CN109520988A - 显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微成像系统，其特征在于，包括：隔震平台；可移动的载玻片，其置于所述隔震平台上，用于承载可发出荧光的细胞样本；成像组件，其设置在所述载玻片的移动路径上，用于形成成像区域，且对位于成像区域内的载玻片上不同位置承载的细胞样本进行曝光成像；以及图像整合组件，其连接所述成像组件，用于接收经成像组件曝光形成的不同位置承载的细胞样本图像，并将其整合为完整的图像。其具有视场大、分辨率高、像元数多、单次处理载玻片面积大等优点，可对不同类型的细胞样本进行高精度检测，且检测时间远远低于国内外同类产品，由此极大的提高工作效率。

Description

显微成像系统

技术领域

本发明涉及生物检测领域，具体为一种显微成像系统。

背景技术

由于稀有细胞(循环肿瘤细胞、胎儿有核红细胞等)和痕量病原微生物含量极其稀少，例如循环肿瘤细胞和人体正常的血细胞的比例仅为1:109，因此市场上现有的生物成像仪普遍存在检出时间长等缺点，严重影响其在生命科学、临床医学、生物安全、检验检疫等领域中的应用。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供了一种显微成像系统，其具有视场大、分辨率高、像元数多、单次处理载玻片面积大等优点，由此极大的提高工作效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

提供了一种显微成像系统，其包括：隔震平台；可移动的载玻片，其置于所述隔震平台上，用于承载可发出荧光的细胞样本；成像组件，其设置在所述载玻片的移动路径上，用于形成成像区域，且对位于成像区域内的载玻片上不同位置承载的细胞样本进行曝光成像；以及图像处理器，其连接所述成像组件，用于接收经成像组件曝光形成的载玻片上不同位置承载的细胞样本图像，并将载玻片上不同位置承载的细胞样本图像其整合为完整的图像。

优选的，所述显微成像系统还包括：移动控制组件，其用于控制所述隔震平台以及载玻片沿预设路径移动，使得载玻片上不同位置承载的细胞样本进入成像区域的预定位置。

优选的，所述移动控制组件包括：第一扫描组件，其用于对所述载玻片进行扫描，以获得所述载玻片的实时位置信息；第一驱动组件，用于驱动所述隔震平台以及载玻片沿预设路径移动至预定位置；第一驱动组件控制器，其连接所述第一扫描组件，用于根据载玻片的实时位置信息控制所述第一驱动组件运转。

优选的，所述移动控制组件还包括：第一限位组件，其设置在所述载玻片的移动路径上，且连接所述第一驱动组件控制器，当所述载玻片移动至限位位置时，其产生止动信号，且将所述止动信号发送至所述第一驱动组件控制器，所述第一驱动组件控制器根据所述止动信号停止所述第一驱动组件的动作。

优选的，所述成像组件包括：均匀面光源，其用于激发所述细胞样本产生荧光；光学镜头，其用于反射所述细胞样本产生的荧光光线，且所述光学镜头相对口径为3.0-5.0；拼接探测器焦面组件，其焦平面用于供经所述光学镜头反射的荧光光线成像。

优选的，所述拼接探测器焦面组件由若干个CMOS探测器拼接而成，且每一CMOS探测器均对载玻片上某一对应位置承载的细胞样本进行曝光成像。

优选的，所述成像组件还包括处理器，其连接每一CMOS探测器，用于控制所有CMOS探测器同步成像。

优选的，所述图像处理组件包括：多个成像板，与各所述CMOS探测器对应设置，用于接收对应的所述CMOS探测器上的图像数据；以及图像整合电路板，连接多个所述成像板，用于将多个所述图像数据整合为完整的图像。

优选的，所述显微成像系统还包括：调焦控制组件，其用于在光轴直线方向上调节所述拼接探测器焦面组件的位置，以使得所述拼接探测器焦面组件位于所述光学镜头的焦点处。

优选的，所述调焦控制组件包括：第二扫描组件，其用于对所述拼接探测器焦面组件进行扫描，以获得所述拼接探测器焦面组件的实时位置信息；调焦组件，其用于驱动所述拼接探测器焦面组件在光轴直线方向上移动，直至所述拼接探测器焦面组件位于所述光学镜头的焦点处；第二驱动组件控制器，其连接所述第二扫描组件，用于根据所述拼接探测器焦面组件的实时位置信息控制所述调焦组件的运转。

