用于细胞培养监测的紧凑型光学成像系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35u.s.c§120要求2018年11月30日提交的系列号为62/773,899的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。

本公开一般涉及用于显微结构(例如细胞)的成像的方法和装置。更具体地，本公开涉及用于细胞培养成像和监测的系统和方法。

背景技术：

细胞培养是已经发现在各种各样的领域中具有许多重要且有价值的应用的必不可少的工具，这些领域例如药物筛选、毒性测试、遗传工程、治疗性蛋白质和疫苗生产。一般来说，哺乳动物细胞系在孵育器中培养，其中有利的是，密切监测和控制温度、湿度和co2含量。在细胞培养过程期间，随着细胞生长，在下游过程中加工之前，必需对接种在填充有培养基的培养容器中的细胞进行监测。

例如，人们监测细胞培养的融合度。如在本文中所使用的，术语“融合度”用于指细胞培养基材表面被细胞占据的比例。一般地，当细胞达到80％-90％的融合度时，细胞受到继代培养或传代，因为当细胞过度生长时，细胞可失去其增殖和基因表达表型。除了细胞融合度外，各种其他重要的应用，例如，细胞移行追踪、细胞密度测量和总细胞数估算也需要频繁的观察。

为了使这些应用可视化，研究人员常使用台式光学显微镜。从细胞孵育器中取出包含细胞和细胞培养基的细胞培养容器并将其放在光学显微镜的载物台上；研究人员通过显微镜的接目镜(目镜)观察亮视野中的细胞。然而，利用台式光学显微镜观察的方法具有几个主要缺点。例如，研究人员需频繁地从细胞孵育器手动取出细胞培养容器。该过程可干扰细胞培养过程，因为当从细胞孵育器取出细胞培养容器时，细胞经历了包括温度、气氛和湿度在内的环境变化。另外，由于细胞培养容器频繁地接触细胞孵育器外的未完全消毒的实验器具，因此细胞培养物可能受到污染。细胞培养物被微生物(例如，细菌、真菌、酵母等)污染可改变细胞的生物化学和生理物理行为，或者甚至造成细胞死亡。

技术实现要素：

根据本公开的一个实施方式，提供了用于细胞培养监测的光学监测系统。所述系统包括照明系统和成像系统，所述照明系统发射进入到细胞培养室中的光，所述成像系统对受到照明系统照明的细胞培养室的内容物进行成像。照明系统和成像系统被设置在细胞培养室的相同侧上。所述系统被布置成对被设置在细胞培养室的第一表面上的细胞培养室的内容物进行成像。所述光学监测系统通过使用细胞培养容器的第二表面对从照明系统发射的光进行重新定向，对内容物进行成像，所述光被重新定向为向着成像系统。第二表面位于内容物的与照明系统和成像系统相对的侧上。

根据本公开的一个实施方式，提供了用于对细胞培养进行非侵入式监测的细胞培养监测系统。所述系统包括细胞培养容器，其具有细胞培养室，并且具有在其上培养细胞的表面。所述系统还包括至少一个监测模块，其具有光学监测系统。所述光学监测系统包括照明系统和成像系统，所述照明系统发射进入到细胞培养室中的光，所述成像系统对受到照明系统照明的细胞培养室的内容物进行成像。照明系统和成像系统被设置在细胞培养室的相同侧上。所述系统被布置成对被设置在细胞培养室的第一表面上的细胞培养室的内容物进行成像。所述光学监测系统通过使用细胞培养容器的第二表面对从照明系统发射的光进行重新定向，来对内容物进行成像，所述光被重新定向为向着成像系统。第二表面位于内容物的与照明系统和成像系统相对的侧上。

根据本公开的一个实施方式，提供了用于细胞培养监测的光学成像系统。所述系统包括照明源和准直透镜，所述准直透镜位于细胞培养容器的第一表面与照明源之间，其中，所述照明源被构造用于以与细胞培养容器的第一表面倾斜的角度发射光，并且包括检测器和透镜，所述透镜位于细胞培养容器的第一表面与检测器之间，其中，所述透镜通过孔径光阑将光聚焦到检测器，并且其中，所述检测器被构造用于接收以与第一表面倾斜的角度离开细胞培养容器的第一表面的光。

根据本公开的一个实施方式，提供了被构造用于非侵入式测量细胞培养的细胞培养监测系统。所述系统包括多个细胞培养层，所述多个细胞培养层中的每个细胞培养层包括细胞培养室，所述细胞培养室具有供细胞粘附的至少一个表面；至少一个监测层，其包括包围监测层细胞培养室的外壁，并且具有供细胞粘附的至少一个表面，所述至少一个监测层包括在外壁中的至少一个凹陷；以及至少一个监测模块，其设置在所述至少一个凹陷的至少一者中并且包括光学成像系统和分析物监测器中的至少一种。

在以下的具体实施方式中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的各个实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。

附图说明

通过以下的说明和附图能够更加清晰地理解本公开，以下附图仅作为非限制性的实例给出，其中：

图1示意性例示了常规的背光显微镜；

图2根据本公开实施方式示意性例示了用于细胞培养监测的紧凑型光学成像系统；

图3根据本公开实施方式示意性例示了用于对多层细胞培养系统进行细胞培养监测的紧凑型光学成像系统；

图4根据本公开的实施方式例示了成像模块的一个实例；

图5根据本公开实施方式示意性例示了用于细胞培养监测的紧凑型光学成像系统的部件；

图6根据本公开的实施方式描绘了可以用于实施各种计算过程和系统的内部硬件的实例；

图7根据本公开的实施方式，例示了支持远程监测的用于细胞培养的非侵入式测量的监测层的一个实例的透视图；

图8根据本公开的实施方式例示了监测模块的一个实例；

图9根据本公开的实施方式，例示了支持远程监测的用于细胞培养的非侵入式测量的堆叠的细胞培养容器系统的一个实例的透视图；和

图10根据本公开的实施方式例示了监测层的凹陷的一个实例。

具体实施方式

下面对本公开的实施方式作详细说明，这些实施方式的实例在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式的“一个”，“一种”和“该/所述”包括复数指代物。阐述相同特征的所有范围的端点可独立地组合并包含所述端点。所有参考文献都以参考的方式纳入本文中。

