CN102788756A - 多模态生物显微分析仪 - Google Patents

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黄海清
谷朝臣
戚进
张卿卿
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Abstract

一种多模态生物显微分析仪，包括：多模式显微成像、高光谱荧光光源系统和控制系统，多模式显微成像系统用以自动进行图像采集，并将采集到的图像发送至控制系统；高光谱光源系统用以提供多模式显微成像的宽光谱连续可调的光线条件；控制系统分别与多模式显微成像连接，用以控制多模式显微成像系统和高光谱光源系统的动作，并对多模式显微成像系统采集到的图像进行分析识别。本发明具有识别精度高、识别速度快操作简单、降低劳动强度且节约成本的优点。

Description

多模态生物显微分析仪
技术领域
本发明涉及一种显微分析仪，具体涉及一种多模态生物显微分析仪。
背景技术
随着科学研究、医疗、生产对技术要求的提升，显微成像和分析在疾病诊断和组织病理分析、新药研发和药理分析、环境监测和保护等领域都有强烈的应用需求。以传统显微镜为主体和以人工观察为主要工作方式的生物组织研究，分析手段单一，工作效率低下，已不能满足高水平科学研究的需求。
目前，市场上的显微影像包括普通光学图像显微系统、荧光显微成像系统和高光谱显微成像系统，传统光学照明的普通光学图像应用最为广泛，价格也最为低廉，但是其表征信息量也最少，只有形态学特征信息；荧光显微成像的具有定向表征，动态表征的能力；高光谱显微技术能够测试出样本对不同波长光线的透射能力，从光源光谱维度上表征组织病理显微特性；对接收光线进行不同谱段的响应分析，能够更细致的从成像光谱上观测其光谱特性，但是价格昂贵，限制了其发展。
近年来，国内外在高光谱光源投射/反射照明以及荧光成像的光谱高光谱分析方面做了大量的研究。但是，集成了高光谱光源和荧光光谱分析的显微系统在国内外尚未出现。本发明采用高光谱可控光源实现光谱显微成像分析并作为荧光光源实现荧光表征，并通过可切换的荧光滤光片实现传统光学和荧光显微模式间的切换；通过可切换的光谱分光棱镜配合线阵高感光冷CCD及其CCD线性扫描驱动装置，实现样本显微成像的光谱分析和形态分析模式之间的切换。将高光谱成像技术，荧光成像技术与生物医学显微镜紧密结合，实现形态学与对不同波段光谱响应结果的定性、定量研究的有机组合，为科研人员从生物组织和细胞切片层面来实现高分辨率、多维信息采集、处理与重建研究提供了新的辅助手段。
发明内容
一种多模态生物显微分析仪，包括：多模式显微成像、高光谱荧光光源系统和控制系统，多模式显微成像系统用以自动进行图像采集，并将采集到的图像发送至控制系统；高光谱光源系统用以提供多模式显微成像的宽光谱连续可调的光线条件；控制系统分别与多模式显微成像连接，用以控制多模式显微成像系统和高光谱光源系统的动作，并对多模式显微成像系统采集到的图像进行分析识别，以及，对识别结果进行存储；多模式显微成像系统进一步包括：
切片连续装载模块：用以对多切片进行自动切换、装载、扫描，并进行编号和存储；
纳米级多自由度载物台模块：应以将切片通过高精密电机控制调节到合适的成像距离，控制成像像面基本保持在一个水平基线上；