优选的，所述调焦控制组件还包括：第二限位组件，其设置在所述拼接探测器焦面组件的移动路径上，且连接所述第二驱动组件控制器，当所述拼接探测器焦面组件移动至限位位置时，其产生止动信号，且将其发送至所述第二驱动组件控制器，所述第二驱动组件控制器根据所述止动信号停止所述调焦组件的动作。

优选的，所述显微成像系统还包括：图像分析终端，其连接所述图像整合组件，用于确定图像中荧光细胞的空间几何关系，和/或，对细胞位置进行匹配估计，和/或，提高荧光细胞在整个图像中的对比度，控制图像噪声。

优选的，所述图像分析终端还用于根据预设的荧光细胞分类方法对图像中的细胞进行匹配分类，并输出分类结果。

优选的，所述载玻片上划分出与每一CMOS探测器成像区域对应的样品区域，每一CMOS探测器的成像区域在载玻片移动方向上超出其对应的样品区域预定距离。

本发明的显微成像系统荧光成像视场大，可对150mm×20mm单次成像(现有的一般在25mm×25mm视场内需多次成像)，成向信噪比与检测效率高，可有效解决荧光微弱等因素造成的像质下降问题。

附图说明

图1为实施例一中显微成像系统的结构示意图；

图2为实施例一中移动控制组件的结构示意图；

图3为实施例一中成像组件的光路图；

图4a为实施例一中CMOS探测器芯片的设计参数；

图4b为实施例一中CMOS探测器芯片的光电指标参数；

图5为实施例一中图像整合组件的结构示意图；

图6为实施例一中调焦控制组件的结构示意图；

图7为实施例一中区域S1与区域S2的位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本实施例提供了一种显微成像系统，如图1所示，其包括：

隔震平台100，其外形尺寸为540mm×540mm×300mm，重量约为40kg，固有频率6Hz，采用隔振橡胶结构；且所述隔震平台100下部连接有高度可调的支脚和/或行走轮，由此可有效隔震，减少因外界震动引起的成像信噪比增大，以及大面阵在多次位移成像中长时间曝光带来的成像模糊问题，同时也便于移动；优选的，所述隔震平台100下部还设有JF-60型隔震器，由此进一步增强隔震效果，确保成像质量；

载玻片200，其置于所述隔震平台100上，用于承载可发出荧光的细胞样本；本实施例中，为更为充分的体现细胞的结构特点，提高检测的精确度，可发出荧光的细胞样本结合在微球表面后共同承载于所述载玻片上；进一步的，可发出荧光的细胞样本是细胞样本经荧光染料(如Qdot 655荧光染料等)染色获得，且为单层，其中，所述荧光染料的激发光谱在300nm-550nm之间，发射光谱中心波长655nm，半峰宽30nm，且相对荧光强度(荧光强度随波长的变化)随波长增加而减小；

移动控制组件，其用于控制所述隔震平台100以及载玻片200沿预设路径单向(即图1中箭头所指方向)移动，使得载玻片100上不同位置承载的细胞样本进入成像区域的预定位置；具体的，如图2所示，所述移动控制组件包括：第一扫描组件31(包括光栅尺等)，其用于对所述载玻片200进行扫描，以获得所述载玻片200的实时位置信息；第一驱动组件32(如步进电机等)，用于驱动所述隔震平台100以及载玻片200沿预设路径移动至预定位置；第一驱动组件控制器33，其连接所述第一扫描组件31，用于根据通过232接口等传输而来的载玻片200的实时位置信息控制所述第一驱动组件32运转(如步进电机的启动和停止)；以及第一限位组件34(包括霍尔元件等)，其设置在所述载玻片200的移动路径上，且连接所述第一驱动组件控制器33，当所述载玻片200移动至限位位置时，其产生止动信号，且将其发送至所述第一驱动组件控制器33，所述第一驱动组件控制器33根据所述止动信号停止所述第一驱动组件32的动作；

