[发明专利]用于水样的无标记分析的能够深度学习的便携式成像流式细胞仪

说明书

一种成像流式细胞仪设备包括容纳被配置用于脉冲或连续波操作的多色照明源的壳体。微流体通道设置在壳体中并且流体地耦接到包含流过微流体通道的对象的流体源。彩色图像传感器邻近微流体通道设置，并接收来自照明源的，穿过微流体通道的光。图像传感器捕获包含穿过微流体通道的移动对象的原始全息图像的图像帧。对图像帧进行图像处理以针对每种颜色重建移动对象的相位和/或强度图像。然后将重建的相位和/或强度图像输入到经训练的深度神经网络，该经训练的神经网络输出移动对象的相位恢复图像。经训练的深度神经网络也可以受到训练以对对象类型进行分类。

相关申请

本申请要求于2018年6月4日提交的美国临时专利申请号62/680,374的优先权，其通过引用合并于此。根据35U.S.C.§119和任何其他适用法规要求优先权。

技术领域

技术领域通常涉及现场便携式且成本有效的成像流式细胞仪。更具体地，本技术领域涉及能够深度学习的流式细胞仪，其自动捕获流动的水样的内容物的相位对比彩色图像。

关于联邦政府赞助的声明

研究与开发

本发明是在美国国防部授予的，授权号为W56HZV-16-C-0122的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

浮游生物形成了海洋食物链的基础，因此，它是整个海洋生态系统的重要组成部分。浮游植物约占我们星球上光合自养初级生产力的一半。长期绘制浮游植物的组成的高分辨率图非常重要，但具有挑战性，因为不同物种的组成和相对种群会随着时间的变化而迅速变化。此外，对浮游植物浓度和组成的控制因素尚不完全清楚，其种群动态混乱。季节性开花周期的变化也会对环境和经济产生重大影响。绝大多数的浮游植物物种是无害的，但有些种类的浮游植物产生的神经毒素可以进入食物链，积累，且毒害鱼类、哺乳动物，最终毒害人类。值得注意的示例包括：产生短毒素并引起神经毒性贝类中毒的短小卡伦氏菌，产生萨克森毒素并引起麻痹性贝类中毒的亚历山大藻，产生冈田酸导致腹泻性贝类中毒的肌动蛋白的渐尖鳍藻，以及形成软骨藻酸导致健忘症贝类中毒，甚至可能导致死亡的拟菱形藻。目前，在沿海地区(包括美国加利福尼亚州)对这些物种的浓度进行监测，通常是通过使用浮游生物网从沿海水域手动收集样品，然后将样品运送到中央实验室进行基于光学显微镜的分析来进行的，这非常繁琐，缓慢且昂贵，需要专业人员进行几个手动步骤。

作为基于光学显微镜的分析的替代方法，流式细胞仪已经用于分析浮游植物样品超过35年。该技术依靠使用鞘流将浮游生物样品限制在照射激光束的焦点和测量样品体积内每个单个对象/粒子的前向散射强度和侧面散射强度。为了帮助分类，通常将其与荧光读数结合以检测在藻类和蓝细菌中发现的叶绿素、藻蓝蛋白和藻红蛋白的自发荧光。基于流式细胞仪的几种现场便携式设备已成功用于分析天然水样中的纳米级和微微浮游植物分布。然而，仅基于散射和荧光数据的分类识别通常在流式细胞仪中是不可行的，因此，这些设备需要附加的显微图像分析，或者需要通过某种形式的成像加以增强。