系統10 通常為用於分析生物或者非生物的材料特別是具有精良細節的顯微鏡尺度的對象的材料 分析系統。雖然本文所公開的發明可以找到對任何感興趣的材料進行分析的應用，但是將 參考優選示例性實施例來描述示例性實施例，藉此該系統為生物材料分析系統10。生物材 料可以包括與植物或者動物生命相關聯的任何感興趣的生物材料。在討論的示例性實施例 的本系統10中，生物材料與人類相關聯，並且可以包括血液、組織等等。
[0107] 為了簡潔起見，注意到，由系統研究且分析的材料稱為感興趣的材料。系統10被 配置為分析感興趣的材料的樣品以檢測或者識別材料的樣品中的一個或者多個感興趣的 對象。在感興趣的材料為人類血液的不例中，（紅色或者白色的）血細胞可以為感興趣的 對象，白色血細胞和紅色血細胞為不同類型的對象。
[0108] 系統10可以包括中心系統伺服器12,該中心系統伺服器12經由通信網絡16與多 個地理上隔開或者分布的數據獲取站14進行無線數據通信。通信網絡16可以為射頻網絡 或者移動通信網絡，例如，Wi-Fi網絡或者GSM(全球移動通信系統）網絡。通信網絡16可 以為分組交換網絡，且可以形成網際網路的一部分。然而，通信網絡16可以為電路交換網絡、 公共交換數據網絡等。
[0109] 伺服器12未必需要在一個位置包括單個伺服器，而是可以分布在多個分布式網 絡化伺服器上，布置在地理上隔開位置的多個分布式網絡化伺服器經由例如通信網絡16 彼此進行數據通信。然而，為了便於解釋，示出了單個伺服器。同理，雖然系統10可以包括 多個數據獲取站14,但是僅示出了三個。
[0110] 每個數據獲取站14通常位於遠程位置，該遠程位置通常難以接近適當的健康護 理設施等。對此，因此，系統10便利地提供以供遠程位置使用的護理系統點作為無線功能 性輔助。
[0111] 對此，轉向圖2至圖4,在圖2至圖4中更清楚地示出了站14。站14便利地包括由 耐用材料構造的堅固外殼14. 1以經受遠程未都市化的地區使用。為了易於使用，外殼14. 1 為具有兩個相對主表面的平面狀的平板。用戶接口 29(圖2)可以設置在外殼14. 1中，用 戶接口 29至少包括布置在外殼14. 1的一個主表面上的觸摸響應屏14. 2。該觸摸響應屏 14. 2可以顯示信息和（與用戶接口 29相關聯的）GUI，並且可以相應地接收來自用戶的觸 摸輸入，以至少控制站14。這些可以以任何傳統方式來完成。
[0112] 站14是可攜式的，並且因此是相對輕重量的，並且包括抓取構造以允許該站14便 於使用。在一個示例性實施例中，該站可以具有以下的尺寸：315mmX 250mm以及45mm的高 度。
[0113] 外殼14. 1還被配置為以阻止環境光進入外殼14. 1的光照密封方式可拆卸地接收 用於承載感興趣的材料的樣品例如（下面所述的）血液的樣品支持器。在一個示例性實施 例中，外殼14包括在第一位置和第二位置之間可旋轉的活板（flap) 14. 3,其中，在第一位 置處，活板暴露以便定位或者從活板14. 3移除樣品支持器，並且藉由第二位置，活板旋轉 關閉以按照光照密封方式將樣品支持器導入到外殼14. 1中。
[0114] 現在參考圖5,提供了如圖1所示的系統10的更詳細說明。為了便於說明，示出了 站14和伺服器的單個實例。系統10特別是中心系統伺服器10包括存儲非瞬態數據的數 據庫或者存儲器設備18。資料庫18可以為一個或多個合適的設備，其位於一個或多個位置 但是彼此進行數據通信以提供用於存儲數位化信息的裝置。
[0115] 注意到，伺服器12可以為操作的計算機，並且可以包括具有非瞬態計算機可讀介 質（例如，用於存儲指導如本文所述的伺服器12的操作的指令或者軟體的資料庫18)的一 個或多個處理器。參考本文所公開的方法所描述的步驟通常由與如本文所述的描述相關聯 的一個或多個處理步驟的應用來實現。
