CN101341495B - 具有led照明源的显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉宽调制(PWM)LED光源，该光源允许在使用发光二极管(LED)来照亮细胞学样本的系统中调节色彩及强度。用户可选出所希望的光的色彩及强度，或者所希望的色彩及强度可电子地计算出。使用各种色彩的LED，诸如红色、蓝色以及绿色LED，各种色彩可通过调制每个LED的占空比而产生，例如，使用PWM控制器。

Description

具有LED照明源的显微镜
技术领域
本发明涉及显微镜成像系统，且更具体地，涉及用于显示着色后样本的放大图像的系统。
背景技术
细胞学是涉及研究细胞的形成、结构以及功能的生物学的分支。如在实验室设置中的应用，细胞学家、细胞学技士、以及其他医学专家基于对患者的细胞样本的视觉检查而对患者的状况做出医学诊断。典型的细胞学技术为“Pap涂片”试验，在该试验中从女性的子宫颈刮落细胞并进行分析以检测异常细胞的存在(宫颈癌发作的先兆)。细胞学技术也被用来检测人体其他器官中的异常细胞和疾病。
由于与传统的外科病理程序(诸如活组织检查，由此使用具有装有弹簧的可平移探针、固定套等的专门的活组织检查针从患者切取组织样本)相比，收集用于分析的细胞样本通常具有较小的侵入性，故细胞学技术被广泛地采用。细胞样本可通过各种技术从患者获得，这些技术例如包括：通过刮削或擦拭区域，或通过使用注射针从胸腔、膀胱、脊柱管或其他适当区域吸出体液。细胞样本通常被放置在溶液中且随后收集并转移至载玻片以在放大倍数下进行观察。定色及着色溶液通常被涂覆于载玻片上的细胞(通常被称为细胞涂片)，以便于检查并为了归档的目的而保存样本。
对用于某些细胞学分析的着色细胞涂片而言，希望为传统的多色着色。用不同的色彩对样本的细胞核和细胞质进行着色从而在视觉上或通过自动成像设备可容易地分辨出细胞核物质和细胞质物质是有利的。在一种着色实践中，细胞质是透明的，而细胞核是透明至不透明的。这种着色模式允许细胞学家分辨出在形态上显示为异常的细胞，例如，通过过大的细胞核物质和/或色彩中的暗处。此外，细胞学家发现传统着色(尤其是巴氏着色)的各种色彩有助于减轻视觉疲劳并有助于诊断。
传统着色，包括巴氏着色，难于用自动系统进行分析。可直接用人眼分辨出的来自传统着色的细胞质中的各种色彩不易于用自动成像系统进行分析，由于它们与传统的细胞核蓝色苏木精着色的变化程度存在差异。该变化差异使得自动分析难以进行。
在自巴氏着色引入以来的近七十年中，最初的巴氏着色已经经历了许多改进。目前，基于每个实验室的偏好，染料、试剂以及方法变化很大。尽管类似巴氏着色的标准化已提出了许多年，但没有激励实验室按此执行。这种易变性影响了目前的成像技术，可能由于传统巴氏试验制备所固有的问题，或是由于着色不佳产生不适于进行图像获取及分析的细胞核-细胞质对比而丢弃很多载玻片。
许多研究者已研发出算法来尝试着实现对通过多色巴氏着色而着色的细胞进行自动分析。这些技术包括使用各种工具性人工制品，例如不同色彩的光、滤光器以及彩色电视摄像机。许多制品要求高程度的复杂化，这在硬件及软件方面都是昂贵的。
此外，着色的类型可根据要检查的细胞的类型、以及待诊断的特殊异常性或疾病来选择。为此，不同的着色可用在不同的实验室设置中。
传统的机器视觉照明源为低效的宽带源，例如卤钨灯、卤化钠灯或氙灯。这些源将它们的输入能量的一小部分转换成宽带光。因此，在要求窄带光源的细胞学应用中的功效明显下降。通常，这些装置会产生大量的热、要求滤光器获得正确的波长、且相对而言是较大的。
发明内容
提供了一种改进的照明，该照明允许色彩平衡及强度调节。光的色彩及强度可调节成适合系统的状况，例如所采用的着色剂的类型、样本中细胞的类型、以及待检测的异常性/疾病的类型，以便于人类细胞学家或成像系统诊断。
