CN107357031A - 一种镜像显微成像装置及自动化显微操作针姿态校准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镜像显微成像装置及自动化显微操作针姿态校准系统和方法。其中，镜像显微成像装置包括镜像形成器、镜像形成器支架和运动执行机构，所述运动执行机构沿Y轴方向固定安装于显微镜载物台上，所述镜像形成器支架沿X轴方向设置且镜像形成器支架一端与运动执行机构连接，所述镜像形成器安装于镜像形成器支架的另一端，所述镜像形成器的平面镜所在面与显微镜载物台的水平面呈45°夹角且与冠状面呈45°夹角。本发明可采用简单的结构和方案校准显微操作针功能部姿态至理想状态，即显微操作针的功能部与水平面之间位置关系。

Description

一种镜像显微成像装置及自动化显微操作针姿态校准系统和 方法

技术领域

本发明涉及显微仪器设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种镜像显微成像装置及自动化显微操作针姿态校准系统和方法。

背景技术

倒置显微镜是生物学实验室重要的仪器设备，在显微操作领域是不可或缺的工具。单精子胞浆内注射(ICSI)作为男性不育症的治疗手段，已成为优选的授精方法，在全世界得到广泛应用。传统ICSI方法由人工操作显微操作装置完成ICSI过程。Lu等人描述了一种选择精子并且由操作人员实行对卵母细胞执行机器人化ICSI(Lu等人.IEEE TransBiomed Eng.2011Jul；58(7):2102-8.doi:10.1109/TBME.2011.2146781.Epub 2011Apr25.)。专利“自动化胞浆内精子注射辅助授精系统”(申请号：CN201380021578.9)描述了一种完整的ICSI自动化系统。限于ICSI技术的复杂性，机器人化ICSI和ICSI自动化系统还有许多细节问题有待解决，离临床应用还有很长的距离。目前，传统的ICSI方法做为一种比较可靠的方法，仍旧是临床应用的唯一方法。

传统ICSI方法涉及到的倒置显微镜与显微注射系统、显微操作系统共同组成执行显微操作的装置。倒置显微镜包含了光源11、载物台12、目镜13等基本功能部件，显微注射系统包含了显微操作针14、持针器15、持针器水平面角度调节器16、持针器冠状面角度调节器17等基本功能部件，显微操作系统包含了持针器立体位置调节器18等基本功能部件。其中，显微操作针14具有特殊结构，包括细长状的主体及与主体呈夹角的功能部141。传统ICSI方法显微操作针组装后与相关装置的关系如图1所示。

为了便于说明，现在将涉及到的方向予以限定。设定显微镜载物台为方形，具有左121、右122、前123、后124四边，如图1所示。与载物台前123或后124平行为X轴，与载物台左121或右122平行为Y轴，与载物台12垂直为Z轴。XY构成水平面、XZ构成冠状面、YZ构成矢状面。与Y轴平行由近及远的视角为平视视角，与Z轴平行由上往下的视角为俯视视角。

显微操作针的安装要求非常严格。理想的显微操作针姿态具有以下两个特征：一、在俯视视角，显微操作针的功能部141中心剖面与冠状面平行，如图2所示；二、在平视视角，显微操作针的功能部141下缘与水平面平行，如图3所示。

俯视视角是显微镜的常规视角，可以直接观察显微操作针的功能部141中心剖面与冠状面是否平行。由于现有光学显微镜技术的限制，实际上观察不到图3所示的平视视角的显微图像，从而无法判断安装后的显微操作针的姿态是否处在第二个理想特征的状态。

显微操作针安装效果的严格性是获得理想显微操作结局所要求的。显微操作针功能部中心剖面与冠状面或显微操作针功能部下缘与水平面的夹角越大，对显微操作对象即卵母细胞的损伤越大，同时操作越困难，导致显微操作结局变差。为了达到理想的显微操作管姿态，在俯视视角，操作者通过目镜观察，调整持针器水平面角度调节器16、持针器冠状面角度调节器17、持针器立体位置调节器18等部件可以实现第一个特征，即图2所示状态。但是，因为在平视视角观察不到显微操作针的功能部141的显微图像，自然也就无法判断显微操作针的功能部141下缘与水平面之间的夹角大小。

