CN102590155A

CN102590155A - 组织切片扫描成像装置

Info

Publication number: CN102590155A
Application number: CN2012100136290A
Authority: CN
Inventors: 骆清铭; 曾绍群; 龚辉; 吕晓华; 李安安; 齐晓莉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明涉及一种组织切片扫描成像装置。该装置包括激光源、非机械式扫描器、探测器、电控运动平台。非机械式扫描器按线扫描方式对组织切片进行扫描，电控运动平台带动样品沿垂直于扫描线的方向作相对运动，扫描器的扫描运动与电控运动平台的运动精确同步，在组织切片运动的同时完成扫描图像的获取。本发明适用于大量组织切片的图像的快速获取，具有分辨率高、图像获取快速的优点。以及对完整组织块的快速切片及同步的切片图像获取。

Description

组织切片扫描成像装置

技术领域

本发明为一种基于扫描成像原理的组织切片成像装置。

背景技术

对于组织切片进行高通量高分辨率的获取对于快速的组织学检查结果的分析与存档是非常重要的环节。简单地对组织切片进行拍照不能获得其高分辨率图像。通过显微镜和CCD相机可以实现组织样品的高分辨率成像，但显微镜尤其高倍显微镜的成像视野有限，无法在一个视野内对完整的组织切片进行观察。完整的组织切片的观察需要结合载物台的移动实现，也可通过编程控制电控运动平台实现多个视野图像的拼接从而实现完整组织切片图像的自动获取。多视野拼接的缺点是样品需要沿二维方向进行多次移动和停止，会大大增加图像获取的时间。

传统的显微镜及相应载物台的设计只针对于一个或有限个组织切片样品的观察，并不适合大量组织切片的快速高通量观察。对于这一问题，Hamamatsu的NanoZoomer数字切片扫描仪，通过移动样本并结合高灵敏度的时间延迟积分线阵列相机，在样品移动的同时进行成像，提高了扫描速度，可以一次对多个切片样品进行批量成像。这种方式适合于获取切片的白光照明图像。组织切片的观察需要结合标记技术以获得对比度，而荧光标记技术的发展为特异性地标记一些感兴趣的结构提供了可能。而对于荧光标记的组织切片，Nanozoomer数字切片扫描仪使用全场照明的方式，分散了照明光的能量，同时全场照明的方式也提高了图像的背景，不利于高对比度图像的获取。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出组织切片扫描成像装置一种，通过线扫描方式结合样品的连续相对运动，减少样品反复运动与停止的次数，实现完整组织切片的高通量高分辨率成像。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种组织切片扫描成像装置，其特征在于，包括激光光源、非机械式扫描器、探测器、电控运动平台、数据采集与处理主机；样品固定安装在所述电控运动平台上，所述非机械式扫描器位置固定，所述激光光源发出的激光通过所述非机械式扫描器在样品上聚焦，所述非机械式扫描器用于按线扫描方式对组织切片进行扫描，所述电控运动平台用于带动样品沿垂直于扫描线的方向作相对运动，所述探测器探测用于接收样品受激产生的信号光；所述数据采集和处理主机用于采集所述探测器的信号，经过处理得到组织切片的扫描图像。应用非机械式扫描器以保证系统长时间连续运转的可靠性与稳定性。

所述电控运动平台包括位置传感器和脉冲产生电路，所述位置传感器用于在所述电控运动平台运动到指定位置时触发所述脉冲产生电路，所述脉冲产生电路用于产生、输出同步脉冲信号；所述同步脉冲信号用于触发所述非机械式扫描器的扫描控制电路，使非机械式扫描器进行扫描。

所述电控运动平台在垂直于扫描线的方向移动一定距离后迅速返程，然后向平行于扫描线的方向移动一定距离。

本发明还包括切片刀，所述切片刀固定安装，所述非机械式扫描器的物镜垂直于所述切片刀面。

本发明使用扫描成像方式对组织切片进行扫描。照明光或激发光聚焦于样品上，提高了对样品的照明强度或激发强度。这种方式尤其对于荧光标记的组织切片可以大大提高荧光激发效率，也即提高了信号光的强度，有利于提高成像的信噪比。同时只在聚焦点附近的组织切片区域被激发而发出荧光，因而消除了其他区域荧光的干扰，有利于提高图像的对比度。另一方面，扫描成像方式可以方便地结合共聚焦成像与双光子成像技术，从而对厚组织样品提供光学层析能力。