根据一个实施例，一种用于观察生物样本的方法包括：用光源照亮生物样本，该光源具有以多个单一色彩组的发光二极管(LED)布置；并且形成被照亮生物样本的放大图像。为了使光源小型化，LED可包括设置在单一的基板上以形成小型LED模块的LED芯片。本方法还可包括：选出光源所发出的光的希望的特性，例如，色彩平衡或光强度。所希望的光特性例如可响应于手动输入或自动输入而选出。选出所希望的光特性可基于观察条件，例如，用在生物样本上的一种着色剂。例如，该光特性可定制成辨别生物样本的不同着色部分。
本方法还可包括：产生多个驱动信号，每个信号均具有基于选出的光特性的特性。例如，驱动信号的特性可以是振幅或脉冲宽度。本方法再可包括：为多个LED色彩组提供相应的多个驱动信号，其中，LED色彩组的光强度被单独控制以实现所希望的光特性。在一个实施例中，所希望的LED色彩组的光强度基于选出的光特性来计算，从而可确定驱动信号的特性。
根据另一实施例，一种用于观察生物样本的系统包括：显微镜，被构造成用于形成生物样本的放大图像；以及光源，被构造成用于照亮该生物样本。该光源具有以多个单一色彩组(例如，红色、蓝色及绿色)布置的LED。此外，为了使光源小型化，LED可包括设置在单一的基板上以形成小型LED模块的LED芯片。本系统还可包括输入装置，该输入装置被构造成用于接收信息以实现光源所发出的光的希望的特性，例如，色彩平衡或光强度。该输入装置例如可以是被构造成用于选出所希望的光特性的用户输入装置。本系统可选择地包括处理器，该处理器被构造成用于计算所希望的光特性，例如，基于观察条件，诸如用在生物样本上的一种着色剂。
本系统还可包括控制电路，该控制电路被构造成为多个LED色彩组提供相应的多个驱动信号，每个驱动信号均具有基于输入装置所接收的信息的特性(例如，振幅或脉冲宽度)，其中，LED色彩组的光强度被单独控制以实现所希望的光特性。如果驱动信号的特性为脉冲宽度，则控制电路可选择性地包括：脉宽调制控制器，被构造成用于产生脉宽调制的控制信号；以及驱动电路，被构造成响应于该控制信号为相应的多个LED色彩组提供脉宽调制的驱动信号。
根据又一实施例，一种用于观察生物样本的方法包括：用具有LED的光源照亮生物样本，并且形成被照亮生物样本的放大图像。LED可选择性地以多个单一色彩组布置。此外，为了使光源小型化，LED可包括设置在单一基板上以形成小型LED模块的LED芯片。本方法还可包括：动态地选出光源所发出的光的希望的特性，例如，色彩平衡或光强度。所希望的光特性例如可响应于手动输入或自动输入而选出。选出所希望的光特性可基于观察条件，例如，用在生物样本上的一种着色剂。例如，该光特性可定制成辨别生物样本的不同着色部分。
本方法还可包括：产生一个或多个脉宽调制的驱动信号，每个驱动信号均具有基于所希望的光特性的脉冲宽度；并且为多个LED提供一个或多个脉宽调制的驱动信号，其中，LED的光强度被控制以实现所希望的光特性。在一个实施例中，该一个或多个脉宽调制的驱动信号包括分别提供给多个LED的多个脉宽调制的驱动信号，从而使LED的光强度可被单独控制以实现所希望的光特性。如果LED被布置在多个单一色彩组中，则这多个脉宽调制的驱动信号可分别提供给多个LED色彩组，从而使这些LED色彩组的光强度可被单独控制以实现所希望的光特性。在一个实施例中，每个脉宽调制的驱动信号的脉冲宽度基于所选出的光特性来计算。