如在本文中所使用的，“具有”、“具备”、“含有”、“包括”、“包含”、“含”等以其开放含义使用，通常意为“包括但不限于”。

除非另外说明，本文中使用的所有科技术语的含义具有本领域通用的含义。本文提供的定义是用来帮助理解本文经常用到的某些术语，不对本公开的范围构成限制。

下文首先概括地描述本公开，然后在几个示例性实施方式的基础上详细描述本公开。在各个示例性实施方式中彼此组合示出的各特征并非都必须实现。特别地，各个特征也可以省略或与相同的示例性实施方式或其他示例性实施方式所示的其他特征以其他方式组合。

术语“顶部”、“底部”、“侧”、“上”、“下”、“上方”、“下方”等在本文中用于描述目的，而不一定用于描述永恒的相对位置。应理解，在合适的情况下，如此使用的术语可互换使用，使得本公开的实施方式例如能够按照除本文所述或说明的取向以外的其他取向进行操作。

图1例示了用于亮视野显微技术(或柯勒(koehler)照明)的部件的布置。在柯勒照明中，从后方对成像物体进行照明。换言之，进行成像的物体位于照明源与物体图像的观察者(或者对图像进行检测的检测器)之间。例如，图1示出了包含待被成像的物体2(例如细胞)的容器1。光源3以照明路径5投射光，该光可以通过一个或多个光学部件4，例如一个或多个透镜。然后，照明路径5中的光从背后照亮物体2。接着，背光图像沿着通过光学部件6的成像路径8投射到检测器7(或观察者)。使用科勒方法是因为以高对比度观察这些细胞所需的照明需来自细胞的背后——也即，背照明，其传输通过细胞，然后进入显微镜的物镜。然而，这是具有挑战的，因为光学成像系统和照明系统位于不同的位置(即，在被成像的物体或细胞的相对侧上)。在用于细胞培养的真实世界的系统中，这尤其成问题，其中，空间非常宝贵，并且容器可能是多层的细胞培养容器。

本公开的实施方式提供了将成像和照明通道定位在被成像的细胞的相同侧上的益处。因此，成像和照明通道可以位于细胞培养堆叠体的相同区域中，以使得对托盘堆叠体的改变及通道间的对齐变得更加容易。此外，本公开的实施方式提供了紧凑成像解决方案，其允许细胞培养容器保持就位以用于成像，从而消除了将细胞培养容器重新定位到成像平台的需要。这种对容器重新定位是不期望的，因为其可干扰细胞并不利地影响所得到的细胞培养物。

本公开的实施方式涉及用于细胞培养监测的紧凑型光学成像系统。所述系统包括照明源和准直透镜，所述准直透镜位于细胞培养容器的表面与照明源之间，其中，所述照明源被构造用于以与细胞培养容器的表面倾斜的角度发射光，并且包括检测器和透镜，所述透镜位于细胞培养容器的表面与检测器之间，其中，所述透镜通过孔径光阑将光聚焦到检测器，并且其中，所述检测器被构造用于接收以与表面倾斜的角度离开细胞培养容器的表面的光。所述系统被构造用于在亮视野模式操作，其允许通过亮视野图像的图像分析来确定细胞培养健康的各个方面。此外，本文所述的系统具有小的占据面积，其允许将系统集成到细胞培养容器中，或者与细胞培养容器可拆卸地关联，使得允许使用亮视野模式来连续监测细胞培养状态。

图2示意性例示了根据本公开实施方式所述的用于细胞培养监测的紧凑型光学成像系统。应理解，图2的示意图未按比例绘制。如图所示，紧凑型光学成像系统100包括照明源10和准直透镜20。照明源10经取向以发射光，所述光通过准直透镜20准直并且被引导向细胞培养容器30的第一表面50。照明源10可以是，例如但不限于发光二极管(led)或led阵列。或者，照明源10可以是非led光源，例如，白炽光源、紧凑型荧光(cfl)源、卤素光源或被构造用于产生和发射光束的其他光源。照明源10可以产生白光或可见光谱中的任何波长或波长组合的色光。

如图2进一步所示，紧凑型光学成像系统100包括检测器80。检测器80包括图像传感器，其用于检测射在传感器上的光并且将该光转换成电信号。图像传感器可以是电荷耦合装置(ccd)传感器，互补金属氧化物半导体(cmos)传感器，或者能够将光转换成电信号的任何其他类型的传感器。或者，检测器80可以仅包括ccd、cmos或其他传感器。系统100还包括用于收集光的透镜60，以及设置在细胞培养容器30的第一表面50与检测器80之间的孔径光阑70，其中，透镜60收集光并使光聚焦通过孔径光阑70到检测器80上。

