CN110129201A - 胚胎时差培养装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胚胎时差培养装置，包括至少一个独立的用于培养样品的时差培养模块，其中，时差培养模块包括培养模块和显微成像系统，显微成像系统包括光源以及相应配合的成像设备，光源位于所述培养模块上部，可沿水平轴方向独立运动；成像设备位于所述培养模块下部，既可沿与光源运动轨迹平行的水平轴方向独立运动，也可沿与光源运动轨迹垂直的垂直轴方向独立运动。本发明中胚胎处于独立培养空间内，培养环境互相独立，取放互不干扰；培养过程中无需胚胎运动，不干扰其正常发育；每个胚胎独立拍摄，累积曝光时间少。
Description
技术领域
本发明涉及生物样品培育技术领域，特别涉及一种胚胎时差培养装置。
背景技术
随着国家二孩政策的全面放开，体外受精-胚胎移植(IVF-ET)作为一项可以治疗不孕症的人类辅助生殖技术受到了更多关注。然而妊娠率较低是当今辅助生殖技术的发展瓶颈之一，如何提高胚胎的可利用率，获得更高的临床妊娠率成为了辅助生殖领域的研究热点。
在辅助生殖领域，传统的体外受精卵的挑选过程中，一般在常规培养箱中对胚胎进行培养发育，在特定时间点取出来在显微镜下对胚胎观察，根据形态学参数及发育情况对胚胎进行筛选。该方法存在诸多弊端，人为选取特定时间本身存在一定局限性，加之反复开箱，造成胚胎培养环境的温度、湿度及气体浓度的改变，同时胚胎评估人员存在主观因素，使传统评价体系弊端逐渐暴露。
胚胎时差摄影监测培养系统，简称时差培养系统，是新兴的应用于临床的胚胎筛选评价方法，其无人为干扰培养方式和实时监控的特点，可对胚胎进行动态观察，利用形态动力学参数进行评价，使筛选结果更加客观化。因此时差培养系统通过时差成像技术，评估胚胎的发育潜能，筛选出最优质的胚胎进行移植，从而有效改善辅助生殖技术临床效果，提高着床率、临床妊娠率，缩短患者成功受孕时间。
时差培养系统在IVF辅助生殖过程中，旨在做到更优的胚胎发育管理与评估，培养箱为胚胎提供一个相对封闭的、接近母体子宫内的培养和发育环境，可实现对培养环境的温度、CO2和O2浓度、气体压力的实时监测和控制调节。系统配置有显微照相系统，能实现无需开箱的情况下，每隔一定时间对胚胎图像进行拍摄，能全面记录出胚胎各个阶段的发育状态，通过软件图像算法识别胚胎形态学参数，从而完成对胚胎的评估分析和筛选。
鉴于时差培养系统在监视胚胎发育过程中的诸多优点，已有多家公司和机构公开了用于胚胎时差摄影监测的培养装置。
丹麦Unisense FertiliTech A/S公司EmbryoScope系列设备的所有胚胎处在同一个培育空间内，培养皿置于可移动的托架上，通过托架的移动允许皿内胚胎选择性地到达内置显微镜观察区域进行拍摄成像。这种将所有胚胎放置于共享培育空间内，取放其中一个培养皿时，都需要进行一次开箱操作，可能会影响其他样品。另外，采用了固定显微镜、移动培养皿的方式，需要不断地移动样品，容易存在潜在的胚胎移位、振动等问题。
澳大利亚Genea Limited公司公布的用于样品发育监测的装置，每个培养皿置于独立的培养模块中，采用固定式光源，通过光学检测构件围绕观察轴转动对圆周分布的胚胎样品进行扫描。胚胎独立培养的设计可很好地解决了取放操作时相互干扰的问题。由于固定式光源照射区域比较小，为保证所有胚胎处于成像视野范围内，胚胎在培养皿内空间布置上很拥挤，导致用户进行微操作和移动培养皿时更困难、更小心，甚至有失误的风险。另外，每个胚胎拍摄时，光源曝光会照射整个视野区，其他胚胎接会收到不必要的光照，造成了胚胎的累积曝光时间更多。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种胚胎时差培养装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种胚胎时差培养装置，包括至少一个独立的用于培养样品的时差培养模块，其中，所述时差培养模块包括培养模块和显微成像系统，所述显微成像系统包括光源和与之配合的成像设备，所述光源位于所述培养模块上部，可沿水平轴方向独立运动；所述成像设备位于所述培养模块下部，既可沿与光源运动轨迹平行的水平轴方向独立运动，也可沿与光源运动轨迹垂直的垂直轴方向独立运动；所述光源和成像设备各自运动并定位至同一样品区域，进而实现配合以对沿所述光源的运动方向直线排列在所述培养模块中的样品进行依次成像。
优选的是，所述培养模块包括培养室平台和培养室上盖，两者构成密闭的样品培养室；
所述培养室平台和培养室上盖上均设置有加热元件与温度传感器，所述培养室平台和培养室上盖的外壁上均设置有保温层；
所述培养室平台和上盖上还分别开设有进气口和出气口。
优选的是，所述培养室平台上开设有第一放置槽和第二放置槽，所述第一放置槽和第二放置槽上分别设置有时差培养皿和常规培养皿。
优选的是，所述光源和成像设备构成倒置显微镜系统，用以对所述培养模块内指定的区域进行成像；所述成像设备包括依次连接的物镜、筒镜和相机；
