專利名稱：高數值孔徑遠程顯微鏡設備的制作方法
技術領域：
一般來說，本發(fā)明關于遠程顯微鏡，而更具體地與通過使用具有集成相機的無線 通信裝置(諸如移動電話或掌上電腦之類)來做遠程顯微鏡有關。
背景技術：
遠程醫(yī)療是一項正在發(fā)展的技術，并且在許多醫(yī)學領域(諸如不需要顯微術來診 斷的風濕病學和泌尿學)中不斷得到認可。對于許多需要高分辨率顯微術的醫(yī)學應用(諸 如病原體檢測)，目前技術水平通常是將微觀圖像轉入計算機并通過因特網傳輸，以用于 “遠程顯微術”或“遠端顯微術”的應用。直接耦合至移動電話的唯一裝置提供低數值孔徑 的光學器件以及對于大多數顯微術應用來說不足夠的放大率和分辨率。在以下公開中可以 找到其他關于相關技術的信息，通過引用的方式將以下公開中的每一個整體并入本申請Dziadzio M, Hamdulay S, Reddy V, Boyce S, Keat A, Andrews J ψ 2006 $ 4 月 4 H^ll^^MM^I^^^^^W "A still image of a transient rash captured by a mobile phone.，，；Razdan S, Johannes J, Kuo RL, Bagley DH 于 2006 年 4 月在泌尿學雜志 67(4) 665—9 發(fā)@白勺“The camera phone -.a novel aid in urologic practice."；Jukka-Tapani, M ；K. Niemelae, H. Vasama, R. Mattila, Μ. Aikio, S. Aikio, J. Aikio 于 2005年在Proc.SPIE. Vol. SPIE-5962，pp. 685695 發(fā)表的"Add-on laser reading device for a camera phone. ” ；Rodriguez WR, Christodoulides N, Floriano PN, Graham S, Mohanty S ^A 于 2005 年在 PloS Med 2(7) :el82 發(fā)表的 “A Microchip CD4Counting Method for HIV Monitoring in Resource-PoorSettings.，，。
在其他應用(植物病理學、疫病跟蹤、材料科學評估等)中的醫(yī)學診斷中，顯微術 具有中心位置。在發(fā)達國家，將醫(yī)學樣本準備為載玻片，通常(但不總是)采用對比劑(例 如吸收和/或熒光染料)染色，并且放置在裝配有約75W的鹵素燈和/或約75+W的弧光燈 光源的大型(大約0. 5至Im高，50+kg)研究用顯微鏡的載物臺上。光學器件可以使得人眼 以多達約2000X的放大率來成像、允許使用相機(例如CCD相機)來進行圖像捕獲、以及允 許在現有技術中使用普通技術人員已知的各種對比機制(例如明視野、熒光、暗視野、斜射 照明、霍夫曼調制對比、微分干涉對比(DIC)、相位對比(相差)、極化顯微術等)。捕獲的圖 像可以與病人病歷記錄一起存儲、可以發(fā)電子郵件用于醫(yī)學會診，并且如果需要的話可以 對其進行數字化處理。該性能的大部分在發(fā)展中國家中是達不到的，這是由于以下原因成本；精密儀 器的維修困難；常用替換件(弧光燈的使用壽命僅為約200hrs)供應鏈的缺乏；給照明器 等提供動力的電的缺乏；相關聯(lián)的計算機和/或因特網資源的缺乏；帶到遙遠的村莊等地 方的便攜性的缺乏，等等。即使在發(fā)達國家中，昂貴、復雜性、以及便攜性問題也妨礙了顯微 術廣泛用于非醫(yī)院環(huán)境(諸如在家對化療期間病人的血細胞數進行檢測)的醫(yī)療目的。因 此，患免疫受損病的病人必須冒著感染的風險到中心醫(yī)療設施去測試。在現代化醫(yī)院和診所，顯微術極其重要并且是普遍的醫(yī)療保健工具。但是，發(fā)展中 國家通常既缺少使用品質優(yōu)良的臨床顯微鏡來采集病人數據的機會，也缺少合格的醫(yī)務人 員來提供診斷和治療。即使在美國和其他發(fā)達國家，也很難在非醫(yī)院設施(諸如在家)中 將顯微術用于醫(yī)療目的。裝配有相機的移動電話(“可拍照手機”)具有光學系統(tǒng)，由于需要將較大物體和視 野(例如人臉、人、或風景)成像到較小(一邊為約5mm)的傳感器陣列(例如CCD或CMOS 成像陣列傳感器)，因此必須采用較小的光學系統(tǒng)(直徑約為5mm、焦距約為5mm的透鏡系 統(tǒng))在物體側具有低數值孔徑(NA)，通常小于等于0.01 ；非遠心設計(限于本領域普通技 術人員已知的那樣)，并且在整個視野中具有不均勻的采集效率，并且散焦圖像的視放大率 改變；光學放大率(M)(定義為從物體到傳感器陣列上的圖像)小于1，通常小于0. 03。例 如，在Jukka-Tapani Makinsen等人的成果(上文所引用的)中，光學放大率小于等于2. 3， 通常小于等于1. 5，這表明了本發(fā)明的原創(chuàng)性(在Jukka-Tapani Makinsen等人的系統(tǒng)中超 過上述放大率的所有放大率都是以軟件的方式所實現的，由于是非光學地，因此不增大光 學分辨率)。此外，Jukka-Tapani Makinsen等人的成果中沒有相關的透射照明系統(tǒng)(例如 相差顯微術中所需要的那樣)。因此，不存在當前可用的設計用于遠程醫(yī)療應用的基于移動 電話或類似裝置的顯微鏡設備。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一方面是為了將高數值孔徑光學器件耦合到可拍照的移動電話或 其他通信裝置。這種光學系統(tǒng)將允許高分辨率的顯微術和通過現有通信網絡進行的數據的 即時傳送，并且可用于(但不限于)疾病診斷。作為例子而非限制，本發(fā)明與直接耦合至移 動通信和圖像采集裝置(諸如可拍照手機)的顯微鏡裝置有關，所述移動通信和圖像采集 裝置具有即時傳輸數據的能力。重要地，所述“遠程顯微鏡”裝置包括高數值孔徑光學器件， 其允許大多數顯微術應用中所必需的高分辨率圖像的采集。
在一個實施例中，修改或改進容易獲得的具有成像能力的手持式通信裝置，以使 其包括至少一個第二成像透鏡，其允許大于X的收集數值孔徑NA，其中X通?？梢詾榇笥?0. 001的值的范圍，并且優(yōu)選地為大于0. 1。 在各實施例中，手持式裝置可以為移動電話、掌上電腦或其他具有集成的成像系 統(tǒng)(例如，內置相機)和無線通信能力的裝置。應該理解的是，這種類型的裝置通常使用小 于0. 001的收集數值孔徑NA來成像。因此，本發(fā)明的另一方面是為了提供一種可以附接于具有相機的手持式通信裝置 或與其集成在一起的光學系統(tǒng)。本發(fā)明的另一方面將遠心收集透鏡系統(tǒng)與手持式通信裝置中的相機結合使用。本發(fā)明的再一方面是為暗視野、相位對比、熒光、落射照明(印i-illumination)、 或其他顯微術連同手持式通信裝置中的相機一起使用作準備。在各種工作模式中，本發(fā)明是為生物成像能力作準備。在一個實施例中，本發(fā)明包 括照明系統(tǒng)。應該注意，對于稀薄的和/或半透明的樣本(例如血液)來說，基于透射的照 明是適當的(光源位于樣本之后)。對于其他不透明的樣本(例如傷口)來說，必須通過光 學系統(tǒng)來收集反射光(光源照射樣本并且至少部分地從樣本反射)。這對于熟悉顯微術的 人來說很容易理解。但是，對于本發(fā)明來說還重要的是考慮使發(fā)明的顯微鏡系統(tǒng)可用于任 一種采樣類型。本發(fā)明的另一方面是為了提供可變范圍的放大率以用于對各種樣本進行成像。在 一個實施例中，本發(fā)明的放大率范圍約為5X 20X，用于對諸如皮膚或傷口之類的樣本進 行成像。在另一個實施例中，本發(fā)明具有的放大率范圍約為20X 50X，用于對諸如血細胞 之類的較小樣本進行成像。在再一個實施例中，本發(fā)明的放大率范圍約為5X 50X，用于對 各種大小的樣本進行成像。本發(fā)明的一方面提供一種遠程顯微鏡設備，其包括便攜手持式移動電話或其他 無線通信裝置，所述通信裝置中具有圖像捕獲裝置；以及與所述圖像捕獲裝置相關聯(lián)的顯 微鏡透鏡系統(tǒng)；其中所述顯微鏡透鏡系統(tǒng)具有至少約0. 1的收集數值孔徑(NA)和至少約1 的放大率(M)。本發(fā)明的另一方面提供一種遠程顯微鏡成像系統(tǒng)，其包括便攜手持式外殼；安 裝在外殼中的圖像傳感器；安裝在外殼中并與圖像傳感器對準的收集光學器件，所述收集 光學器件具有至少約為0. 1的收集數值孔徑(NA)和至少約為1的放大率(M)；安裝在外殼 中并與收集光學器件對準的樣本支持器；安裝在外殼中并定位來對樣本支持器照明的照明 源；安裝在外殼中的用于從圖像傳感器傳輸數據的無線傳輸單元；以及安裝在外殼中的用 于控制數據收集、分析和傳輸的微處理器。本發(fā)明的再一方面是遠程顯微鏡方法，其包括以下步驟使用遠程顯微鏡設備對 第一位置處的樣本進行成像，所述遠程顯微鏡設備包括便攜手持式移動電話或其他無線 通信裝置，所述通信裝置具有圖像捕獲裝置；以及與所述圖像捕獲裝置相關聯(lián)的顯微鏡透 鏡系統(tǒng)；其中所述顯微鏡透鏡系統(tǒng)具有至少約為0. 1的收集數值孔徑(NA)和至少約為1的 放大率(M)；以及從通信裝置向第二位置傳輸樣本圖像和采自該樣本圖像的信息。本發(fā)明還包括以下方面1.成像系統(tǒng)，其包括無線通信裝置，所述無線通信裝置具有圖像捕獲裝置和裝置透鏡；以及與所述圖像捕獲裝置和所述裝置透鏡相關聯(lián)的輔助透鏡；其中與所述裝置透 鏡結合的所述輔助透鏡具有至少約為0. 001的收集數值孔徑(NA)。2.如方面1中所述的系統(tǒng)其中所述輔助透鏡具有物體側和圖像側；其中所述輔 助透鏡在所述物體側、或所述圖像側、或這兩側均為遠心的。3.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為收集熒光，以作為生物熒光化驗 的部件。4.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為使用暗視野照明或暗視野光學技 術的任何變體。5.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為使用相位對比技術。6.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為使用調制對比技術。7.如方面6所述的系統(tǒng)，其中調制對比包括霍夫曼調制對比。8.