根据本公开的实施方式，照明源10、准直透镜20以及从照明源10发射的光的路径中的任何其他光学部件被定位成传输光，以使得当光束进入细胞培养容器100时，光束的方向处于与第一表面50倾斜的角度。类似地，以一定角度定位检测器80，以接收以与表面50倾斜的角度离开细胞培养容器100的第一表面50的光。在操作紧凑型光学成像系统100时，在细胞培养容器30的第一表面50的方向上，从照明源10发射光束，其中，第一表面50包含待被成像的活细胞。光束行进到细胞培养容器30的细胞培养室90中并穿过细胞培养室90，其接触位于细胞培养室90的相对侧上的细胞培养容器30的第二表面40，并且在检测器80的方向上以一定角度重新定向。在重新定向后，光通过细胞培养容器30的第一表面50上的细胞，然后被透镜60聚焦到孔径光阑70，以使得源图像尺寸未填满孔尺寸。在孔径光阑70处建立照明源10的图像，使得源图像未填满孔尺寸。当未填满远心光阑时，产生了所成像的细胞的适当对比度，因此可清楚地观察它们。照明源的图像与孔径光阑共轭。

如图所示，照明源10和检测器80被构造成位于细胞培养容器30的第一表面50的相同侧上。这种构造允许以亮视野模式操作系统100，因此允许从背后照亮待成像的细胞。在亮视野模式中，来自照明源的光直接进入成像物镜组件，并且被观察的物体吸收所传输的一些光，改变所传输的一些光的相位，或者对所传输的一些光进行重新定向，以使得样品在亮背景上看上去是暗的。当以亮视野模式操作时，系统100允许通过亮视野图像的图像分析来确定细胞培养健康的各个方面，包括但不限于，细胞计数、细胞融合度、细胞密度和细胞移行跟踪。

图3例示了根据本公开的实施方式所述的紧凑型光学成像系统100的一个实例，其对多层细胞培养容器31中的细胞进行成像。光学成像系统100的部件对应于图2中的类似的附图标记的部件。多层细胞培养容器31包括第一细胞培养室90a，其具有第一表面50a和第二表面40a，所述第二表面40a在第一细胞培养室90a的与第一表面50a相对的一侧上。多层细胞培养容器31还包括第二细胞培养室90b，其具有第一表面50b和第二表面40b，所述第二表面40b在细胞培养室90b的与第一表面50b相对的一侧上。紧凑型光学成像系统100类似于上文参考图2所述来操作。然而，在多层细胞培养容器31中，光学成像系统100可被布置成使得来自照明源10的光束可从第二细胞培养室90b的表面重新定向为向着检测系统。

根据本公开的实施方式，在多层细胞培养容器(例如图3所示的多层细胞培养容器)中的待成像的细胞例如可以采用光照来成像，该光照从除了包含成像的细胞的细胞培养室之外的细胞培养室的表面进行重新定向。虽然图3的多层细胞培养容器31仅示出了两个细胞培养室90a、90b，但是考虑了紧凑型光学成像系统的实施方式可用于具有各种数目的层或细胞培养室的多层细胞培养容器。来自光学系统的照明源的光束因此可通过位于包含待成像的细胞的细胞培养室正上方的细胞培养室的表面重新定向，或者，光束可通过在包含待成像的细胞的细胞培养室上方两级或更多级的细胞培养室进行定向。进一步地，用于对来自照明源的光束进行重新定向的表面可以是细胞培养室的底表面(例如，第一表面50b)，或者细胞培养室的顶表面(例如，第二表面40b)。在一些实施方式中，如图2和3所示，例如，每个细胞培养室可具有顶表面和底表面。考虑了多层细胞培养容器中的给定细胞培养室的顶表面可以是容器上层的底部。

图4根据本公开的实施方式，例示了作为成像系统100的实例的成像模块140。如本文所述，可以对成像模块140的尺寸和形状进行调整，以使其位于细胞培养容器上或附近来对容器中包含的细胞进行成像。在一个实施方式的一个实例中，对成像模块140的尺寸和形状进行调整，以安装在容器的监测层的一侧中的凹陷内，从而用于对细胞培养室进行非侵入式监测。成像模块140包括照明系统141和成像系统145，所述照明系统141用于在传输时对细胞进行背光照明，所述成像系统145用于形成细胞培养容器的表面区域的图像，例如，如图2和3所示。照明系统141包括照明源142和透镜143，并且成像系统145包括透镜147、孔径光阑148和检测器149。如本文所用，“透镜”可以指一个或多个光学元件，其检测和/或聚焦通过透镜的光。照明系统141的透镜143产生了光源的准直图像，使得准直图像通过细胞培养容器的第一表面(例如，细胞生长表面)，并且从细胞培养容器的第二表面反射离开，以从背后照亮在第一表面上生长的细胞。背后照明的光接着进入成像系统145，并且照明源的图像通过透镜147重新成像到孔径光阑148中，接着，在检测器149上产生细胞的图像。根据一个或多个实施方式，孔径光阑148是远心光阑。所述远心光阑被放置在透镜147的后焦点处，以确保图像上的光的角分布是相同的。

照明系统141任选地包括反射器144，其用于对源自照明源142的光束的光路进行重新定向。类似地，成像系统145任选地包括反射器146，其用于将来自照明源142，通过细胞培养室的光束的光路重新定向为向着透镜147和/或检测器149。反射器144、146的使用可允许控制光路，因此，可使成像模块140在尺寸上紧凑。例如，照明系统141和成像系统145可以基本上彼此平行，并且照明系统141和成像系统145二者可基本上平行于细胞在其上生长的细胞培养室表面。该示例性布置允许得到紧凑的成像模块140，其可被集成到细胞培养容器中，包括多层细胞培养容器，并且不会牺牲大的空间。由于成像模块140的小尺寸，单个细胞培养容器可容纳多个成像模块140用于监测细胞培养表面的多个区域，或者多层细胞培养容器内的多个层。应理解，成像模块140可以并入包括成像模块140和分析物监测器的监测模块中，如下文所述。