所述成像设备和光源分别搭载在成像设备移动机构和光源移动机构上，所述光源移动机构安装于所述培养室上盖的上部，用于带动所述光源沿水平轴方向进行平移；所述成像设备移动机构安装于所述培养室平台的下部，其包括成像设备平移机构和成像设备升降机构，所述成像设备平移机构用于带动所述成像设备沿与所述光源运动方向平行的水平方向移动，所述成像设备升降机构用于带动所述成像设备沿与所述光源运动方向垂直的竖直方向移动；
所述培养模块内的样品沿直线排列，样品排列方向与所述光源、成像设备沿水平轴方向的平移运动轨迹平行，且所述光源的入射光与物镜共轴线并经过样品；所述光源和成像设备可运动至指定的同一样品位置处，以实现对指定区域的成像。
优选的是，所述成像设备升降机构包括设置在所述平移机构上的升降座、设置在所述升降座上的升降导轨、连接在所述升降导轨的滑块上的负载板、设置在所述升降座上的升降电机、与所述升降电机驱动连接的升降丝杆、套设在所述升降丝杆上的升降螺母以及一端与所述升降螺母浮动连接且另一端与所述负载板固接的升降块；所述成像设备设置在所述负载板上，通过丝杆旋转带动所述升降螺母升降，再通过所述升降块带动所述负载板上的成像设备实现升降运动；
所述升降螺母通过升降浮动机构与所述升降块浮动连接，所述浮动机构包括开设在所述升降螺母的侧面且垂直于所述升降丝杆的轴线的两个对称的圆孔、嵌入在所述圆孔中的浮动衬套、开设在所述浮动衬套中心的方孔以及一端插设在所述方孔中且另一端与所述升降块连接的球杆，所述球杆的一侧设置有球头，所述球头插设在所述浮动衬套中心的方孔内，且所述两个对称的圆孔中的浮动衬套内的球头的中心连线经过所述升降丝杆和升降螺母的共同轴线。
优选的是，所述成像设备平移机构包括连接在所述培养室平台下部的平移座、设置在所述平移座上的平移导轨、连接在所述平移导轨的滑块上的滑台、设置在所述平移座上的平移电机、与所述平移电机驱动连接的平移丝杆、套设在所述平移丝杆上的平移螺母以及一端与所述平移螺母浮动连接且另一端与所述滑台固接的平移块；所述升降座连接在所述滑台上；
所述成像设备平移机构在移动方向设置有两个对称的第一拉簧，所述第一拉簧的一端连接所述滑台，另一端连接所述平移座。
优选的是，所述平移座上还设置有用于对所述成像设备进行锁紧的光学锁紧机构，所述光学锁紧机构包括与所述平移座固接的基座、插设在所述基座上开设的锁轴孔内的锁紧轴、连接于所述锁紧轴前端的滑杆、对称设置在所述滑杆两端的两个摆杆以及分布设置在所述两个摆杆的外端上的两个夹紧块；
所述锁轴孔包括设置在前段的光孔部分和设置后段的螺纹孔部分；所述锁紧轴包括前部的光轴段和后部的螺纹段，所述锁紧轴的后部端面上设置有扳手孔，所述光轴段外周间隔开设有两个卡簧槽；
所述基座底部沿竖直方向间隔设置有两安装板，每块所述安装板上均开设有两个摆杆孔；
所述滑杆中部开设有中心孔，所述中心孔两侧对称设置有两腰型槽；所述滑杆处于所述两安装板中间；
所述摆杆呈“L”形，在其短边末端和拐角处分别设置有第一销孔和第二销孔；两个摆杆对称分布于所述锁紧轴两侧。
所述夹紧块与所述摆杆固定连接，所述夹紧块呈“V”字形，两个所述夹紧块对称设置在所述锁紧轴两侧，所述夹紧块的内壁上设置有衬垫；
所述锁紧轴穿过所述基座内的锁轴孔，且前端插入到所述滑杆的中心孔内，所述滑杆处于所述锁紧轴上的两个卡簧槽之间，两个所述卡簧槽内均设置有卡簧，且所述卡簧与滑杆之间还设置有垫环，以将所述滑杆卡设在所述锁紧轴上的两个卡簧槽之间；所述锁紧轴的螺纹段与所述螺纹孔部分配合，所述锁紧轴的光轴段通过圆形衬套与所述光孔部分配合；
所述摆杆的第一销孔与所述安装板的摆杆孔通过第一销轴连接，允许两者相对转动；所述摆杆的第二销孔与所述滑杆的腰型槽通过第二销轴连接，允许两者相对转动且所述第二销轴可在腰型槽内滑动；所述第一销轴位于所述锁紧轴的前部靠近锁紧轴轴线的位置，所述第二销轴位于所述锁紧轴的后部远离锁紧轴轴线的位置。
优选的是，所述培养室上盖的后端通过旋转铰链与所述培养室平台连接，所述培养室上盖的底面开有环形槽，所述环形槽内填充有密封条，所述培养模块的前端还设置有开合机构；
所述开合机构包括设置在所述培养室上盖上的挡板、解锁板、铰链轴、铰链座、第二拉簧、锁钩、定位块和设置在所述培养室平台上的光电开关、簧片、簧片压块；
所述锁钩整体呈L形，其上沿长度方向由上至下依次设置有铰链孔、拉簧孔和钩头，所述钩头末端的底部设有倒边，所述锁钩通过铰链孔与铰链轴配合，可转动设置在固接于培养室上盖的铰链座上；
所述第二拉簧的一端与拉簧孔连接，另一端与安装在所述培养室上盖上的立柱连接；
所述定位块固定于培养室上盖底部，其为中空结构，所述锁钩由上至下穿过所述定位块，所述锁钩底部的钩头露出所述定位块。
优选的是，所述培养室平台上处于所述锁钩下方开设有矩形孔，所述矩形孔上与所述钩头的倒边对应的侧壁上设置有斜边，所述斜边底部挖空形成钩槽；
所述簧片设置于所述矩形孔下方，其呈L形，所述簧片的短边处于所述钩头下方，所述簧片的长边一端被簧片压块压住，所述光电开关设置于所述簧片的短边的下方；
所述定位块上还设置有用于配合插入到所述矩形孔内的凸台，所述凸台的两侧设置有用于与所述矩形孔的两垂直内壁配合的定位直边，所述凸台插设所述矩形孔后，所述定位直边处于所述矩形孔的斜边两侧。