[0116] 在任意情況中，系統10特別是伺服器12和站14包括與由系統10執行的功能任務 對應的多個組件或者模塊。在本說明書的內容中描述的組件、模塊和裝置將理解為包括代 碼的識別部分、可計算的或者可執行的指令、數據或者用於實現特定功能、操作、處理或者 程序的可計算的對象。因此這些組件、裝置或者模塊不必以軟體來實現；而是可以以軟體、 硬體或者軟體和硬體的組合來實現。進一步地，這些組件、裝置或者模塊未必需要合併到一 個設備中，特別是伺服器12的情況中，而是可以分散在多個設備上。
[0117] 伺服器12包括數據接收器模塊20,該數據接收器模塊20與站14的數據獲取裝置 22進行數據通信，數據接收器模塊20被配置為接收全息強度數據，該全息強度數據至少包 括：與由數據獲取裝置22獲取的感興趣的材料的樣品相關聯的全息強度圖案或者圖像。
[0118] 此外，參考圖6，其中，通常在外殼14. 1之內示出了數據獲取裝置22。數據獲取裝 置22通常包括數字全息顯微鏡配置，其布置在外殼14. 1中限定的光隔離室14. 4中。雖然 所示出的實施例近似同軸數字全息顯微鏡配置，但是應當明白的是，但是也可以使用離軸 方法。因此所提供的數字全息顯微鏡配置允許使用包括光波的傳播和幹涉的全息圖的基本 原理，這可以使用標量衍射理論來解釋。
[0119] 全息顯微鏡配置包括用於生成光照的光照源24。光照源24包括LED (發光二極 管）光源，例如，紅外雷射二極體（808nm)或者藍色雷射二極體（408nm)。平面空間濾波器 26位於離光照源24為預先確定的距離處，平面空間濾波器26包括至少一個大約50 μ m直 徑的圓形光照孔26. 1以用於來自光照源24的光照通過該圓形光照孔的通路。有利地選擇 光照孔26. 1的形狀和/或尺寸，以提高來自光照源24的光或者光照的準直。換句話說，孔 26. 1的功能在於在光波與材料的樣品相互作用之前創建準直光束。因此這可以以除了本示 例性實施例中所述的方式之外的方式來實現。
[0120] 在任意情況中，濾波器26被布置為與來自光照源24的光照的傳播方向垂直。從 孔26. 1發出的光照通常包括在傳播空間Z之上傳播的衍射光波。傳播空間Z可以被寬鬆 地限定為這樣一種空間，其中，來自裝置18的光或者來自濾波器20的衍射光在該空間上傳 播以有助於生成全息圖。傳播空間Z可以為例如三維物理空間的空間。然而，對於本描述 而言，傳播空間Z可以與來自光照源18的光照或者光波的傳播的主軸平行的一維對應，並 且這可以由Z參數化。
[0121] 傳播空間Z可以與數據獲取裝置22唯一地相關聯。因此，在工業可複製的站14 中，將傳播空間Z選擇為在相似的站上最佳的相似的傳播空間z。
[0122] 在任意情況中，數據獲取裝置22被配置為在離空間過濾器26和光照源24預先確 定的距離處以上述的可去除的方式接收用於保持感興趣的材料的樣品的樣品支持器或者 插入件28。因此，活板14. 3被配置為在第一位置接收樣品支持器28,並且在第二位置在使 用中相對於數據獲取裝置22將該樣品支持器28放到預先確定且希望的位置。以這種方式， 進一步增強了系統10的準確性。
[0123] 樣品支持器28被配置為將材料的樣品保持在來自光照孔26. 1的光照的傳播空間 Z中。樣品支持器28中的材料通常包括感興趣的對象19,例如血細胞。因此，樣品支持器 22可以包括由玻璃構造的透明平面顯微鏡載物片28。載物片28可以為顯微鏡應用中所用 的常規載物片。
[0124] 數據獲取裝置22最後包括圖像傳感器或者圖像記錄裝置30,其位於離來自樣品 支持器28的光照的傳播空間Z中的樣品支持器28預先確定距離處。圖像傳感器30通常 被配置為響應於在傳播空間Z之上來自光照源24的入射到材料上的光照而至少生成樣品 支持器28中的材料的數字全息強度圖案。這樣，數據獲取裝置22有效地獲取了樣品的全 息強度圖案或者圖像。