不同显微操作管其功能部粗细不同，常用的持卵针、注射针、活检针功能部的外径分别是120μm、10μm、40μm；长度不同，300～1000μm左右；角度不同，显微操作针主体部与功能部的弯角为人工煅烧而成，每种型号及同一型号的不同个体的弯角之间存在角度差异；另外，显微操作针安装后其功能部距离显微镜载物台面距离非常短，约500μm。显然，通过裸眼判断其是否水平非常困难；设计一种超近距的摄像装置从水平视角观察显微操作管功能部也存在较大难度。

目前的现状是，判断显微操作针的功能部141下缘与水平面之间的夹角全凭操作者经验。同一个操作者安装不同型号的显微操作针或者同一个操作者不同时间安装相同型号的显微操作针仍然会发生较大的主观差异。对于显微操作针安装的重要性及技术现状在专著《Practical Manual of In Vitro Fertilization》332～334页有更详细的论述。

为了解决传统ICSI方法中显微操作管精密安装的技术问题，有必要设计一种自动化显微操作针姿态校准系统及校准方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动化显微操作针姿态校准系统及校准方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种镜像显微成像装置，包括镜像形成器、镜像形成器支架和运动执行机构，所述运动执行机构沿Y轴方向固定安装于显微镜载物台上，所述镜像形成器支架沿X轴方向设置且镜像形成器支架一端与运动执行机构连接，所述镜像形成器安装于镜像形成器支架的另一端，所述镜像形成器的平面镜所在面与显微镜载物台的水平面呈45°夹角且与冠状面呈45°夹角。

进一步地，所述镜像形成器的平面镜区域为方形。

进一步地，所述镜像形成器支架是连接所述镜像形成器与运动执行机构的刚性物理结构。

进一步地，所述运动执行机构为直线滑块导轨结构。

进一步地，还包括设于镜像形成器平面镜一侧的光源，该光源用于增强平视视角的光线强度。

本发明还提供一种自动化显微操作针姿态校准系统，包括，

镜像显微成像装置；

倒置显微镜系统，包括手动/自动对焦单元和视频图像采集器；

显微操作系统，包括持针器、持针器锚定器、持针器前后/左右/上下位移驱动器；

与所述持针器机械耦合的持针器旋转驱动器；

与所述所述持针器锚定器机械耦合的冠状面角度驱动器；

与所述所述持针器锚定器机械耦合的矢状面角度驱动器；

用于功能啮合上述装置的机器，其包括集成有处理软件的中央处理单元，所述处理软件用于自动化监视和控制镜像形成器就位、倒置显微镜系统自动对焦、视频图像采集及分析、持针器前后/左右/上下位移驱动器、持针器旋转驱动器和角度驱动器。