优选的是，所述培养室上盖的底面设置有弹簧销，所述弹簧销包括销套、销和压簧，所述销套为圆柱形，其内开设台阶圆孔，台阶圆孔包括由上至下依次设置的大圆孔段和小圆孔段；所述销的下端为球头，可滑动设置在所述小圆孔段内，所述销的上端设置有直径大于所述小圆孔段的圆台阶，所述圆台阶可滑动设置在所述大圆孔段内；所述压簧设置在所述大圆孔段内，且下端顶压在所述圆台阶上；
所述培养室平台上开设有用于供所述销的球头配合插入的锥孔，所述锥孔与销共轴线。
本发明的有益效果是：本发明的胚胎时差培养装置，胚胎处于独立培养空间内，培养环境互相独立，取放互不干扰；培养过程中无需胚胎运动，不干扰其正常发育；每个胚胎独立拍摄，累积曝光时间少；本发明能解决目前现有时差培养装置中胚胎培养环境容易受干扰或受光照危害过多等对胚胎发育过程造成潜在影响的诸多问题，能有效提高胚胎培养的成功率。本发明中显微成像系统移动机构简单可靠，经济性好；本发明的培养模块中合盖位置精度高，能确保显微成像系统的可靠工作；本发明设置的光学锁机构，具有很好的自锁功能，能避成像设备出现晃动松脱的现象。
附图说明
图1为本发明的胚胎时差培养装置的结构示意图；
图2为本发明的时差培养模块的整体结构示意图；
图3为本发明的培养模块的整体结构示意图；
图4为本发明的成像设备移动机构和光源移动机构的整体结构示意图；
图5为本发明的时差培养皿的结构示意图；
图6为本发明的时差培养模块的侧视图；
图7为本发明的时差培养模块的俯视图；
图8为本发明的成像设备升降机构的结构示意图；
图9为本发明的升降浮动机构的结构示意图；
图10为本发明的浮动衬套的结构示意图；
图11为本发明的球杆的结构示意图；
图12为本发明的光源移动机构的结构示意图；
图13为本发明的时差培养模块的另一个视角的结构示意图；
图14为本发明的光学锁紧机构的整体结构示意图；
图15为本发明的光学锁紧机构的另一个视角的结构示意图；
图16为本发明的光学锁紧机构俯视方向的剖视结构示意图；
图17为本发明的锁紧轴的结构示意图；
图18为本发明的摆杆的结构示意图；
图19为本发明的基座的结构示意图；
图20为本发明的培养模块的剖视结构示意图；
图21为本发明的图20中A处的局部放大结构示意图；
图22为本发明的图20中B处的局部放大结构示意图；
图23为本发明的定位块的结构示意图；
图24为本发明的矩形孔的结构示意图；
图25为本发明的时差培养模块的内部结构示意图。
附图标记说明：
1—培养模块；10—培养室平台；11—培养室上盖；12—加热元件、温度传感器；13—保温层；14—进气口；15—出气口；16—第一放置槽；17—第二放置槽；18—时差培养皿；19—铰链；100—矩形孔；101—斜边；102—钩槽；103—锥孔；104—气路接口；105—电气接口；106—调节阀、流量传感器；107—主控板；108—气路管道；109—过滤器；110—密封条；111—立柱；112—弹簧销；113—销；114—销套；115—压簧；116—台阶圆孔；
2—显微成像系统；20—光源；21—成像设备；22—物镜；23—筒镜；24—相机；
3—成像设备移动机构；
4—成像设备升降机构；40—升降座；41—升降导轨；42—负载板；43—升降电机；44—升降丝杆；45—升降螺母；46—升降块；47—升降浮动机构；470—圆孔；471—浮动衬套；472—方孔；473—球杆；474—球头；
5—成像设备平移机构；50—平移座；51—平移导轨；52—滑台；53—平移电机；54—平移丝杆；55—平移螺母；56—平移块；57—平移浮动机构；58—第一拉簧；
6—光源移动机构；60—光源移动电机；61—光源移动丝杆；62—光源移动螺母；63—光源移动块；
7—光学锁紧机构；70—基座；71—锁轴孔；72—锁紧轴；73—滑杆；74—摆杆；75—夹紧块；76—圆形衬套；77—第一销轴；78—第二销轴；700—安装板；701—摆杆孔；710—光孔部分；711—螺纹孔部分；720—光轴段；721—螺纹段；722—扳手孔；723—卡簧槽；724—卡簧；725—垫环；730—中心孔；731—腰型槽；740—第一销孔；741—第二销孔；750—衬垫；
8—开合机构；80—挡板；800—挡边；81—解锁板；82—铰链轴；83—铰链座；84—第二拉簧；85—锁钩；86—定位块；87—光电开关；88—簧片；89—簧片压块；850—钩头；851—倒边；860—凸台；861—定位直边；
9—样品；
1000—时差培养模块；1001—装置壳体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-25所示，本实施例的一种胚胎时差培养装置，包括至少一个独立的用于培养样品的时差培养模块1000，其中，时差培养模块1000包括培养模块1和显微成像系统2，显微成像系统2包括光源20和与之配合的成像设备21，其特征在于，光源20位于培养模块1上部，可沿水平轴方向独立运动；成像设备21位于培养模块1下部，既可沿与光源20运动轨迹平行的水平轴方向独立运动，也可沿与光源20运动轨迹垂直的垂直轴方向独立运动；光源20和成像设备21各自运动并定位至同一样品区域，进而实现配合以对沿光源20的运动方向直线排列在培养模块1中的样品进行依次成像。参照图1，胚胎时差培养装置包括装置壳体1001和设置于其中的多个时差培养模块1000。