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為使用微分干涉對比技術(DIC)。9.如方面1所述的系統(tǒng)，其中使用透射光顯微術來對樣本進行成像。10.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為使用反射光顯微術來對樣本進 行成像。11.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為使用發(fā)光二級光(LEDs)作為照 明源。12.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為使用單色LED作為照明源。13.如方面12所述的系統(tǒng)，其中所述照明源被配置為使色差的影響最小化。14.如方面12所述的系統(tǒng)，其中所述照明源被配置為熒光激發(fā)源。15.如方面1所述的系統(tǒng)，還包括被布置為對樣本進行照明的多個LED(或其他照 明源)中的一個的光源。16.如方面1所述的系統(tǒng)，還包括使用反射光顯微術的在樣本平面上成角度的一 個或多個照明源(例如LED)。17.如方面1所述的系統(tǒng)，還包括被配置為使用透射光顯微術的對樣本進行照明 的一個或多個照明源網格。18.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為使用Kohler照明來均勻地照明 樣本。19.如方面1所述的系統(tǒng)，還包括散射元件以均勻地照明樣本。20.如方面1所述的系統(tǒng)，還包括由所述無線通信裝置供電的照明源。21.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置用于疾病診斷，或者用于對病人的 癥狀進行醫(yī)學評估或者生物化驗(諸如血液分析、血細胞計數、免疫測定、組織樣本形態(tài)或 病理的檢查或記錄)，或者用于對瘧疾、雅司病、皮疹或傷口的診斷或評估，或者與微流裝置 一起使用以用于疾病或病原體的診斷，或者在飲食服務環(huán)境中作為保健監(jiān)測的部件，諸如 用于細菌的外表檢查。22.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是熒光化驗的檢測臂的一部分，其中用 于所述化驗的發(fā)射濾色鏡(emission filter)的功能由圖像捕獲裝置的彩色濾色鏡陣列 (CFA)提供，或者其中所述系統(tǒng)是在分別使用圖像捕獲裝置的單個彩色通道以便以不同的 發(fā)射波長進行兩個或更多同時化驗的情況下的熒光化驗的檢測臂的一部分，或者其中所述系統(tǒng)是熒光化驗的化驗臂的一部分并且照明是落射照明。23.如方面1所述的系統(tǒng)其中所述成像捕獲裝置和所述裝置透鏡包括自動聚焦 機構，其形成所述系統(tǒng)的聚焦機構。24.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置用于以生物化驗的方法來進行光 學檢測，并且揀選(bin)像素以減小圖像噪聲。25.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置用于對金屬疲勞的金屬部件進行 材料分析檢查，或用于對焊接的評估，或用于對微型電路中元件(例如觸點)的評估。26.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置用于對使用任何標準生物組織染 料染色的樣本進行成像。27.如方面1所述的系統(tǒng)其中所述系統(tǒng)被配置用于收集紫外線激發(fā)光情況下生 物樣本的自發(fā)熒光；并且其中所述激發(fā)光可以為200 400nm之間的任意波長或者其組合。28.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是用于對溶液(Solution(S))中蛋白質 濃度進行量化或比較的檢測臂的一部分，或者是用于對其中通過熒光元件或屏幕將用于蛋 白質濃度評估的波長轉換為可見波長(或者透射到裝置透鏡和彩色濾色鏡的波長)的溶 液中的蛋白質濃度進行量化或比較的檢測臂的一部分，或者是系統(tǒng)中多通道板增光裝置 (multichannel-plate intensifier)中的檢IlJ元件。29.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是用于執(zhí)行基于DNA的化驗、或執(zhí)行其中 由激光二極管提供照明的生物化驗、或者執(zhí)行其中由紫外線LED提供照明的生物化驗、或 者執(zhí)行其中由LED提供照明的生物化驗的系統(tǒng)的檢測臂的部件。30.如方面29所述的系統(tǒng)，其中所述LED產生大于ImW的功率，或者其中所述LED 產生大于5mW的功率。31.如方面1所述的系統(tǒng)，還包括與所述裝置透鏡不協(xié)同定位的孔徑光闌。32.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述輔助透鏡的孔徑小于所述裝置透鏡的通光孔徑。33.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述透鏡為浸沒透鏡(immersion lense)，以實現 較高的放大率。34.如方面1所述的系統(tǒng)，其中所述輔助透鏡是可移除的。35.如方面1-34中的任一所述的系統(tǒng)，其中所述輔助透鏡連同所述裝置透鏡一起 提供對稱的1 1成像系統(tǒng)。36.如方面1-34中的任一所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)用于人、動物或植物(農作物 健康和疾病)的評估。37.如方面1-34中的任一所述的系統(tǒng)，其中所述光學系統(tǒng)包括變跡濾色鏡，以針 對離軸圖像點對四階余弦類型的漸暈效應進行補償。38.如方面1-34中的任一所述的系統(tǒng)，其中總的系統(tǒng)放大率M為M >0.01、或 M彡0. 1、或M彡0. 2、或M彡0. 5、或M彡0. 9、或M彡1. 0。39.如方面1-34中的任一所述的系統(tǒng)，其中所述輔助透鏡是變焦透鏡。40.如方面1-34中的任一所述的系統(tǒng)，其中從包括NA彡0. 01、NA彡0. 1、 NA 彡 0. 2、NA 彡 0. 3、NA 彡 0. 4、NA 彡 0. 5、NA 彡 0. 6、NA 彡 0. 7、NA 彡 0. 8、以及 NA 彡 0. 9 的組中選擇所述收集NA。
41.如方面1-34中的任一所述的系統(tǒng)，其中所述輔助透鏡提供用于物體的放大。42.如方面41所述的系統(tǒng)，其中從包括彡5X、彡10X、彡15X、彡20X、彡25X、彡30X、 彡35X、彡40X、彡45X、以及彡50X的組中選擇所述放大率。43.如方面42所述的系統(tǒng)，其中所述放大率是可變的。44.如方面1所述的系統(tǒng)，還包括運行在所述無線裝置上的程序，所述無線裝置基 于對裝置相機所拍攝的圖像的分析向外部裝置發(fā)送信號，所述外部裝置為系統(tǒng)的部件或其 機械構件。45.用于與無線通信裝置結合使用的設備，所述無線通信裝置具有圖像捕獲裝置 和裝置透鏡，所述設備包括與所述圖像捕獲裝置和所述裝置透鏡相關聯(lián)的輔助透鏡；其 中與所述裝置透鏡結合使用的所述輔助透鏡具有至少約為0. 001的收集數值孔徑(NA)。46.如方面45所述的設備與方面2_44中的任意之一所述的設備結合使用。47.本申請中所描述的根據以上任意一方面所述的設備、實施例、模式或特征。本發(fā)明的另一方面將在說明書的以下部分中說明，其中詳細的描述是為了全面地 公開，本發(fā)明不限于所公開的優(yōu)選實施例。


通過參考以下僅用于說明目的的附圖，可以更全面地理解本發(fā)明圖1示出了根據本發(fā)明的基于移動電話的顯微鏡設備的實施例的示意圖；圖2示出了根據本發(fā)明的顯微鏡設備的替換實施例的示意圖；圖3示出了根據本發(fā)明的具有基于透射照明的光學系統(tǒng)的示意圖；圖4示出了根據本發(fā)明的配置用于落射照明的替換光學系統(tǒng)的示意圖；圖5示出了根據本發(fā)明的微流體樣本裝置的示意圖；圖6示出了根據本發(fā)明的方法的實施例的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種裝置，其將醫(yī)療器械的許多好處與便攜式、低功耗、蜂窩式數據傳 輸能力、以及較低成本結合。在最簡單的實施中，將附加的光學器件附加到標準的可拍照 手機(具有內置相機的移動電話)。這種系統(tǒng)還可以具有軟件，其幫助圖像采集，圖像處理 (例如陽性肺結核痰涂片中桿狀菌的計數)，將病人信息附加至圖像或從圖像獲得的數據， 并且將該信息上傳至用于診斷、醫(yī)學會診、普通記錄保持(例如用于退款的目的)、疫病跟 蹤或普通流行病等的服務器或其它計算機系統(tǒng)(可能包含另一手機)。此外，可以將信息下 載到使用中的手機，例如以提供下一天將要看病的病人的病歷記錄數據、同步記錄、根據其 他測試提供更新的結果、關于那些病人需要跟進測試的日程提醒等。手機上GPS (全球定位 系統(tǒng))能力的出現還允許對所有數據進行位置標記，對跟蹤發(fā)展中國家的農村地區(qū)的病人 尤其有用，并且對基于位置的通知有用，例如，提醒技術人員通過一個區(qū)域以對應該進行進 一步測試的當地病人進行檢查。顯然，具有這種能力的系統(tǒng)還具有其他用途，包括跟蹤封裝 或普通物流、植物病理學、生物恐怖主義或生物戰(zhàn)的監(jiān)測、材料研究或測試(例如橋梁中的 焊接等)等。這種系統(tǒng)還可以包括用于對使用過的樣本區(qū)進行滅菌(例如通過內置紫外線 發(fā)光二極管輻射)的機構，或用于使樣本制備自動化或半自動化的機構(例如微流體裝置或其他液體處理系統(tǒng))，以允許在制備用于成像的過程中樣本的自動染色，例如內置液體處 理和/或內置樣本加熱器或強迫通風系統(tǒng)，以用于固定樣本。如圖1所示，顯微鏡設備10由可拍照手機12構成。可拍照手機12是具有成像系 統(tǒng)的標準移動電話，所述成像系統(tǒng)由視窗14、透鏡16、以及圖像傳感器18制成，成像系統(tǒng)用 作相機，即在圖像傳感器18 (通常為C⑶裝置)上記錄圖像。通過將安裝在顯微鏡外殼22 中的顯微鏡透鏡系統(tǒng)20附加在可拍照手機12上將可拍照手機12制成為顯微鏡。