CN101553749A - 动态扫描自动显微镜及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种自动显微镜，所述自动显微镜对显微镜载片和其它可互换光路元件进行动态扫描。

Description

动态扫描自动显微镜及方法

相关申请的交叉参考

本申请要求以美国临时申请No.60/821,552为优先权。该申请中引用的所有参考文献及其参考文献中适于教导其它或可选择详细内容、特征和/或技术背景的内容都在此引入作为参考。

背景技术

自动化的显微镜技术正在医学领域中获得应用。举例来说，使用荧光原位杂交(fluorescence in-situ hybridization，FISH)对身体组织进行分析已经成为诊断染色体异常的有效手段。当被激励照明辐射后，杂交的或键合的标记通过发出特定波长的荧光来识别DNA链上的目标部位。这些荧光点可以在显微镜下探测到。这种分析通过计数FISH点和确定不同颜色的FISH点的分布来实现。

一般来说，诊断性FISH光点计数由熟练使用显微镜的技术人员人工进行。除了要正确识别光点及其颜色之外，还必须对其它尺寸和形状特征进行分类，以便正确识别染色体状况。由于上述现象造成的时间约束使得这种分析变得困难。所以，使用显微镜的技术人员为了进行这种检验，必须接受全面的训练。即使是在最好的条件下，这种过程也被证明是乏味和冗长的而容易产生人为错误。

自动化显微镜方法的应用为解决人工方法带来的诸多问题提供了可能。自动显微镜能够在很短的时间内可靠地识别组织样本中的荧光点，精确测定其颜色，根据形状和尺寸对它们进行分类，并进行确定目标条件是否存在所必要的概要分析，而不会引入人为的不可避免的主观因素。

使用自动显微镜检验组织样本所要求的规程要求将包含样本的载片定位成使得每个感兴趣区域都在视野范围内。但是，通常，显微镜的视野范围要显著小于样本区域。此外，显微镜载片上的样本厚度或深度有可能显著大于显微镜的焦深。这些因素使得必须对包含样本的载片进行机械再定位，从而按顺序对整个样本进行检验。这种再定位一般通过显微镜载物台实现，显微镜载物台通常包括能够沿三维正交轴线移动载片的直线致动器。

操作过程中，包含样本的实验载片装载在显微镜载物台中。载物台致动器将载片定位在显微镜目镜下，并将其保持固定就位。X轴和Y轴致动器确定了为检验所选取的视野范围，而Z轴致动器确定焦平面。接着，样本被照亮并捕获图像。为每个波长拍摄独立图像，该波长由插入光路中的滤光盘的位置来确定。捕获图像后，载物台将载片在三维方向上再定位至下一个固定位置，然后捕获下一幅图像。重复上述过程直至整个样本被成像。捕获每一幅图像时，再定位和保持载片需要花费很长的时间。此外，每次开始或停止再定位移动都会产生机械震动。为了使震动减弱，系统必须在每次移动之后暂停。

举例来说，一次典型的FISH检验规程也许会要求成像和分析200个样本载片。此外，由于样本的深度，通常需要分别在9个焦平面上和3个波长下进行成像。显微镜的小视野会要求在载片的x和y方向上数十次的定位，以覆盖每个载片的每个焦平面。进行单次诊断所需的总时间可能会长得不可接受。所以，迫切需要大大降低进行诊断的时间。

发明内容

在此公开的一个实施例中，描述了一种能够显著减少检验所需时间，减少引起的震动，以及提供诊断结果的自动化显微镜。在成像过程中，载物台和滤色盘处于匀速运动中，而不是像先前的方法中那样是固定的。每一个运动分系统中的实时位置传感器精确遥测装载有载片和滤色盘的载物台的瞬间位置。滤色盘以足够的速度旋转，使得能够在每一个滤色器波长、每一个成像位置和焦平面捕获图像。成像器件的有效快门速度足以“定格”载片和滤色盘的运动，以记录下可接受的图像。可以采用传统的数字图像处理技术对载物台移动造成的微小侧向位移进行校正。