本发明中，每个独立的时差培养模块1000包括培养模块1和显微成像系统2，可实现胚胎的培养和时差摄影监控，真正实现胚胎的培养环境互相独立，取放互不干扰的优点，同时在培养发育过程中，胚胎处于静止状态，不受外力转移、晃动等干扰影响，培养环境更加稳定。每个独立的时差培养模块1000的电路可通过电路接口以总线形式连接至主机系统，气路可通过气路接口104连接至主机系统气路，以实现多模块扩展，各模块的操作、控制、故障、及维修互相独立，保证了胚胎培养的安全可靠。
在一种实施例中，参照图3-5，培养模块1包括培养室平台10和培养室上盖11，两者构成密闭的样品培养室；
培养室平台10和培养室上盖11上均设置有加热元件与温度传感器，且受独立的温度控制，培养室上盖11和平台采用高导热系数的铝合金材质，背面分别覆盖有保温层13以减小结构对外的热量损失。通过冗余的温控设计保证即使一侧出现故障的情况下，另一侧能正常工作，不至于培养室内的环境在短时间内出现恶化，预留足够的时间转移培养皿。
其中，培养室平台10上开设有第一放置槽16和第二放置槽17，第一放置槽16和第二放置槽17上分别设置有时差培养皿18和常规培养皿。时差培养皿18，用于胚胎时差摄影监测；常规培养皿，用于胚胎常规培养或时差培养前准备液的预平衡。在更为优选的实施例中，第一放置槽16上有定位特征，与时差培养皿18的结构特征配合，可以精确确定皿内胚胎微孔相对培养室平台10的几何位置。
培养室平台10和上盖上还分别开设有进气口14和出气口15。用于供CO2、O2和N2混合气的进出。
在一种实施例中，参照图6-13，光源20和成像设备21构成倒置显微镜系统，用以对培养模块1内指定的区域进行成像。成像设备21包括依次连接的物镜22、筒镜23和相机24；三者通过螺纹连接以确定的位置关系构成光学成像系统，显微成像方式可以设计为如下任一种：霍夫曼调制相衬、微分干涉相衬、暗视野成像、相衬成像。根据光学系统成像方式选配合适的物镜22，物镜22倍数优选为16倍或20倍。
光源20主要起到照明作用，优选为柯勒照明，同时一般会匹配不同成像方式的聚光镜系统以达到相应的成像效果，如相衬聚光镜、微分干涉聚光镜等。光源20的波长和功率大小需综合考虑，以保证在对胚胎样品光照伤害尽量小的情况下满足成像质量要求。胚胎时差培养过程中只在观察或成像期间才会打开光源20照明，以尽可能降低对胚胎样品的光照伤害。
成像设备21和光源20分别搭载在成像设备移动机构3和光源移动机构6上，光源移动机构6安装于培养室上盖11的上部，用于带动光源20沿水平轴方向进行平移，光源移动机构6为单自由度平移机构，只支持沿水平轴方向的平移；成像设备移动机构3安装于培养室平台10的下部，其包括成像设备平移机构5和成像设备升降机构4，成像设备平移机构5用于带动成像设备21沿与光源20运动方向平行的水平方向移动，成像设备升降机构4用于带动成像设备21沿与光源20运动方向垂直的竖直方向移动；所有移动机构均为独立控制驱动。
培养模块1内的样品沿直线排列，样品排列方向与光源20、成像设备21沿水平轴方向的平移运动轨迹平行，且光源20的入射光与物镜22共轴线并经过样品；光源20和成像设备21可运动至指定的同一样品位置处，以实现对指定区域的成像。
人类胚胎近似球形体积微小，时差培养初期受精卵及卵裂期胚胎外径大约120-150μm，后期至囊胚阶段大约为200-300μm，每个胚胎一般会独立存储在内径约0.5mm，深度约0.5mm的培养皿底部的微孔中进行培养，胚胎发育过程中会出现位置偏移和纵向生长，为获取最佳的图像信息，需要成像设备21在竖直方向上作微小进给运动，以达到光学调焦的功能，拍摄各个焦平面的图像信息，由算法识别选出最优的胚胎图像。成像设备21在竖直方向的进给运动由其升降机构支持。
培养皿最多支持同时容纳和培养16枚胚胎，16枚胚胎微孔分布在等距的4个培养池内，每个培养池内最多容纳4枚胚胎，所有胚胎微孔呈直线排列，与显微成像系统2平移方向匹配，可依次接受成像。
本发明通过光源20和成像设备21的联动方式，在图像采集时只曝光拍摄其中一个样品，而不影响其他样品，大大减少了单个胚胎的累积曝光时间，消除了潜在的光危害。
更进一步的实施例中，参照图6-8，成像设备升降机构4包括设置在平移机构上的升降座40、设置在升降座40上的升降导轨41、连接在升降导轨41的滑块上的负载板42、设置在升降座40上的升降电机43、与升降电机43驱动连接的升降丝杆44、套设在升降丝杆44上的升降螺母45以及一端与升降螺母45浮动连接且另一端与负载板42固接的升降块46；成像设备21设置在负载板42上，通过丝杆旋转带动升降螺母45升降，再通过升降块46带动负载板42上的成像设备21实现升降运动。
为降低器件成本，丝杆传动选用滑动丝杆，电机选用步进电机。
升降螺母45通过升降浮动机构47与升降块46浮动连接，参照图9-11，浮动机构包括开设在升降螺母45的侧面且垂直于升降丝杆44的轴线的两个对称的圆孔470、嵌入在圆孔470中的浮动衬套471、开设在浮动衬套471中心的方孔472以及一端插设在方孔472中且另一端与升降块46连接的球杆473，球杆473的一侧设置有球头474，球头474插设在浮动衬套471中心的方孔472内，且两个对称的圆孔470中的浮动衬套471内的球头474的中心连线经过升降丝杆44和升降螺母45的共同轴线。浮动衬套471内方孔472的间距略大于球头474直径，保证球头474与方孔472为小间隙配合。由于负载重力作用，球头474与方孔472下壁始终保持接触。