[0125] 圖像傳感器30可以選自電荷耦合器件（CCD)或者優選互補金屬氧化物半導體 (CMOS)圖像傳感器，其被布置為與光照傳播空間Z基本上垂直。圖像傳感器30可以為具有 2. 2 μ mX 2. 2 μ m像素尺寸的1/2. 5-英寸5MP CMOS數字圖像傳感器30。
[0126] 必須注意到，傳播空間Z在某些示例性實施例中優選包括例如全三維空間或者Z 軸的空間，來自光照源24的光照或者光波或者來自濾波器26的衍射光在該空間之上傳播， 通過樣品支持器28,到達圖像傳感器30,因而有助於全息強度數據的生成。
[0127] 載物片28可以接收在與活板14. 3相關聯的託盤上，使得將活板14. 3操作到第 二位置以光隔離方式將載物片28導入到室14. 4中以在傳播空間Z中可操作地配置鄰近 的傳感器30。託盤的形狀和尺寸可以接收載物片28。對此，載物片可以具有以下尺寸 ： 76mmX26mmX 1mm。此夕卜，注意到，載物片28中的材料可以在例如血液的情況被著色，因為 病理醫生通常以相似的方式分析該血液。
[0128] 數據獲取裝置22通常無鏡頭，並且包括由CMOS圖像傳感器30生成全息強度圖案 的數字全息強度數據可以包括具有與例如像素強度等參數對應的像素值的像素矩陣，這些 參數與全息強度數據相關聯。在一些示例性實施例中，出於圖像增強的目的，可以根據一個 或多個相鄰像素的值來計算像素值。注意到，為了更好地估計像素值，該像素值將使用來自 相鄰像素的信息。使用超解析度技術將獲得進一步的準確度，在該情況中，超解析度技術將 基於（單獨或者同時）改變相位、波長以及光照源24和傳感器或者圖像傳感器30之間的 相對空間位移。
[0129] 外殼14的形狀和尺寸可以裝備室14. 4以及裝備裝置以在特定預先確定位置以安 全方式定位至少裝置22和載物片28中的至少一個組件。這有利於保證維持敏感組件之間 的公差，因而有助於站14在使用中尤其是在農村地區中的操作的準確性，在農村地區中， 數據獲取站14的堅固構造是重要的。
[0130] 在一個不例性實施例未必優選不例性實施例中，孔26. 1和樣品支持器28之間的 距離大約為200mm，以在對象平面保證平面波。樣品支持器28和圖像傳感器30之間的距離 可以為2_。明白的是，可以取決於例如數據獲取站14的尺寸等因素來改變這些尺寸。
[0131] 返回到圖5,站14還包括用於指導站14的操作的處理器32。為此，站14可以包 括機器可讀介質，例如處理器32中的存儲器、主存儲器和/或硬碟驅動器，其攜帶一組指令 以指導處理器32的操作。應當理解的是，處理器32可以為一個或多個微處理器、或者任何 其它合適的計算設備、資源、硬體、軟體或者嵌入式邏輯。
[0132] 此外，站14包括通信模塊34,以有助於站14經由通信網絡16與中心系統伺服器 12進行無線通信。系統伺服器34可以包括適當匹配的通信模塊34,以有助於經由網絡16 的通信，並且因此相同的參考數字將用於指示相同的元件。通信模塊34可以包括一個或多 個數據機、天線等設備，以無線方式有助於經由網絡16的無線通信。在所示出的示例 性實施例中，模塊34以無線方式有助於接收器模塊20和站40之間的數據耦合或者通信。 因此，站14被配置為向用於對其進行處理的中心系統伺服器12無線地發送由數據獲取裝 置22獲取的全息強度數據。
[0133] 因此，伺服器12包括圖像處理器36,其被配置為處理經由數據接收器模塊20從 站14接收到的全息強度數據，以至少執行由站15接收到的樣品中的至少一個感興趣的對 象的檢測操作和識別操作中的一個操作或兩個操作。
[0134] 與僅為健康護理專家的分析提供重建的全息圖的許多現有系統相比，檢測和識別 步驟有利地以自動方式提供更穩健性的分析方法。