本发明提供一种自动化显微操作针姿态校准系统的校准方法，包括以下步骤，

S1、手动将左、右两支显微操作针组装在相应持针器上；

S2、手动将持针器固定在持针器锚定器上；

S3、手动调整显微操作针功能部至视野中央区域；

S4、启动机器自动校准模式；

S5、倒置显微镜自动对焦单元及持针器前后/左右/上下位移驱动器联合作用，得到显微操作管功能部于水平面视频图像；

S6、视频图像采集器采集水平面视频图像；

S7、软件分析水平面视频图像中显微操作管功能部于水平面与X轴的角度α，启动持针器旋转驱动器及矢状面角度驱动器，校准到α＝0，完成冠状面的校准；

S8、镜像形成器定位到距离显微操作针功能部最短距离的位置；

S9、倒置显微镜自动对焦单元及持针器上下位移驱动器联合作用，得到显微操作管功能部于冠状面的视频图像；

S10、视频图像采集器采集冠状面视频图像；

S11、软件分析冠状面视频图像中显微操作管功能部于冠状面与X轴的角度α’，启动冠状面角度驱动器，校准到α’＝0，完成矢状面的校准；

S12、镜像形成器复位，系统整体处于ICSI操作准备就绪状态。

进一步地，在步骤S4中，机器可以设置先后对左、右两支显微操作管姿态执行自动校准，也可以同时进行校准。

进一步地，在步骤S8中，最短距离为0.5mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可采用简单的结构和方案校准显微操作针功能部姿态至理想状态，即显微操作针的功能部与水平面之间位置关系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1传统ICSI方法显微操作针组装后与相关装置关系的结构示意图。

图2理想的显微操作针姿态之一：于俯视视角，显微操作针功能部中心剖面与冠状面平行。

图3理想的显微操作针姿态之二：于平视视角，显微操作针功能部下缘与水平面平行。

图4普通光学显微镜的基本成像原理示意图。

图5为本发明的自动化显微操作针姿态校准系统结构示意图。

图6为本发明的镜像显微成像装置结构示意图。

图7为本发明的镜像显微成像原理示意图。

图8为本发明的显微操作针功能部的镜像显微成像效果图：在平视视角于镜像形成器成镜像的显微操作针部分从目镜中可以观察到其显微图像。

图9为本发明自动化显微操作针姿态校准系统在校准前于俯视视角获得的显微操作针功能部显微图像。

图10为本发明自动化显微操作针姿态校准系统在校准后于俯视视角获得的显微操作针功能部显微图像。

图11为本发明自动化显微操作针姿态校准系统在校准前从目镜获得的显微操作针功能部于平视视角的镜像显微图像。

图12为本发明自动化显微操作针姿态校准系统在校准后从目镜获得的显微操作针功能部于平视视角的镜像显微图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一

显微操作管姿态校准就是在俯视视角和平视视角校准显微操作针功能部的姿态至理想状态。如背景所述，平视视角的显微图像尚不能获得。因此，要实现自动化显微操作针姿态校准，首先要解决的技术问题是：实时获得显微操作针功能部141在水平视角的显微图像。

普通光学显微镜的基本成像原理是光源11的光线穿过透明的显微操作针的功能部141直接进入以物镜13为起始的光学成像系统，如图4所示。显然，成像的视角为与光线平行的Z轴俯视视角。这种视角是单一的，即只能从俯视视角观察。

为了实现平视视角的显微操作针功能部141的显微图像，如图图5和6所示，本发明设计了一种镜像显微成像装置19，包括镜像形成器191、镜像形成器支架192和运动执行机构193，所述运动执行机构193沿Y轴方向固定安装于显微镜载物台上，所述镜像形成器支架192沿X轴方向设置且镜像形成器支架192一端与运动执行机构193连接，所述镜像形成器191安装于镜像形成器支架192的另一端，所述镜像形成器191的平面镜所在面与显微镜载物台的水平面呈45°夹角且与冠状面呈45°夹角。