浮动衬套471方孔472和球杆473球头474的浮动连接，可以消除升降导轨41和丝杠不平行时带来的传动卡滞现象。另一方面，通过两个球杆473对称布置，且球头474与方孔472下壁的作用点连线经过丝杆轴线，能确保传动过程中，螺母不承受偏载力矩，只输出轴向力，避免了螺母偏载引起的传动卡滞现象，进一步提升了丝杆传动的顺畅性。
更进一步的实施例中，参照图6、7和13，成像设备平移机构5包括连接在培养室平台10下部的平移座50、设置在平移座50上的平移导轨51、连接在平移导轨51的滑块上的滑台52、设置在平移座50上的平移电机53、与平移电机53驱动连接的平移丝杆54、套设在平移丝杆54上的平移螺母55以及一端与平移螺母55浮动连接且另一端与滑台52固接的平移块56；升降座40连接在滑台52上；
成像设备平移机构5在移动方向设置有两个对称的第一拉簧58，第一拉簧58的一端连接滑台52，另一端连接平移座50。其中，平移螺母55与滑台52通过平移浮动机构57实现浮动连接，平移浮动机构57与成像设备升降机构4中的升降浮动机构47相同，此处不再赘述。
平移机构中，在平移座50上安装有两组直线导轨，负载居中布置，滑台52安装于直线导轨的滑块上，滑台52上连接升降机构的升降座40，带动其一起平移运动。滑台52的驱动同样采用丝杆传动方式，与升降机构类似，在螺母和平移块56之间采用球头474杆浮动的连接形式，以避免导轨和丝杆不平行及螺母受偏载引起的卡滞现象。此外，平移机构在移动方向设置有两个对称的拉簧，一端连接滑台52，另一端连接平移座50，保持预紧状态。通过拉簧作用，使丝杆和螺母的螺牙紧密咬合，且球头474与衬套保持接触，可消除传动间隙和回程间隙。
为提升螺纹传动效率，丝杆材料优选用钢，螺母材料选用铜合金，由于球头474与衬套的长期存在接触应力，两者材料宜选用为钢。
上述方案，可有效解决滑动丝杆传动过程中的传动卡滞和传动间隙的问题，使之在常规步进电机控制下，不出现丢步现象，降低了电机要求的同时能实现高精度控制，成本低且效果好。
光源移动机构6为单自由度平移机构，只支持沿水平轴方向的平移；在一种实施例中，光源移动机构6与成像设备平移机构5相同，如图12，光源移动机构6包括固接在培养室上盖11上的光源移动电机60、与光源移动电机60驱动连接的光源移动丝杆61、套设在光源移动丝杆61上的光源移动螺母62及与光源移动螺母62连接的光源移动块63；光源20通过滑轨设置在培养室上盖11上，且与光源移动块63连接。光源移动丝杆61转动，从而使光源移动螺母62在其上水平移动，再通过光源移动块63带动光源20进行水平移动。
由于传动系统采用了浮动连接方式，为避免运输或移动仪器过程中对显微成像系统2及配套机构的冲击振动损伤，本发明中装置内部配置了光学锁紧机构7。在一种实施例中，参照图14-19，平移座50上还设置有用于对成像设备21进行锁紧的光学锁紧机构7，光学锁紧机构7包括与平移座50固接的基座70、插设在基座70上开设的锁轴孔71内的锁紧轴72、连接于锁紧轴72前端的滑杆73、对称设置在滑杆73两端的两个摆杆74以及分布设置在两个摆杆74的外端上的两个夹紧块75。
锁轴孔71包括设置在前段的光孔部分710和设置后段的螺纹孔部分711；锁紧轴72包括前部的光轴段720和后部的螺纹段721，锁紧轴72的后部端面上设置有扳手孔722，光轴段720外周间隔开设有两个卡簧724槽723；
基座70底部沿竖直方向间隔设置有两安装板700，每块安装板700上均开设有两个摆杆孔701；
滑杆73中部开设有中心孔730，中心孔730两侧对称设置有两腰型槽731；滑杆73处于两安装板700中间；
摆杆74呈“L”形，在其短边末端和拐角处分别设置有第一销孔740和第二销孔741；两个摆杆74对称分布于锁紧轴72两侧。
夹紧块75与摆杆74固定连接，夹紧块75呈“V”字形，两个夹紧块75对称设置在锁紧轴72两侧，夹紧块75的内壁上设置有衬垫750；
锁紧轴72穿过基座70内的锁轴孔71，且前端插入到滑杆73的中心孔730内，滑杆73处于锁紧轴72上的两个卡簧724槽723之间，两个卡簧724槽723内均设置有卡簧724，且卡簧724与滑杆73之间还设置有垫环725，以将滑杆73卡设在锁紧轴72上的两个卡簧724槽723之间；锁紧轴72的螺纹段721与螺纹孔部分711配合，锁紧轴72的光轴段720通过圆形衬套76与光孔部分710配合，即能实现导向的作用，又能允许自由旋转。锁紧轴72穿入滑杆73中心孔730，使滑杆73位于两个卡簧724槽723中间部分，通过垫环725和卡簧724约束滑杆73位置，锁紧轴72的光轴段720和滑杆73中心孔730之间嵌入圆形衬套76，锁紧轴72的光轴段720与光孔部分710之间也设置有圆形衬套76，可实现锁紧轴72与滑杆73的轴向限位，但同时允许锁紧轴72相对滑杆73自由旋转。