[0135] 為了進一步增強接收到的數據處理，圖像處理器36包括可能為前文所定義的模 塊中的模塊。具體地，圖像處理器36包括關鍵點提取模塊38,其被配置為確定來自接收到 的全息強度數據的一個或多個數據關鍵點，全息強度數據與傳播空間Z中的離散位置相關 聯，而離散位置與前文所述的數據獲取裝置22相關聯。在一個示例性實施例中，關鍵點提 取模塊38以傳統方式遍歷接收到的全息強度圖像的像素並且選擇具有感興趣的強度值的 像素，例如，局部極大值和極小值定位的位置等。注意到，確定的數據關鍵點與由關鍵點提 取模塊38選擇的一個或多個感興趣的像素對應。在一些示例性實施例中，還可以根據兩個 相鄰瞬態圖通過尺度空間的差值來提取極值點。這可以減少檢測為更多突出點的關鍵點的 數量。
[0136] 圖像處理器36還包括對象分類器40,其被配置為將確定的數據關鍵點與在存儲 器設備18中存儲的與對象相關聯的至少一個預先確定的對象描述符進行比較，以確定匹 配，因而有助於樣品中的至少一個感興趣的對象的檢測步驟和識別步驟中的一個步驟或者 兩個步驟，其中，對象描述符為傳播空間不變量。把血細胞作為對象，每個類型的（紅和白） 血細胞可以通過包括多個描述符子集而包括與該類型的血細胞相關聯的特定標識符，該特 定標識符為傳播空間不變量，其中，每個描述符子集包括多個描述符關鍵字和表示傳播空 間Z中的相關聯的離散位置的信息。
[0137] 如將描述的，關鍵點可以在傳播空間Z上被收集並且因此定位到傳播空間Z。關鍵 點的收集可以形成感興趣對象的對象描述符。因此，對象描述符可以為傳播空間不變量以 允許以傳播空間不變量的方式檢測並且/或者識別感興趣的對象，而導致檢測的關鍵點的 描述符子集可以額外地允許在傳播空間Z中的感興趣的對象的定位。
[0138] 例如，紅血細胞描述符將具有傳播空間Z中的離散位置1處的描述符關鍵點 [X，Y，Z]和傳播空間Z中的離散位置2處的描述符關鍵字[A，B，C]。提取出的數據關鍵點 匹配[Χ，γ，ζ]將使對象分類器40能夠確定材料的樣品（血液樣品）中的對象為紅血細胞， 其反過來被設置在傳播空間中的位置1處。這樣，以計算高效的方式識別並且定位容積中 的對象。
[0139] 因此，對象描述符可以為傳播空間不變量以允許以傳播空間不變量方式檢測並且 /或者識別感興趣的對象，而導致檢測的關鍵點的描述符子集可以額外地允許感興趣的對 象在傳播空間Ζ中的定位。
[0140] 圖像處理器36通常被配置為生成與檢測或者識別的感興趣對象相關聯的輸出數 據。例如，圖像處理器36可以計數檢測或者識別的對象出現的數量，這在血液的情況下將 為（紅或者白）血細胞計數。伺服器12可以被配置為經由通信模塊34向站14發送生成 輸出數據以用於經由用戶接口 29的顯示器14. 2進行顯示。用戶可以例如通過用戶接口 29 生成發送給伺服器12的指令，以指示伺服器發送數據的一個或多個具體項目而因而用於 顯示該具體項目。
[0141] 圖像處理器36還被配置為將重建算法應用於接收到的全息圖，以因而產生接收 到的全息圖的重建圖像。重建圖像可以形成發送給站14的輸出數據的一部分。圖像處理 器36可以被配置為前置且後置處理圖像，以提高重建圖像的質量並且細化重建圖像的質 量。對此，模塊36可以被配置為通過應用額外的高通濾波器來執行圖像增強。
[0142] 為了進一步提高重建圖像的解析度，可以實現例如超解析度的技術。可以通過使 用多個源或者啟用對象的多個觀察點或者通過在多個位置放置對象來實現超解析度。還可 以通過在多個頻率或者多個相位處觀察對象來實現超解析度。可以使用這些技術中的任何 一個或者組合。
[0143] 本發明至少有利地幫助在遠程位置的健康護理專業人員。例如，僅訪問站14的遠 程地區的醫生可以經由用戶接口 29來選擇接收血液樣品的圖像以及與所提取的血液樣品 相關聯的白血細胞計數，圖像處理器36以傳統方式計數檢測到的或者識別出的白血細胞， 重建接收到的全息圖以生成重建圖像，並且向站14發送該重建圖像，以由醫生經由與站14 相關聯的顯示器14. 2進行觀察。這樣，可以有利地允許醫生在最遠程的地區提供健康護理 援助。