虽然在此简要描述的系统只包括载物台和滤色盘，但是该原理可以容易地被扩展到其它可互换光路元件和照明光源。

在此公开的实施例包括一个动态扫描自动显微镜系统，其包括：自动显微镜，所述自动显微镜包括显微镜载物台，该载物台含有配置成能够在三维直角坐标中的每一个中连续定位显微镜载片的致动器；至少一个照明能量源，其被定位成向装载在显微镜载片上的样本持续提供照射；至少一个电子成像器件，其被定位成连续捕获样本图像；至少一个可互换元件转盘，其被配置成持续、循环地将可互换元件插入自动显微镜的光路中；可操作地连接到致动器、至少一个能量源、至少一个电子成像器件和至少一个可互换元件转盘的同步控制器，所述同步控制器被可操作地配置成持续产生控制信号和接收遥测数据(telemetry)。实施例也包括动态扫描自动显微镜系统，其中可互换元件是滤光器、透镜、照明源、和/或图像捕获源。实施例也包括：电子成像器件还可以包含图像增强器件，系统还可以包括图像处理器。

在此公开的实施例还包括一种对装载在动态扫描显微镜中的显微镜载片上的样本进行动态扫描的方法，该动态扫描显微镜包括显微镜载物台，至少一个照明能量源、至少一个电子成像器件、至少一个可互换元件转盘和同步控制器，该方法包括以下步骤：将显微镜载片装载到显微镜载物台上；在同步控制器中产生控制信号，并将控制信号传输到显微镜载物台、至少一个照明能量源、至少一个电子成像器件和至少一个可互换元件转盘；根据控制信号，按照预定方法持续移动显微镜载片载物台；根据控制信号，持续循环转盘；当载物台或转盘运动时，根据控制信号，持续捕获图像。该方法还包括将遥测数据从显微镜载物台、照明源、电子成像器件、和/或可互换元件转盘传输到同步控制器。该方法还包括采用图像处理技术提高图像质量的步骤。

附图说明

以下附图有助于对实施例的描述：

图1是动态扫描自动显微镜的实施例简图。

图2是可互换滤光器转盘的实施例简图。

图3是包含X、Y和Z轴直线致动器的显微镜载片载物台的实施例简图。

图4是Z轴直线致动器和所安装的载片保持器的实施例简图。

具体实施方式

在一个实施例中，自动化显微镜系统包括载片定位台和配置成允许连续循环插入光路中的可互换元件。这些被配置在致动器驱动转盘上的可互换元件可以包括滤光器、透镜、挡光板、照明源、和/或成像器件。在一个实施例中，可循环使用反射(epi)和透射(epo)照明源以获取反射和透射图像。载物台和每一个可互换元件转盘的位置由各自的反馈回路控制的致动器确定。每个瞬时位置都被精确地遥测并传送到同步控制器。

操作过程中，样本载片装载到载物台上。X轴和Y轴直线致动器以匀速扫描载片在X和Y轴方向上的位置，从而使整个样本区域在显微镜的视野中通过。同时，载物台的Z轴致动器扫描载片在Z轴方向上的位置，从而使显微镜的焦平面相应扫描样本的全部深度，包括每个感兴趣目标的“最佳聚焦”焦平面。同时，包含选中滤光器的转盘进行旋转，从而使每个滤光器在光路中停留足够时间来捕获图像。图像捕获的曝光时间和相应的滤光器插入时间都足够短，以“定格(freeze)”载物台的运动。

基于检验规程和同步控制发生器发出的同步控制信号进行图像的曝光。每一个可互换元件的状态和载物台的瞬时位置都与每次曝光一起被记录。通过相应可互换滤光器的曝光所产生的不同波长的图像进行组合，以允许进行FISH结构的分析。组合图像的配准可以由传统图像处理技术来校正。