本发明中所述扫描器使用非机械式扫描器，如声光偏转器。使用非机械式扫描器，对于高通量连续切片扫描而言，不存在扫描器连续运转的机械磨损与疲劳问题，可以更好地保证长时间连续扫描的可靠性与稳定性。

所述扫描成像方式是通过线扫描与样品移动的组合实现完整切片的成像。使用单轴扫描器对光束进行快速的线扫描，通过扫描光路使聚焦光点沿一条直线在样品上扫描，通过探测光路记录扫描线上各扫描位置样品的反射光或被激发的荧光并据此绘制切片的图像。

所述切片样品的移动可以针对已经制备好的样品，由电控运动平台带动样品沿垂直于扫描线的方向移动。对于沿扫描线方向具有较大尺寸的样品，可以通过增加扫描线的长度或者通过电控运动平台提供切片样品沿扫描线方向的运动实现整个样品扫描图像的获取。

所述切片样品的移动也可以是通过与超薄切片机结合。在超薄切片机中，在切片的过程中，新形成的样品切片会短暂地贴附于刀面上沿刀面滑动。如果将光束聚焦于刀面，并使聚焦光点沿直线扫描，通过扫描与切片的滑动两者的组合，可以在切片的同时就完成其扫描图像的获取。

本发明通过非机械式扫描器对切片组织进行扫描，电控运动平台带动切片组织同步移动，实现大量大尺寸组织切片的高分辨率图像获取或完整组织块的同步切片与切片图像获取。

附图说明

图1.省略数据采集与处理主机的组织切片激光扫描成像装置示意图。

图2.扫描与样品运动示意。

图3.扫描成像及同步脉冲示意图。

图4.样品图像采集流程。

图5.组织切片的同时进行扫描成像。

具体实施方式

图1为使用声光偏转器作为非惯性扫描器的组织切片激光扫描系统示意图。激光器1出射激光经过声光偏转器2进行快速偏转扫描，扫描光通过补偿元件3消除声光偏转器快速扫描时引起的柱面镜效应。经过补偿元件3后的激光光束为扫描的准直光束。扫描光束经过扫描透镜4，分光片5反射，再通过筒镜6，最后经物镜7聚焦于样品表面，激光束的扫描使聚焦点沿一条直线移动形成一条扫描线。焦点沿扫描线反复扫描，与此同时样品8由电控运动平台9控制沿垂直于扫描线的方向12连续运动。样品的反射光或激发的荧光(也即信号光)经物镜7收集，再经筒镜6和分光片5汇聚于狭缝10所在位置。由探测器11(光电倍增管或相机)对收集的信号光进行连续记录。狭缝10是利用共聚焦探测的原理，阻挡离焦位置的信号光从而能够抑制背景，并可对厚组织样品进行层析成像。

在进行完整的组织切片成像时，扫描线14始终处于同一位置，电控运动平台沿方向12的一次连续运动过程可以完成对样品上一个条带的扫描成像过程。如图2所示，条带的宽度由扫描线的长度15决定。获取一个条带的图像后，电控运动平台沿与方向12相反的方向进行快速回程运动。然后沿方向13移动扫描线长度15的距离，并开始沿方向12进行连续运动，开始下一条带的扫描成像过程。完整组织切片的图像由多个条带的图像沿方向13拼接而成。通过电控运动平台连续运动与线扫描组合的方式能够减少样品沿方向12反复移位和停止的次数，有利于缩短成像时间。

由于扫描线的扫描运动与电控运动平台的运动为两个独立的过程，得到正确的扫描图像需要两个运动之间进行精确同步。电控运动平台内置位置反馈传感器可在平台运动的同时产生与运动位置相关的位置反馈信号，通过电控运动平台内的可配置的脉冲产生电路在平台运动到特定位置时产生脉冲信号，如图3中的同步脉冲17。平台运动到相应的位置即产生一个脉冲。由该位置同步脉冲17触发扫描器2的扫描控制电路开始扫描过程。使用非惯性扫描器能够极大缩短扫描延迟时间，从而能够快速开始线扫描过程并达到很高的扫描速度。相邻位置同步脉冲之间的时间等于扫描器进行一次线扫描的扫描时间，令该时间为T_scan，平台的运动速度为V，图像中的像素大小16为P，则满足T_scan＝P/V。

