CN103776832A - 早期癌细胞无漏检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种早期癌细胞无漏检测系统，包括玻片夹具、图像获取机构、三维运动平台及中央控制系统，所述玻片夹具用于定位病理玻片，所述中央控制系统与所述图像获取机构、三维运动平台均信号连接，所述中央控制系统控制所述图像获取机构相对所述病理玻片平面运动而实现对所述病理玻片的逐行逐列拍摄，所述中央控制系统根据拍摄所得的图像识别筛查出疑似早期癌变细胞。该系统能够对所获取的细胞信息进行全检、比对，快速得到癌变细胞的筛查结果，为医生后续进行癌变细胞确认提供了精准的一手数据。

Description

早期癌细胞无漏检测系统

技术领域

本发明涉及早期癌细胞无漏检测系统。

背景技术

癌症是当今世界最常见的致命疾病之一，全球每年死于癌症的人高达数百万以上，人类在面对癌症这一世纪顽疾的过程中，始终没有找特效的治疗方法和药物。

癌细胞的增殖速度用倍增时间计算，1个变2个，2个变4个…以此类推。胃癌、肠癌、肝癌、胰腺癌、食道癌的倍增时间平均是31天；乳腺癌倍增时间是40多天。由于癌细胞不断倍增，癌症越往晚期发展得越快。

癌症可以分为3个阶段，

前三分之一可以预防、治愈；

中三分之一通过治疗可以减轻症状，早发现，早治疗，治愈率可达80%以上；

后三分之一治愈率只有10%~20%甚至更低。

癌症检测现状：

1、目前判断是否患癌症最终确诊在病理科，诊断依据量化病变信息很少，完全凭借病理科观察医生的经验。

2、观察漏检：

血液、尿液中出现代谢、脱落细胞的比率为百万分之一至千分之一，远远超出人力所能胜任检测范畴。

癌症检测存在问题：

1)形成过程很少被发现，如发现出现血尿等不适征兆再检查，往往已经处于中晚期。

2)在显微镜下放大到数千倍后，一个标准病理玻片大约需要数万至数百万个“视场”，目前的专家医生资源稀缺，多为在门诊医生“疑似”的情况下做最终确诊，不可能实现“筛查”。

3)检查过程极为痛苦，目前的检查手段多为膀胱镜，如男性需从生殖器前端插入至膀胱。

4)极易出现漏查—膀胱是一个“倒梨形”，膀胱镜有效检查面积仅为几个平方厘米，而膀胱内壁表面积约为数千平方厘米。

因此，有必要提供一种新的癌症检测系统。

发明内容

本发明提供一种新的早期癌细胞无漏检测系统。

本发明提供一种早期癌细胞无漏检测系统，包括玻片夹具、图像获取机构、三维运动平台及中央控制系统，所述玻片夹具用于定位病理玻片，所述中央控制系统与所述图像获取机构、三维运动平台均信号连接，所述中央控制系统控制所述图像获取机构相对所述病理玻片平面运动而实现对所述病理玻片的逐行逐列拍摄，所述中央控制系统根据拍摄所得的图像识别筛查出疑似早期癌变细胞。

进一步的，所述三维运动平台包括相互垂直并均由动力部件驱动的X轴、Y轴及Z轴，所述Z轴竖直并挂在所述X轴上，所述玻片夹具固定于所述Y轴，所述图像获取机构固定于所述Z轴，各所述动力部件与所述中央控制系统信号连接。

每次行运动完成后，使病理玻片列运动，接着再次行运动，循环下去，从而能够实现对病理玻片逐行逐列扫描，使每两张图片之间没有缝隙，这样拍摄下来的所有图片的总和即为病理玻片的全部信息。

进一步的，所述图像获取机构包括固定一体的显微镜头及图像传感器，所述显微镜头竖直向下并固定于所述Z轴，所述显微镜头与所述病理玻片平面平行相对。

进一步的，所述X轴、Y轴和Z轴为丝杆，所述动力部件为步进电机或伺服电机。

进一步的，所述玻片夹具包括底面支撑结构和上面压紧结构，所述底面支撑结构和上面压紧结构相对的部分分别设有上弹性体和下弹性体，所述病理玻片位于所述上弹性体和下弹性体之间。

进一步的，所述检测系统还包括用于限制所述显微镜头极限位置的上、下行程开关，所述上、下行程开关与所述中央控制系统信号连接。

进一步的，所述中央控制系统获取所述图像中各细胞的细胞核细胞质的面积比K；并比较所述面积比K和预设的面积比范围，根据比较结果识别筛查出疑似早期癌变细胞。

预设的面积比范围可以仅包括早期癌变细胞的细胞核细胞质面积比范围，从而可以实现膀胱癌的早期筛查。当然，预设的面积比范围也可以包括早期癌变细胞、中期癌变细胞和晚期癌变细胞中的一个或多个细胞核细胞质面积比范围。