[0144] 注意到，對象描述符對於本發明而言是重要的。對此，為了確定每個感興趣的對象 的對象描述符，伺服器12有利地包括用於生成對象描述符以由圖像處理器36以前面所述 的方式進行使用的訓練模塊42。理解的是，對象描述符不需要由伺服器12生成，並且可以 在外部生成並且僅由伺服器12使用。
[0145] 在任意情況中，訓練模塊42被配置為接收對象的圖像。在該情況中，由訓練模塊 42接收圖像為傳統顯微鏡圖像而非全息圖。然而，在一些示例性實施例中，訓練模塊42接 收全息圖，該全息圖可以與傳統圖像相似的方式被重建使用。
[0146] 訓練模塊42還被配置為將波形傳播算法應用於接收圖像，以生成與傳播空間Ζ之 上的不同離散位置對應的多個全息強度圖案。具體地，訓練模塊42被配置為離散傳播空間 Ζ，並且對於離散的傳播空間Ζ之上的每個期望的離散位置而言，應用波形傳播算法，以因 而生成傳播空間Ζ中的離散位置處的全息圖。
[0147] 訓練模塊42可以被配置為出於前文所描述的目的例如取決於例如計算效率、分 辨率和準確率考慮，將傳播空間離散成預先確定數量的位置或者區域。為此，應當明白的 是，訓練模塊42有利地被配置為接收至少表示傳播空間Z的尺寸的信息。
[0148] 在優選示例性實施例中，波形傳播算法通常實施或者應用如由下面的波形傳播等 式⑴所描述的方法：
[0149]

【權利要求】
1. 一種用於分析材料的方法，所述方法包括： 接收至少包括與感興趣的材料的樣品相關聯的全息強度圖案的全息強度數據，所述全 息強度數據由數據獲取裝置獲取；並且 處理接收全息強度數據，以至少執行樣品中的至少一個感興趣對象的檢測步驟和識別 步驟中的一個步驟或者兩個步驟。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，處理接收全息強度數據的步驟至少包括以下步 驟： 從接收全息強度數據中確定一個或多個數據關鍵點，所述全息強度數據與包括三維空 間的傳播空間中的離散位置相關聯，與所述數據獲取裝置相關聯的光照在所述三維空間上 傳播以有助於獲取所述全息強度數據；和 將所確定的數據關鍵點和與對象相關聯的至少一個預先確定的對象描述符進行比較， 以確定匹配，因而有助於所述樣品中的至少一個感興趣對象的檢測步驟和識別步驟中的一 個步驟或者兩個步驟，其中，所述對象描述符為傳播空間不變量。
3. 根據權利要求2所述的方法，所述方法包括提供多個對象描述符，每個對象描述符 包括與所述傳播空間中的多個期望離散位置分別相關聯的多個描述符子集，其中，每個描 述符子集包括一個或多個描述符關鍵點。
4. 根據權利要求2或3所述的方法，其中，所述方法包括所述用於確定所述對象描述符 的在先步驟，該在先步驟包括，對於每個對象而言： 接收該對象的圖像； 對於所述傳播空間之上的多個離散位置的接收圖像應用波形傳播算法，因而生成與所 述傳播空間之上的離散位置對應的多個全息強度圖案； 確定在所述傳播空間之上的每個生成全息強度圖案的描述符關鍵點；並且 使用確定描述符關鍵點和表示所述傳播空間之上的相關聯的離散位置的信息，以生成 與對象相關聯的對象描述符。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法包括：從所述數據獲取裝置以硬 線連接的方式接收或者從多個地理上分布的分析站無線地接收全息強度數據，每個分析站 包括數據獲取裝置。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法包括：控制所述數據獲取裝置來 生成至少包括與所述樣品相關聯的全息強度圖案的全息數據。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法包括： 生成與所述檢測和識別操作中的一個或者兩個相關聯的輸出數據；並且 經由硬線連接的或者無線的數據裝置向用戶接口模塊發送所輸出的數據，以至少用於 因而輸出。