根据又一实施例，一种用于观察生物样本的系统包括：显微镜，被构造成用于形成生物样本的放大图像；以及光源，被构造成用于照亮该生物样本。该光源具有以多个单一色彩组(例如，红色、蓝色及绿色)布置的LED。此外，为了使光源小型化，LED可包括设置在单一基板上以形成小型LED模块的LED芯片。本系统还可包括输入装置，该输入装置被构造成动态地接收信息以实现光源所发出的光的希望的特性，例如，色彩平衡或光强度。该输入装置例如可以是被构造成用于选出所希望的光特性的用户输入装置。本系统可选择性地包括处理器，该处理器被构造成用于计算所希望的光特性，例如，基于观察条件，诸如用在生物样本上的一种着色剂。
本系统包括控制电路，该控制电路被构造成为多个LED提供一个或多个驱动信号，每个驱动信号均具有基于输入装置所接收的信息的特性(例如，振幅或脉冲宽度)，其中，LED的光强度被控制以实现所希望的光特性。在一个实施例中，该一个或多个脉宽调制驱动信号包括分别提供给多个LED的多个脉宽调制的驱动信号，从而使LED的光强度可被单独控制以实现所希望的光特性。如果LED被布置在多个单一色彩组中，则这多个脉宽调制的驱动信号可分别提供给多个LED色彩组，从而使这些LED色彩组的光强度可被单独控制以实现所希望的光特性。在一个实施例中，该控制电路可选择性地包括：脉宽调制控制器，被构造成用于产生脉宽调制的控制信号；以及驱动电路，被构造成响应于控制信号为相应的多个LED色彩组提供脉宽调制的驱动信号。
附图说明
附图示出了本发明的实施例的设计及效用，在附图中相似的元件以共同的参考标号代表，并且在附图中：
图1是根据一个实施例构造的显微镜的侧视图；
图2是图1中显微镜的正视图；
图3A-图3C是用作图1的显微镜中的照明源的示例性发光二极管(LED)模块的平面图；
图4是用来控制图3A的LED模块的控制电路的方框图；
图5是示出了一种用于控制图1的显微镜的照明源所发出的光的特性的方法的流程图；以及
图6是示出了另一种用于控制图1的显微镜的照明源所发出的光的特性的方法的流程图。
具体实施方式
参照图1和图2，现在将对根据本发明的一个实施例构造的显微镜10进行描述。该显微镜10包括：镜台12，用于安装样本；以及光源14，用于照亮该样本。如下面将进一步详细描述的，光源14所发出的光的色彩平衡及强度是可调节的。为此，显微镜10还包括控制电路16，用于调节发出的光的色彩平衡及强度。显微镜10还包括：多个物镜18，用于放大从样本接收的光以形成该样本的放大图像；以及目镜20，用于观察由物镜18形成的放大图像。
显微镜10还包括用于接收输入的控制站22。尽管控制站22被示出为独立的控制站，但控制站22可以以多种方式来实现。例如，控制站22可建造在承载镜台12、光源14、以及透镜18、20的同一结构内。尽管光源控制电路16在所示出的实施例中被示出为并入到控制站22内，但其也可并入到承载镜台12、光源14、以及透镜18、20的同一结构内。
在一个实施例中，控制站22接收来自用户的手动输入。在这种情况下，控制站22可包括适当的用户输入装置，诸如旋钮、刻度盘、按钮、键盘、鼠标等。控制站22可在计算机或其他用户工作站上实现，并且可包括用于与用户相连接的图形用户界面(GUI)。用户输入可指定所希望的色彩平衡及强度，在这种情况下，光源控制电路16将光源14的色彩平衡及强度调节成与用户所指定的色彩及强度相匹配。或者用户输入例如可指定一个或多个样本观察条件，诸如，用在生物样本上的一种着色剂、样本中细胞的类型、待检测的异常性/疾病的类型、实验室的环境条件等。在这种情况下，光源控制电路16基于观察条件(例如，通过参照查阅表)来计算所希望的色彩平衡及光强度，并将光源14的色彩平衡及强度调节成与计算出的色彩平衡及强度相匹配。可替换地，样本观察条件可自动地输入。例如，控制站22可装配有条形码阅读器或被构造成用于读取标记在承载有细胞样本的载玻片上的信息的其他阅读器。控制站22还可装配有被构造成用于测量室内环境光的传感器。