成像组件，其设置在所述载玻片200的移动路径上，用于形成所述成像区域，且对位于成像区域内的载玻片200上不同位置承载的细胞样本进行曝光成像；具体的，如图1,3所示，所述成像组件包括：均匀面光源(未示出)，其用于激发所述细胞样本产生荧光，且所述均匀面光源的峰值波长在400-450nm之间(可与上述荧光染料类型匹配)，半光强角为4°，优选的，所述均匀面光源为VISHAY TLHB5800等LED光源，峰值波长优选428nm，因此，相对于一般荧光显微镜中使用的激发波长为488nm的光源而言，其激发效率更高，且属于小角度LED光源，由此可有效增加成像信噪比；光学镜头41，其用于反射所述细胞样本产生的荧光光线，且所述光学镜头相对口径为3.0-5.0，对于显微成像系统而言(尤其在荧光较弱的条件下)，光学镜头41的相对口径(即f/D，也即F#值，其中f为镜头焦距，D为镜头直径)越小，成像能量越充足，但F#过小就无法实现大视场成像，因此，本实施例在保证成像视场的情况下尽量降低相对口径的大小，最后优选相对口径值为4.5，以提高系统在乃奎斯特频率处的传函；拼接探测器焦面组件300，其焦平面用于供经所述光学镜头41反射的荧光光线成像，即，细胞样本发出的荧光光线在透过所述光学镜头后投射到焦平面上，使得细胞样本的在所述焦平面上成像，优选的，所述拼接探测器焦面组件300由若干个(例如10个)CMOS探测器301(即图1中编号1-10的部件)拼接而成，拼接方向与所述载玻片200的运动方向垂直，且一CMOS探测器301对载玻片200上对应位置承载的细胞样本进行曝光成像；以及FPGA处理器，其连接拼接探测器焦面组件300的每一CMOS探测器301，用于通过其同源时钟控制所有CMOS探测器301同步成像；CMOS探测器301的选择需要权衡传函和结构体积：像元太小，乃奎斯特频率太高，传函较低；像元太大，整体结构体积太大，无法满足轻量化小型化平台要求，因此，本实施例中CMOS探测器301的像元尺寸为2.5-3.5μm，优选为3μm，更为优选为2.8μm，由此降低整个系统的结构体积，有利于总体指标的实现，同时，所述CMOS探测器301芯片的设计参数如图4a所述，光电指标参数如图4b所示，使得CMOS探测器301读出噪声低(小于3e-)，动态范围和灵敏度大，有助与提高成像信噪比，优选的，所述CMOS探测器301芯片为长光辰芯公司生产的GMAX0806型芯片，其采购渠道畅通，技术支持方便；

图像整合组件，其连接所述成像组件，用于接收经成像组件曝光形成的不同位置承载的细胞样本图像，并将其整合为完整的图像；具体的，如图5所示，所述图像处理组件包括：成像板51，其用于接收每一CMOS探测器301上的成像；以及图像整合电路板52，其连接所述成像板51，用于将每一CMOS探测器301上的成像整合为完整的图像；

以及图像分析终端53(如计算机等)，其连接所述图像整合组件的图像整合电路板52，利用配准算法和图像的灰度值等条件来确定图像中荧光细胞的空间几何关系，和/或，通过设定CMOS探测器301图像输出窗口的大小来进行细胞位置的匹配估计，和/或，利用图像复原和反卷积技术等提高荧光细胞在整个图像中的对比度，控制图像噪声，增强对图像的判读和识别能力，最后根据预设的荧光细胞分类方法对图像中的细胞进行匹配分类，以此确定细胞的相关信息(包括细胞类别、大小等)并以曲线报表等可见形式输出分类结果，以为操作人员提供直观判据。