每一个显微镜元件的相对定时都是相互关联和同步的。成像器件的特征在于其曝光时间(即，曝光的持续时间)和曝光间隔周期(即，曝光之间的时间)来表征。这些时间决定于成像器件技术。曝光时间必须足够短，以保证样本载片和滤光器转盘的运动被有效定格。典型地，样本的每一次定位必须进行至少三次曝光。滤光器转盘的旋转应当使下一顺次滤光器在与成像器件的曝光间隔周期相应的时间间隔处置于光路中。样本在Z轴方向的每一个深度都应当进行与三个不同波长相应的一组三次曝光。例如，在一个x，y位置处，样本的特性需要九个焦平面上的图像才能完全表征。因此，对于每个显微镜视野就需要总共27次曝光。Z轴致动器应当提供符合上述所有定时要求的位移。为了对样本进行完全成像，必须在x，y平面上对样本进行扫描。因此，x，y平面上的扫描速度必须允许在每一个显微镜视野中获取27幅图像。可以采用图像处理技术来校正各种运动造成的不可避免的图像之间的配准问题。

在一个实施例中，图1示出了一个自动化显微镜的侧面图。载物台100将样本载片从安装在盒搬运装置110中的盒中传送到显微镜光轴120上。如图2中所示的可互换滤光器转盘130置于显微镜中，使得各个可互换滤光器210可以定位于光轴120上。滤光器转盘130由同步马达135驱动旋转。

电子成像器件140可以是光敏电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)的多像素平面阵列、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)或者其它任何适于将光学图象转换为电子信号的技术。可以通过采用图像增强和类似技术来改善低强度探测。

在一个实施例中，如图3所示，载物台包括三个直线致动器。载片固定台290包括三个正交方向的直线致动器310、320和330，这些致动器被机械联接来提供需要的位移。X轴直线致动器310是由马达312驱动的丝杠机构311，马达312沿X轴方向移动丝杠螺母。Y轴直线致动器320与X轴直线致动器310的丝杠螺母机械相连。Y轴直线致动器320由马达322驱动，马达322沿Y轴方向移动丝杠螺母323。Z轴直线致动器330与Y轴直线致动器的丝杠螺母机械相连。如图4所示，Y轴直线致动器包括压电式换能器(transducer)331，其将电控制信号转换成相应的线性位移。载片固定台的基座285机械安装在压电式换能器331上，从而电信号的施加可以引起Z轴方向上的线性位移。因此，必须通过向三个致动器提供合适的控制信号来将载片固定台的基座285在三维笛卡尔坐标系中定位。

在X轴致动器310和Y轴致动器320上安装Z轴直线致动器330这样的构造用于使得必须被移动以提供Z轴方向上的位移的质量最小化。Z轴扫描控制信号可以是正弦曲线、三角或其它合适的形状，从而引起相应的位移。Z轴扫描控制信号的频率相对于X轴和Y轴方向上的移动要足够的高，从而允许在给定样本的感兴趣部位的每一个所需焦距上捕获图像。

虽然本实施例提供了对显微镜载物台和滤光器转盘的动态扫描，但是，其它实施例可以提供用于其它光路元件和子组件的扫描，这些其它光路元件和子组件包括但不限于：图像捕获器件、照明源、透镜和挡光板。除扫描光学元件之外，另外的实施例包含例如温度、暂态过程的经过时间、压力变化等实验参数的检测。

关于优选实施例声明

虽然本发明只描述了相关优选实施例，但是本领域技术人员在不背离所附权利要求限定的本发明的实质或范围的情况下，很容易想到能够对本发明作出各种替换和/或修改。在此引用的所有文献在适于其它或选择性的详细内容、特征、和/或技术背景的教导时引入本文。

Claims (13)