线阵CCD扫描成像模块：用以控制CCD的积分时间和采集帧率等相关控制信号，控制CCD芯片采集合成相关光学图像；
显微透镜组：用以实现切片在载物台上的显微成像；
可切换吸收荧光滤光模块：用以切换调整光源输出为高光谱，荧光光谱以及常规光谱输出；
光谱分光/聚焦模块：用以控制输出的光谱动态范围，实现多光谱的分光输出；
CCD线性扫描驱动模块：用以控制CCD的曝光时间、光学增益以及扫描间隔，与上位机通信，合理控制CCD成像条件；
切片连续装置装载切片给载物台，通过显微透镜组实现光路转换，切换吸收荧光滤光模块对进来的光线进行三种模式的切换，后端的光谱分光聚焦模块实现光信号的分离，利用CCD线性扫描驱动和成像模块，实现光线在CCD像元上的延时积分，输出相关的采样电信号合成相关图像。
依照本发明较佳实施例所述的多模态生物显微分析仪，该高光谱荧光光源系统包括：高强度LED模块、可切换荧光滤光模块和光源模式切换控制模块，其中，
高强度LED模块：用以根据实验环境调节LED强度来获取合理的照度，实现整套光路系统的基础照明。
可切换荧光滤光模块：用以控制是否采取激发态光源，输出荧光光源。
光源模式切换控制模块：用以控制输入光源为常规光源、荧光光源和高光谱光源。
其中，高强度LED模块为主光源，为基础的照明光源，光源模式切换控制模块选择合适的光源输入，可切换荧光滤光模块控制荧光光源的形成。
依照本发明较佳实施例所述的多模态生物显微分析仪，该控制系统包括智能控制子系统，智能控制子系统进一步包括：
自适应运动连续对焦模块：用以通过电机控制自动载物台的运动轨迹，实现载物台的连续对焦，且运动轨迹为四自由度；
切片运动同步控制模块：用以通过电机控制切片连续装载模块自动切换、装载、扫描切片，实现切片的自动流水操作；
TDI线阵扫描控制模块：用以控制CCD像元的延时积分时间，把电信号通过AD采样转换为数字信号；
光谱扫描控制模块：用以通过电机控制光源模式切换控制模块、可切换荧光滤光模块、可切换吸收荧光滤光模块、光谱分光/聚焦模块转换到合适的拍照模态。
依照本发明较佳实施例所述的多模态生物显微分析仪，该控制系统还包括信息处理子系统，信息处理子系统包括：
数据库：用以存储分析得到的识别结果，识别结果具体包括组织特征和病理特征；
多维信息分析与挖掘模块：用以对生物样本切片和图片图像进行自适应快速算法分析识别样本类型，选择合适的通道处理相关样本图像，并将识别结果发送至数据库；其进一步包括：
快速识别单元：用以对生物样本切片和涂片图像进行自适应快速算法分析识别样本类型，确定样本为生物组织涂片或生物病例切片，并根据识别结果将样本图像信息发送至生物组织涂片处理单元或生物病例切片处理单元；
生物组织涂片处理单元：用以接收生物组织涂片样本图像信息，并对图像进行处理后将识别结果发送至数据库；
生物病例切片处理单元：用以接收生物病例切片样本图像信息，并对图像进行处理后将识别结果发送至数据库；
组织切片远程会诊平台模块：与数据库连接，用以根据数据库中相关组织特征和病理特征，利用远程视频会议系统，构建远程会诊平台；
系统安全模块：用以提供不同的注册机制，提供管理员账户和普通操作员账户，给不同人员提供不同的操作权限；系统规范和标准扩展模块：用以提供可扩展的软件和硬件接口，提供新功能模块的接入机制。