根据像素大小P以及扫描线长度15(记为L_scan)可以计算得到扫描线扫描方向像素的个数N。位置同步脉冲17触发探测器11进行连续的信号采集。两相邻同步脉冲之间采集的信号被平均分为N段，并进行分段平均，分段平均的结果即为条带图像中一行相应像素的强度。电控运动平台一次连续运动的长度应大于样品的长度18(记为L_move)。

图4为组织切片获取的流程图。在进行组织切片的图像获取之前先按步骤19，对电控运动平台运动速度，希望获取图像的像素大小等参数进行设置，并计算相应的派生参数。再按步骤20，控制电控运动平台按指定参数开始连续运动。运动到指定位置时产生位置同步脉冲，并触发扫描的开始，和信号的采集。采集的信号进行实时处理，分段平均得到图像中的一行，平台持续运动产生下一个位置同步脉冲，并重复上述过程从而完成一个条带图像的获取过程。之后平台侧向移动一个条带的宽度L_scan，开始下一个条带图像的获取，最终得到完整的组织切片扫描图像。

实施例一

如图1所示，激光器1输出波长为488nm的激光，声光偏转器2扫描角度为38mrad。扫描透镜4的焦距为400mm，筒镜6的焦距为180mm，则光束在物镜后的扫描角度扩大为84mrad(接近5°)。使用20x物镜，其等效焦距为9mm，则激光束经物镜7后的扫描线的长度为755μm左右。当待成像样品为荧光标记的样品时，分光片5使用二向色镜，以分开激发光和收集的荧光。当带成像样品为非荧光标记样品时，分光片5使用宽带半透半反镜，则收集的信号为样品的反射光，组织切片图像的对比度反应了样品中不同组成部分吸收和散射性质的差异。

平台运动速度设为6.6mm/s，扫描成像像素大小设置为1μm，则扫描线的扫描时间为150μs。设样品宽度为2cm，长度为5cm，则完整组织切片的图像将由27个条带组成。每个条带的图像扫描采集时间在10s左右。

实施例二

如图5所示为组织切片激光扫描装置的另一种实施方式。即将激光扫描成像装置与组织切片系统直接结合。在对组织块进行薄切片的同时进行扫描成像。

切片刀21固定不动，组织块23沿方向12相对于切片刀22运动，从而得到一条切片21。切片21在靠近刀锋的部分会短暂地帖附于切片刀22的表面。将物镜7垂直于切片刀22的表面放置，并调节其距离切片刀22表面的距离，使焦点落在切片21上。经过扫描器2的扫描，焦点在切片21上沿扫描线14的方向扫描。组织块23沿方向12的一次连续运动过程，可以在形成切片21的同时完成切片21的扫描图像的获取过程。一次切片过程结束，组织块沿方向12的反向进行快速回程运动，再沿方向13侧向移动一段距离，该段距离的长度等于切片21的宽度，从而可以进行下一条切片的切削和扫描成像过程。

Claims

1.一种组织切片扫描成像装置，其特征在于，包括激光光源、非机械式扫描器、探测器、电控运动平台、数据采集与处理主机；样品固定安装在所述电控运动平台上，所述非机械式扫描器位置固定，所述激光光源发出的激光通过所述非机械式扫描器在样品上聚焦，所述非机械式扫描器用于按线扫描方式对组织切片进行扫描，所述电控运动平台用于带动样品沿垂直于扫描线的方向作相对运动，所述探测器探测用于接收样品受激产生的信号光；所述数据采集和处理主机用于采集所述探测器的信号，经过处理得到组织切片的扫描图像。

2.根据权利要求1所述的组织切片扫描成像装置，其特征在于，所述电控运动平台包括位置传感器和脉冲产生电路，所述位置传感器用于在所述电控运动平台运动到指定位置时触发所述脉冲产生电路，所述脉冲产生电路用于产生、输出同步脉冲信号；所述同步脉冲信号用于触发所述非机械式扫描器的扫描控制电路，使非机械式扫描器进行扫描。

3.根据权利要求2所述的组织切片扫描成像装置，其特征在于，所述电控运动平台在垂直于扫描线的方向移动一定距离后迅速返程，然后向平行于扫描线的方向移动一定距离。

4.根据权利要求2或3所述的组织切片扫描成像装置，其特征在于，还包括切片刀，所述切片刀固定安装，所述非机械式扫描器的物镜垂直于所述切片刀面。