细胞核细胞质的面积比包括：a)细胞核和细胞质的面积比；b)细胞核和细胞的面积比；c)细胞质和细胞的面积比。

本发明的有益效果是：该系统能够对所获取的细胞信息进行全检、比对，快速得到癌变细胞的筛查结果，为医生后续进行癌变细胞确认提供了精准的一手数据。

附图说明

图1是正常细胞的结构示意图；

图2是癌变细胞的结构示意图；

图3是本实施方式无漏检测系统的主视图；

图4是本实施方式无漏检测系统的仰视图；

图5是本实施方式无漏检测系统的俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施方式早期癌细胞无漏检测系统包括玻片夹具、图像获取机构、三维运动平台及中央控制系统，玻片夹具用于定位病理玻片，图像获取机构用于获取病理玻片的图像，三维运动平台用于带动图像获取机构相对病理玻片平面运动，中央控制系统用于根据所述图像实现对疑似早期癌细胞的识别筛查。

图像获取机构一般包括固定一体的显微镜头及图像传感器，图像传感器获取位于显微镜头视场内的病理玻片的图像，并将该图像传递到中央控制系统，中央控制系统对该图像内的细胞进行识别筛查。

一种筛查的方法是：获取所述图像中各细胞的细胞核细胞质的面积比K；比较所述面积比K和预设的面积比范围，根据比较结果筛查出疑似癌变细胞。

如图1所示，细胞由细胞膜1(cell membrane)、细胞质2(cytoplasm)和细胞核3(nucleus）三部分组成。如图2所示，对于病变的癌变细胞，其明显特征是细胞核膨胀而细胞质减少，即细胞核的面积增大而细胞质的面积减小。

设S1为细胞核面积，S2为细胞质面积，K=S1/S2。

对于正常细胞，K<a；

对于早期癌变细胞，a<K<b；

对于中期癌变细胞，b<K<c；

对于晚期癌变细胞，c<K<d。

对于上述K值的范围，可以是通过有限次实验和数据采集后，统计得出的经验值范围。

根据上述正常细胞、癌变细胞的细胞核、细胞质的面积比关系，能够实现膀胱癌的早期筛查。

三维运动平台能够带着图像获取机构对病理玻片逐行逐列拍摄，使每两张图片之间没有缝隙，使拍摄下来的所有图片的综合即为原病理玻片的全部信息。

三维运动平台能够使显微镜头与待拍摄的病理玻片平面平行相对，并且能够在保证两者的相对距离和平行度的前提下，使显微镜头能够沿着病理玻片的边沿方向连续运动。

如图3至图5所示，三维运动平台有三个轴，分别为相互垂直的X轴41、Y轴42和Z轴43，其中Z轴设于X轴上，Z轴行程大于等于显微镜头的最大工作距离，Z轴运动到最低时显微镜头到病理玻片的距离小于等于镜头的最小工作距离。工作时，将病理玻片通过玻片夹具固定在Y轴上，使病理玻片的短边与X轴平行，使病理玻片的长边与Y轴平行。将显微镜头竖直朝下的固定在Z轴上，通过Z轴运动调整显微镜头的焦距。X轴运动带动显微镜头运动，实现对病理玻片的“行扫描”，Y轴带动病理玻片运动，实现对病理玻片的“列扫描”。该X轴、Y轴及Z轴如现有丝杆，该丝杆由动力部件44驱动，该动力部件如步进电机或伺服电机。另外，为了保证沿X轴、Y轴和Z轴运动的精度，可以设置直线导轨。

以下举例说明如何选择电机和丝杆。扫描病理玻片时，显微镜头的一个视场长度最小为数十微米，这就要求三维运动平台要以微米为单位做微小步距的双向直线运动。电机配合丝杆、导轨的结构广泛用于高精度控制、测量中，机械加工工艺已基本成熟，能够完成以上要求。

电机是可以将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，其输入量为脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动，可通过电信号控制转动方向。由于该无漏检测系统一般负载在数十公斤以下，所以可以选用步进（伺服）电机，其力矩可以驱动系统正常工作。每输入到1个脉冲，步进（伺服）电机角位移1.8度，加上64细分的步进（伺服）电机驱动器后，理论上每个脉冲步进（伺服）电机转动0.02815度，配合丝杆，每个脉冲平台可移动的理论值为1微米以下，并且体积小巧，满足设计需求。

步进（伺服）电机工作时，偶尔会产生“丢步”、定位不准的现象，主要发生在启动时以及方向改变时，其原因为：1)方向改变时丢失脉冲，导致步进（伺服）电机定位不准；2)启动速度过快，导致丢步、定位不准。第一种现象是由步进（伺服）电机的本身特性引起的，对于第二种现象，通常的解决方法是做加速曲线，但在本三维运动平台中，由于每步的位移非常小，甚至只有几十微米，对应的脉冲数也会非常少，做加速曲线的空间有限，效果也不尽如人意。所以为了补偿以上情况产生的误差，本无漏检测系统还包括光栅尺。