摆杆74的第一销孔740与安装板700的摆杆孔701通过第一销轴77连接，允许两者相对转动；摆杆74的第二销孔741与滑杆73的腰型槽731通过第二销轴78连接，允许两者相对转动且第二销轴78可在腰型槽731内滑动；第一销轴77位于锁紧轴72的前部靠近锁紧轴72轴线的位置，第二销轴78位于锁紧轴72的后部远离锁紧轴72轴线的位置。
在锁紧操作时，只需用扳手驱动锁紧轴72旋转，使锁紧轴72向前移动，推动滑杆73前移，通过滑杆73、摆杆74和基座70的机构约束，可实现两个夹紧块75一起向中心移动，四个接触面对圆形结构的夹持合力经过圆心，达到夹持牢固的目的，解锁时，只需反向旋转锁紧轴72即可。
锁紧轴72采用螺纹驱动夹紧具有很好的自锁功能，有效保持住夹紧力，避免长时间晃动引起松脱的现象。
该光学锁机构适合夹持圆形结构，螺纹锁紧可自锁，夹持力过圆心，更加可靠，采用的结构件数量较少，容易加工制造。
显微成像系统2的光源20和成像设备21分别位于培养室上盖11上部和培养室平台10下部，两者形成倒置显微镜系统，对培养室内样品进行拍摄成像，光源20和成像设备21在合盖后如果位置偏离过多，会导致成像质量下降或无法成像。通过以下实施例中的方案可有效解决该问题。
在一种实施例中，参照图20-24，培养室上盖11的后端通过旋转铰链19与培养室平台10连接，培养室上盖11的底面开有环形槽，环形槽内填充有密封条110，培养模块1的前端还设置有开合机构8。旋转铰链19选为恒扭矩铰链，上盖掀起后可以停留在任意位置。
开合机构8采用杠杆原理，包括设置在培养室上盖11上的挡板80、解锁板81、铰链轴82、铰链座83、拉簧84、锁钩85、定位块86和设置在培养室平台10上的光电开关87、簧片88、簧片压块89；
锁钩85整体呈L形，其上沿长度方向由上至下依次设置有铰链孔、拉簧孔和钩头850，钩头850末端的底部设有倒边851，锁钩85通过铰链孔与铰链轴82配合，可转动设置在固接于培养室上盖11的铰链座83上；
第二拉簧84的一端与拉簧孔连接，另一端与安装在培养室上盖11上的立柱111连接；
定位块86固定于培养室上盖11底部，其为中空结构，锁钩85由上至下穿过定位块86，锁钩85底部的钩头850露出定位块86。定位块86固定于培养室上盖11底部，由于拉簧的作用，锁钩85底部默认会贴住定位块86内壁。解锁板81与铰链轴82固定连接，沿图示箭头方向拨动解锁板81时，会克服拉簧拉力，使锁钩85绕铰链轴82旋转。挡板80固定于培养室上盖11上部，挡板80靠近解锁板81的一边为挡边800(例如，可通过在挡板80上设置开槽801，开槽801的后边形成挡板)，通过解锁板81的尺寸设计，容易实现拨动解锁板81顶住挡边800的情况下，锁钩85底部碰不到定位块86的内壁，以保护锁钩85，同时通过解锁板81和挡边800的力作用，很容易将培养室上盖11掀起，起到开盖的目的。
上述实施例中，培养室平台10上处于锁钩85下方开设有矩形孔100，矩形孔100上与钩头850的倒边851对应的侧壁上设置有斜边101，斜边101底部挖空形成钩槽102；合盖时，在钩头850倒边851和矩形孔100斜边101导向下，及拉簧作用下，能使锁钩85的钩头850内侧很顺利地嵌入钩槽102，在密封条110的预紧力下，钩头850能可靠地与沟槽面接触。
其中，簧片88设置于矩形孔100下方，其呈L形，簧片88的短边处于钩头850下方，簧片88的长边一端被簧片压块89压住，光电开关87设置于簧片88的短边的下方。簧片88一端被簧片压块89压住，另一端不受力时保持水平状态，受下压力时会向下弯曲。合盖时锁钩85的钩头850嵌入钩槽102，钩头850背部会顶住簧片88末端，使簧片88下压变形，簧片88的短边会触发光电开关87，从而让系统识别到培养室的开合状态。
定位块86上还设置有用于配合插入到矩形孔100内的凸台860，凸台860的四个角均做倒边处理，只在凸台860的两侧设置用于与矩形孔100的两垂直内壁配合的定位直边861，凸台860插设矩形孔100后，定位直边861处于矩形孔100的斜边101两侧。在合盖时定位直边861可以与矩形孔100的内壁配合，起到培养室上盖11相对培养室平台10在横向方向的定位作用。
由于培养室上盖11的开合铰链19长时间工作和磨损后，铰链内部的配合间隙必然会越来越大，合盖后会使培养室上盖11相对培养室平台10的位置出现不确定性，使光源20和成像设备21偏离最初的设计位置，严重的话，共轴关系会受到破坏，导致成像质量降低，图像无法识别。通过以下实施例中的方案可有效解决该问题。
在进一步的实施例中，参照图22，培养室上盖11的底面设置有弹簧销112，弹簧销112包括销套114、销113和压簧115，销套114为圆柱形，其内开设台阶圆孔116，台阶圆孔116包括由上至下依次设置的大圆孔段和小圆孔段；销113的下端为球头，可滑动设置在小圆孔段内，销113的上端设置有直径大于小圆孔段的圆台阶，圆台阶可滑动设置在大圆孔段内；压簧115设置在大圆孔段内，且下端顶压在圆台阶上；使销113具有一定的初始预紧力。
培养室平台10上开设有用于供销113的球头配合插入的锥孔103，锥孔103与销113共轴线。弹簧销112和锥孔103，以消除铰链19磨损出现间隙的影响。