顯微鏡 透鏡系統(tǒng)20由一個或多個透鏡(例如，如圖所示為兩個)制成以提供適當的數值孔徑和放 大率。顯微鏡外殼22可移除地附加在可拍照手機12上，例如搭鎖的或擰上的方式，并且將 顯微鏡透鏡系統(tǒng)20與圖像傳感器18對準來定位。外殼22還包括加樣槽24，其中可放置樣 本26 (例如，顯微鏡載玻片或包含醫(yī)學樣本的微流體裝置)。顯微鏡透鏡系統(tǒng)22可以使任 意樣本26的微觀圖像投射到圖像傳感器18上。還可以提供照明源?？膳恼帐謾C12和顯微鏡外殼22通過手機12的數據傳輸能力(如天線28所表示 的)形成顯微鏡設備10。因此，顯微鏡設備10可以通過無線的方式將圖像傳感器18所記 錄的樣本26的顯微鏡圖像傳輸到遠端接收器?？膳恼帐謾C12還可以包括處理器30，其 可以用于分析記錄的圖像；以及GPS單元32，其可以用于確定位置并連同圖像一起傳輸位 直fe息。盡管可以使用標準的可拍照手機12，但是裝置透鏡16通常被設計為縮小圖像。因 此，裝置透鏡16可以從手機12移除。不管是何種情況，設計顯微鏡透鏡系統(tǒng)20，以使裝置 透鏡16被移除或與裝置透鏡16結合均可獲得適當的數值孔徑(NA)和(物體到圖像的)放 大率(M)。通常，這些值中NA至少約為0. 1，而M至少約為1，并且優(yōu)選地，NA至少約為0.3 而M至少約為4。圖2示出了顯微鏡設備40，其在功能上類似于圖1所示的顯微鏡設備，但是顯微 鏡40是在不使用標準移動電話的情況下構造而成的。顯微鏡設備40由便攜手持式外殼 42形成，并且具有圖像傳感器44、集光系統(tǒng)46、以及樣本支持器48，樣本支持器中放置有樣 本。將圖像傳感器44、集光系統(tǒng)46、以及樣本支持器48對準，以通過傳感器44來記錄樣本 的圖像。集光系統(tǒng)46被配置用作顯微鏡，例如NA至少約為0. 1而M至少約為1，并且優(yōu)選 地，NA至少約為0. 3而M至少約為4。設備40還包括照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)由對準以照明樣本支持器48的照明源50和 照明光學器件52形成。設備40還包括用于傳輸記錄圖像的無線傳輸單元54，并且還可以 包括微處理器56和GPS單元58。設備40還可以包括滅菌LED 60，放置其以在使用后施加 滅菌輻射(例如UV)。設備40還包括電池和充電器62、鍵盤64、以及IXD顯示器。圖3示出了可用于圖2所示的設備40或圖1所示的設備10的說明性光學系統(tǒng) 70。來自源72(例如LED)的光透射通過照明光學器件74至樣本82，所述照明光學器件74 包括集光透鏡76、激發(fā)濾色鏡78、以及聚光透鏡80。來自樣本80的光通過集光系統(tǒng)84傳 輸至圖像傳感器92，所述集光系統(tǒng)包括物鏡86、發(fā)射濾色鏡88、以及目鏡90。圖4示出了配置用于落射照明的替換光學系統(tǒng)100。來自源102 (例如LED)的光 通過激發(fā)濾色鏡104和聚光透鏡106傳輸至分色鏡108，分色鏡108反射該光使其通過發(fā)射 濾色鏡110和物鏡112傳輸至樣本114。來自樣本114的光(例如熒光)通過物鏡112、發(fā) 射濾色鏡110、分色鏡108、以及目鏡116傳輸至圖像傳感器118。
圖3至圖4示出了各種可用于不同結構以提供照明和放大的光學部件。所述光學 部件還可以被配置為提供用于顯微術中的任何對比機制，以將該特征增加到本發(fā)明的顯微 鏡系統(tǒng)。圖5示出了平移臺122上的微流體樣本裝置120。平移臺122可以在χ-y-z方向 上移動以允許樣本的查驗。微流體樣本裝置具有一個或多個液體通道124(如圖所示為兩 個)，其在偵訊區(qū)126處匯合為一個通道，在偵訊區(qū)126處瞄準顯微鏡系統(tǒng)。每個通道124 具有可以輸入樣本(例如一滴血)的液體輸入端128、以及控制進入偵訊區(qū)126的入口閥 130。在偵訊區(qū)126和液體出口端134之后具有出口閥132，其可以連接至輸出線路136。外 泵138可以通過輸入線路140連接至每個液體輸入端128，并且可以用于向系統(tǒng)增加液體 (例如染料)或者將液體沖出系統(tǒng)。圖6示出了本發(fā)明在遠程醫(yī)療中的應用。在第一現場(即，現場1)處，本發(fā)明的 顯微鏡設備可用于執(zhí)行以下任意步驟接收病人病歷記錄(步驟150)樣本制備，包括將顯 微鏡聚焦到樣本上(步驟152)圖像采集(步驟154)圖像處理，例如粒子計數(步驟156) 將數據附加到記錄，例如位置標記(步驟158)以及數據和圖像的傳輸(步驟160)。在第 二現場(即，現場2)處，可以執(zhí)行以下步驟可以從位置1處的遠程顯微鏡查詢位置、狀態(tài) 等(步驟164)使用新的或更新的病人病歷數據、診斷、或提醒(可能是位置指定)來更新 現場1的遠程顯微鏡(步驟166)可以從現場1接收新的病人病歷數據和/或圖像(步驟 168)以及可以執(zhí)行附加的人工操作或自動分析(步驟170)?，F場1與現場2之間的所有 傳輸均通過無線傳輸162。本發(fā)明的一些重要特征包括1. NA > 0. 1,0. 2 等。2.可以進行蜂窩或衛(wèi)星通信(與只能進行Wi-Fi通信形成對照)。3.可以進行GPS或位置感測。4.用于醫(yī)學應用，例如用于某種疾病診斷、或疾病跟蹤。5.具有用于醫(yī)療內容的自動圖像評估，和/或基于圖像或圖像信息傳輸的遠程診 斷。6.使用標準的顯微對比技術，例如熒光顯微術、暗視野顯微術、相差顯微術等。更具體地，本發(fā)明的重要特征和方面包括1.便攜式、手持式、重量輕、小尺寸。2.數值孔徑大于等于X，其中X是一個范圍，優(yōu)選地起始于0. 1，并且更好地起始于 0. 3。3.從樣本到成像傳感器陣列(例如，CCD)的光學放大。通常，在標準的可拍照手 機中，該光學放大率遠小于1，這是因為大多數相機被設計為在較小的傳感器上捕獲較大的 區(qū)域。以上所引用的SPIE的論文中最大的M約為2. 3。為了實現本發(fā)明的目的，M > 1、M > 5、M > 10、或者M > 20、以及更大；特別地，奈奎斯特判據需要最小的放大率以避免數字 圖像采集中的混疊現象，由以下公式給出M彡(像素間距)*2*ΝΑ/ λ (以避免混疊現象)通常，λ =0. 5 μ m，像素間距約為5 μ m，并且適中地NA約為0.25，這相當于M彡5。 當NA = 0. 4，并且像素間距為7. 4 μ m時(如在原型相機中)，則變?yōu)镸彡11. 8，以此類推。這種高放大率僅在采集小區(qū)域的圖像時有用。4. GPS/位置感測/報告/記錄標記。(a)提示探訪應該進行測試的本地病人。(b)使用位置來標記病人數據。5.自動的圖像處理。(a)用于全面診斷。(b)選擇性傳輸(圖像的感興趣的區(qū)域)。(c)對圖像中的項目(例如，桿狀菌)自動地計數。(d)對圖像中的項目進行的鑒別，用于診斷或其他目的。⑴例如，大小(例如，為了區(qū)分不同的血細胞類型)。(e)以上所有均用于血細胞、桿狀菌、寄生蟲。6.內置樣本的染色/標記/稀釋。(a)使用微流體技術。(b)任意射流技術。7.滅菌LED(例如，起動樣本區(qū)中的UV LED以對樣本之間的樣本區(qū)進行滅菌)。8.對比技術。(a)熒光。(b)暗視野。(c)相位對比、斜射照明、DIC、霍夫曼調制對比等。9.遠距離(無線連接，顯著超出Wi-Fi)。(a)接收診斷，對病人病歷記錄或者要探訪哪個病人的日程進行更新。(b)上傳數據，以用于⑴記錄保持。(ii)跟蹤。(iii)診斷。(c)上傳圖像以用于遠程診斷(可以是自動的)。本發(fā)明的區(qū)別特征包括在手持便攜式系統(tǒng)上采用了高數值孔徑的集光系統(tǒng)；選 擇性地將所述系統(tǒng)耦合至移動電話網絡，或耦合至無線(例如802. 11類型的系統(tǒng))、藍牙、 無線電、或其他無線系統(tǒng)；可以無線地將數據傳輸至其他裝置的能力，尤其是傳輸至用于醫(yī) 療記錄的計算機服務器(例如在醫(yī)院或醫(yī)生的辦公室)；足夠使分辨率處于高數值孔徑集 光系統(tǒng)所允許的范圍內的從物體到成像傳感器(例如CCD)的光學放大；記錄的位置標記和 /或基于GPS或移動臺的三角測量等的基于位置的通知；通常用于使用手持式、可進行無線 數據傳輸裝置的顯微術中的對比機制的使用(例如，明視野、熒光、暗視野、斜射照明、霍夫 曼調制對比、微分干涉對比(DIC)、相位對比、極化顯微術等)；以及內置滅菌或液體處理系 統(tǒng)。本發(fā)明具有許多其他優(yōu)點和獨特的方面。本發(fā)明還可以包括所述通過除無線電話信號之外的方式來傳輸數據的裝置(藍 牙、連接至筆記本電腦的電纜、紅外等)。本發(fā)明還可以包括所述將顯微鏡部件(透鏡、濾色鏡、孔徑)中的一些或全部集成在具有圖像傳感器的芯片上而不是作為片上附件的部件的裝置?？梢酝ㄟ^移動或調整芯片 上的透鏡或其他部件(而不是調整外部透鏡)來使集成的片上系統(tǒng)在傳統(tǒng)的成像和微觀成 像之間進行切換。以高分辨率成像所必需的本發(fā)明將具有高數值孔徑，通常大于0. 1 ；放大率大于 1，以使圖像覆蓋足夠的圖像傳感器像素，從而允許以奈奎斯特判據或高于奈奎斯特判據的 像素來進行圖像的數字化采樣，以保留所有的分辨率信息；以及優(yōu)選地，在物體側為遠心 的，以提供如上所列舉的本領域技術人員已知的顯微術的優(yōu)點。在優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)將具 有NA彡0. 3、M彡4，在物體側為遠心的，并且具有透射照明系統(tǒng)或落射照明系統(tǒng)以用于樣 本的照明。其他有用的實施例可以包括光學放大，以使通過傳感器陣列像素進行的圖像的數 字化采樣低于奈奎斯特判據發(fā)生，但是使得圖像的MTF(調制傳輸函數)在與傳感器像素間 距相關聯(lián)的空間奈奎斯特頻率處小于等于25%，從而當在屏幕上顯示圖像時混疊現象對于 人眼來說不特別明顯；可選地，可以選擇放大率以使人眼所能檢測到的MTF差粗略限制在 大于等于7 %的范圍。選擇這種較低的放大率具有優(yōu)點，例如在允許將較大視場的物體成像 為給定傳感器大小的方面、以及在允許增大來自給定樣本的光量的方面，所述來自給定樣 本的光在給定的時間將接觸給定的傳感器像素。關于便攜性，一些因素組合用來增大標準顯微鏡的便攜性的范圍，并且使得所述 系統(tǒng)可手持用于照明的發(fā)光二極管的使用(消除了燈泡更換或較大的或高壓電源的需 要)，低功率嵌入式計算系統(tǒng)的使用消除了對獨立相關計算機系統(tǒng)的需要；用于圖像采集 的低功率CCD或其他聚焦面?zhèn)鞲嘘嚵械氖褂?