由此，通过移动控制组件控制载玻片的单向连续移动，使得不同位置承载的细胞样本依次进入成像区域，分步曝光成像，延长曝光时间，并配合隔震平台提高载玻片的稳定性，进一步达到提高信噪比以及成像质量的目的。

进一步的，由于载玻片厚度及灰尘等因素影响，成像焦距会发生微小变化，其同样会影响成像像质，由此，本实施例中的显微成像系统还包括：调焦控制组件，其用于在光轴直线方向上调节所述拼接探测器焦面组件的位置，以使得所述拼接探测器焦面组件位于所述光学镜头41的焦点处；具体的，如图6所示，所述调焦控制组件包括：第二扫描组件62(包括光栅尺等)，其用于对所述拼接探测器焦面组件300进行扫描，以获得所述拼接探测器焦面组件300的实时位置信息；调焦组件61，其包括与所述拼接探测器焦面组件300连接的调焦电机等，用于驱动所述拼接探测器焦面组件300在光轴直线方向上移动，直至所述拼接探测器焦面组件位于所述光学镜头的焦点处，调焦精度为0.005mm；第二驱动组件控制器63，其连接所述第二扫描组件62，用于根据通过232接口等传输而来的根据所述拼接探测器焦面组件300的实时位置信息控制所述调焦组件61的运转(如调焦电机的启动和停止)；以及第二限位组件64(包括霍尔元件等)，其设置在所述拼接探测器焦面组件300的移动路径上，且连接所述第二驱动组件控制器63，当所述拼接探测器焦面组件300移动至限位位置时，其产生止动信号，且将其发送至所述第二驱动组件控制器63，所述第二驱动组件控制器63根据所述止动信号停止所述调焦组件61的动作，由此，通过拼接探测器焦面组件300的位置调整，使得拼接探测器焦面组件300始终位于光学镜头61的焦点处，以此对因载玻片厚度变化以及灰尘等因素造成的焦距变化进行补偿，以达到最佳的成像质量。

如图7所示，载玻平台控制工作流程为根据指标要求可知成像区域须≥150mm×200mm，而，每一CMOS探测器300成像区域(即图7中的p1区域，本实施例中共有10个CMOS探测器，因此p1区域共有10个，分别编号为s1-s10)只有150mm×20mm，且需考虑载玻片200拼接处渐晕的处理，因此需在载玻片200上划分出与每一p1区域对应的样品区域(即图7中的p2区域，同样有10个)，每一p1区域在载玻片200移动方向(即图7中的箭头所指方向)上超出对应的p2区域180μm的预定距离。GMAX0806像元尺寸为2.8μm，重叠像素为850列，最右端的p1区域(即s10)位置超出载玻片180μm，即舍弃最后60列像素。通过精密的传动机构及优良的算法(如模糊PID控制算法)设计，平台的位置精度达到一个像素(2μm)，能够有效的控制成像拼接质量。同时，与国内外同类产品相比，本发明在视场、分辨率、探测器像元、载玻片以及单位体积样本检测时间等指标上均有显著改善，其指标对比数据如表1所示。

表1同类设备指标对比表

综上所述，与现有技术相比，本发明的纤维成像系统具有以下有益效果：

1)荧光成像视场大，可对150mm×20mm单次成像(现有的一般在25mm×25mm视场内需多次成像)。

2)成向信噪比高，有效的解决了荧光微弱等因素造成的像质下降问题。

3)检测效率高：单次成像共4.3亿像素,也即7915x5436x10＝430259400像素(现有的一般在0.02亿像素)，可高质高效的完成对荧光细胞的检测任务。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种显微成像系统，其特征在于，包括：

隔震平台；

可移动的载玻片，其置于所述隔震平台上，用于承载可发出荧光的细胞样本；

成像组件，其设置在所述载玻片的移动路径上，用于形成成像区域，且对位于成像区域内的载玻片上不同位置承载的细胞样本进行曝光成像；

以及图像处理器，其连接所述成像组件，用于接收经成像组件曝光形成的载玻片上不同位置承载的细胞样本图像，并将载玻片上不同位置承载的细胞样本图像其整合为完整的图像。

2.如权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于，所述显微成像系统还包括：移动控制组件，其用于控制所述隔震平台以及载玻片沿预设路径移动，使得载玻片上不同位置承载的细胞样本进入成像区域的预定位置。