所述镜像形成器的镜像形成结构为平面镜，用于捕获被观察物体与特定视角的镜像，采用玻璃、金属等材质经平面镜工艺加工而成，优选的，平面镜区域为方形。

所述镜像形成器支架是连接所述镜像形成器与运动执行机构的刚性物理结构。

所述运动执行机构193可以采用直线滑块导轨、轴关节等位移机构，通过运动执行机构可以将物体精确的从原点移到另一个特定位点，并且可以复位。

所述运动执行机构193可选择性地由人力驱动将滑块从导轨的一个位点移到另一个位点或者轴关节连接镜像形成器的一个臂从一个角度移到另一个角度。

所述运动执行机构还可选择性地由驱动器驱动，即实现自动控制功能。

本发明还可以包括设于镜像形成器191平面镜一侧的光源194，该光源194用于增强平视视角的光线强度；增加被观察物体于镜像形成器上镜像的亮度。

所述的镜像显微成像装置的原理是：利用平镜面成像特性，光线从特定视角(本发明中为平视视角)穿过物体(本发明中为显微操作管功能部141)射在平面镜上，经过反射进入以物镜为起始的光学成像系统，从而获得物体的显微图像，该图像是物体在特定视角条件下于平面镜上形成的镜像的显微图像。如图7所示，平面镜MN与载物台平面(水平面)OS呈45°夹角，与冠状面呈45°夹角，穿过透明物体S的入射光A以入射角θi、入射点O射在平面镜MN上，N为法线，以反射角θr反射形成反射光B进入物镜，获得的图像为镜像S’的显微放大图像。

镜像形成器支架192，与所述镜像形成器支架192连接的运动执行机构193作为镜像形成器191就位与复位的参与组件，镜像形成器191的就位/复位轨迹收到运动执行机构193限制与载物台Y轴平行。

镜像显微成像效果图如图8所示。在平视视角于镜像形成器成镜像的显微操作针部分从目镜中可以观察到其显微图像，没在有镜像形成器成镜像的部分不能观察其图像。又因为镜像的特点，在目镜中观察到的图像与显微操作针功能部的实际方向呈镜像对称，显示为倒立的特征。在示意图中，镜像显微图像显示显微操作管功能部141下缘处于非水平姿态。

本发明通过在现有倒置显微镜上加装镜像显微成像装置就可以得到水平视角的显微操作管功能部141的显微放大图像，从而为判断并调整显微操作针功能部的水平姿态奠定技术基础。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例还提供一种自动化显微操作针姿态校准系统，包括，

实施例一的镜像显微成像装置19；

倒置显微镜系统，包括手动/自动对焦单元21、视频图像采集器22；

显微操作系统，包括持针器23、持针器锚定器24、持针器前后/左右/上下位移驱动器25；

与所述持针器机械耦合的持针器旋转驱动器28；

与所述所述持针器锚定器机械耦合的冠状面角度驱动器27，取代持针器冠状面角度调节器17；

与所述所述持针器锚定器机械耦合的水平面角度驱动器26，取代持针器水平面角度调节器16；

用于功能啮合上述装置的机器，其包括集成有处理软件的中央处理单元，所述处理软件用于自动化监视和控制镜像形成器就位、倒置显微镜系统自动对焦、视频图像采集及分析、持针器前后/左右/上下位移驱动器、持针器旋转驱动器和角度驱动器。

如图9所示，在校准前，于俯视视角获得的显微图像，其中显微操作管功能部在水平面的投影与X轴的角度α1≠0、α2≠0。

如图11所示，在校准前，于平视视角获得的镜像显微图像：显微操作管功能部下缘在冠状面的投影与X轴的角度α1’≠0、α2’≠0。

所述自动化显微操作针姿态校准系统的校准方法具体包括以下步骤：

S1、手动将左、右两支显微操作针组装在相应持针器上；

S2、手动将持针器固定在持针器锚定器上；

S3、手动调整显微操作针功能部至视野中央区域；

S4、启动机器自动校准模式；

S5、倒置显微镜自动对焦单元及持针器前后/左右/上下位移驱动器联合作用，得到显微操作管功能部于水平面视频图像；

S6、视频图像采集器采集水平面视频图像；

S7、软件分析水平面视频图像中显微操作管功能部于水平面与X轴的角度α，启动持针器旋转驱动器及矢状面角度驱动器，校准到α＝0，完成冠状面的校准；

S8、镜像形成器定位到距离显微操作针功能部最短距离的位置；

S9、倒置显微镜自动对焦单元及持针器上下位移驱动器联合作用，得到显微操作管功能部于冠状面的视频图像；

S10、视频图像采集器采集冠状面视频图像；

S11、软件分析冠状面视频图像中显微操作管功能部于冠状面与X轴的角度α’，启动冠状面角度驱动器，校准到α’＝0，完成矢状面的校准；

S12、镜像形成器复位，系统整体处于ICSI操作准备就绪状态。

通过以上调整，如图10所示，自动化显微操作针姿态校准后于俯视视角获得显微操作针功能部的显微图像：显微操作管功能部中心剖面在水平面的投影与X轴的角度α1＝0、α2＝0。

