CN107561075B - 细胞dna倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法 - Google Patents
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Abstract
细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法,将载玻片上的图像快速扫描完成，通过每次Z轴变化时相应的梯度值数据，计算出每步Z轴运动的梯度值平均变化量，通过对扫描完的所有图像的梯度值计算，得出此时梯度值与最大梯度值之间的差值，计算出此时Z轴的位置距离最大梯度值时Z轴的位置之间的步数，该步数作为补偿依据。用梯度值的平均变化量和步数相乘获得需要补偿的梯度值来补偿图像，达到与聚焦相同的技术效果。与现有技术相比，本发明提供的用于细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法适用于批量扫描图片的处理过程，一个载玻片的全部扫描过程只需要一次聚焦，缩短了扫描的时间，提高了效率。
Description
技术领域
本发明属于三维运动平台操纵方法技术领域，涉及一种用于细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法。
背景技术
显微镜对图像进行扫描的过程中，需要调制焦距聚焦，以便找到最清晰的图像，聚焦过程耗时费力。为了快速聚焦，提高精度，现有的显微镜常采用以下方式提高效率。第一种方式是“金相三维自动平台”(曾立波等：“金相三维自动平台”，《金属热处理》，2002年第27卷第9期。)一文介绍的通过软件来控制载物平台在X轴、Y轴、Z轴方向的运动，自动移动、自动聚焦，改变了自动聚焦的算法，采用图像灰度差分绝对值之和算法。
第二种方式是“普通显微镜操作控制平台的自动化改造”(丁良：“普通显微镜操作控制平台的自动化改造”，山东大学硕士学位论文，2006年。)一文介绍的方法：在上位机图像处理中，对当前图像清晰度判别函数进行对比，并采用小波变换对图像清晰度进行判别，使系统聚焦。对系统的运动精度和定位精度进行分析，用误差补偿的方法提高系统精度。
第三种方式是“激光扫描共焦显微镜图像的亮度补偿”(唐郭强等：“激光扫描共焦显微镜图像的亮度补偿”，《激光杂志》，2006年第27卷第6期。)一文介绍的用自适应亮度补偿方法改进激光扫描共焦显微镜所获取图像的视觉效果的方法：Z轴向下取16帧图像，由于噪声的影响，不同高度之间的图像清晰度、亮度和对比度不同，越向下亮度越低，通过每次Z轴向下取图像时，不断调节，增大激光功率，弥补光强的衰减，提高成像效果和扫描速度。
上述现有的三种提高显微镜图像质量和/或扫描速度的方法都是在聚焦上改变方法，对于解决单张扫描图像的质量和速度问题具有效果。但是将上述方法应用于同一载玻片的不同位置图像进行批量采集过程中，批量扫描成像的时候还是需要每次对平台移动后扫描的区域进行聚焦，聚焦过程累积耗费的时间非常可观。
细胞DNA倍体分析采集图像的过程是一个批量采集过程。批量采集时，需要每次对不同位置的细胞图像进行聚焦扫描成像，每次的成像过程需要调制焦距聚焦。现有技术每张图像的采集时间平均大约需要1秒，假设一个载玻片批量采集900张图像，大概需要15分钟的时间完成一次采集过程。考虑到替换载玻片等准备工作的时间，对于体检单位或者医院这样的机构，一台显微镜一天8小时工作时间最多能处理30份样本数据的采集。采集时间长，工作效率低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种提高成像速度的用于细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法。
细胞DNA倍体分析的三维运动平台，包括图像信息采集系统，显微镜运动控制系统和计算机，所述计算机中设有图像分析系统和MySQL数据库，所述细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法，包括如下方法步骤：
S1：做好工作台的准备工作；
S2：将显微镜载物平台复位到原点起始位置，利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴运动，对白板载玻片进行位置扫描标定，记录下每次扫描的位置坐标，并将位置坐标扫描数据存储到所述MySQL数据库中；
S3：用载有细胞DNA倍体的待扫描载玻片置换出步骤S2中的白板载玻片，手动调节Z轴聚焦到图像最清晰的位置，保持Z轴位置和光源亮度不变；
S4：将显微镜载物平台复位，利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴沿步骤S2中标定的位置坐标移动扫描成像，并将在标定的位置坐标上扫描成像的图像数据和对应的标定位置坐标全部存储到MySQL数据库中；
S5：对步骤S4中获得并保存的所有图像进行梯度值计算，找到梯度值最大的图像P1并记录和保存其梯度值T1，找到梯度值最小的图像P2并记录和保存其梯度值T2；
S6：利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴运动，将显微镜快速定位到最清晰的图像P1的位置；