虽然反射器144可用于对来自照明源的光重新定向，但应理解，存在其他方式来对光进行定向。例如，照明源142可被布置在成像模块140内，使得来自照明源的光直接发射到细胞培养容器中，并且相对于容器表面具有正确的角。在一些实施方式中，照明源142可以与照明光学器件(例如，透镜143)的轴偏置。照明源142的偏置量将指示以照明角发射进入到容器中的照明角。

图5进一步例示了紧凑型光学成像系统100的另外的部件。这些部件可以被并入到图4的成像模块140中。如图所示，紧凑型光学成像系统100还可以包括控制器模块170，其被构造用于控制系统100的各种部件。例如，控制器模块170可以被构造用于控制照明源10和/或检测器80中的一者或两者。控制器模块170还可以被构造用于控制通信模块150和图像处理器160中的一者或两者。

紧凑型光学成像系统100还可以包括通信模块150，其被构造用于将图像从检测器180传输到图像处理器160。通信模块150可以被构造成通过有线或无线连接来通信，所述连接包括但不限于符合ieee802.11标准系列中的一种或多种的数据连接(例如，wifi)，蓝牙连接，蜂窝网络连接，rf连接，通用串行总线(usb)，以太网(ethernet)连接，或者任何其他数据连接。图像处理器160可以被构造用于记录和分析从检测器80接收到的图像。通信模块150和图像处理器160可以在单个电子装置或多个电子装置上，例如，一个或多个台式电脑、笔记本电脑、平板pc、或其他电脑系统，这根据用户对本公开的紧凑型光学成像系统100的特征设置可能的要求来定。控制器模块170、通信模块150和图像处理器160可以相互作用，以向紧凑型光学成像系统100提供某些特征。例如，紧凑型光学成像系统100可以适于在非瞬时计算机可读介质中记录细胞培养图像数据(例如，细胞计数、细胞融合度、细胞密度、细胞移行跟踪或细菌污染)，并且将细胞培养图像数据链接到从中提取该数据的细胞培养图像。紧凑型光学成像系统100可以适于通过分析细胞培养图像的时间序列，来确定随着时间的细胞培养健康参数。紧凑型光学成像系统100可以提供额外的功能，例如，调节摄像模块的设置和参数的能力，所述设置和参数例如，焦面、光圈、快门速度、灵敏度(例如，iso)、白平衡等。在一些实施方式中，紧凑型光学成像系统可以适于使使用者记录和/或分析细胞培养图像或视频。在另一些实施方式中，紧凑型光学成像系统100可以允许使用者设置监测周期和/或监测频率，使得一旦处于预定时间，则记录和/或分析细胞培养图像，并且进行预定的持续时间。在另一些实施方式中，可以以限定的频率持续地记录和/或分析细胞培养图像，并且持续无限的持续时间。在另一些实施方式中，紧凑型光学成像系统100可以与远程用户装置通信。远程用户装置例如可以是手机装置、平板电脑、台式电脑、笔记本电脑或其他计算系统。紧凑型光学成像系统100可以发送一个或多个细胞培养图像和/或相关的细胞培养数据给远程用户装置。在一些实施方式中，远程用户装置可以适于控制紧凑型光学成像系统100，包括上述的任何功能。

图6例示了可以用于容纳或实施本文所述的各种计算过程和系统的内部硬件的实例。例如，上述紧凑型光学成像系统100或成像模块140可以包括移动装置硬件，例如，图6所示的移动装置硬件。电总线500用作使硬件的其他例示部件互连的信息高速公路。cpu505是系统的中央处理单元，其进行执行程序所需的计算和逻辑运行。cpu505——单独地或连同一个或多个其他元件——是处理装置、计算装置或处理器，这些术语为本公开中使用的术语。cpu或“处理器”是执行编程指令的电子装置的部件。术语“处理器”可以指单个处理器或者一起执行过程的各个步骤的多个处理器。除非上下文具体陈述了需要单个处理器或需要多个处理器，否则术语“处理器”包括单个和多个的实施方式。只读存储器(rom)510和随机存取存储器(ram)515构成了存储器装置的实例。术语“存储器装置”及类似术语包括单个装置的实施方式，一起储存编程或数据的多个装置，或者此类装置的各个部分。

控制器520与用作系统总线500的数据储存设施的一个或多个任选的存储器装置525接界。这些存储器装置525例如可以包括外部或内部磁盘驱动器，硬盘驱动器，闪速存储器，usb驱动器或用作数据储存设施的另一种类型的装置。如前所述，这些各种驱动器和控制器是任选的装置。另外，存储器装置525可以被构造成包括用于储存任何软件模块或指令，辅助数据、事件数据的独立文件，用于储存列联表和/或回归模型组的共用文件，或者用于储存如上所述的信息的一个或多个数据库。

用于进行与上文所述的过程相关的任何功能步骤的程序指令、软件或互动模块可以被储存在rom510和/或ram515中。任选地，可以将程序指令储存在非瞬时、计算机可读介质上，例如光盘、数字磁盘、闪速存储器、存储卡、usb驱动器、光盘存储介质和/或其他记录介质。

任选的显示接口540可以允许来自总线500的信息以音频、视觉、图形或字母数字格式显示在显示器545上。使用各种通信端口550可以与外部装置发生通信。通信端口550可以连接到通信网络，例如因特网、本地网络、或蜂窝电话数据网络。

硬件还可以包括接口555，其允许接收来自输入装置的数据，所述输入装置例如扫描仪的图像传感器560或者其他输入装置565，例如键盘、鼠标、操纵杆、触摸屏、遥控器、定点装置、视频输入装置和/或音频输入装置。