8. 根據權利要求7所述的方法，所述方法包括： 通過確定相似感興趣對象的總和來對檢測或者識別的感興趣對象進行分類； 通過重建接收全息強度數據來樣品的生成圖像； 生成包括確定的總和以及樣品的生成圖像中的一個或者兩個的輸出數據；並且 經由硬線連接的或者無線的數據裝置向用戶接口模塊發送所輸出的數據，以用於因而 輸出。
9. 一種材料分析系統，包括： 存儲器設備，其存儲數據； 數據接收器模塊，其與數據獲取裝置進行數據通信，並且被配置為接收由數據獲取裝 置獲取的全息強度數據，全息強度數據至少包括與感興趣的材料的樣品相關聯的全息強度 圖案；以及 圖像處理器，其被配置為處理接收全息強度數據，以至少執行檢測和識別所述樣品中 的至少一個感興趣對象的操作中的一個操作或者兩個操作。
10. 根據權利要求9所述的材料分析系統，其中，所述圖像處理器包括： 關鍵點提取模塊，其被配置為從接收全息強度數據中確定一個或多個數據關鍵點，所 述全息強度數據與包括這樣一種空間的傳播空間中的離散位置相關聯，與所述數據獲取裝 置相關聯的光照在該種空間上傳播以有助於獲取所述全息強度數據；以及 對象分類器，其被配置為將所確定的數據關鍵點與存儲在所述存儲器設備中的與對象 相關聯的至少一個預先確定的對象描述符進行比較，以確定匹配，因而有助於樣品中的至 少一個感興趣對象的檢測步驟和識別步驟中的一個步驟或者兩個步驟，其中，所述對象描 述符為傳播空間不變量。
11. 根據權利要求10所述的材料分析系統，其中，所述存儲器設備存儲多個對象描述 符，每個對象描述符包括與所述傳播空間中的多個期望離散位置分別相關聯的多個描述符 子集，其中，每個描述符子集包括一個或多個描述符關鍵點。
12. 根據權利要求10或11所述的材料分析系統，其中，所述材料分析系統包括訓練模 塊，其被配置為確定所述對象描述符，其中，所述訓練模塊被配置為，對於每個對象而言： 接收所述對象的圖像； 對於所述傳播空間之上的多個離散位置的接收圖像應用波形傳播算法，因而生成與所 述傳播空間之上的離散位置對應的多個全息強度圖案； 確定在所述傳播空間之上的每個生成全息強度圖案的描述符關鍵點；並且 使用確定描述符關鍵點和表示所述傳播空間之上的相關聯的離散位置的信息，以生成 與對象相關聯的對象描述符。
13. 根據權利要求9至12中任一項所述的材料分析系統，其中，所述數據接收器模塊與 數據獲取裝置進行硬線連接數據通信或者與包括多個地理上分布的分析站進行無線數據 通信，每個分析站包括數據獲取裝置。
14. 根據權利要求10至13中任一項所述的材料分析系統，所述系統包括數據獲取裝置 或者多個地理上分布的分析站，每個分析站包括數據獲取裝置，其中，每個數據獲取裝置包 括數字全息顯微鏡配置，其至少包括用於生成光照的光照源和用於在使用中響應於在其上 入射的生成光照而生成全息強度數據的圖像傳感器，其中，所述傳播空間包括在光照源和 圖像形成裝置之間的三維空間的至少一部分。
15. 根據權利要求14所述的材料分析系統，其中，所述數字全息顯微鏡配置還包括： 空間濾波器，其位於離所述光照源預先確定的距離處，所述空間濾波器至少包括一個 光照孔，以用於來自所述光照源的光照從光照孔通過；以及 樣品保持器，其可去除地定位在離所述空間濾波器的預先確定的距離處，所述樣品保 持器被配置為保持感興趣的材料的樣品，其中，所述圖像傳感器與所述樣品保持器間隔開， 從而在使用中，通過所述樣品保持器保持感興趣的材料的樣品並且將其保持在所述圖像傳 感器上，來自光照源的光照從所述光照源傳播通過所述光照孔，其中，所述圖像傳感器響應 於在其上入射的光照而生成感興趣的材料的樣品的全息強度數據；其中，所述傳播空間包 括三維空間，來自光照源的或者從光照孔和樣品保持器中的一個或者兩個傳播的光照在所 述三維空間上傳播，以到達所述所述圖像傳感器，因而形成所述全息強度數據。