无论控制站22的输入如何实现，光源14所发出的光的色彩平衡及强度将被动态地调节成为样本提供最佳的观察条件。例如，如果细胞样本被提供，细胞学家可能想要观察包括着色成绿色的细胞质中着色成蓝色的细胞核的样品。在这种情况下，色彩平衡可被调节成增加绿光的量。调节色彩平衡于是将减小细胞质与背景之间的对比，以允许细胞学家更好地观察细胞核。类似地，光源的强度可被调节成允许对用暗色着色的细胞核内、或紧密的细胞组内的结构进行目测。
信息的类型以及输入的方式将控制光源控制电路16如何实现。例如，如果使用旋钮、按钮或刻度盘，则控制电路可包括一个或多个电位计或其他适当的电路元件，这些元件输出模拟驱动信号以控制光源14。如果使用GUI来指定所希望的色彩平衡及光强度，控制电路16可包括用于将代表所希望的色彩平衡及光强度的数字信号转换成模拟信号以控制光源14的数字/模拟转换器。如果观察条件是手动或自动地输入的，则控制电路16可包括用于基于观察条件来计算所希望的色彩平衡及光强度的处理器。光源控制电路16的类型还将取决于所使用的光源14的类型，如下面将进一步详细说明的。
光源14有利地包括呈两个或多个色彩组的多个发光二极管(LED)。如此，LED的强度、或至少每个LED色彩组的共同强度可被单独控制以调节提供至生物样本以用于人观察或摄像机成像的光的色彩平衡(即，色调)及强度。如此，可产生可见光乃至不可见光中的任何色彩，包括白光。
现在参照图3A-图3C，将对已实现为LED模块的光源14的多个实施例(示出为14a、14b以及14c)进行描述。LED模块14包括多个LED24(示出为24r、24b、24g)，如图3A-图3C中清楚所示的，它们可被布置在圆形、环形、矩形或一些其他形状的模块中，并可以以交错、直线、环形或其他形状分布在该模块内。
在图3A-图3C所示的实施例中，LED24输出三种色彩的光。例如，LED24r可输出红光，LED24b可输出蓝光，并且LED24g可输出绿光。可替换地，LED24芯片可输出为了用于样本的着色而选出的特定波长。此外，尽管LED模块14在图3A-图3C中被示出为包括三个色彩组，但可采用其他数量的色彩组。具体地，设想本发明的实现可具有两个色彩组、或四个或更多的色彩组。
图3A-图3C中所示的LED的类型优选地为高亮度LED，这可通过单一离散的LED的组合或定制的多芯片LED模块来实现。在某些情况下，优选地使用具有相对小的孔径的定制的多芯片LED模块。例如，传统的显微镜通常被设计成具有尺寸大约为2mm长、2mm宽的发光细丝(filament)，该尺寸与接收来自用于产生对生物样本的均一照明的源的光的Koehler照明透镜系统的孔径相匹配。为了利用传统的系统和设计，有利地使用直径为几毫米级的光源。然而，其他的实施方式可包括更大的光源，例如离散LED的组合。
在定制的多芯片LED为优选的情况下，多个LED芯片可集成在单一的基板上以形成密集的布置。各个透镜可放置在每个芯片上，从而将来自每个芯片的辐射集中到狭窄的锥体内。例如，可使用六边形式样的透镜。基板，诸如具有高导热系数的基板，可用来保持多个LED芯片。基板上的导电图样可用来将芯片通过引线接合于基板以形成电连接。该布置的直径可以为数毫米级，以允许该光源与传统的系统及技术一起使用。
无论LED14如何实现，光源控制电路16均被构造成分别控制LED色彩组以调节模块14所发出的光的色彩平衡及强度。具体地，控制电路16调节LED的每种色彩的相对强度。例如，在图3A所示的模块14中，可计算出，红色LED芯片运行了25％的功率，绿色LED芯片运行了25％的功率，且蓝色LED芯片运行了35％的功率。控制电路16则运行成将LED芯片控制在计算出的功率。如果需要，光源控制电路16可包括用于基于所希望的色彩平衡及强度来计算LED组的强度的处理器(未示出)。