因此，系统100或成像模块140可以具有小的占据面积，以允许将系统100放置在普通孵育器内。如根据下文提供的进一步描述将理解的，本文所述的系统100的小的占据面积允许将系统100集成到细胞培养容器30、31中，或者与细胞培养容器30、31可拆卸地关联，使得允许使用亮视野模式来连续监测细胞培养状态。

根据本公开的实施方式，本文所述的紧凑型光学成像系统100可以作为细胞培养容器30、31的集成部件，或者可拆卸部件被包括。细胞培养容器30、31可以是任何典型的细胞培养容器，包括但不限于烧瓶、培养皿、管、多孔板、微板、多层细胞培养系统、或堆叠的细胞培养容器系统。细胞培养容器100可以由在可见波长中透明的材料制成，例如，聚苯乙烯、聚碳酸酯(pc)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(pet)、或聚丙烯(pp)或聚(二甲基硅氧烷)(pdms)。

如本文所述，细胞培养容器100可以包括监测层，其包括至少一个凹陷，所述至少一个凹陷被构造用于接收如本文所述的紧凑型光学成像系统100。任选地，所述至少一个凹陷可以被构造用于接收包括如本文所述的紧凑型光学成像系统100的监测模块。本文所述的细胞培养容器30、31可以是粘附细胞培养容器，其一般包括平面表面，在进行培养时，细胞粘附于该平面表面上。本公开的实施方式能够监测细胞融合度，并且通信部件可以用于将监测数据从紧凑型光学成像系统100或监测模块传输给远程位置的用户。该构造可以在单次使用或多次使用的堆叠容器中实施。

在实际中，允许实时完成某些测量而不干扰细胞的细胞培养系统，或者换言之——封闭系统，可以促进维持无菌的细胞生长环境。例如，在细胞培养室外部的监测系统可以提供非侵入式方法来测量细胞状态，例如细胞生长和健康，而不会直接接触细胞并且不会污染生长环境。如本文中所使用的，术语“封闭系统”是指系统的内容物不对周围气氛开放的系统。所述系统可以包括闭合设备，例如盖子，其限制或防止从周围气氛引入污染物。所述系统可以但不必需被密封以确保系统的内容物的无菌性。

本公开的实施方式利用设置在细胞培养层外部的监测模块，提供了粘附细胞培养容器的封闭系统操作。本公开的实施方式便于将细胞状态从监测层传输给远程位置的用户。监测层可以位于堆叠的细胞培养容器中的其他细胞培养层之间，并且可以对堆叠体的各个层的细胞培养室进行测量。封闭系统保持无菌并且能够使细胞连续生长——这例如通过保持在孵育器中来进行，同时获取实时细胞状态数据。

将紧凑型光学成像系统100和/或监测模块定位在细胞培养室的外部可以维持无菌性并能够实现过程的远程和自动控制。通过远程监测细胞融合，本公开的实施方式能够使操作员通过优化细胞繁殖中的后续步骤的时间来增加细胞处理的收率，并因此减少搬动并降低操作成本。本公开提供了使系统控制自动化的机制，使得操作员可以是技术水平较低的技工，从而降低了劳动力成本。通过外部和远程实施，本公开向封闭的细胞繁殖系统提供了主要部件，使得所述系统可以在成本较低的环境中操作。

图7根据本公开的实施方式，示出了支持细胞培养监测的用于细胞培养室的非侵入式测量的监测层的透视图。监测层120包括围绕细胞培养室110的外壁130，以及从外壁130向内延伸向细胞培养室110的内部的至少一个凹陷115。虽然图7示出的监测层120包括四个凹陷115，但应理解，根据本公开的实施方式所述的监测层100可以包括任何数目的凹陷115。如下文将更详细解释的，凹陷115被构造用于接收成像模块140或监测模块250。因此，凹陷115和监测模块250或成像模块140可以具有对应的形状。监测层120可以被构造成在宽的温度范围中操作，例如，监测层120可以在被构造用于细胞生长的孵育器中操作。在一些实例中，监测层120可以是如图9所示的堆叠的细胞培养容器的部分。

图8根据本公开的实施方式例示了一种监测模块。如本文所述，监测模块250可以包括头部230，其具有正面240，所述正面240被构造用于接触监测层120的凹陷115的内壁410c，以用于对细胞培养室进行非侵入式监测。监测模块250还包括紧凑型光学成像系统250(其构造类似于图2所示的系统100或者图4的成像模块140)和分析物监测器210中的至少一种。应理解，监测模块250可以包括紧凑型光学成像系统205和分析物监测器210中的一种，或者替代性地，如图8所示，其可以包括紧凑型光学成像系统205和分析物监测器210两者。图4的成像模块140是仅具有光学成像系统的监测模块的一个实例。

根据本公开的实施方式，监测模块250(或成像模块140)的形状可以对应于监测层120的凹陷115的形状，以使得模块140、250可以被容纳到凹陷115中。如图10所示，凹陷115可以具有侧壁410a和410b以及内壁410c。侧壁410a、410b可以角α从监测层120的外壁130延伸到凹陷115的内壁410c，所述角α大于约90度，以使凹陷115具有等腰梯形的形状。例如，监测模块250的头部230可以具有对应的等腰梯形形状，或者可以具有直角形状，其中，头部230的正面240的宽度不超过凹陷115的内壁410c的宽度。或者，侧壁410a、410b可以垂直于监测层120的外壁130并且彼此平行延伸。因此，例如如图8所示，监测模块250的头部230可以具有直角形状，其对应于由垂直于外壁130延伸的侧壁410a、410b形成的形状。或者，侧壁410a、410b可以具有凹形形状并且监测模块250的头部230可以具有圆化特征，所述圆化特征被构造用于被容纳在凹陷115的凹形侧壁410a、410b中。上文论述的监测层120的凹陷115以及监测模块250的头部230的形状仅表示为实例。凹陷115可以具有任何形状，并且监测模块250可以具有任何对应的形状，以使得监测模块250可以被容纳在凹陷115中并且使头部230的正面240接触凹陷115的内壁410c。