光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，可用作直线位移或角位移的检测，广泛应用于机床、现代加工中心以及测量仪器上。它可将当前的位移转换成电脉冲信号，目前最高分辨率可达0.1微米。本检测系统可以使用一款分辨率为1微米的直线光栅尺，它可将位移量转换成AB两相相位相差90°的脉冲信号，通过数其单相输出的脉冲信号的个数即可知道当前的位移量，通过比较两相信号的相位超前或落后的关系，即可知道移动的方向。例如，定义A超前B为正方向，反之为反方向，接收端接收到单向10个脉冲信号，即可知当前位移为10微米，再比较A、B相的先后，若A超前B，则当前方向为正方向。

光栅尺的作用是：a)补偿每步由于步进（伺服）电机丢步以及加工精度引起的误差；b)记录当前的精确位置；c)记录当前运动方向；d)便于选用单片机+FPGA作为中央控制系统。

中央控制系统所需电信号处理的参数包括：

步进（伺服）电机：a、步距设置；b、方向控制；c、速度控制；d、启停信号；

光栅尺：a、脉冲个数；b、AB相相位关系；

行程开关：限位电信号

光源：a、光源选择信号；b、光亮度控制信号；c、过流报警信号。

要实现对以上信号的处理，如果使用基本逻辑门以及计数器、译码器等基本逻辑器件搭建成控制电路，需要上百的逻辑器件，将会是一个十分复杂的电路。

FPGA即现场可编程阵列，可以通过硬件描述语言完成电路设计，通过建大的综合和布局，快速烧录到FPGA里面。它具有如下特点：

a、采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

b、FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

c、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

d、FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

e、功耗低；

f、可无限重复擦写。

用FPGA代替ASIC电路，将原本电路大大简化。

用单片机作为主控制芯片，它可以通过串口与上位机通信，同时可以将FPGA作为外设进行访问。它的作用在于，解析上位机命令，通过读写FPGA中的寄存器，控制各个设备的正常工作，并且将设备状态信息发送回给上位机。

玻片夹具5主要用于保证病理玻片的待查面积最大。

要进行“无漏检查”，就要拍摄病理玻片上每一个区域，不使病理玻片上的信息有任何遗漏。作为病理玻片的固定结构，玻片夹具要尽可能少的占用病理玻片的有效面积。玻片夹具包括底面支撑结构51和上面压紧结构52，底面支撑结构和上面压紧结构上下相对的部分为橡皮材料。当上面压紧结构下压时，上下橡皮材料的间距稍小于病理玻片厚度。使用时，将病理玻片尾部（手持部分，不需拍摄）放在底面支持结构上，再用上面压紧结构压紧，这样一来，病理玻片的全部有效面积都可以露在显微镜头以下。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (7)

1.一种早期癌细胞无漏检测系统，其特征在于，包括玻片夹具、图像获取机构、三维运动平台及中央控制系统，所述玻片夹具用于定位病理玻片，所述中央控制系统与所述图像获取机构、三维运动平台均信号连接，所述中央控制系统控制所述图像获取机构相对所述病理玻片平面运动而实现对所述病理玻片的逐行逐列拍摄，所述中央控制系统根据拍摄所得的图像识别筛查出疑似早期癌变细胞。

2.如权利要求1所述的早期癌细胞无漏检测系统，其特征在于，所述三维运动平台包括相互垂直并均由动力部件驱动的X轴、Y轴及Z轴，所述Z轴竖直并挂在所述X轴上，所述玻片夹具固定于所述Y轴，所述图像获取机构固定于所述Z轴，各所述动力部件均与所述中央控制系统信号连接。

3.如权利要求2所述的早期癌细胞无漏检测系统，其特征在于，所述图像获取机构包括固定一体的显微镜头及图像传感器，所述显微镜头竖直向下并固定于所述Z轴，所述显微镜头与所述病理玻片平面平行相对。

4.如权利要求3所述的早期癌细胞无漏检测系统，其特征在于，所述X轴、Y轴和Z轴为丝杆，所述动力部件为步进电机或伺服电机。

5.如权利要求4所述的早期癌细胞无漏检测系统，其特征在于，所述玻片夹具包括底面支撑结构和上面压紧结构，所述底面支撑结构和上面压紧结构相对的部分分别设有上弹性体和下弹性体，所述病理玻片位于所述上弹性体和下弹性体之间。

6.如权利要求5所述的早期癌细胞无漏检测系统，其特征在于，还包括用于限制所述显微镜头极限位置的上、下行程开关，所述上、下行程开关与所述中央控制系统信号连接。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的早期癌细胞无漏检测系统，其特征在于，所述中央控制系统获取所述图像中各细胞的细胞核细胞质的面积比K；并比较所述面积比K和预设的面积比范围，根据比较结果识别筛查出疑似早期癌变细胞。

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