；去掉了與主要測量方法無關的光學器件(例 如，沒有用于改變物鏡的鏡頭轉臺系統(tǒng)、或者用于直觀數字成像的目鏡)。低功率類型的系 統(tǒng)還可以使得設計用于在不連接到電力網的情況下運行較長時間的(約幾小時)系統(tǒng)中的 電池重量較低(例如使用鋰離子電池)。在優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)重量小于等于2千克，而系 統(tǒng)體積小于等于8升；在更優(yōu)選的實施例中，系統(tǒng)重量小于等于1千克而系統(tǒng)體積小于等于 3升。(這里，將系統(tǒng)體積定義為足夠裝入整個系統(tǒng)的盒子的尺寸)?，F有的連接有相機的移動電話系統(tǒng)中，相機不是設計用于顯微術，而是用于低 (通常大于0. Imm)分辨率的大面積成像(條碼、人臉、或較大區(qū)域)，與此不同的是，本發(fā)明 則設計用于在連接手機或移動電話網絡的系統(tǒng)(例如，具有通過GSM或CDMA標準、或通過 連接軌道衛(wèi)星的手機系統(tǒng)來與移動電話網絡連接起來的能力的嵌入式系統(tǒng))中以高(小于 IOym)分辨率對較小(通常小于成像傳感器)面積進行成像。另外或單獨地，所述系統(tǒng)可 以具有使用Wi-Fi (802. 11類型)或其他無線通信來連接到其他系統(tǒng)或將數據傳輸到其他 系統(tǒng)的能力。本發(fā)明包括以下所述特殊優(yōu)點1.分辨率與現有連接手機的裝置不同，原型光學系統(tǒng)具有小于2μπι的分辨率， 并且通常具有約小于等于10 μ m的分辨率，分辨率比通常的連接蜂窩網絡的裝置大一個數量級。2.放大率足夠實現增大光學分辨率的優(yōu)點，并且分辨率比通常的連接蜂窩系統(tǒng) 的光學裝置大幾個數量級。3.位置感測使用GPS或蜂窩三角測量法來確定位置，并且使用該信息來標記樣本的圖像，將來自這種圖像的數據、或帶有位置數據的病人病歷記錄用于傳染病、病人監(jiān)測 或跟蹤，隨后通知/提醒現場技術人員對某些病人進行檢查、記錄保持(例如，用于退款或 向出資單位(諸如世界衛(wèi)生組織)進行報告)等。在設計來以小于等于10 μ m的分辨率進 行便攜式操作的光學系統(tǒng)中該特征不是普遍公知的。4.用于診斷目的的自動圖像評估可以在中心設施(或分布式計算網絡，例如類 似于SETIOHome)處對采集的圖像進行處理，或者在優(yōu)選實施例中，可以在嵌入在裝置中的 處理器上實時地處理采集的圖像，以提供醫(yī)療相關的信息，例如對在圖像中找到的桿狀菌 進行計數。通常，技術人員必須對來自一些(總計大于30個圖像)樣本中的每一個的多個 (通常大于10)圖像中的桿狀菌認真地計數，以獲得相關數據；操作人員疲勞度、缺少時間、 沒有服從所要求的協(xié)議等都可以減小計數有效性和診斷的準確性。因此，對桿狀菌的自動 計數為醫(yī)務人員提供了在作出分析的時間(以及因此所產生的成本)以及在結果的準確性 方面的重要益處。也可以考慮更復雜的處理算法(例如，被設計為允許根據圖像來形成瘧 疾寄生蟲的自適應算法)、以及對不同樣本(例如，(可以染色的)白色和紅色血細胞或寄 生蟲)的區(qū)分(例如，基于大小)。此外，可以自動地選擇所選圖像的感興趣的區(qū)域，并且附 加其用于記錄保持和/或隨后的人類技術人員的化驗。5.對比在發(fā)展中國家中，許多對比機制、大多數顯著的熒光均不可用，并且也沒 有實施在蜂窩或無線連接的成像系統(tǒng)中。通常，熒光標記和檢測對于診斷分析來說非常有 利，提供較好的對比、增強的特性、以及較低的背景，所有這些均使得醫(yī)務人員對圖像的評 估更容易。與使用例如高功率發(fā)光二極管的樣本激發(fā)光相結合并與廉價(普通的可拍照手 機類型)的成像傳感器相耦合的高數值孔徑光學器件的使用，允許充分的樣本激發(fā)光、光 收集效率、以及電檢測靈敏度(例如量子效率)，即，在手持便攜式裝置上可以容易地對發(fā) 出熒光的肺結核菌進行成像并自動地計數，該手持便攜式裝置與其他發(fā)展中國家所使用的 醫(yī)療設備相比在成本上具有潛在的競爭力。在可以在沒有電連接(例如，電池供電)的情 況下運行的相對廉價的手持便攜式系統(tǒng)中，可以簡單地實現其他對比機制(例如，暗視野 或斜射照明、相位對比等)。例如，斜射照明可以允許以類似于流動血細胞計數器中所使用 的方式基于從細胞散射的光量來對某些血細胞的類型進行區(qū)分。6.與樣本制備的結合還可以考慮將自動樣本制備系統(tǒng)增加到所述裝置，以在使 診斷過程自動化并且降低操作人員執(zhí)行測試或分析所需要的技術水平和對其他設備的需 要的同時，保持小型和便攜性(例如，通過使用用于進行液體處理的微流體裝置)。例如，在 一個實施例中，化療病人可以刺破他們的手指，擠一滴血到微流體晶片匣中，并且將該晶片 匣插入手持式顯微鏡裝置。該裝置將執(zhí)行自動染色、稀釋、以及(例如)通過使用微流體裝 置(可以包括用于樣本流控制的微閥或標準閥)將抗凝劑添加到血液、對樣本的某些視場 進行成像、計數并區(qū)分不同的血細胞類型、將數據上傳給病人主治醫(yī)師、并且接通紫外線發(fā) 光二極管以對微流體裝置進行滅菌，從而確保隨后使用的處理和樣本區(qū)的安全。光學設計和實施A.相機特點手機相機通常較小，可能將誘鏡的盲徑定義為小于1cm，并且具有較 小的CXD(或CMOS或其他)檢測器陣列，通常線尺寸也小于1cm。像素大小通常為一邊小于 10 μ m。所述裝置被設計為在物體距離大于約30cm處成像；通常，通過透鏡或安裝用于透鏡的硬件來限定光學系統(tǒng)的孔徑，并且光學孔徑的直徑為幾mm的數量級。1.因此，成像鏈(optical train)的物體側 NA 約為 0. 005 = (3mm/2) / (30cm)的
數量級。2.通常，對于位于透鏡處或透鏡附近并小于檢測器陣列的系統(tǒng)孔徑，系統(tǒng)的圖像 空間的場角(即，在檢測器陣列之上的場角)均大于0。因此，對于離軸圖像點來說，系統(tǒng)將 經歷“四階余弦”強度的衰減(本領域技術人員已知，“四階余弦規(guī)則”不是實際衰減的精確 預測)。3.相機可以設計用于(或不設計用于)對無限遠的物體進行最好的聚焦。很可能 的是，可以針對大約幾英尺(一米)距離的物體獲得最小的平面像點尺寸。這可能在不同 手機類型之間改變。4.通常，檢測器陣列為具有各種像素數(通常為640X480或更大)的C⑶或CMOS 芯片。像素大小通常為一邊3-10 μ m，并且可以為正方形或不為正方形?？偟年嚵写笮〈蠹s 為像素數乘以像素沿軸線的尺寸，由于檢測器陣列結構的細節(jié)，可能具有另外的因子(例 如，由于行間插入結構所產生的不是100%的占空系數，等)。通常，所述陣列為彩色的，具 有伴隨的彩色濾色鏡陣列(CFA)，例如Bayer陣列，限制入射到各像素的光的波長，從而可 以在適當的內插之后獲得彩色圖像。檢測器陣列通常允許“電子快門”(例如，通過使用行 間插入結構C⑶陣列)；因此，相機通常沒有內置的機械快門。5.通常，用戶不能獲得增益、暗電平、快門速度、或其他相機調整，然而用戶可以想 象出以后這些將會改變。6.可以為手機寫入軟件，其原則上可以驅動相機。甚至，可以設想程序，其自動地 調整快門速度或其他在手機的操作系統(tǒng)中可獲得的相機參數。類似地，可以想象的是，這種 程序可通過來自手機的電子輸出(例如，通過非手持式插孔)來調整或發(fā)送調整照明、聚焦 或其他外部因子的信號。7.還可以增加根據低劣的品質來自動廢棄圖像的軟件，以及將多個圖像拼接在一 起(或者幫助將那些圖像拼接在一起)的軟件。8.在圖像的遠距離傳輸方面，可以增加以下附加軟件(a)圖像加密。(b)使用文本或圖形來對圖像進行注解。(c)為圖像附加數據(例如，病人信息、診斷、地理信息等)。(d)用于疾病診斷的自動圖像處理。B.設計特征可拍照手機等主要設計用于對較大物體(例如人臉、人、建筑等)進 行成像。本發(fā)明涉及使用用于對較小物體進行成像的這種裝置，尤其是(但不限于)用于 對小于相機中檢測器陣列大小的物體進行成像的裝置。1.光學不變量(也稱為集光率 Etendue)確保 Aimage/A。bje。t = Ω。bje。t/Ω image，其中 A 為各光學平面中物體的面積，而Ω為立體角，光在同一光平面輻射或傳播到該立體角。注 意，橫向放大率似=^(Ainage/Aobject)。此外，在近軸近似法中Ω oc ΝΑ2。因此，在近軸近似法
中M NA。bje。t/NAimage。在以下論述中，將結合以下知識來使用這種近似法而不限于近軸的 情況對于NA來說，在沒有近軸限制的情況下，將使用包含Ω的等式代替，以獲得精確的結^ ο
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2.如果使用浸沒透鏡，在空氣中則不能獲得約為1的NA，也不能獲得浸沒介質的 指標值。對不限于將空氣作為浸沒介質的情況下進行論述?？諝獾闹笜酥导s為1，因此，手 機相機檢測器陣列可實現的最大放大率為M l/NAimage。假設(設計到手機相機中的)的 NA為NAimage 0. 25 (典型地NA處于0. 1-0. 5的范圍內)，這產生最大的M 4。用于比較， 將人臉(直徑約為20cm)成像到約5mm的CXD上將需要M 0. 025的放大率，以在視場中 容納整個人臉。這是設計這些手機的目的，它們的收集NA達到這樣的程度是為了提供該數 量級或小于該數量級的放大率。3.在通常的M彡0. 025的放大率，并假設檢測像素大小約為5 μ m,不考慮定格 (pixilation)和混疊問題，物體的最小可分辨特征將為d = 5 μ m/0. 025 200 μ m。4.相反地，在較高的收集NA，再次不考慮定格和混疊問題，則最小的可分辨特征 將為 d = 5 μ m/4 1. 25 μ m。5.使用可拍照手機來對通常使用這種可拍照手機不能有效地分辨的特征進行成 像；為了實現該目的，需要另外的光學器件，以提高系統(tǒng)的收集NA。C.遠心度遠心度由在無限遠處成像的光學系統(tǒng)的出瞳或入瞳或者兩者限定。這 具有許多重要的含義。如本發(fā)明中所使用的那樣，“遠心空間”將限定圖像、物體、或者光學 系統(tǒng)兩側的空間，在該光學系統(tǒng)中，在無限遠處對光瞳進行成像。通過遠心所提供的重要收 益和優(yōu)點包括1.用于圖像中所有點或用于遠心空間中物體平面的相等的數值孔徑(NA)。