如图12所示，自动化显微操作针姿态校准后从目镜获得的显微操作针功能部于平视视角镜像显微图像：显微操作管功能部下缘于在冠状面的投影与X轴的角度α1’＝0、α2’＝0。

即本发明实现了校准显微操作针功能部姿态至理想状态，即显微操作针的功能部与水平面之间位置关系。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种镜像显微成像装置，其特征在于：包括镜像形成器、镜像形成器支架和运动执行机构，所述运动执行机构沿Y轴方向固定安装于显微镜载物台上，所述镜像形成器支架沿X轴方向设置且镜像形成器支架一端与运动执行机构连接，所述镜像形成器安装于镜像形成器支架的另一端，所述镜像形成器的平面镜所在面与显微镜载物台的水平面呈45°夹角且与冠状面呈45°夹角。

2.根据权利要求1所述的镜像显微成像装置，其特征在于：所述镜像形成器的平面镜区域为方形。

3.根据权利要求1所述的镜像显微成像装置，其特征在于：所述镜像形成器支架是连接所述镜像形成器与运动执行机构的刚性物理结构。

4.根据权利要求1所述的镜像显微成像装置，其特征在于：所述运动执行机构为直线滑块导轨结构。

5.根据权利要求1所述的镜像显微成像装置，其特征在于：还包括设于镜像形成器平面镜一侧的光源，该光源用于增强平视视角的光线强度。

6.一种自动化显微操作针姿态校准系统，其特征在于：包括，

权利要求1-5任意一项所述的镜像显微成像装置；

倒置显微镜系统，包括手动/自动对焦单元和视频图像采集器；

显微操作系统，包括持针器、持针器锚定器、持针器前后/左右/上下位移驱动器；

与所述持针器机械耦合的持针器旋转驱动器；

与所述所述持针器锚定器机械耦合的冠状面角度驱动器；

与所述所述持针器锚定器机械耦合的矢状面角度驱动器；

用于功能啮合上述装置的机器，其包括集成有处理软件的中央处理单元，所述处理软件用于自动化监视和控制镜像形成器就位、倒置显微镜系统自动对焦单元、视频图像采集及分析、持针器前后/左右/上下位移驱动器、持针器旋转驱动器和角度驱动器。

7.一种根据权利要求6所述的自动化显微操作针姿态校准系统的校准方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1、手动将左、右两支显微操作针组装在相应持针器上；

S2、手动将持针器固定在持针器锚定器上；

S3、手动调整显微操作针功能部至视野中央区域；

S4、启动机器自动校准模式；

S5、倒置显微镜自动对焦单元及持针器前后/左右/上下位移驱动器联合作用，得到显微操作管功能部于水平面视频图像；

S6、视频图像采集器采集水平面视频图像；

S7、软件分析水平面视频图像中显微操作管功能部于水平面与X轴的角度α，启动持针器旋转驱动器及矢状面角度驱动器，校准到α＝0，完成冠状面的校准；

S8、镜像形成器定位到距离显微操作针功能部最短距离的位置；

S9、倒置显微镜自动对焦单元及持针器上下位移驱动器联合作用，得到显微操作管功能部于冠状面的视频图像；

S10、视频图像采集器采集冠状面视频图像；

S11、软件分析冠状面视频图像中显微操作管功能部于冠状面与X轴的角度α’，启动冠状面角度驱动器，校准到α’＝0，完成矢状面的校准；

S12、镜像形成器复位，系统整体处于ICSI操作准备就绪状态。

8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于：在步骤S4中，机器可以设置先后对左、右两支显微操作管姿态执行自动校准，也可以同时进行校准。

9.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于：在步骤S8中，最短距离为0.5mm。