弹簧销112和锥孔103分别嵌入在培养室上盖11和培养室平台10内，且两者共轴线，合盖时销113的球头和锥孔103起到导向和定位的作用，可限制培养室上盖11和平台在该点处水平面内的位置偏离，消除间隙的影响。压簧115能保证即使铰链19间隙增大的情况下销113始终能与锥孔103柱接触配合。
弹簧销112和锥孔103柱的定位无法限制培养室上盖11相对平台的旋转偏移，但是结合定位块86和方孔472的横向定位功能，能唯一地确定培养室上盖11和平台的位置关系，彻底消除铰链19磨损的间隙影响，保证成像质量的可靠性。
在一种实施例中，参照图25，每个独立的时差培养模块1000内，内部还包括气路系统，由调节阀、流量传感器106、管路和过滤器109组成，外部混合气由气路接口104进入，调节阀配合流量传感器控制通往培养室的气体流量，过滤器109设置在培养室进气口14，对混合气中的微小尘埃进行过滤。还设置有电气接口105。气体流量可采用比例调节或PWM脉冲宽度调制方式进行控制。
每个独立的时差培养模块1000的电路系统，包括一个主控板107和若干电机驱动板及温控板，主控板107负责与主机系统的信息交互和子系统的命令分配与发送，电机驱动板负责控制电机运动和位置信号采集，温控板负责对培养室上盖11和培养室平台10的温度控制。
在一种实施例中，本发明的工作原理如下：
装置开机后所有运动机构复位至零点，向培养室内充混合气，预热直至培养室温度和气体浓度达到设定值，将预先制备好的容纳胚胎的培养皿放置于内侧的时差培养槽内，关闭培养室上盖11，光源20和成像设备21分别移动定位至第1个样品微孔处，成像设备21向上移动定位至第1层焦平面，相机24执行图像采集，而后向上移动定位至第2层焦平面，相机24执行图像采集，以此类推，完成当前样品微孔全部焦平面的图像采集，最后向下复位至零点；然后光源20和成像设备21分别依次移动定位至第2至16个样品微孔处，执行上述图像采集操作，进而实现对全部样品的成像，最后所有机构复位至零点位置，准备执行下一轮图像采集。因此，在胚胎培养发育过程中，每个样品任意焦平面的图像会间隔一段固定的时间执行采集和记录，以实现时差摄影监控的目的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种胚胎时差培养装置，包括至少一个独立的用于培养样品的时差培养模块，其中，所述时差培养模块包括培养模块和显微成像系统，所述显微成像系统包括光源以及相应配合的成像设备，其特征在于，所述光源位于所述培养模块上部，可沿水平轴方向独立运动；所述成像设备位于所述培养模块下部，既可沿与光源运动轨迹平行的水平轴方向独立运动，也可沿与光源运动轨迹垂直的垂直轴方向独立运动；所述光源和成像设备各自运动并定位至同一样品区域，进而实现配合以对沿所述光源的运动方向直线排列在所述培养模块中的样品进行依次成像。
2.根据权利要求1所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述培养模块包括培养室平台和培养室上盖，两者构成密闭的样品培养室；
所述培养室平台和培养室上盖上均设置有加热元件与温度传感器，所述培养室平台和培养室上盖的外壁上均设置有保温层；
所述培养室平台和上盖上还分别开设有进气口和出气口。
3.根据权利要求2所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述培养室平台上开设有第一放置槽和第二放置槽，所述第一放置槽和第二放置槽上分别设置有时差培养皿和常规培养皿。
4.根据权利要求1所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述光源和成像设备构成倒置显微镜系统，用以对所述培养模块内指定的区域进行成像；所述成像设备包括依次连接的物镜、筒镜和相机；
所述成像设备和光源分别搭载在成像设备移动机构和光源移动机构上，所述光源移动机构安装于所述培养室上盖的上部，用于带动所述光源沿水平轴方向进行平移；所述成像设备移动机构安装于所述培养室平台的下部，其包括成像设备平移机构和成像设备升降机构，所述成像设备平移机构用于带动所述成像设备沿与所述光源运动方向平行的水平方向移动，所述成像设备升降机构用于带动所述成像设备沿与所述光源运动方向垂直的竖直方向移动；
所述培养模块内的样品沿直线排列，样品排列方向与所述光源、成像设备沿水平轴方向的平移运动轨迹平行，且所述光源的入射光与物镜共轴线并经过样品；所述光源和成像设备可运动至指定的同一样品位置处，以实现对指定区域的成像。
5.根据权利要求4所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述成像设备升降机构包括设置在所述平移机构上的升降座、设置在所述升降座上的升降导轨、连接在所述升降导轨的滑块上的负载板、设置在所述升降座上的升降电机、与所述升降电机驱动连接的升降丝杆、套设在所述升降丝杆上的升降螺母以及一端与所述升降螺母浮动连接且另一端与所述负载板固接的升降块；所述成像设备设置在所述负载板上，通过丝杆旋转带动所述升降螺母升降，再通过所述升降块带动所述负载板上的成像设备实现升降运动；