因此， 例如，如果物體空間是遠心的，則光收集效率對于物體場中所有點來說均相同，所有點等亮 度地呈現，但是，如果圖像側的系統(tǒng)不是遠心的(即不是雙遠心系統(tǒng))，則該優(yōu)點消失。2.零度場角，其導致當聚焦到具有深度的結構(例如，微孔板)中時缺少視差的問 題。因此，遠心空間中視場邊緣的孔將被成像為類似光軸上的那些。3.視放大率獨立于散焦。因此，對于離焦部件來說，盡管某種程度上，那些部件的 分辨率顯著地降低，但是沒有適當聚焦的或傾斜(例如不當安裝的或具有很大公差的顯微 鏡載玻片)的樣本將不具有失真的圖像大小。4.如果圖像空間是遠心的，則用于光學系統(tǒng)的點擴散函數對于圖像空間的所有點 來說均是相同的。在CCD上成像方面或在解釋通過CCD (或CMOS或其他)光學檢測器陣列 捕獲的圖像側面，這是可以確定的優(yōu)點。5.放置于遠心空間中的光學干涉濾色鏡將具有獨立于場位置的透射和/或反射 帶寬，這是由于上述場角和NA特征。在其中存在孔徑光闌的空間中放置的濾色鏡(即，在 濾色鏡與孔徑光闌之間沒有透鏡)將具有可能的最窄寬度，但是，對于不同的物體或圖像 點(或者二者)，其將隨著場位置而改變。這些特征是顯微術中的重要優(yōu)點，由于這些原因，大多數顯微鏡的物鏡是設計為 在顯微鏡的物體空間為遠心的。通常，還可以將顯微鏡設計為在圖像空間也為遠心的(或 者近似這樣)。顯然，將手機相機設計為遠心的是很不可能的，這是不僅是因為收集效率的 不均勻性，還因為遠心系統(tǒng)不能對大于圖像(或物體)平面之前的最后透鏡的直徑的視場 進行成像，所述圖像(或物體)平面處于遠心空間。因此，如果可拍照手機為物體空間遠心， 則其可以具有僅幾mm的視場，為入透鏡到手機的大小。因此，遠心度(尤其是物體空間遠心度)是新穎的，這是因為通常不考慮這種對視場的限制，例如在手機的物體側。但是，在輔助透鏡的情況下，可以通過為期望的視場選擇 適當大小的透鏡來避免該問題的發(fā)生。使用這種系統(tǒng)，可以實現其他優(yōu)點中的非常均勻的 放大率、收集效率、以及無視差，使得可以將該系統(tǒng)用于靈敏的顯微術和檢查任務。P.數倌孔徑數倌孔徑(NA)限定了光學系統(tǒng)的分辨率和光聚集能力。這對于本 領域技術人員來說是容易理解的，這里將不做說明。但是，在近軸近似法中，系統(tǒng)的放大率 與NA成反比關系，如上所述。由于可拍照手機可以將約2m的人成像至約2mm的檢測芯片 上，并且由于以高入射角入射到硅片等之上的反射損失導致檢測芯片上的NA不可能大于 NAimage 0. 5，因此物體側NA必須約為NA。bje。t 0. 5/100 = 0. 005。從顯微術或靈敏檢查 的觀點來看，這是非常低的，因為相關的分辨率將由瑞利判據給出為S 1.22 λ/NA(在這 種情況下約為244 λ，或者假設是λ 500nm的綠光時約0. Imm)。將附加的透鏡耦合至現有可拍照手機以使得物體側的收集NA較大，這將增大系 統(tǒng)的放大率(如上所述，其當前必須以約0. 01的縮小倍數工作)。這種NA。bje。t的增大也將 增大系統(tǒng)的光收集能力以及其在對樣本進行成像方面所能實現的分辨率。這種方式的損失 是視場減小，該問題并不是應用所考慮的主要問題。E.顯微技術本領域普通技術人員已知本申請所討論的所有技術(包括暗視野、 微分干涉對比、相位對比、落射照明等)，并且這些技術可以在許多標準參考中找到。F. 1 1成像顯然，手機不是設計用于1 1成像。但是，這對于實現顯微術、疾 病診斷等目的來說可能是有用的系統(tǒng)，這是因為其將產生約為手機中檢測器陣列中像素大 小的分辨率。此外，由于手機的大量生產，因此用于手機的透鏡可以廉價地獲得，并且可以 廉價地耦合至現有手機，以使成像系統(tǒng)為1 1，顯然，這種使用對于手機相機來說是新穎 的。G.小孔徑光學系統(tǒng)中包括孔徑(可能小于現有手機中的孔徑)以使整個系統(tǒng)的 孔徑光闌由該孔徑限定，這將允許雙遠心系統(tǒng)的結構，即使當前手機在成像空間中也不是 遠心的。這將允許對手機的光收集以及成像效率進行完全控制，尤其允許使其在整個視場 中均勻。此外，其還允許分辨率在同一視場中均勻。本發(fā)明所使用的示例在更精密的顯微鏡不可用的區(qū)域中的疾病診斷?？梢酝ㄟ^對手機顯微鏡拍攝并發(fā) 送(可以通過手機(無線)通信)至遠程計算機的圖像的計算機圖像處理來進行診斷。為 了實現該目的，在將圖像發(fā)送給人之后，還可以通過人觀察來自遠端地點的圖像來進行圖 像評估。任意其他放大率高于通常手機相機的放大率的低成本、方便、小型、穩(wěn)健的光學成 像和記錄系統(tǒng)的使用是必需的。因此，本發(fā)明尤其包括以下方面1.由具有內置相機的手機和附加至其上的至少一個輔助透鏡構成的光學系統(tǒng)，所 述至少一個輔助透鏡關于手機相機定向以使該光學系統(tǒng)具有至少0. 001的收集數值孔徑 (NA)(a)方面1所述的系統(tǒng)，其中收集NA彡0.01 ；(b)方面1所述的系統(tǒng)，其中收集NA彡0. 1 ；(c)方面1所述的系統(tǒng)，其中收集NA彡0.2;
(d)方面1所述的系統(tǒng)，其中收集NA彡0. 3 ；(e)方面1所述的系統(tǒng)，其中收集NA彡0.9;(f)方面1所述的系統(tǒng)，以使其放大物體彡5X ；(g)方面1所述的系統(tǒng)，以使其放大物體彡IOX ；(h)方面1所述的系統(tǒng)，以使其放大物體彡15X ；(i)方面1所述的系統(tǒng)，以使其放大物體彡20X ；(j)方面1所述的系統(tǒng)，以使其放大物體彡25X ；(k)方面1所述的系統(tǒng)，以使其放大物體彡50X ；(1)方面1所述的系統(tǒng)，以使其具有可變的放大率。2.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中該光學系統(tǒng)在物體側是遠心的。3.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中該光學系統(tǒng)在圖像側是遠心的。4.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中該光學系統(tǒng)是雙遠心的(即在物 體側和圖像側均為遠心的)。5.滿足方面1和方面2-4中的任意之一的光學系統(tǒng)。6.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)用于收集熒光，以作為生 物熒光化驗的部件。7.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)利用暗視野照明或暗視 野光學技術的任意變形。8.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)使用相位對比技術。9.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)使用調制對比技術，例 如霍夫曼調制對比。10.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)使用微分干涉對比技 術(DIC)。11.使用透射光顯微術來對樣本進行成像的光學系統(tǒng)。12.使用反射光顯微術來對樣本進行成像的光學系統(tǒng)。13.使用發(fā)光二極管(LED)作為照明源的光學系統(tǒng)。14.使用單色LED作為照明源的光學系統(tǒng)。(a)方面14所述的系統(tǒng)，使得色差影響最小化。(b)方面14所述的系統(tǒng)，作為熒光激發(fā)源。15.具有被布置為對樣本進行照明的一個或更多LED光源(或其他照明源)的光 學系統(tǒng)。16.通過將一個或多個照明源(例如LED)成角度地布置在樣本平面來使用反射光 顯微術的光學系統(tǒng)。17.通過使用一個或多個照明源的網格對樣本進行照明來使用透射光顯微術的光 學系統(tǒng)。18.使用Kohler照明對樣本進行均勻地照明的光學系統(tǒng)。19.使用散射元件來對樣本進行均勻地照明的光學系統(tǒng)。20.具有由手機供電的照明源的光學系統(tǒng)。21.方面6-19中的任意之一與方面1結合。
22.方面6-19中的任意之一與方面2_4中的任意之一結合。23.方面6-19中的任意之一與方面2_4中的任意之一結合，并且與方面1結合。24.包括用于疾病診斷的手機相機的光學系統(tǒng)。25.包括用于對病人癥狀進行醫(yī)學評估的手機相機的光學系統(tǒng)。26.包括用于生物化驗的手機相機的光學系統(tǒng)。這種鑒定可以包括血液分析、血細 胞計數、免疫測定、組織樣本形態(tài)或病理的檢查或記錄，但不限于此。27.方面26與方面1結合。28.方面26與方面1和/或方面2_4中的任意之一和/或方面6_10中的任意之 一和/或方面24-25中的任意之一結合。29.包括用于對以下任意之一進行診斷和評估的手機的光學系統(tǒng)瘧疾、雅司病、 皮疹、傷口等。30.其中將手機相機與微流體裝置一起用于疾病或病原體診斷的系統(tǒng)。31.其中將手機相機用作熒光化驗法的檢測臂的部件的系統(tǒng)，其中通過手機相機 的彩色濾色鏡陣列(CFA)來提供用于所述化驗法的發(fā)射濾色鏡的功能。32.其中將手機相機用作熒光化驗法的檢測臂的部件的系統(tǒng)，其中，單獨使用所述 手機相機的各個彩色通道來以不同的發(fā)射波長同時進行兩個或更多的化驗。33.方面1的系統(tǒng)，其中手機相機的自動聚焦機制被用作聚焦機制的部件。34.其中通過手機相機提供光學檢測并且揀選像素以減小圖像噪聲的生物化驗。35.作為檢測臂的部件的包括手機相機的光學系統(tǒng)，其中照明為落射照明。36.方面1的光學系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被用于材料分析。例如，這種分析可以包括 (但不限于)對用于金屬疲勞的金屬部件的化驗、或對焊接的評估、或對微電路中元件(例 如觸點)的評估。37.將包括手機相機的光學系統(tǒng)用作在飲食服務環(huán)境中保健監(jiān)測的部件，例如用 于對表面細菌的化驗。38.手機相機的任意使用，其中使用任意標準的生物組織染料對成像的樣本進行 染色(例如Gram染色)。39.在紫外線的激發(fā)下，將手機相機用于收集生物樣本的自發(fā)熒光。這種激發(fā)光可 以是200 400nm之間的任意波長(或者其組合)的激發(fā)光。40.將手機相機用作用于對溶液(Solution(S))中蛋白質濃度進行量化或比較的 檢測臂的部件的光學系統(tǒng)的使用。(a)方面40的系統(tǒng)，其中通過熒光元件或屏幕將用于蛋白質濃度評估的波長轉換 為可見波長(或轉換為通過手機相機透鏡和彩色濾色鏡透射的波長)。41.將包括手機相機的系統(tǒng)中的多通道板增光裝置用作檢測元件。(a)方面41與方面1相結合。(b)方面41，其中所述系統(tǒng)用于生物化驗或生物樣本的評估。42.將手機相機用作系統(tǒng)的檢測臂的部件，以用于執(zhí)行基于DNA的鑒定。43.將手機相機用作系統(tǒng)的檢測臂的部件，以用于執(zhí)行生物化驗，其中照明由激光