S7：利用显微镜运动控制软件控制Z轴以固定运动步长在同一区域图像上下运动，通过算法程序计算Z轴每步运动后成像的图像梯度值并保存到MySQL数据库，找到图像达到最小的梯度值T2的图像P11对应的Z轴位置，计算Z轴每步运动的梯度值平均变化值并保存到MySQL数据库；
S8：以梯度值为T1的图像P1为基准，计算步骤S7中获得的每个图像校准到梯度值为T1的Z轴运动步长，计算出Z轴需要运动的步数，将上述计算出的Z轴需要运动的步数作为正式细胞DNA倍体分析扫描成像补偿步长依据，将Z轴运动步长数据保存到MySQL数据库；
S9：将步骤S4中获得的所有图像按照步骤S8中获得的补偿步长依据补偿，通过Z轴每步运动的图像梯度值的平均变化量和步骤S8中计算得出的Z轴需要运动的步数相乘获得需要补偿的梯度值来补偿图像；使其梯度值为T1或者接近T1，完成扫描过程。
优选的，所述步骤S7中所说的固定运动步长为0.3-0.7mm。
优选的，所述步骤S7中所说的固定运动步长为0.58mm
与现有技术相比，本发明提供的用于细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法适用于批量扫描图片的处理过程，一个载玻片的全部扫描过程只需要一次聚焦，其余图像通过成像补偿的方式达到图像的清晰度要求。由于不需要对每张图像进行聚焦，大大缩短了扫描的时间，提高了效率。
附图说明
图1是细胞DNA倍体分析三维运动平台的结构示意图；
图2是本发明细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法的流程图；
图3是梯度值是1.97717的原始图像；
图4是对图3进行步长补偿后的图像；
图5是聚焦至梯度值为2.10301后的图像。
具体实施方式
如图1所示的细胞DNA倍体分析的三维运动平台，包括图像信息采集系统1，显微镜运动控制系统2和计算机3，所述计算机3中设有图像分析系统和MySQL数据库。其中，图像采集系统1用于前期对白板载玻片的位置标定信息的采集，和后期正式图像扫描时对细胞DNA的扫描成像，并将成像图像保存在计算机3中的MySQL数据库。显微镜运动控制系统2通过显微镜载物平台运动控制软件来实现对显微镜的X轴、Y轴、Z轴的运动控制，可以对白板载玻片的标定位置进行快速定位，可以快速定位最大梯度值和最小梯度值的位置。计算机3中的图像分析系统用于对正式细胞DNA扫描成像的分析和计算，计算扫描成像图像的梯度值，每步运动的图像梯度值，分析梯度值最大和梯度值最小的位置，对Z轴每步运动后的梯度值变化进行计算，作为补偿时的参数，Z轴运动的步数作为图像补偿依据来补偿图像到最大梯度值，得到清晰图像。
如图2所示，所述细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法，包括如下步骤：
S1：做好工作台的准备工作；
S2：将显微镜载物平台复位到原点起始位置，利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴运动，对白板载玻片进行位置扫描标定，记录下每次扫描的位置坐标，并将位置坐标扫描数据存储到所述MySQL数据库中，保存为mydata.MYD文件；
S3：用载有细胞DNA倍体的待扫描载玻片置换出步骤S2中的白板载玻片，手动调节Z轴聚焦到图像最清晰的位置，保持Z轴位置和光源亮度不变；
S4：将显微镜载物平台复位，利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴沿步骤S2中标定的位置坐标移动扫描成像，并将在标定的位置坐标上扫描成像的图像数据和对应的标定位置坐标全部存储到MySQL数据库中的mydata.MYD文件中，目的是匹配标定位置坐标和对应的图像；
S5：对步骤S4中获得并保存在mydata.MYD文件中的所有图像进行梯度值计算，找到梯度值最大的图像P1并记录和保存其梯度值T1，本实施例中，T1＝2.10301；找到梯度值最小的图像P2并记录和保存其梯度值T2，本实施例中，T2＝1.79717；
S6：利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴运动，将显微镜快速定位到最清晰的图像P1的位置；
S7：利用显微镜运动控制软件控制Z轴以0.3-0.7mm的固定运动步长在同一区域图像上下运动，本实施例Z轴固定运动步长为0.58mm；通过算法程序计算Z轴每步运动后成像的图像梯度值并保存到MySQL数据库mydata.MYD文件中，找到图像达到最小的梯度值T2的图像P11对应的Z轴位置，计算Z轴每步运动的梯度值平均变化值并保存到MySQL数据库mydata.MYD文件中；
本实施例中Z轴运动和梯度值变化情况如下：Z＝0，梯度值为2.10301；Z＝1，梯度值为2.05564；Z＝2，梯度值为2.00835；Z＝3，梯度值为1.95384；Z＝4，梯度值为1.90076；Z＝5，梯度值为1.85168；Z＝6，梯度值为1.79717；计算得出Z轴每步运动的梯度值平均变化量为0.05097；