图9根据本公开的实施方式，示出了堆叠的细胞培养容器系统300的透视图，所述系统300可与监测模块250结合使用以用于细胞培养室110、305的非侵入式测量。堆叠的细胞培养容器系统300可以包括多个细胞培养层310和至少一个监测层120。

如图所示，堆叠的细胞培养容器系统300可以包括任何数目的细胞培养层310和任何数目的监测层120。如图9所示，细胞培养容器系统300可以包括在监测层120下方的细胞培养层310和在监测层120上方的细胞培养层310。如果细胞培养容器系统300包括多个监测层100，则系统300在所述多个监测层120的任何两个监测层之间可以包括任何数目的细胞培养层310。例如，细胞培养容器系统300在各个监测层120之间可以包括1至50个细胞培养层310，例如，在各个监测层120之间具有或者2至40个细胞培养层310，或者3至35个细胞培养层310，或者5至30个细胞培养层310，或者甚至10至25个细胞培养层310，以及其间的所有数值。应理解，在相同的堆叠的细胞培养容器系统300内，在多个监测层100的不同组之间的细胞培养层310的数目可以不同。此外，堆叠的细胞培养容器系统300可以被构造成在宽的温度范围内操作，例如，在温度被设计用于细胞生长的孵育器中操作。

图10根据本公开的实施方式还例示了示例性的保留特征。如图所示，监测层120的外壁130在由凹陷115的侧壁410a和410b形成的开口边缘处包括夹具420。夹具420被构造用于装配到监测模块250上的对应接收部中，由此将监测模块250保持在凹陷115中。图7示出了另一种示例性保留特征。如图所示，凹陷115的基底部分410d包括凸起通道430。凸起通道430被构造用于装配到监测模块250的底部上的对应凹口中，由此将监测模块250保持在凹陷115中。作为另一个选项，保留特征可以是在监测模块250的至少一个表面上的偏置的保留夹具(未示出)。偏置的保留夹具可以具有与已知用于电话线连接器和以太网电缆连接器的那些相似的设计和功能。凹陷可以包括至少一个夹具凹槽(未示出)，其接收监测模块250的表面上的对应的偏置保留夹具，并且与偏置保留夹具一起限制监测模块250的运动以及将监测模块250保持在凹陷115中。

根据本公开的实施方式，紧凑型光学成像系统250和分析物监测器215可以捕捉在细胞培养室110、305中的细胞的细胞状态以及培养基的分析物状态，包括层间测量和监测。在一些情况中，单个紧凑型光学成像系统100可以监测多个堆叠的细胞培养室110、305的细胞的细胞状态，或者单个分析物监测器215可以监测多个堆叠的细胞培养室110、305的培养基的分析物状态。

紧凑型光学成像系统205可以被构造用于测量监测层120的细胞培养室110中的细胞状态，或者可以被构造用于测量位于监测层120的上方或下方的细胞培养层310的细胞培养室305中的细胞状态。类似地，分析物监测器210可以被构造用于监测位于监测层120的细胞培养室110中的分析物，或者可以被构造用于监测位于监测层120的上方或下方的细胞培养层310的细胞培养室305中的分析物。如果监测模块250包括紧凑型光学成像系统205和分析物监测器210两者，则系统205和监测器210两者均可以被构造用于对监测层120的细胞培养室110进行监测，或者系统205和监测器210两者均可以被构造成对位于监测层120的上方或下方的细胞培养层310的至少一个细胞培养室305进行监测。任选地，如果监测模块250包括紧凑型光学成像系统205和分析物监测器210两者，则紧凑型光学成像系统205和分析物监测器210中的一者可以被构造用于对监测层120的细胞培养室110进行监测，并且紧凑型光学成像系统205和分析物监测器210中的另一者可以被构造成对位于监测层120的上方或下方的细胞培养层310的至少一个细胞培养室305进行监测。

作为一个非限制性实例，照明系统141或紧凑型光学成像系统205可以如图2或图3所述构造，使得由照明源发射的光束的方向以与细胞培养层310的表面倾斜的角度进入位于监测层120的上方或下方的细胞培养层310的细胞培养室305。类似地，成像系统145的检测器149或者系统205的检测器以相对于被检测器接收并且来自位于监测层120的上方或下方的细胞培养层310的光束的方向成倾斜的角度定位。当光束通过被成像的细胞所处的细胞培养层310的区域时，光束的方向也成一定的角度，该角度相对于细胞培养层310的表面倾斜。由于光以倾斜的角度通过细胞培养容器的表面，因此，光束相对于粘附于该表面的细胞也成倾斜角度。如果检测器垂直于光束，这将使得焦点在视野上位移。因此，检测器可相对于光束成倾斜角度定位，以使得根据scheimpflug原理，细胞在整个视野上可聚焦成像。在操作紧凑型光学成像系统205时，在位于监测层120上方或下方的细胞培养层310的方向上，从定位在监测层120中的照明源发射光束，其中，细胞培养层310的第一表面包含待被成像的活细胞。光束传输到细胞培养层310的细胞培养室305中并穿过细胞培养室305，其接触位于细胞培养室305的相对侧上的细胞培养层310的第二表面，并且在位于监测层120中的检测器的方向上以一定角度重新定向。在重新定向后，光通过细胞培养层310的第一表面上的细胞，并且聚焦到位于监测层120中的检测器。