本发明将高光谱成像技术，荧光成像技术与生物医学显微镜紧密结合，即能够在形态层次上观察生物组织的结构，还能够在光谱学层次上观察生物组织细微组分的投射或投射影像，实现形态学与对不同波段光谱响应结果的定性、定量研究的有机组合。因此，利用该装置对生物组织切片进行高分辨率、多维成像，能够同时获取观测对象的图像信息和光谱响应信息，能够获得比传统的显微成像方式更丰富的光学信息，这为科研人员从生物组织和细胞切片层面来实现高分辨率、多维信息采集、处理与重建研究提供了新的辅助手段。并且，单一设备集成多功能，无需使用多太设备，大大节约了成本。同时，本发明设计切片自动进给装置，简化了人工频繁上片、取片的操作，从而实现了整个流程的自动化操作，满足数字切片扫描仪无人值守工作的要求。
另外，本系统采用先进的自适应判断机制，先对识别的样本图像预处理，分析出识别的类型，进行选择合适的通道来处理相关的样本图像，并且可以处理多种不同形状、尺寸的生物组织切片，识别的颗粒尺寸区间较大，可以识别从4~1000um的样本图像，高精度的光学系数换算机制可以直接从图像像素数换算为颗粒的实际尺寸。对于生物病例切片，本发明可统计肝脏纤维化所占的准确的面积因子，还可以计算出脂肪泡的面积因子，利用这两项最直接的指标提出纤维化判别准则，该准则通过实验测试和人工观测的结果基本一致，并且该系统还可以处理肺癌切片等一系列的病例切片，识别的范围较大。通过实验得到本发明多模态生物显微分析仪每百次生物组织显微分析结果为：其生物组织细胞计数偏差低于0.75%，细胞活率偏差低于0.9%，细胞壁厚分析偏差低于1.25%，细胞形态圆率偏差低于1.25%，识别速度快，识别精度高。
综上所述，与现有技术相比，本发明将高光谱成像技术，荧光成像技术与生物医学显微镜紧密结合，实现高分辨率、多维信息采集，提供高质量样本图像，进而提高识别质量。并且采用自适应快速算法对样本进行识别处理，进一步保证了识别精度。因此，与现有技术相比，本发明具有识别精度高、识别速度快、操作简单、降低劳动强度且节约成本的优点。
附图说明
图1为本发明多模态生物显微分析仪的系统原理图；
图2为本发明高光谱荧光光源系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
请参阅图1至图2，一种多模态生物显微分析仪，包括：多模式显微成像、高光谱荧光光源系统和控制系统，多模式显微成像系统用以自动进行图像采集，并将采集到的图像发送至控制系统；高光谱光源系统用以提供多模式显微成像的宽光谱连续可调的光线条件；控制系统分别与多模式显微成像连接，用以控制多模式显微成像系统和高光谱光源系统的动作，并对多模式显微成像系统采集到的图像进行分析识别，以及，对识别结果进行存储；多模式显微成像系统进一步包括：
线阵CCD扫描成像模块1：用以控制CCD的积分时间和采集帧率等相关控制信号，控制CCD芯片采集合成相关光学图像。
通过FPGA输出相关时序，控制CCD的积分时间和采集帧率等相关控制信号，控制CCD芯片采集合成相关光学图像。
CCD线性扫描驱动模块2：用以控制CCD的曝光时间、光学增益以及扫描间隔，与上位机通信，合理控制CCD成像条件；
控制CCD的曝光时间、光学增益以及扫描间隔，跟上位机接口，合理控制CCD成像条件。
光谱分光/聚焦模块3：用以控制输出的光谱动态范围，实现多光谱的分光输出；
通过分光棱镜，控制输出的光谱动态范围，实现多光谱的分光输出。
切片连续装载模块4：用以对多切片进行自动切换、装载、扫描，并进行编号和存储.