S8：以梯度值为T1＝2.10301的图像P1为基准，计算步骤S7中获得的每个图像校准到梯度值为T1的Z轴运动步长，计算出Z轴需要运动的步数，将上述计算出的Z轴需要运动的步数作为正式细胞DNA倍体分析扫描成像补偿步长依据，将Z轴运动步长数据保存到MySQL数据库mydata.MYD文件；
S9：将步骤S4中获得的所有图像按照步骤S8中获得的补偿步长依据补偿，通过Z轴每步运动的图像梯度值的平均变化量和步骤S8中计算得出的Z轴需要运动的步数相乘获得需要补偿的梯度值来补偿图像；使其梯度值为T1或者接近T1，完成扫描过程。
如图3所示，本实施例中原始图像的梯度值为1.97717，根据前述补偿标准，图像校准到梯度值为T1＝2.10301的Z轴运动步数为(2.10301-1.97717)/0.05097＝2步，计算出Z轴需要运动的步数为2步。用该需要补偿的步数乘以平均每步的梯度值变化量计算出需要补偿的梯度值，将该梯度值补偿到待补偿的图像上即可获得清晰图像。本实施例中图3所示的图像需要补偿的梯度值为2*0.05097＝0.10194，补偿后的梯度值为1.97717+0.10194＝2.07911，该值与最大梯度值T1＝2.10301非常接近。补偿后的图像如图4所示。
根据前述补偿标准，图3需要将Z轴移动两步获得最大的梯度值，即最清晰的图像。操纵Z轴移动两步后图像如图5所示。
可以看出，此时图4与图5清晰度相近，都为最清晰的图像。表明本发明提供的方法能够达到较优的技术效果。
采用本发明提供的方法，由于没有对每张图像的聚焦过程，每张图像的采集平均大约需要0.5秒时间。批量采集900张图像大概需要8分钟的时间。考虑到替换载玻片等准备工作的时间，一台显微镜一天8小时工作时间可处理60多份样本数据的采集。比现有技术的采集方法节省了一半的时间，工作效率提高了一倍。
本发明创造的原理是：单张图像聚焦是通过算法每次扫描成像的时候找到最清晰的图像，此时一般是图像最大梯度值。本发明通过补偿梯度值的方法是先期扫描的时候不需要每次扫描的时候都要聚焦，先将载玻片上的图像快速扫描完成，省去了聚焦的时间，达到快速扫描的目的，后期通过每次Z轴变化时相应的梯度值数据，计算出每步Z轴运动的梯度值变化，计算出每步Z轴运动的梯度值平均变化量，通过对扫描完的所有图像的梯度值计算，可以得出此时梯度值与最大梯度值之间的差值，计算出此时Z轴的位置距离最大梯度值时Z轴的位置之间的步数，此时的步数作为补偿依据。通过每步的梯度值的平均变化量和步数相乘获得需要补偿的梯度值来补偿图像，达到与聚焦相同的技术效果。
Claims (3)
1.细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法，其中，细胞DNA倍体分析的三维运动平台包括图像信息采集系统，显微镜运动控制系统和计算机，所述计算机中设有图像分析系统和MySQL数据库，其特征在于，包括如下方法步骤：
S1：做好工作台的准备工作；
S2：将显微镜载物平台复位到原点起始位置，利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴运动，对白板载玻片进行位置扫描标定，记录下每次扫描的位置坐标，并将位置坐标扫描数据存储到所述MySQL数据库中；
S3：用载有细胞DNA倍体的待扫描载玻片置换出步骤S2中的白板载玻片，手动调节Z轴聚焦到图像最清晰的位置，保持Z轴位置和光源亮度不变；
S4：将显微镜载物平台复位，利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴沿步骤S2中标定的位置坐标移动扫描成像，并将在标定的位置坐标上扫描成像的图像数据和对应的标定位置坐标全部存储到MySQL数据库中；
S5：对步骤S4中获得并保存的所有图像进行梯度值计算，找到梯度值最大的图像P1并记录和保存其梯度值T1，找到梯度值最小的图像P2并记录和保存其梯度值T2；
S6：利用显微镜运动控制软件控制载物平台X轴、Y轴运动，将显微镜快速定位到最清晰的图像P1的位置；
S7：利用显微镜运动控制软件控制Z轴以固定运动步长在同一区域图像上下运动，通过算法程序计算Z轴每步运动后成像的图像梯度值并保存到MySQL数据库，找到图像达到最小的梯度值T2的图像P11对应的Z轴位置，计算Z轴每步运动的梯度值平均变化值并保存到MySQL数据库；
S8：以梯度值为T1的图像P1为基准，计算步骤S7中获得的每个图像校准到梯度值为T1的Z轴运动步长，计算出Z轴需要运动的步数，将上述计算出的Z轴需要运动的步数作为正式细胞DNA倍体分析扫描成像补偿步长依据，将Z轴运动步长数据保存到MySQL数据库；
S9：将步骤S4中获得的所有图像按照步骤S8中获得的补偿步长依据补偿，通过Z轴每步运动的图像梯度值的平均变化量和步骤S8中计算得出的Z轴需要运动的步数相乘获得需要补偿的梯度值来补偿图像；使其梯度值为T1或者接近T1，完成扫描过程。
2.根据权利要求1所述的细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法，其特征在于，所述步骤S7中所说的Z轴固定运动步长为0.3-0.7mm。
3.根据权利要求2所述的细胞DNA倍体分析三维运动平台的快速扫描成像方法，其特征在于，所述步骤S7中所说的固定运动步长为0.58mm。
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