二極管提供。44.將手機相機用作系統(tǒng)的檢測臂的部件，以用于執(zhí)行生物化驗，其中照明由紫外線LED提供。45.將手機相機用作系統(tǒng)的檢測臂的部件，以用于執(zhí)行生物化驗，其中照明由LED提供。(a)方面45的系統(tǒng)，其中LED產生的功率大于lmW。(b)方面45的系統(tǒng)，其中LED產生的功率大于5mW。46.使用手機相機作為檢測元件的光學系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包含孔徑光闌，其與手 機相機的內置透鏡不協(xié)同定位。47.將手機相機用作檢測元件的光學系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包含的孔徑小于手機相 機內置透鏡的通光孔徑。48.以上任一方面，其中所述成像系統(tǒng)包括耦合至至少一個其他透鏡的手機相機， 其中附加的透鏡與手機相機一起構成對稱的11成像系統(tǒng)。49.以上任一方面，其中“耦合至蜂窩電話裝置的檢測器陣列”由“手機相機”代替。50.以上任一方面的系統(tǒng)，其中所述光學系統(tǒng)包括變跡濾色鏡，以對離軸圖像點的 四階余弦類型的漸暈效應進行補償。51.運行手機上的程序，所述手機基于對手機相機拍攝的圖像進行的分析向外部 裝置發(fā)送信號，所述外部裝置是整個光學系統(tǒng)的部件或者其機械構件。(a)方面51與方面1相結合的系統(tǒng)。(b)除以上各方面之外再加上方面51的系統(tǒng)。52.包括手機相機的光學系統(tǒng)，其具有總的系統(tǒng)放大率M > 0. 01。(a)具有M彡0. 1的方面52的系統(tǒng)。(b)具有M彡0. 2的方面52的系統(tǒng)。(c)具有M彡0. 5的方面52的系統(tǒng)。(d)具有M彡0. 9的方面52的系統(tǒng)。(e)具有M彡1. 0的方面52的系統(tǒng)。53.以上任一方面的系統(tǒng)，其中附加在手機上(或緊接手機布置)的透鏡系統(tǒng)是變 焦透鏡系統(tǒng)。(a)方面53的系統(tǒng)，其中變焦透鏡系統(tǒng)是可調節(jié)的。54.以上任一方面的系統(tǒng)，其中所述透鏡為浸沒透鏡，以實現較高的放大率。55.以上任一方面的系統(tǒng)，用于對人、動物、或植物(用于農作物健康與疾病的評 估)進行評估。56.整個光學系統(tǒng)可以從手機上拆卸下來或者永久地固定在手機上。結合具有以上所列舉的方面1和/或方面2-4和/或方面6-10的光學系統(tǒng)，本發(fā) 明還包括以下附加特征1.光學系統(tǒng)與樣本支持器或載物臺相結合允許手動移動以固定位置(例如，通過 機械縮進的使用)或允許索引化的移動以簡化對多視場的采集。2.光學系統(tǒng)與樣本支持器或載物臺相結合允許自動移動(例如通過使用步進電 機，但是不限于此)，以在用戶不直接干涉的情況下允許對多視場的采集。(a)所述系統(tǒng)，其中根據連續(xù)采集期間所獲得的數據，通過軟件的方式來自動地改 變捕獲的不同視場數，例如但不限于一種系統(tǒng)，其中通過使用圖像處理技術來對細菌進行自動計數，并且一直獲取不同視場的圖像，直至總的細菌數量超出給定閾值或直至達到采 集總數的閾值。3.通過分格法(但是，不限于蜂窩基站三角網定位)使光學系統(tǒng)與GPS或位置感 測連起來。4.通過使用位置感測能力(諸如GPS或蜂窩式三角網定位)，使光學系統(tǒng)與將位 置數據自動地附加至圖像數據連起來。5.光學系統(tǒng)與內置紫外線發(fā)光二極管(UV LED)相結合，布置紫外線發(fā)光二極管 以使UV光用來對可能被污染的裝置的樣本區(qū)或其他區(qū)域進行滅菌。(a)所述系統(tǒng)，其中對UV LED照明進行限制，將其設計為裝置的內部或將其設計 為僅當外殼完全關閉時出現(LED接通)，以使用戶不會受到UV輻射的傷害。6.光學系統(tǒng)與內置熒光信號標準相結合，所述熒光信號標準允許對從樣本測量到 的信號進行校準，例如但不限于，具有永久定位的已知的標準熒光珠的“標準載玻片”，使得 樣本支持器位置控制電動機可以定位所述標準載玻片以用于圖像采集并且接著移動定位 到樣本載玻片。其他方法可以包括使用光學器件來使已知強度的光以已知方式指向樣本位 置，所述光可以通過集光系統(tǒng)和用于校準目的的結果圖像來獲得。7.光學系統(tǒng)與照明路徑上的一個或多個濾色鏡相結合，以選擇或限制來自LED、 白熾燈、或其他激發(fā)源的激發(fā)光波長。(a)所述系統(tǒng)，其中可以手動改變一組(多于一個)濾色鏡。(b)所述系統(tǒng)，其中可以根據預先安裝在可變定位裝置(例如，濾色鏡滑道或轉 盤)上的一組濾色鏡來手動改變(多于一個)濾色鏡。(c)所述系統(tǒng)，其中所述濾色鏡(或多個濾色鏡之一)是聲光的(例如，聲光可調 諧濾色鏡)。(d)所述系統(tǒng)，其中一個或多個濾色鏡是干涉濾色鏡。(i)所述系統(tǒng)，其中通過沿垂直于光軸的軸轉動濾色鏡來修改干涉濾色鏡透射頻譜，以使濾色鏡上光的入射角改變并且從而引起濾色鏡 透射移位。(e)所述系統(tǒng)，其中一個或多個濾色鏡對極化發(fā)生影響而不對波長發(fā)生影響或者 還對波長發(fā)生影響。(f)所述系統(tǒng)，其中所述濾色鏡或所述濾色鏡之一是LCD空間光調制器，其以可尋 址的方式對多個像素的極化或傳輸或二者發(fā)生影響。8.光學系統(tǒng)與收集路徑上的濾色鏡相結合，以選擇或限制傳到聚焦面?zhèn)鞲衅麝嚵?(例如，CXD或CMOS相機，但不限于此)的波長。(a)所述系統(tǒng)，其中可以手動改變一組(多于一個)濾色鏡。(b)所述系統(tǒng)，其中可以根據預先安裝在可變定位裝置(例如，濾色鏡滑道或轉 盤)上的一組濾色鏡來手動改變(多于一個)濾色鏡。(c)所述系統(tǒng)，其中所述濾色鏡(或所述濾色鏡之一)是聲光的(例如聲光可調諧 濾色fe ) ο(d)所述系統(tǒng)，其中一個或多個濾色鏡是干涉濾色鏡。(i)所述系統(tǒng)，其中通過沿垂直于光軸的軸旋轉濾色鏡來修改干涉濾色鏡透射頻譜，以使濾色鏡上光的入射角改變并且從而引起濾色鏡透射移位。(e)所述系統(tǒng)，其中一個或多個濾色鏡對極化發(fā)生影響而不對波長發(fā)生影響或者 還對波長發(fā)生影響。(f)所述系統(tǒng)，其中所述濾色鏡或所述濾色鏡之一是LCD空間光調制器，其以可尋 址的方式對多個像素的極化或傳輸或二者發(fā)生影響。9.方面7或8所述的每一個系統(tǒng)，其中所述濾色鏡的位置在聚集光或發(fā)散光的 區(qū)域中，并且所述濾色鏡是吸收濾色鏡(例如，肖特玻璃(Schott glaSS)GG495，但不限于 此)，以使濾色鏡透射不是入射角的強函數。(a)所述系統(tǒng)，其中聚集光或發(fā)散光的錐形半角彡0. 5°。(b)所述系統(tǒng)，其中聚集光或發(fā)散光的錐形半角彡2°。(C)所述系統(tǒng)，其中聚集光或發(fā)散光的錐形半角彡4°。(d)所述系統(tǒng)，其中聚集光或發(fā)散光的錐形半角彡10°。(e)所述系統(tǒng)，其中聚集光或發(fā)散光的錐形半角彡20°。(f)所述系統(tǒng)，其中聚集光或發(fā)散光的錐形半角彡30°。(g)所述系統(tǒng)，其中聚集光或發(fā)散光的錐形半角>40°。10.光學系統(tǒng)與基于圖像處理的自動聚焦機制相結合，與通過例如步進電機或壓 電制動器(但不限于此)的物鏡移動或樣本移動相結合。該系統(tǒng)可以使得(但不限于此) 例如樣本圖像中邊緣(和/或高空間頻率內容)的清晰度最大化，從而確定最佳焦點，通過 變位、重測準則、并且以疊加的方式聚集到最佳焦點的位置。11.所述光學系統(tǒng)，其中照明和/或集光系統(tǒng)被具體設計為容納用于樣本制備和 裝載的標準的塑料或玻璃毛細管或樣杯，例如，當透過樣杯壁來成像時，具有設計用于適當 的球面像差校準的光學系統(tǒng)(但不限于此)。12.所述光學系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)被設計為使得毛細管直接裝配在集光系統(tǒng)之前。13.所述光學系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)被設計為使得毛細管或微流體裝置直接裝配在傳 感器上。14.所述光學系統(tǒng)，其中系統(tǒng)軟件允許用戶確定的對用于傳輸的圖像的感興趣區(qū) 域的識別，例如，允許用戶使用鼠標、觸摸屏、或指針來限定在保存或傳輸之前附加到樣本 數據上的圖像的指定區(qū)域，但不限于此。(a)所述系統(tǒng)，其中這種限定減小了對傳輸帶寬或時間的需求(例如，也減小了數 據傳輸的成本，但不限于此)。15.所述光學系統(tǒng)，其中系統(tǒng)軟件自動地識別用于傳輸的圖像的感興趣區(qū)域，例如 但不限于，通過圖像處理找出的包含粒子的區(qū)域，以在保存或傳輸之前附加至樣本數據。(a)所述系統(tǒng)，其中這種限定減小了對傳輸帶寬或時間的需求(例如，也減小了數 據傳輸的成本，但不限于此)。16.所述光學系統(tǒng)，其中裝置中運行的軟件使用規(guī)定的算法來執(zhí)行自動的細胞或 粒子計數。17.所述光學系統(tǒng)，其中向用戶提供指定位置的提示，例如(但不限于此)提示用 戶從本地病人數據庫選擇病人記錄，和/或提示用戶探訪局部地區(qū)中應該進行另一測試的 病人或從該病人收集數據。