控制电路16可为LED24提供模拟驱动信号或数字驱动信号。如果采用模拟模式，控制电路16可向每个LED24或LED色彩组输出电压和/或电流电平以控制LED的强度。也就是说，电压和/或电流电平越大，所控制的LED14或LED色彩组的强度越高。尽管可采用模拟模式，但数字模式提供了更有效且更廉价的控制LED模块14的方法。例如，控制电路16可向每个LED14或LED组输出脉宽调制方波。用于每个LED的脉冲宽度将受到用于实现所希望的模块14的色彩平衡及光强度所需的每个LED色彩组的占空比(duty cycle)的控制。例如，如果使用红色、绿色及蓝色的LED色彩组，红色LED可被提供有占有25％占空比的脉宽调制信号，绿色LED可被提供有占有25％占空比的脉宽调制信号，而蓝色LED可被提供有占有35％占空比的脉宽调制信号。
参照图4，将对数字光源控制电路16的示例性实施例进行描述。数字控制电路16包括脉宽调制(PWM)控制器26，该控制器响应于输入的电压电平产生已调制的控制信号。如上所述，这种电压信号可从处理器或数字到模拟转换器输入。作为响应，LED的不同色彩组基于来自PWM控制器26的信号输出光。
如果LED模块14的负载需求在PWM控制器26的输出功率内，则来自PWM控制器26的输出信号可作为驱动信号来直接驱动LED24。然而，如果LED模块14的负载需求超过PWM控制器26的输出功率，则数字控制电路16还可包括另一驱动电路28。该另一驱动电路28例如可用来放大PWM控制器26的输出控制信号，或者通过其他方式基于PWM控制器26的输出信号为LED24提供驱动信号。
现在参照图5，将对一种控制LED模块14所发出的光的方法进行描述。在本方法中，用户选出所希望的色彩平衡(步骤500)和所希望的光强度(步骤502)。所希望的光强度及色彩平衡例如可使用实体选择装置(诸如旋钮或刻度盘)而选出，或者例如可经由计算机通过图形用户界面(GUI)而选出。基于用户所选出的所希望的色彩平衡及色彩强度，光源控制电路16计算所希望的LED色彩组的强度(步骤504)，并产生具有实现计算出的每个色彩组的强度的特性(即，模拟布置情况下的电压和/或电流的振幅、或数字布置情况下的占空比)的驱动信号(步骤506)。LED模块14于是响应于该驱动信号发出具有所希望的色彩平衡及强度的光(步骤508)。
参照图6，将对另一种控制LED模块14所发出的光的方法进行描述。除了色彩平衡及光强度不是基于用户输入而是通过输入一个或多个样本观察条件(步骤600)而选出的以外，图6中示出的方法与图5中示出的方法类似。如上所述，观察条件例如可包括：待成像的细胞的类型、所使用的着色的类型、室内的环境条件等。光源控制电路16则基于观察条件计算所希望的色彩平衡(步骤602)并计算所希望的光强度(步骤604)。基于计算出的色彩平衡及色彩强度，光源控制电路16计算LED色彩组的相对强度(步骤606)，产生具有实现计算出的每个色彩组的相对强度的特性的驱动信号(步骤608)，并且LED模块14响应于该驱动信号发出具有所选出的色彩平衡及强度的光(步骤610)。
尽管以上所述已说明了关于用户控制和电子控制的各自的方法，设想可使用用户控制和电子控制的组合。例如，默认设置可电子地生成，并且用户可在样本成像的过程中改变此设置。作为另一实例，默认设置可由用户选出，并且此设置可在观察样本的过程中基于检测到的条件而电子地改变。另外，尽管所描述的这些方法已计算出对于一组LED的单一的占空比并不断地向LED提供单一的驱动信号，然而该驱动信号可在观察过程中基于用户的选择或检测出的条件而改变。