示例性实施方案

以下是对所公开的主题的各个实施方案的方面的描述。每个方面可以包括所公开的主题的各种特征、特性或优点中的一种或多种。实施方案旨在例示所公开的主题的几个方面，并且不应被认为是对所有可能的实施方案的全面或详尽的描述。

方面1涉及一种用于细胞培养监测的光学监测系统，其包括：照明系统和成像系统，所述照明系统被构造成发射进入到细胞培养室中的光，所述成像系统被构造成对受到照明系统照明的细胞培养室的内容物进行成像，其中，照明系统和成像系统位于细胞培养室的相同侧上。

方面2涉及如方面1所述的光学监测系统，其中，所述内容物被设置在细胞培养室的第一表面上。

方面3涉及如方面1或方面2所述的光学监测系统，其中，所述光学监测系统被构造成通过利用细胞培养容器的第二表面对从照明系统发射的光进行重新定向，对内容物进行成像，所述光被重新定向为向着成像系统，其中，第二表面在与照明系统和成像系统相对的内容物的一侧上。

方面4涉及如方面1-3中任一方面所述的光学监测系统，其中，照明系统包括：被构造用于发射光的照明源；以及准直透镜，其被布置在光的光路中，并且在照明源与内容物之间。

方面4涉及如方面1-4中任一方面所述的光学监测系统，其中，照明系统还包括：用于将来自照明系统的光重新定向为向着细胞培养室的镜子。

方面5涉及如方面1-3中任一方面所述的光学监测系统，其中，成像系统包括：用于接收内容物图像的检测器；以及成像透镜，其被布置在光的光路中，并且在内容物与检测器之间。

方面6涉及如方面5所述的光学监测系统，其中，成像系统还包括孔径光阑，其被设置在光的光路中并且在成像透镜与检测器之间。

方面7涉及如方面6所述的光学监测系统，其中，孔径光阑是远心光阑。

方面8涉及如权利要求2-7中任一项所述的光学监测系统，其中，从照明系统发射的光以相对于第一表面成倾斜的角度传输通过第一表面。

方面9涉及如方面2-8中任一方面所述的光学监测系统，其中，被重新定向为向着成像系统的光以相对于第一表面成倾斜的角度传输通过第一表面。

方面10涉及如方面1-9中任一方面所述的光学监测系统，其中，检测器包括检测表面，其中，检测表面的法线相对于入射在检测表面上的光的光路方向成倾斜角度。

方面11涉及如方面10所述的光学监测系统，其中，检测表面的法线相对于光路方向的倾斜角度被构造成产生内容物的图像，其在图像的视野内聚焦。

方面12涉及如方面2-12中任一方面所述的光学监测系统，其中，第一表面是细胞培养容器的第一细胞培养室的底表面，所述底表面被构造用于在其上培养细胞，并且其中，第二表面是第一细胞培养室的顶表面、细胞培养容器的第二细胞培养室的底表面，第二细胞培养室的顶表面以及细胞培养容器的另一表面中的至少一者，并且其中，第二细胞培养室被设置在第一细胞培养室的与照明系统和成像系统相对的一侧上。

方面13涉及如方面1-12中任一方面所述的光学监测系统，其中，细胞培养容器包括多个细胞培养室。

方面14涉及如方面3-13中任一方面所述的光学监测系统，其中，照明源与准直透镜的光轴偏置。

方面15涉及如方面3-14中任一方面所述的光学监测系统，其中，照明源包括发光二极管(led)或非led源中的至少一种。

方面16涉及如方面5-15中任一方面所述的光学监测系统，其中，检测器包括被构造成将光转换成电信号的传感器。

方面17涉及如方面16所述的光学监测系统，其中，检测器包括选自下组的传感器：电荷耦合装置(ccd)传感器和互补金属氧化物半导体(cmos)传感器。

方面18涉及如方面1-17中任一方面所述的光学监测系统，其还包括被构造用于控制所述系统的控制器模块。

方面19涉及如方面1-18中任一方面所述的光学监测系统，其还包括通信模块，所述通信模块被构造用于将图像从成像系统或检测器传输到图像处理器。

方面20涉及如方面19所述的光学监测系统，其中，通信模块被构造成通过有线连接和无线连接中的至少一种进行通信。

方面21涉及一种被构造用于非侵入式监测细胞培养的细胞培养监测系统，所述系统包括：细胞培养容器，其包括细胞培养室，所述细胞培养室具有在其上培养细胞的表面；以及至少一个监测模块，其包括如方面1-20中任一方面所述的光学监测系统。

方面22涉及如方面21所述的细胞培养监测系统，其中，所述细胞培养容器包括在堆叠布置中的多个细胞培养室。

方面23涉及如方面21或方面22所述的细胞培养监测系统，其还包括在堆叠布置中的至少一个监测层，其具有细胞培养室，所述至少一个监测模块被设置在所述至少一个监测层中。

方面24涉及如方面23所述的细胞培养监测系统，其中，所述至少一个监测层包括包围监测层细胞培养室的外壁，并且具有至少一个供细胞粘附的表面，所述至少一个监测层包括在外壁中的至少一个凹陷，并且其中，所述至少一个监测模块被设置在所述至少一个凹陷的至少一者中。