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18.所述光學系統(tǒng)，其中所使用數據庫適用于標準或移動瀏覽器，或者與其兼容。結合所有以上所述系統(tǒng)和特征或任意之一，本發(fā)明還包括以下系統(tǒng)和特征1.用于熒光顯微術的裝置，其中選擇樣本與檢測器陣列之間的光學圖像放大率 (M)，以使典型樣本(例如，熒光染色的肺結核菌，但不限于此)的圖像跨越最小數量的像 素，該最小數量大于樣本中點源在檢測器陣列會產生的衍射或像差限制的斑點的大小。(a)例如，對于0. 4的NA、M = 10、衍射限制的成像系統(tǒng)、對發(fā)射波長(λ )為λ = 550nm的光的單色光源成像，點分布函數(PSF)將跨越δ = 1. 22 λ *Μ/ΝΑ = 16. 8 μ m的名 義距離(被限定為艾里斑(Airy disk)的零之間的距離)。對于方形像素的一邊為7.4μπι 的系統(tǒng)，所述斑點將覆蓋最小9個像素。2.熒光顯微鏡，其中樣本激發(fā)光是直接的(“透射照明”)并且將“發(fā)射濾色鏡”放 置在緊接物鏡的后聚焦面(BFP)(或盡量實際地靠近BFP)的法向入射處，以使其反射激發(fā) 光的大部分從而通過物鏡直接返回至樣本，因此在樣本處增大了激發(fā)光強度，但是，由于傳 至檢測器的激發(fā)光波長的“串擾”(又稱為漏損)，因此，增加了背景(并且相同大小地減小 了信噪比(S/N))成本。(a)例如，對于NA為0. 67的聚光光學器件以及NA為0. 4的物鏡，樣本處總的激發(fā) 光將以 sin2(asin(0. 4)/2)/sin2(asin(0. 67)/2) = 32%增加。(sin2 (asin (NA)/2)=透 鏡的集光效率)(b)通常，使用分色鏡來實現激發(fā)，并且通過物鏡來反射激發(fā)光，以使實際上總是 少有激發(fā)光碰撞發(fā)射濾色鏡，因此發(fā)射濾色鏡必然阻止總的激發(fā)功率的較小部分。直接照 明是少有的。3.如上所述使用直接激發(fā)光的熒光系統(tǒng)，其中在干涉濾色鏡和相機之間放置吸收 濾色鏡(例如，肖特玻璃(Schott glass) GG459，3mm厚)，以進一步阻止激發(fā)光泄漏到檢測
ο(a)這不是熒光顯微鏡的標準操作，熒光顯微鏡普遍地使用干涉濾色鏡。4.熒光系統(tǒng)，其中收集物鏡與樣本之間的視窗由吸收激發(fā)光波長的材料制成。(a) 一種系統(tǒng)，其中收集系統(tǒng)中的透鏡吸收所述激發(fā)光波長。5. 一種熒光系統(tǒng)，其中所述發(fā)射濾色鏡安裝在樣本附近或圖像平面附近以節(jié)約成 本，這是因為這種位置中可以使用較小的濾色鏡。6. 一種系統(tǒng)，其中粒子計數算法包括下界和上界。7. 一種系統(tǒng)，其中根據光學系統(tǒng)的PSF和/或RMS斑點大小的預定改變(其為檢 測器陣列上位置的函數)，粒子計數上界和下界作為檢測器陣列上位置的函數而改變。(a)這考慮了像差/PSF在整個視場不均勻的可能性，但是向場邊緣接近時發(fā)生改 變(可能變壞，但不是必然的)。8. 一種系統(tǒng)，其中粒子計數算法包含明確的閾值，該明確的閾值部分地基于(可 能存在的)粒子圖像位置處像素的信噪比(SNR)。9. 一種系統(tǒng)，其中粒子計數算法包含對潛在粒子(potential particle)的“光學 質量”進行計算，“光學質量”被定義為背景以及有可能被計數為粒子圖像的一部分的所有 像素的噪聲閾值(如基于全陣列、基于列、基于行、或基于逐像素地確定的，背景均值以上 的背景噪聲的標準差，例如為3，但不限于此)之上的像素強度之和。
(a) 一種系統(tǒng)，其中用于對粒子進行計數或將給定像素包括為粒子圖像部分的取 閾值準則依賴于光學質量與相關像素的背景噪聲之比。(b) 一種系統(tǒng)，其中用于對粒子進行計數或將給定像素包括為粒子圖像部分的取 閾值準則依賴于光學質量與通過算法試驗性地計數的所有粒子的光學質量的分布之比，如 果其光學質量自其他潛在粒子計數下降超過預定距離(例如但不限于，粒子光學質量下降 超過2，2為所有潛在粒子光學質量的均值之上的標準差)時，則假定的粒子計數不合格。10. 一種系統(tǒng)，其中粒子計數算法包括用于非圓形粒子圖像的判據，例如(但不限 于)粒子的長軸與短軸之比為除11之外的較大的橢圓度比。(a)相同的系統(tǒng)，具有4 3或3 2的橢圓度比。(b)相同的系統(tǒng)，具有由(艾里斑直徑中的像素數)與(該數量加1)之比所確定 的橢圓度比。(i)相同的系統(tǒng)，具有由(艾里斑直徑中的像素數)除以(該數量加2)、或(該數 量加3)等確定的橢圓度比。11. 一種系統(tǒng)，其中粒子計數算法包括基于SNR取閾值、像素大小的上界和下界、 光學質量、以及非圓形標準。(a) 一種系統(tǒng)，其中所述計數算法包含以上標準的任意組合。12.用于熒光成像的檢測器陣列，其中在圖像采集期間，斷開非冷卻式檢測器陣列 的片上輸出放大器，以減小“放大器發(fā)熱”。13. 一種系統(tǒng)，其中除了在收集圖像的檢測器時鐘周期的部分之外，將激發(fā)光調制 為零(或更低)功率。(a)如果CCD在30fps (每圖像33ms)時具有Imsec的曝光時間，則在實際的CCD 積分時間內，LED不會一直點亮或者不會在整個成像時間內均勻地點亮，這將使得LED所需 功率減小33 X。14. 一種系統(tǒng)，其中通過激光來提供寬視野的熒光激發(fā)，并且通過激光輸出的空間 模式結構的調制來在檢測器積分時間內平均出照明圖案中的散斑。(a) 一種系統(tǒng)，其中激光空間模式調制是通過激光二極管的電流調制來實現的。(b) 一種系統(tǒng)，其中在激光二極管的情況下，激光空間模式調制是通過二極管本身 的激光腔的壓電(或其他機械的)調制實現的。15. 一種系統(tǒng)，其中將表面上具有樣本涂片的載玻片(例如但不限于血液或唾液， 無蓋玻片)插入支持器，并且該裝置隨后進行(a)加熱所述載玻片，以有助于或加速樣本的干燥和熱穩(wěn)定。(b) 一種裝置，其在載玻片之上加封蓋玻片。(c) 一種系統(tǒng)，其中通過自動染色來增強用戶的安全性(其中技術人員不與染色 劑接觸)。(i)可能與在樣本之上吹氣相結合。(ii)通過對樣本吹熱氣來進行加熱。(1)其中，對空氣進行過濾以在其吹到樣本上之前移除粒子。(iii)通過導電來進行加熱，例如通過裝置操作或者支持器性質來將電阻加熱器 耦接到載波片(例如，被加熱并用來加熱載玻片的銅支持器)。
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(1)其中，優(yōu)先地在載玻片中心附近(通常為樣本涂片所處位置)加熱，而不對邊 緣加熱或不對整個載玻片均勻地加熱。(d)在載玻片上方或其周圍密封一個腔室(例如，以0形環(huán)密封件在通常覆蓋了涂 片的載玻片區(qū)施加一個腔室)。(i)具有標記區(qū)的載玻片，該標記區(qū)標記來對其上涂抹了樣本的區(qū)域進行定界。(e)使用染色溶液(例如，BD金胺0染色試劑盒溶液)來沖洗腔室。⑴隨后清洗。(ii)隨后使用脫色液。(iii)隨后清洗。(iv)隨后加熱和/或吹氣以使載玻片干燥。(ν)重復覆蓋整個載玻片的制備過程。(f)所述溶液，包括清洗水、或包含于裝置或安裝到裝置。(g)在裝置之中或之上收集廢液，以用于稍后的處理。(h)隨后對載玻片進行成像。(i)用戶不接觸載玻片(例如，移除腔室，并且載玻片已在適當位置，或者接著自 動地對載玻片進行定位，以用于成像)。(j)其中，所述染色過程用于TB的金胺染色，通常用于抗酸桿菌(AFB)或瘧疾的染 色。(k)其中熒光染色不是鏈接了抗體的。(1)其中熒光劑為鏈接了抗體的。16. 一種系統(tǒng)，其中通過對載玻片進行自動重定位來對多個視場(FoVs)進行成像。(a) 一種系統(tǒng)，其中用戶通過使用操縱器來對載玻片進行重定位(以使載玻片和 光學器件保持封閉、與室內等分離)，接著壓下單鈕以獲取圖像。17. 一種系統(tǒng)，其中在保持連接(或可連接)到圖像處理器和/或傳輸裝置(例如， 可與單獨附加的透鏡一起移除的網絡攝像頭，假設網絡攝像頭具有允許其塞入標準顯微鏡 目鏡管的外部大小，并且其中輔助透鏡允許顯微鏡將通常由人眼獲取的中間圖像成像到檢 測器陣列，但不限于此)的同時，可以從系統(tǒng)移除成像元件(例如，檢測器陣列，可以包括一 些或所有光學元件)，以用于另一不同的系統(tǒng)。(a)其中不同的系統(tǒng)是具有目鏡管的標準顯微鏡。(b)其中可移除元件具有標準尺寸，以裝配到標準顯微鏡目鏡管中、之上、或其上方。(C)其中永久地附加在成像陣列的“一些”光學元件用來將來自顯微鏡的中間圖像 適當地聚焦到檢測器陣列。(d)其中可移除元件具有標準的尺寸，以裝配在標準顯微鏡目鏡中、之上、或其上方。(e)其中永久地附加在成像陣列的“一些”光學元件用來將來自顯微鏡的中間圖像 適當地聚焦到檢測器陣列。(f)其中在包括檢測器陣列的可移除構件中包括熒光發(fā)射濾色鏡。
(g)其中可移除構件中不包括發(fā)射濾色鏡。18.電源對于電壓尖峰和低壓/高壓情況健壯。(a) 一種系統(tǒng)，其中通過功率輸入線路上的扼流器來實現對電壓尖峰的不敏感性。(b) 一種系統(tǒng)，其中在這種扼流器之后跟隨DC-DC轉換器。19. 一種系統(tǒng)，其中對粒子進行計數，并且通過電話線路上傳數據。(a)其中數據包括處理了的圖像。(b)其中數據不包括任意圖像，僅包括計數和病人標識符。(c)其中包括附加的病人數據。(d)其中包括整個處理圖像的小視野，以用于參考，而不包括整個圖像(例如，為 了節(jié)約帶寬的目的，但不限于此)。(e)其中在裝置上存儲數據已用于稍后上傳。(f)其中通過無線或有線連接將數據傳輸到附近的計算機。20.病人數據的加密。(a)使用公共密鑰體系來加密。21. 一種系統(tǒng)，其中LED熄滅，除非系統(tǒng)正在呈現圖像以對聚焦的或獲取的圖像進 行分析。22. 一種軟件，其針對所需的圖像場的數量提醒用戶。(a)同樣的軟件，針對所需的載玻片的數量提醒用戶。(b)其中，如果一個場中的計數較高而第二個場中的計數非常低(例如，如果一個 場被污染，或一個場離開了涂片區(qū))，則閃爍警告，反之亦然。(i)并且向用戶呈現圖像(或其部分)，以查驗其是否合格。(c)其中提醒用戶在將圖像正式記錄到記錄之前確認圖像(例如，檢查圖像是否 焦點對準/諸如此類，但不限于此)。23.其中，在輸入初始記錄信息之后新的測試之前，通過通信鏈路來下載已有病人 數據。(a)其中將該數據與隨后的測試結果進行比較，以產生測試管理的直接反饋，從而 確定病人是否好轉或是否需要即時護理。(b)其中，在用戶將系統(tǒng)帶入視野之前，將所述已有數據下載到系統(tǒng)。24. 一種系統(tǒng)，其中在將圖像像素顯示在像素大小小于整個成像陣列的像素大小 的屏幕上之前，揀選圖像像素，其中所述揀選被設計為增大圖像SNR。