采用自动流水线技术，实现数字切片无人值守自动扫描、编号和存储。采用切片的自动装载技术，完成多切片的自动切换、装载、扫描，既提高切片扫描速度，又能避免人工装载对切片造成的损伤。
可切换吸收荧光滤光模块5：用以切换调整光源输出为高光谱，荧光光谱以及常规光谱输出；
通过切换调整光源输出为高光谱，荧光光谱以及常规光谱输出。
纳米级多自由度载物台模块6：应以将切片通过高精密电机控制调节到合适的成像距离，控制成像像面基本保持在一个水平基线上；
可精确控制行程的四自由度自动载物装置，把切片通过高精密电机控制调节到合适的成像距离，可以控制成像像面基本保持在一个水平基线上。
显微透镜组7：用以实现切片在载物台上的显微成像。具体包含物镜，目镜，管镜，准直镜，实现切片在载物台上的显微成像。
切片连续装置装载切片给载物台，通过显微透镜组实现光路转换，切换吸收荧光滤光模块对进来的光线进行三种模式的切换，后端的光谱分光聚焦模块实现光信号的分离，利用CCD线性扫描驱动和成像模块，实现光线在CCD像元上的延时积分，输出相关的采样电信号合成相关图像。
本发明采用高光谱可控光源实现光光谱显微成像分析并作为荧光光源实现荧光表征，并通过可切换的荧光滤光片实现传统光学和荧光显微模式间的切换；通过可切换的光谱分光棱镜配合线阵高感光冷CCD及其CCD线性扫描驱动装置，实现样本显微成像的光谱分析和形态分析模式之间的切换。
高光谱荧光光源系统包括：高强度LED模块、可切换荧光滤光模块和光源模式切换控制模块，其中，
高强度LED模块：用以根据实验环境调节LED强度来获取合理的照度，实现整套光路系统的基础照明。
可切换荧光滤光模块：用以控制是否采取激发态光源，输出荧光光源。
光源模式切换控制模块：用以控制输入光源为常规光源、荧光光源和高光谱光源。
其中，高强度LED模块为主光源，为基础的照明光源，光源模式切换控制模块选择合适的光源输入，可切换荧光滤光模块控制荧光光源的形成。
控制系统包括智能控制子系统和信息处理子系统，智能控制子系统进一步包括：
自适应运动连续对焦模块：用以通过电机控制自动载物台的运动轨迹，实现载物台的连续对焦，且运动轨迹为四自由度；
切片运动同步控制模块：用以通过电机控制切片连续装载模块自动切换、装载、扫描切片，实现切片的自动流水操作；
TDI线阵扫描控制模块：用以控制CCD像元的延时积分时间，把电信号通过AD采样转换为数字信号；
光谱扫描控制模块：用以通过电机控制光源模式切换控制模块、可切换荧光滤光模块、可切换吸收荧光滤光模块、光谱分光/聚焦模块转换到合适的拍照模态。
信息处理子系统包括：
数据库：用以存储分析得到的识别结果，识别结果具体包括组织特征和病理特征；
多维信息分析与挖掘模块：用以对生物样本切片和图片图像进行自适应快速算法分析识别样本类型，选择合适的通道处理相关样本图像，并将识别结果发送至数据库；其进一步包括：
快速识别单元：用以对生物样本切片和涂片图像进行自适应快速算法分析识别样本类型，确定样本为生物组织涂片或生物病例切片，并根据识别结果将样本图像信息发送至生物组织涂片处理单元或生物病例切片处理单元。
生物组织涂片处理单元：用以接收生物组织涂片样本图像信息，并对图像进行处理后将识别结果发送至数据库。
生物病例切片处理单元：用以接收生物病例切片样本图像信息，并对图像进行处理后将识别结果发送至数据库。
组织切片远程会诊平台模块：与数据库连接，用以根据数据库中相关组织特征和病理特征，利用远程视频会议系统，构建远程会诊平台。
系统安全模块：用以提供不同的注册机制，提供管理员账户和普通操作员账户，给不同人员提供不同的操作权限。
系统规范和标准扩展模块：用以提供可扩展的软件和硬件接口，提供新功能模块的接入机制。
具体地，本发明通过智能图像分割，自动识别有特定意义的图像成分，解剖结构和其他感兴趣的域。同时，生物组织多维信息图像，如荧光图像、和多光谱分析图像，本发明将相对应的组织结构融合在一起，往往能够获得更加丰富和有意义的信息。并且，本发明还采用AMIRA软件和3DSMAX，分别对初始医学图像三维模型进行网格重建和网格平滑处理，从而提高生物组织细胞三维模型的清晰程度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种多模态生物显微分析仪，其特征在于，包括：多模式显微成像、高光谱荧光光源系统和控制系统，所述多模式显微成像系统用以自动进行图像采集，并将采集到的图像发送至所述控制系统；所述高光谱光源系统用以提供多模式显微成像的宽光谱连续可调的光线条件；所述控制系统分别与所述多模式显微成像连接，用以控制所述多模式显微成像系统和高光谱光源系统的动作，并对所述所述多模式显微成像系统采集到的图像进行分析识别，以及，对识别结果进行存储；所述多模式显微成像系统进一步包括：