16. 根據權利要求9至15中任一項所述的材料分析系統，所述系統包括用戶接口模塊， 其被配置為接收用戶輸入和輸出，並且在所述存儲器設備中至少存儲與由所述圖像處理器 模塊執行的檢測操作和識別操作中的一個或者兩個相關聯的生成輸出數據。
17. 根據權利要求16所述的材料分析系統，其中，所述系統為用於分析與人類用戶相 關聯的生物材料的樣品的生物材料分析系統，因此，所述系統包括用戶交互模塊，其被配置 為在存儲器設備中生成用於系統的至少一個用戶的用戶配置文件，所述用戶配置文件存儲 與具體用戶相關聯的生成輸出數據。
18. -種材料分析設備，包括： 外殼，其被配置為在使用中可去除地接收用於攜帶感興趣的材料的樣品的樣品保持 器； 位於外殼中的數據獲取裝置，其用於獲取感興趣的材料的樣品的全息強度圖案； 存儲器設備，其存儲數據； 圖像處理器，其被配置為處理所獲取的全息強度數據，以至少執行樣品中的至少一個 感興趣對象的檢測操作和識別操作中的一個操作或者兩個操作，因而生成與所述操作相關 聯的輸出數據；以及 用戶接口，其配置為接收用戶輸入並且輸出至少包括由所述圖像處理器生成輸出數據 的信息。
19. 一種材料分析設備，其中，圖像處理器包括： 關鍵字提取模塊，其被配置為從接收全息強度數據中確定一個或多個數據關鍵點，所 述全息強度數據與包括這樣一種空間的傳播空間中的離散位置相關聯，與所述數據獲取裝 置相關聯的光照在該種空間上傳播以有助於獲取所述全息強度數據；並且 對象分類器，其被配置為將所確定的數據關鍵點與在所述存儲器設備中存儲的與對象 相關聯的至少一個預先確定的對象描述符進行比較，以確定匹配，因而有助於樣品中的至 少一個感興趣對象的檢測步驟和識別步驟中的一個步驟或者兩個步驟，其中，所述對象描 述符為傳播空間不變量並且包括與所述傳播空間中的多個期望離散位置分別相關聯的多 個描述符子集，並且其中，每個描述符子集包括一個或多個描述符關鍵點。
20. 根據權利要求18或19所述的材料分析設備，其中，所述數據獲取裝置包括數字全 息顯微鏡配置，其包括： 光照源，其被配置為生成光照； 空間濾波器，其其位於離所述光照源預先確定的距離處，所述空間濾波器至少包括一 個光照孔，以用於來自所述光照源的光照從光照孔通過；其中，所述樣品保持器可去除地定 位在離所述空間濾波器的預先確定的距離處；以及 與所述樣品保持器間隔開的圖像傳感器，所述圖像傳感器至少被配置為在使用中響應 於在其上入射的生成光照，生成所述樣品保持器中的感興趣的材料的數字全息強度圖案； 其中，所述傳播空間包括這樣一種空間，來自光照源的或者從光照孔和樣品保持器中的一 個或者兩個傳播的光照在該種空間上傳播，以到達所述所述圖像傳感器，因而形成所述全 息強度數據。
21. 根據權利要求18至20中任一項所述的材料分析設備，所述設備包括通信模塊，其 被配置為從所述設備無線地接收數據並且發射數據。
22. 根據權利要求18至21中任一項所述的材料分析設備，其中，所述系統為用於分析 與人類用戶相關聯的生物材料的樣品的生物材料分析設備，因此，所述設備包括用戶交互 模塊，用戶交互模塊被配置為在存儲器設備中生成用於設備的至少一個用戶的用戶配置文 件，所述用戶配置文件存儲與設備的具體用戶相關聯的生成輸出數據。
23. -種非暫態的計算機可讀存儲介質，其包括一組指令，當所述指令由計算設備執行 時，所述指令使計算設備執行包括以下步驟的方法： 接收至少包括與感興趣的材料的樣品相關聯的全息強度圖案的全息強度數據，所述全 息強度數據由數據獲取裝置獲取；並且 處理接收全息強度數據，以至少執行樣品中的至少一個感興趣對象的檢測步驟和識別 步驟中的一個步驟或者兩個步驟。
【文檔編號】G03H1/08GK104115075SQ201280068906
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2011年12月2日
【發明者】特加朗·奈杜, 約翰·昂德裡克·斯瓦特, 蘇珊娜·雨果, 皮特·萬羅伊恩 申請人:Csir公司