(a)所述系統(tǒng)，其中還數字化地增強顯示用于聚焦目的的圖像(例如，軟件或固件 中所應用的增益和/或縮放比例)，以幫助用戶可視樣本中的微顆粒。25. 一種系統(tǒng)，其中在光學安裝系統(tǒng)中使用不同熱膨脹系數的材料，以使得其對溫 度的改變不敏感，允許再聚焦之間較長的周期。如上所述，可以看出本發(fā)明涉及將高數值孔徑的光學器件附加至手機或其他通信 裝置中相機的現有光學器件和圖像傳感器，以形成可以記錄并傳輸高分辨率顯微鏡圖像的 光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設計包括不同的顯微術方式，包括明視野、暗視野、相位對比、微分干涉 對比(DIC)、極化、以及熒光。對于熒光成像，相機傳感器上內置的Bayer彩色濾色鏡可以用作三種不同波長熒光的濾色鏡。此外，可以寫入軟件，以允許手機對圖像傳感器所捕獲的每個波長進行重新聚 焦。這可以減小任意彩色圖像的像差、熒光或其他。三個8位彩色通道中的每一個都可以 用于圖像的高動態(tài)范圍的后處理，這可以針對特定應用(諸如疾病診斷之類)提供附加的 靈敏度。最后，對于連續(xù)的或周期性的監(jiān)測使用，可以由關鍵事件(諸如水位改變、運動傳 感器、PH值改變、或簡單的時間流逝)來觸發(fā)圖像的獲取。本發(fā)明具有廣泛的適用性，包括(但不限于)以下方面1.根據血液樣本進行的疾病診斷，包括(但不限于)寄生蟲或細菌的感染(例如， 瘧疾、查格斯病、利什曼病、睡眠病、敗血癥、淋病、N型腦膜炎感染)、紅血細胞失調(鐮狀細 胞性貧血、地中海貧血、貧血癥、鉛中毒、球形紅細胞貧血癥、丙酮酸激酶疾病)、白血細胞失 調(白血病、Chedik-Higashi綜合癥、維生素缺乏癥)、以及血小板疾病(數量少、免疫媒介 血小板減少性紫癜)。2.根據尿樣進行的疾病診斷(尿路感染、腎結石)。3.根據脊髓液進行的疾病診斷(腦膜炎)。4.根據滑液進行的疾病診斷(痛風)。5.根據唾液進行的疾病診斷(肺結核、肺炎、囊性纖維性病)。6.根據病變或膿進行的疾病診斷(雅司病、萊姆病)。7.根據組織樣本進行的疾病診斷(癌癥)。8.需要熒光圖像的疾病診斷或篩查(HIV、使用抗體染色技術的任意病、癌癥)。對于上述應用中的每一種來說，可以使用包括染色和固定的現有樣本的制備方法 來提供適當的對比和可重復成像結果。該裝置還可以耦合至現有的診斷裝置，諸如基于微 片的裝置。另外的應用包括(但不限于)1.田野里土壤或水樣本的顯微術。2. 土壤或水樣本的遠程和/或連續(xù)的監(jiān)測。3.用于對疲勞或失敗的材料的監(jiān)測或測試。4.電路的監(jiān)測或測試。5.不能在實驗設施中發(fā)酵的微生物的直接顯微術。6.材料、土壤、水樣本的監(jiān)測。7.以先進的顯微技術(例如，相位對比、微分干涉對比、極化、暗視野等)來使用以 上任意之一。8.以自動圖像處理的方式使用以上任意之一。9.以自動觸發(fā)圖像獲取的方式使用以上任意之一。因此，應該理解的是，當前使用遠程顯微鏡的技術存在以下“任何一個/多個”問 題任何一個技術均包括適于特定用途的先進顯微術，但是需要用于數據存儲的計算機和 用于數據傳輸的因特網連接，或者耦合至可拍照手機的“顯微鏡”裝置不足以用于任何先進 顯微術，而這對于上述用途中的有益性來說是必須的。本發(fā)明通過將高數值孔徑光學器件結合至可拍照手機來彌補現有技術中的缺陷， 以具有使用單一裝置來直接捕獲并傳輸高分辨率圖像的能力。與傳統(tǒng)的先進顯微術不同，該技術具有高度的可便攜性，考慮到全世界通信網路的普及，該技術可用于遠端位置。并 且，與低數值孔徑裝置不同，該技術可用于多種顯微術應用。最后，高數值孔徑光學器件的 光捕獲能力將允許該技術用于熒光圖像，其中信噪比可以非常低。 盡管以上描述包含有許多細節(jié)，但是不應將其理解為對本發(fā)明范圍的限制，而僅 為了提供本發(fā)明的一些當前優(yōu)選實施例的說明。因此，應該理解的是，本發(fā)明的范圍完全包 含對本領域技術人員來說顯而易見的其他實施例。在所附權利要求中，所引用的單數的元 件不表示“一個且僅一個”(除非明確說明)，而是表示“一個或多個”。本領域普通技術人 員已知的等效于上述優(yōu)選實施例元件的結構、化學、和功能通過參考的方式清楚地并入本 申請，并且包含于本公開。此外，本發(fā)明所公開的一個裝置或方法不必解決本發(fā)明試圖要解 決的每個問題。此外，對于公眾來說，本發(fā)明中的元件、構件、或方法不是專用的，不管在權 利要求中是否明確地列舉出該元件、構件、或方法步驟。這里的權利要求的要素不依照美國 法典第35法案第112條第6款的規(guī)定來解釋，除非該要素通過詞組“用于……的裝置”明 確地記載。
權利要求
一種遠程顯微鏡設備，其包括便攜手持式蜂窩或其他無線通信裝置，所述通信裝置中具有圖像捕獲裝置；以及與所述圖像捕獲裝置相關聯(lián)的顯微鏡透鏡系統(tǒng)；其中所述顯微鏡透鏡系統(tǒng)具有至少約為0.1的收集數值孔徑(NA)和至少約為1的放大率(M)。
2.如權利要求1所述的顯微鏡設備，其中所述通信裝置是具有內置相機的蜂窩式電話。
3.如權利要求1所述的顯微鏡設備，其中NA彡0.3并且M彡4。
4.如權利要求1所述的顯微鏡設備，還包括可拆卸地安裝在所述通信裝置上的外殼， 并具有安裝在外殼中的顯微鏡透鏡系統(tǒng)、以及與所述外殼相關聯(lián)的樣本支持器。
5.如權利要求4所述的顯微鏡設備，其中所述樣本支持器包括微流體裝置或其他小型 液體處理系統(tǒng)。
6.如權利要求1所述的顯微鏡設備，其中所述顯微鏡透鏡系統(tǒng)在物體側、在圖像側、或 同時在這兩側為遠心的。
7.如權利要求1所述的顯微鏡設備，還包括執(zhí)行對比機制的裝置，從透射明視野、暗視 野、相位對比、微分干涉對比、極化對比、霍夫曼調制對比、熒光、紋影、以及傾斜透射法中選 擇所述對比機制。
8.如權利要求1所述的顯微鏡設備，還包括與顯微鏡透鏡系統(tǒng)相關聯(lián)的照明源。
9.如權利要求8所述的顯微鏡設備，其中所述照明源是熒光激發(fā)源。
10.如權利要求1所述的顯微鏡設備，還包括通信裝置中的GPS或其他位置感測系統(tǒng)。
11.如權利要求1所述的顯微鏡設備，其中所述通信裝置還具有與圖像捕獲裝置對準 的裝置透鏡，并且進一步地，其中結合了所述裝置透鏡的所述顯微鏡透鏡系統(tǒng)具有至少約 為0. 1的收集數值孔徑(NA)以及至少約為1的放大率(M)。
12.如權利要求1所述的顯微鏡設備，其中所述通信裝置還包括可編程為從采集的圖 像取得醫(yī)學相關信息的處理器。
13.如權利要求12所述的顯微鏡設備，其中所述處理器被編程為執(zhí)行粒子計數算法。
14.如權利要求5所述的顯微鏡設備，其中所述微流體裝置或其他小型液體處理系統(tǒng) 可以從樣本支持器移除。
15.一種顯微鏡成像系統(tǒng)，其包括便攜手持式外殼；安裝在所述外殼中的圖像傳感器；安裝在所述外殼中并且與圖像傳感器對準的集光系統(tǒng)，所述集光系統(tǒng)具有至少約為 0. 1的收集數值孔徑(NA)以及至少約為1的放大率(M)；安裝在所述外殼中并且與所述集光系統(tǒng)對準的樣本支持器；安裝在所述外殼中并且定位來對樣本支持器進行照明的照明源；安裝在外殼中的用于從圖像傳感器傳輸數據的無線傳輸單元；安裝在外殼中的用于控制數據收集、分析和傳輸的微處理器。
16.如權利要求15所述的成像系統(tǒng)，其中所述微處理器被編程為從所采集的圖像取得 醫(yī)學相關信息。
17.如權利要求16所述的成像系統(tǒng)，其中所述微處理器被編程為執(zhí)行粒子計數算法。
18.如權利要求15所述的成像系統(tǒng)，其中所述微處理器被編程為通過自動圖像處理來 從采集的圖像提取醫(yī)學相關信息。
19.如權利要求15所述的成像系統(tǒng)，還包括GPS或其他位置感測單元，其中所述微處理 器被編程為將位置數據添加至通過無線傳輸單元傳輸的圖像數據。
20.如權利要求15所述的成像系統(tǒng)，其中所述微處理器被編程為允許用戶確定的對用 于傳輸的圖像的感興趣區(qū)域的識別。
21.—種遠程顯微鏡方法，其包括(a)使用遠程顯微鏡設備來對第一位置處的樣本進行成像，所述顯微鏡設備包括便攜手持式蜂窩或其他無線通信裝置，所述通信裝置中具有圖像捕獲裝置；以及與所述圖像捕獲裝置相關聯(lián)的顯微鏡透鏡系統(tǒng)；其中所述顯微鏡透鏡系統(tǒng)具有至少約為0. 1的收集數值孔徑(NA)和至少約為1的放 大率(M)，以及(b)將樣本圖像和從樣本圖像中獲得的信息從通信裝置傳輸至第二位置。
22.如權利要求21所述的方法，還包括在第二位置處對接收的樣本圖像和信息進行進一步分析；以及將基于對樣本的進一步分析的信息從第二位置傳輸回所述通信系統(tǒng)。
23.如權利要求21所述的方法，其中所述樣本是血液樣本。
24.如權利要求23所述的方法，還包括將血液樣本輸入至與成像系統(tǒng)相關聯(lián)的微流體直ο
25.如權利要求23所述的方法，還包括對血液樣本染色和通過細胞計數來分析樣本。
26.如權利要求25所述的方法，其中對血液樣本染色包括使用熒光染料來染色，并且 還包括激發(fā)樣本的熒光。
27.如權利要求21所述的方法，還包括在第一位置處獲得位置數據，并且將位置信息 添加到傳輸圖像。
28.如權利要求21所述的方法其中所述通信裝置還具有與圖像捕獲裝置對準的裝置透鏡；以及其中結合了所述裝置透鏡的所述顯微鏡透鏡系統(tǒng)具有至少約為0. 1的收集數值孔徑 (NA)以及至少約為1的放大率(M)。
29.如權利要求21所述的方法，還包括基于從第一位置接收的信息來在第二位置處執(zhí) 行疾病監(jiān)測或跟蹤。全文摘要
一種成像系統(tǒng)，其包括具有相機的手機，所述相機作為成像鏈的檢測部件，所述成像鏈包括其他構件；可選地，用于對樣本中的對比度進行控制的照明系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)用于(但不限于)對人、動物和植物進行疾病診斷、癥狀分析、事后程序監(jiān)測、以及其他應用。
文檔編號G02B21/00GK101952762SQ200880123463
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權日2008年1月2日
發(fā)明者丹尼爾·弗萊徹, 埃里克·道格拉斯, 威爾伯·拉姆, 尼爾·斯維茨, 戴維·N·布雷斯勞爾, 杰西·迪爾, 溫迪·漢森, 羅比·馬阿邁里 申請人:加利福尼亞大學董事會