1、一种动态扫描显微镜上的显微镜载片的方法，所述显微镜载片上具有样本，所述显微镜包括：载物台，所述载物台操作地配置成通过响应控制信号而在三维正交坐标轴中移动；激活源，所述激活源激活所述样本；图像捕获器件，所述图像捕获器件操作地配置成通过由所述样本的激活产生的信号生成图像；和可互换光学元件的转盘，所述可互换光学元件的转盘设计成改变由所述样本的激活产生的信号的性质；

所述方法包括：

将所述显微镜载片装载在所述载物台上；

以预定的方式响应所述控制信号来移动所述载物台；

响应所述控制信号来循环所述转盘；

当所述载物台和所述转盘运动时，响应所述控制信号在所述图像捕获器件上捕获图像。

2、一种动态扫描自动化扫描显微镜系统，包括：

自动扫描显微镜，包括显微镜载片载物台，所述载物台可操作地配置成能够沿着三维正交轴移动并保持显微镜载片，显微镜载片上具有样本；

至少一个载物台致动器，其操作地配置成响应致动器控制信号在三维正交轴的每一个轴上动态定位所述显微镜载片；

激活能量源，其相对于所述显微镜上的所述样本定位，以照射装载在所述显微镜载片上的样本；

电子处理器件，其被定位成对光学信息进行处理，该光学信息是由对装载在所述显微镜载片上的所述样本的所述照射产生的；

装有多个光学元件的转盘，所述多个光学元件中的一个或多个能够用一种不同于所述多个光学元件中的其它元件的方式改变所述电子处理器件可获得的所述光学信息，所述转盘位于所述电子成像器件和所述载物台之间并配置成在接收到控制信号时周期性地将所述光学元件中的一个互换成所述光学元件中的另一个；

同步控制器，其操作地连接到所述至少一个载物台致动器、所述电子处理器件和所述转盘，所述同步控制器操作地配置成使得对所述载物台致动器、所述电子处理器件和所述转盘运动的致动同步化。

3、根据权利要求2的动态扫描自动显微镜系统，其中，所述光学元件选自包括滤光器和透镜的组。

4、根据权利要求2的动态扫描自动显微镜系统，其中，所述光学元件是照明源。

5、根据权利要求2的动态扫描自动显微镜系统，其中，所述光学元件是图像捕获器件。

6、根据权利要求2的动态扫描自动显微镜系统，还包括与所述显微镜载片载物台操作地联接的实时位置传感器。

7、根据权利要求1的动态扫描自动显微镜系统，还包括与所述转盘操作地联接的实时位置传感器。

8、一种对装载在动态扫描显微镜中的显微镜载片上的样本进行动态扫描的方法，所述动态扫描显微镜包括显微镜载片载物台、至少一个照明能量源、至少一个电子成像器件、至少一个可互换光学元件转盘、和同步控制器，所述方法包括以下步骤：

将所述显微镜载片装载在所述显微镜载物片载物台上；

在所述同步控制器中产生控制信号，并将所述控制信号提供至所述显微镜载片载物台、所述至少一个照明能量源、所述至少一个电子成像器件和所述至少一个可互换元件转盘；

响应所述控制信号以预定的方式来移动所述显微镜载片载物台；

响应所述控制信号来循环所述转盘；

当所述载物台和所述转盘运动时，响应所述控制信号捕获图像。

9、根据权利要求8的动态扫描样本的方法，还包括将遥测数据从所述显微镜载片载物台传输到所述同步控制器的步骤。

10、根据权利要求9的动态扫描样本的方法，还包括将遥测数据从所述至少一个照明能量源传输到所述同步控制器的步骤。

11、根据权利要求9的动态扫描样本的方法，还包括将遥测数据从所述至少一个电子成像器件传输到所述同步控制器的步骤。

12、根据权利要求9的动态扫描样本的方法，还包括将遥测数据从所述至少一个可互换元件转盘传输到所述同步控制器的步骤。

13、根据权利要求9的动态扫描样本的方法，还包括采用图像处理技术提高图像质量的步骤。

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