此外，尽管显微镜已被描述成为生物学家或其他操作者投映图像，但设想样本的放大图像可传输至摄像机或其他输入装置，并且图像可通过计算机进行分析和/或存储起来以便于细胞学家稍后进行观察。在这一系统中，色彩平衡和/或强度不仅可基于上述的那些条件而电子地计算，也可基于其他条件。例如，可调节色彩平衡和/或强度以便于对所存储的图像进行数据压缩、以便于通过计算机程序、或基于所使用的成像系统的类型(例如，紫外光可与紫外摄像机及胶片结合使用)进行分析。

Claims (14)

1.一种用于观察生物样本的方法，包括：
用光源照亮所述生物样本，所述光源具有以多个单一色彩组布置的发光二极管(LED)；
形成被照亮生物样本的放大图像；
接收输入以实现所述光源所发出的光的希望的光特性；
基于所述输入通过控制电路计算关于每个所述LED色彩组的相应光强度；
产生多个驱动信号，每个驱动信号均具有基于计算出的关于所述LED色彩组中对应一个的光强度的驱动信号特性；
并且
为多个LED色彩组提供相应的多个驱动信号，其中，所述LED色彩组的光强度被单独控制以实现所希望的光特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述LED包括设置在单一基板上的LED芯片。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所希望的光特性包括色彩平衡。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所希望的光特性还包括光强度。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所希望的光特性响应于手动输入而选出。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所希望的光特性基于用在所述生物样本上的一种着色剂而选出。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述驱动信号特性是振幅或脉冲宽度。
8.一种用于观察生物样本的系统，包括：
显微镜，被构造成用于形成所述生物样本的放大图像；
光源，被构造成用于照亮所述生物样本，所述光源具有以多个单一色彩组布置的发光二极管(LED)；
输入装置，被构造成用于接收信息以实现所述光源所发出的光的希望的特性；以及
控制电路，被构造成用于基于由所述输入装置接收的信息为LED色彩组中的每个而计算相应的光强度并且为多个LED色彩组提供相应的多个驱动信号，每个驱动信号均具有基于所述输入装置所接收的信息的特性，其中，所述LED色彩组的光强度被单独控制以实现所希望的光特性。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述LED包括设置在单一基板上的LED芯片。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其中，所希望的光特性包括色彩平衡及光强度两者或其一。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的系统，其中，所述输入装置包括被构造成用于选出所希望的光特性的用户输入装置。
12.根据权利要求8-10中任一项所述的系统，其中，所述控制电路进一步被构造成用于基于用在所述生物样本上的一种着色剂来计算针对LED色彩组中的每个的光强度。
13.根据权利要求8-12中任一项所述的系统，其中，所述驱动信号特性是振幅或脉冲宽度。
14.根据权利要求8-12中任一项所述的系统，其中，所述驱动信号是脉冲宽度，所述控制电路包括：(i)脉冲宽度调制控制器，被构造成形成脉冲宽度已调的控制信号、以及(ii)驱动电路，被构造成响应于所述控制信号为相应的多个LED色彩组提供脉冲宽度已调的控制信号。
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