所述升降螺母通过升降浮动机构与所述升降块浮动连接，所述浮动机构包括开设在所述升降螺母的侧面且垂直于所述升降丝杆的轴线的两个对称的圆孔、嵌入在所述圆孔中的浮动衬套、开设在所述浮动衬套中心的方孔以及一端插设在所述方孔中且另一端与所述升降块连接的球杆，所述球杆的一侧设置有球头，所述球头插设在所述浮动衬套中心的方孔内，且所述两个对称的圆孔中的浮动衬套内的球头的中心连线经过所述升降丝杆和升降螺母的共同轴线。
6.根据权利要求5所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述成像设备平移机构包括连接在所述培养室平台下部的平移座、设置在所述平移座上的平移导轨、连接在所述平移导轨的滑块上的滑台、设置在所述平移座上的平移电机、与所述平移电机驱动连接的平移丝杆、套设在所述平移丝杆上的平移螺母以及一端与所述平移螺母浮动连接且另一端与所述滑台固接的平移块；所述升降座连接在所述滑台上；
所述成像设备平移机构在移动方向设置有两个对称的第一拉簧，所述第一拉簧的一端连接所述滑台，另一端连接所述平移座。
7.根据权利要求5所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述平移座上还设置有用于对所述成像设备进行锁紧的光学锁紧机构，所述光学锁紧机构包括与所述平移座固接的基座、插设在所述基座上开设的锁轴孔内的锁紧轴、连接于所述锁紧轴前端的滑杆、对称设置在所述滑杆两端的两个摆杆以及分布设置在所述两个摆杆的外端上的两个夹紧块；
所述锁轴孔包括设置在前段的光孔部分和设置后段的螺纹孔部分；所述锁紧轴包括前部的光轴段和后部的螺纹段，所述锁紧轴的后部端面上设置有扳手孔，所述光轴段外周间隔开设有两个卡簧槽；
所述基座底部沿竖直方向间隔设置有两安装板，每块所述安装板上均开设有两个摆杆孔；
所述滑杆中部开设有中心孔，所述中心孔两侧对称设置有两腰型槽；所述滑杆处于所述两安装板中间；
所述摆杆呈“L”形，在其短边末端和拐角处分别设置有第一销孔和第二销孔；两个摆杆对称分布于所述锁紧轴两侧。
所述夹紧块与所述摆杆固定连接，所述夹紧块呈“V”字形，两个所述夹紧块对称设置在所述锁紧轴两侧，所述夹紧块的内壁上设置有衬垫；
所述锁紧轴穿过所述基座内的锁轴孔，且前端插入到所述滑杆的中心孔内，所述滑杆处于所述锁紧轴上的两个卡簧槽之间，两个所述卡簧槽内均设置有卡簧，且所述卡簧与滑杆之间还设置有垫环，以将所述滑杆卡设在所述锁紧轴上的两个卡簧槽之间；所述锁紧轴的螺纹段与所述螺纹孔部分配合，所述锁紧轴的光轴段通过圆形衬套与所述光孔部分配合；
所述摆杆的第一销孔与所述安装板的摆杆孔通过第一销轴连接，允许两者相对转动；所述摆杆的第二销孔与所述滑杆的腰型槽通过第二销轴连接，允许两者相对转动且所述第二销轴可在腰型槽内滑动；所述第一销轴位于所述锁紧轴的前部靠近锁紧轴轴线的位置，所述第二销轴位于所述锁紧轴的后部远离锁紧轴轴线的位置。
8.根据权利要求2-7中任意一项所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述培养室上盖的后端通过旋转铰链与所述培养室平台连接，所述培养室上盖的底面开有环形槽，所述环形槽内填充有密封条，所述培养模块的前端还设置有开合机构；
所述开合机构包括设置在所述培养室上盖上的挡板、解锁板、铰链轴、铰链座、第二拉簧、锁钩、定位块和设置在所述培养室平台上的光电开关、簧片、簧片压块；
所述锁钩整体呈L形，其上沿长度方向由上至下依次设置有铰链孔、拉簧孔和钩头，所述钩头末端的底部设有倒边，所述锁钩通过铰链孔与铰链轴配合，可转动设置在固接于培养室上盖的铰链座上；
所述第二拉簧的一端与拉簧孔连接，另一端与安装在所述培养室上盖上的立柱连接；
所述定位块固定于培养室上盖底部，其为中空结构，所述锁钩由上至下穿过所述定位块，所述锁钩底部的钩头露出所述定位块。
9.根据权利要求8所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述培养室平台上处于所述锁钩下方开设有矩形孔，所述矩形孔上与所述钩头的倒边对应的侧壁上设置有斜边，所述斜边底部挖空形成钩槽；
所述簧片设置于所述矩形孔下方，其呈L形，所述簧片的短边处于所述钩头下方，所述簧片的长边一端被簧片压块压住，所述光电开关设置于所述簧片的短边的下方；
所述定位块上还设置有用于配合插入到所述矩形孔内的凸台，所述凸台的两侧设置有用于与所述矩形孔的两垂直内壁配合的定位直边，所述凸台插设所述矩形孔后，所述定位直边处于所述矩形孔的斜边两侧。
10.根据权利要求9所述的胚胎时差培养装置，其特征在于，所述培养室上盖的底面设置有弹簧销，所述弹簧销包括销套、销和压簧，所述销套为圆柱形，其内开设台阶圆孔，台阶圆孔包括由上至下依次设置的大圆孔段和小圆孔段；所述销的下端为球头，可滑动设置在所述小圆孔段内，所述销的上端设置有直径大于所述小圆孔段的圆台阶，所述圆台阶可滑动设置在所述大圆孔段内；所述压簧设置在所述大圆孔段内，且下端顶压在所述圆台阶上；
所述培养室平台上开设有用于供所述销的球头配合插入的锥孔，所述锥孔与销共轴线。
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