方面25涉及如方面21-24中任一方面所述的细胞培养监测系统，其中，监测模块还包括分析物监测器，其被构造用于监测细胞培养室中的分析物。

方面26涉及如方面23-25中任一方面所述的细胞培养监测系统，其中，监测模块被构造用于监测位于所述至少一个监测层的上方或下方的细胞培养层的细胞培养室。

方面27涉及一种用于细胞培养监测的光学成像系统，其包括：照明部分，其包括照明源和准直透镜，所述准直透镜位于细胞培养容器的第一表面与照明源之间，其中，所述照明源和准直透镜被构造用于以与细胞培养容器的第一表面倾斜的角度传输来自照明源的光通过第一表面；检测部分，其包括检测器和透镜，所述透镜位于细胞培养容器的第一表面与检测器之间，其中，所述透镜通过孔径光阑将光聚焦到检测器，并且其中，所述检测器被构造用于接收离开细胞培养容器的第一表面的光，所述光以相对于第一表面倾斜的角度离开第一表面。

方面28涉及如方面27所述的光学成像系统，其中，照明部分和检测部分被构造成使得由照明部分发射的光接触细胞培养容器的第二表面，并且通过第二表面重新定向为向着检测部分，所述第二表面相对于第一表面位于细胞培养容器的细胞培养室的相对侧上。

方面29涉及如方面28所述的光学成像系统，其中，所述光由照明部分传输，并且其以相对于第一表面成倾斜的角度传输通过第一表面，并向着第二表面传输，并且其中，来自第二表面的光以相对于第一表面成倾斜的角度通过第一表面传输向检测部分。

方面30涉及如方面27-29中任一方面所述的光学成像系统，其中，照明源包括发光二极管。

方面31涉及如方面27-30中任一方面所述的光学成像系统，其中，照明源包括非发光二极管源。

方面32涉及如方面27所述的光学成像系统，其中，检测器包括被构造成将光转换成电信号的传感器。

方面33涉及如方面27所述的光学成像系统，其中，检测器包括选自下组的传感器：电荷耦合装置(ccd)传感器和互补金属氧化物半导体(cmos)传感器。

方面34涉及如方面27-33中任一方面所述的光学成像系统，其还包括被构造用于控制所述系统的控制器模块。

方面35涉及如方面27-34中任一方面所述的光学成像系统，其还包括通信模块，所述通信模块被构造用于将图像从检测器传输到图像处理器。

方面36涉及如方面35所述的光学成像系统，其中，通信模块被构造成通过有线连接进行通信。

方面37涉及如方面35所述的光学成像系统，其中，通信模块被构造成通过无线连接进行通信。

方面38涉及一种被构造用于非侵入式测量细胞培养的细胞培养监测系统，所述系统包括：多个细胞培养层，所述多个细胞培养层中的每个细胞培养层包括细胞培养室，所述细胞培养室具有供细胞粘附的至少一个表面；至少一个监测层，其包括包围监测层细胞培养室的外壁，并且具有供细胞粘附的至少一个表面，所述至少一个监测层包括在外壁中的至少一个凹陷；以及至少一个监测模块，其设置在所述至少一个凹陷的至少一者中并且包括光学成像系统和分析物监测器中的至少一种。

方面39涉及如方面38所述的系统，其中，所述至少一个监测模块包括光学成像系统和分析物监测器二者。

方面40涉及如方面38所述的系统，其中，光学成像系统和分析物监测器中的至少一种被构造用于对位于所述至少一个监测层上方或下方的细胞培养层的细胞培养室进行监测。

方面41涉及如方面38所述的系统，其中，所述至少一个凹陷包括内壁，所述内壁被构造用于接触所述至少一个监测模块的头部的正面。

方面42涉及如方面38所述的系统，其包括多个监测层。

方面43涉及如方面42所述的系统，其在所述多个监测层中的两个监测层之间包括1至50个细胞培养层。

方面44涉及如方面42所述的系统，其在所述多个监测层中的两个监测层之间包括2至40个细胞培养层。

方面45涉及如方面42所述的系统，其在所述多个监测层中的两个监测层之间包括3至35个细胞培养层。

方面46涉及如方面42所述的系统，其在所述多个监测层中的两个监测层之间包括5至30个细胞培养层。

方面47涉及如方面42所述的系统，其在所述多个监测层中的两个监测层之间包括10至25个细胞培养层。

方面48涉及如方面38所述的系统，其中，所述光学成像系统包括：照明部分，其包括照明源和准直透镜，所述准直透镜位于所述多个细胞培养层中的至少一者的第一表面与照明源之间，其中，所述照明源和准直透镜被构造用于以与细胞培养层的第一表面倾斜的角度传输来自照明源的光通过第一表面；和检测部分，其包括检测器和透镜，所述透镜位于细胞培养层的第一表面与检测器之间，其中，所述透镜通过孔径光阑将光聚焦到检测器，并且其中，所述检测器被构造用于接收离开细胞培养层的第一表面的光，所述光以相对于第一表面倾斜的角度离开第一表面。

方面49涉及如方面48所述的系统，其中，由照明源发射的光接触细胞培养容器的第二表面，并且通过第二表面重新定向为向着检测部分，所述第二表面相对于第一表面位于细胞培养容器的细胞培养室的相对侧上。

方面50涉及如方面48-49中任一方面所述的系统，其中，照明源包括发光二极管。

方面51涉及如方面48-49中任一方面所述的系统，其中，照明源包括非发光二极管源。

方面52涉及如方面48-51中任一方面所述的系统，其中，检测器包括被构造成将光转换成电信号的传感器。

方面53涉及如方面48-52中任一方面所述的系统，其还包括通信模块，所述通信模块被构造用于将图像从检测器传输到图像处理器。

方面54涉及如方面53所述的系统，其中，通信模块被构造成通过有线连接进行通信。

方面55涉及如方面53所述的系统，其中，通信模块被构造成通过无线连接进行通信。

尽管本公开包括有限数量的实施方式，但是本领域技术人员得益于本公开，会理解能设计出其他的实施方式而不偏离本公开的范围。