[发明专利]定位生物和非生物介质中的纳米颗粒的三维图像处理

说明书

公开了用于通过使用暗视场显微术来对介质中的受验颗粒进行三维成像的方法和系统的实施方式。一些例子尤其包括用于获取样本的三维(3D)体积图像的方法、用于确定在样本内的至少一个受验颗粒的3D位置的方法、用于确定在至少一个受验颗粒的位置和细胞和/或其它类似的生物或非生物结构内的至少一个细胞结构的位置之间的至少一个空间相关性的方法、显示至少一个受验颗粒的位置的方法、用于增加从包含弱和强光源的样本获取的3D图像的动态范围的方法以及用于在垂直方向上锐化3D图像的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月12日提交的具有序列号61/776,977的标题为“THREE-DIMENSIONAL IMAGE PROCESSING TO LOCATE NANOPARTICLES IN BIOLOGICAL ANDNONBIOLOGICAL MEDIA”的共同未决的美国临时申请的优先权，将其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及定位生物和非生物介质中的纳米颗粒的三维图像处理。

背景

将药物和化学制剂向活细胞内的引入最近开始在作为载体的各种配置中利用在本文被称为受验颗粒的小于100纳米尺寸的纳米级物体和/或微观物体。例如，治疗药物可被涂覆到诸如金和银的纳米尺寸的颗粒上或装入诸如金和银的纳米尺寸的颗粒内。功能化受验颗粒然后被引入身体内，其中它被吸收到组织内并最终被细胞占有。仅将应接收药物的细胞作为目标的能力由被细胞表面识别的在颗粒上的功能涂层启用。对于在受验颗粒的细胞摄取过程和药物颗粒的细胞内处理的研究对药物治疗过程的发展很重要。由使用各种技术的很多不同类型的研究说明在细胞内的摄取和分布中涉及的细胞-受验颗粒交互作用。

最广泛使用的工具之一是通过荧光显微术的细胞成像。常规荧光显微术不允许细胞的三维体积被查看。因此，共焦荧光显微术被用于使在一个体积之上的细胞的薄切片成像以查看在三维中的细胞结构。然而，这些方法需要对荧光标记的引入。荧光团到受验颗粒或细胞结构的附着可改变对药物输送的预期作用并明显增加细胞制备的困难。允许在三维中的对受验颗粒位置的确定而不改变对药物输送的预期作用的系统和方法因此是有意义的，且有可能在增加对毫微级药物输送的理解中起重要作用，因而促进纳米医学的发展。

概述

本公开提供了宽视场显微术方法，其可确定在未染色和发荧光细胞内或在半透明非生物介质和光可穿过其传输的诸如纤维基质的其它介质中的受验颗粒的位置。本公开提供了用于从未染色和发荧光细胞制备内的功能化受验颗粒获得图像数据的新颖方法。与需要荧光细胞和颗粒的当前的方法相反地，还提供了用于使用从细胞体积散射的宽带照明来产生三维细胞-受验颗粒图像的方法。可通过暗视场照明方法和对图像划分技术的使用而不是通过使用为特定荧光团设计的滤色块的传统荧光方法来获取这种图像。在美国专利第7,564,623“Microscope Illumination Device and Adapter Therefor”和美国专利第7,542,203“Microscope Illumination Device and Adapter Therefor”中教导了适当的照明系统和方法的非限制性例子，这两个专利都通过引用全部被并入本文。

此外，本公开还提供了新颖的计算方法以进行暗视场图像段的三维去卷积并从而揭示受验颗粒相对于细胞结构的位置。与为特定荧光团波长设计的单PSF相反地，新方法使用多点扩展函数(PSF)来校正在整个宽光谱范围内的图像焦点。新PSF可被设计成对用于暗视场显微术的可变和固定虹膜物镜有效。新去卷积方法通过对感兴趣的每个细胞结构和受验颗粒的类型使用单独的PSF来自动检测图像中的细胞结构和受验颗粒以优化三维图像重建。作为例子，受验颗粒可以在窄的波长范围上是反射的，而细胞图像在宽的波长范围上或在不同的波长范围上产生。