切片连续装载模块：用以对多切片进行自动切换、装载、扫描，并进行编号和存储；
纳米级多自由度载物台模块：应以将切片通过高精密电机控制调节到合适的成像距离，控制成像像面基本保持在一个水平基线上；
线阵CCD扫描成像模块：用以控制CCD的积分时间和采集帧率等相关控制信号，控制CCD芯片采集合成相关光学图像；
显微透镜组：用以实现切片在载物台上的显微成像；
可切换吸收荧光滤光模块：用以切换调整光源输出为高光谱，荧光光谱以及常规光谱输出；
光谱分光/聚焦模块：用以控制输出的光谱动态范围，实现多光谱的分光输出；
CCD线性扫描驱动模块：用以控制CCD的曝光时间、光学增益以及扫描间隔，与上位机通信，合理控制CCD成像条件；
所述切片连续装置装载切片给载物台，通过显微透镜组实现光路转换，切换吸收荧光滤光模块对进来的光线进行三种模式的切换，后端的光谱分光聚焦模块实现光信号的分离，利用CCD线性扫描驱动和成像模块，实现光线在CCD像元上的延时积分，输出相关的采样电信号合成相关图像。
2.如权利要求1所述的多模态生物显微分析仪，其特征在于，所述高光谱荧光光源系统包括：高强度LED模块、可切换荧光滤光模块和光源模式切换控制模块，其中，
所述高强度LED模块：用以根据实验环境调节LED强度来获取合理的照度，实现整套光路系统的基础照明。
可切换荧光滤光模块：用以控制是否采取激发态光源，输出荧光光源。
光源模式切换控制模块：用以控制输入光源为常规光源、荧光光源和高光谱光源。
其中，高强度LED模块为主光源，为基础的照明光源，光源模式切换控制模块选择合适的光源输入，可切换荧光滤光模块控制荧光光源的形成。
3.如权利要求1所述的多模态生物显微分析仪，其特征在于，所述控制系统包括智能控制子系统，所述智能控制子系统进一步包括：
自适应运动连续对焦模块：用以通过电机控制自动载物台的运动轨迹，实现载物台的连续对焦，且运动轨迹为四自由度；
切片运动同步控制模块：用以通过电机控制切片连续装载模块自动切换、装载、扫描切片，实现切片的自动流水操作；
TDI线阵扫描控制模块：用以控制CCD像元的延时积分时间，把电信号通过AD采样转换为数字信号；
光谱扫描控制模块：用以通过电机控制光源模式切换控制模块、可切换荧光滤光模块、可切换吸收荧光滤光模块、光谱分光/聚焦模块转换到合适的拍照模态。
4.如权利要求1所述的多模态生物显微分析仪，其特征在于，所述控制系统还包括信息处理子系统，所述信息处理子系统包括：
数据库：用以存储分析得到的识别结果，所述识别结果具体包括组织特征和病理特征；
多维信息分析与挖掘模块：用以对生物样本切片和图片图像进行自适应快速算法分析识别样本类型，选择合适的通道处理相关样本图像，并将识别结果发送至所述数据库；其进一步包括：
快速识别单元：用以对生物样本切片和涂片图像进行自适应快速算法分析识别样本类型，确定样本为生物组织涂片或生物病例切片，并根据识别结果将样本图像信息发送至所述生物组织涂片处理单元或生物病例切片处理单元；
生物组织涂片处理单元：用以接收生物组织涂片样本图像信息，并对图像进行处理后将识别结果发送至所述数据库；
生物病例切片处理单元：用以接收生物病例切片样本图像信息，并对图像进行处理后将识别结果发送至所述数据库；
组织切片远程会诊平台模块：与所述数据库连接，用以根据数据库中相关组织特征和病理特征，利用远程视频会议系统，构建远程会诊平台；
系统安全模块：用以提供不同的注册机制，提供管理员账户和普通操作员账户，给不同人员提供不同的操作权限；
系统规范和标准扩展模块：用以提供可扩展的软件和硬件接口，提供新功能模块的接入机制。
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