3.如权利要求2所述的显微成像系统，其特征在于，所述移动控制组件包括：第一扫描组件，其用于对所述载玻片进行扫描，以获得所述载玻片的实时位置信息；第一驱动组件，用于驱动所述隔震平台以及载玻片沿预设路径移动至预定位置；第一驱动组件控制器，其连接所述第一扫描组件，用于根据载玻片的实时位置信息控制所述第一驱动组件运转。

4.如权利要求3所述的显微成像系统，其特征在于，所述移动控制组件还包括：第一限位组件，其设置在所述载玻片的移动路径上，且连接所述第一驱动组件控制器，当所述载玻片移动至限位位置时，其产生止动信号，且将所述止动信号发送至所述第一驱动组件控制器，所述第一驱动组件控制器根据所述止动信号停止所述第一驱动组件的动作。

5.如权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于，所述成像组件包括：均匀面光源，其用于激发所述细胞样本产生荧光；光学镜头，其用于反射所述细胞样本产生的荧光光线，且所述光学镜头相对口径为3.0-5.0；拼接探测器焦面组件，其焦平面用于供经所述光学镜头反射的荧光光线成像。

6.如权利要求5所述的显微成像系统，其特征在于，所述拼接探测器焦面组件由若干个CMOS探测器拼接而成，且每一CMOS探测器均对载玻片上某一对应位置承载的细胞样本进行曝光成像。

7.如权利要求6所述的显微成像系统，其特征在于，所述成像组件还包括处理器，其连接每一CMOS探测器，用于控制所有CMOS探测器同步成像。

8.如权利要求5所述的显微成像系统，其特征在于，所述图像处理组件包括：多个成像板，与各所述CMOS探测器对应设置，用于接收对应的所述CMOS探测器上的图像数据；以及图像整合电路板，连接多个所述成像板，用于将多个所述图像数据整合为完整的图像。

9.如权利要求5所述的显微成像系统，其特征在于，所述显微成像系统还包括：调焦控制组件，其用于在光轴直线方向上调节所述拼接探测器焦面组件的位置，以使得所述拼接探测器焦面组件位于所述光学镜头的焦点处。

10.如权利要求9所述的显微成像系统，其特征在于，所述调焦控制组件包括：第二扫描组件，其用于对所述拼接探测器焦面组件进行扫描，以获得所述拼接探测器焦面组件的实时位置信息；调焦组件，其用于驱动所述拼接探测器焦面组件在光轴直线方向上移动，直至所述拼接探测器焦面组件位于所述光学镜头的焦点处；第二驱动组件控制器，其连接所述第二扫描组件，用于根据所述拼接探测器焦面组件的实时位置信息控制所述调焦组件的运转。

11.如权利要求10所述的显微成像系统，其特征在于，所述调焦控制组件还包括：第二限位组件，其设置在所述拼接探测器焦面组件的移动路径上，且连接所述第二驱动组件控制器，当所述拼接探测器焦面组件移动至限位位置时，其产生止动信号，且将其发送至所述第二驱动组件控制器，所述第二驱动组件控制器根据所述止动信号停止所述调焦组件的动作。

12.如权利要求5所述的显微成像系统，其特征在于，所述显微成像系统还包括：图像分析终端，其连接所述图像整合组件，用于确定图像中荧光细胞的空间几何关系，和/或，对细胞位置进行匹配估计，和/或，提高荧光细胞在整个图像中的对比度，控制图像噪声。

13.如权利要求12所述的显微成像系统，其特征在于，所述图像分析终端还用于根据预设的荧光细胞分类方法对图像中的细胞进行匹配分类，并输出分类结果。

14.如权利要求5所述的显微成像系统，其特征在于，所述载玻片上划分出与每一CMOS探测器成像区域对应的样品区域，每一CMOS探测器的成像区域在载玻片移动方向上超出其对应的样品区域预定距离。