CN110231259B - 一种宫颈细胞玻片数字诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宫颈细胞玻片数字诊断系统，其结构为：玻片更换机构，用于将宫颈细胞玻片从玻片存储盒中取出放置到低倍扫描成像器的成像区域，以及将宫颈细胞玻片从低倍扫描成像器移放至低倍扫描成像器的成像区域；低倍镜扫描成像机构，用于对玻片进行低分辨率地扫描成像；低倍镜图像分析模块，用于对低分辨率图像执行阴性和阳性的二分类；高倍镜扫描成像机构，用于对阳性玻片进行高分辨率地扫描成像；高倍镜图像分析模块用于对高分辨率图像判别宫颈细胞的病变亚型。本发明通过多分辨率流水线式工作的方式不仅保证了阳性样品数据的完整性，而且极大地降低了玻片样品的数据量，提高了效率，降低了数据存储以及维护成本。
Description
技术领域
本发明涉细胞病理学、图像处理以及智能数字诊断技术领域，更具体的涉及一种宫颈细胞玻片数字诊断系统。
背景技术
宫颈癌是对妇女威胁最大的恶性肿瘤疾病。全世界每年有近250,000人死于宫颈癌。随着宫颈癌筛查方法的发展，目前宫颈癌是唯一可以提前发现并治愈的癌症。
目前的筛查方式主要依靠医生在镜下进行实时阅片，并对该病例做出评价。这种方法虽然可靠，但依赖于检验员的业务水平，同时对于阅片量增多时，疲劳感会影响阅片的准确率。近年来，数字化的病理诊断的仪器设备在一定程度上解决了这个问题。借助与玻片病理扫描仪与图像处理的方法，宫颈细胞数字化诊断仪器能够辅助检验员对病理玻片进行判读，极大的减少了阅片人员的工作量。但是，目前市面上的宫颈涂片自动化筛查仪器仅能够识别可疑细胞区域，并不能对玻片进行精准的分析以至于区分细胞癌变亚型。
因此，目前的宫颈液基细胞学自动筛查系统需要在经验丰富的阅片医生指导下，才能完成准确的病理玻片判读。而有经验的阅片医生培养周期较长，目前国内人才紧缺，远远满足不了实际的诊断需求，尤其对于偏远的宫颈癌高发区。所以，设计一套能够精准的进行宫颈液基细胞学自动筛查系统显得尤为重要。
现有的宫颈细胞定量分析和辅助诊断系统均基于单一物镜的扫描成像结果进行判读，受限于数据存储空间以及数据采集速度，目前用于智能判读的数据的采样率大于0.24μm/pixel。该分辨率低于人眼镜下判读所采用的分辨率，由于信息的缺失当前市面上的的智能诊断系统尚未能达到镜下检验的效果，不能实现精准判读以及细胞病变亚型的区分。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种能够对宫颈液基细胞学涂片进行自动化精准判读的系统，通过多分辨率流水线式工作的方式不仅保证了阳性样品数据的完整性，而且极大地降低了玻片样品的数据量，提高了效率，降低了数据存储以及维护成本。
一种宫颈细胞玻片数字诊断系统，包括玻片更换机构、低倍镜扫描成像机构、高倍镜扫描成像机构、低倍镜图像分析模块和高倍镜图像分析模块；
所述玻片更换机构用于将宫颈细胞玻片从玻片存储盒中取出放置到低倍扫描成像器的成像区域，以及将宫颈细胞玻片从低倍扫描成像器移放至低倍扫描成像器的成像区域；
所述低倍镜扫描成像机构用于对玻片进行低分辨率地扫描成像；所述低倍镜图像分析模块用于对低分辨率图像执行阴性和阳性的二分类；
所述高倍镜扫描成像机构用于对阳性玻片进行高分辨率地扫描成像；所述高倍镜图像分析模块用于对高分辨率图像判别宫颈细胞的病变亚型。
进一步地，还包括条码读取模块，用于读取条形码信息，该条码数值用于为高分辨率图像命名。
进一步地，所述玻片更换机构包括进给驱动机构、双夹持式玻片夹具和玻片固定器；进给驱动机构用于固定双夹持式玻片夹具，驱使双夹持式玻片夹具相对玻片固定器进给运动；所述双夹持式玻片夹具具有可不同步启用的上、下夹槽，玻片固定器具有玻片槽以及可不同步使用的上、下固定结构；当上夹槽被启用，通过进给驱动机构驱动其夹持运载待成像玻片至玻片槽，第一级台阶压被启用固定待成像玻片；当下夹槽被启用，通过进给驱动机构驱动下夹槽夹持已成像玻片退槽，此时第一级台阶释放的待成像玻片掉入玻片槽底部，第二级台阶再被启用压紧固定玻片，等待成像。
进一步地，所述双夹持式玻片夹具，用于夹持运载玻片，包括纵向位移机构、夹具基座和活动式夹持片；夹具基座的一侧设有上夹板和下夹板；纵向运动机构固定于夹具基座上，纵向运动机构的一端设有活动式夹持片，且活动式夹持片位于上夹板和下夹板之间，通过纵向位移机构的纵向上下运动调整活动式夹持片的纵向位置，使得活动式夹持片与上夹板组合成为玻片上夹槽或者与下夹板组合成为玻片下夹槽，如此同一时间只有玻片上夹槽被启用或者玻片下夹槽被启用，构成异步工作模式，在持续工作中形成交替工作模式，实现了取出已成像玻片与放置新病理玻片操作的同步。
进一步地，所述玻片固定器用于在成像过程中承载玻片，包括固定器平台、推压驱动机构和双台阶式推压器；固定器平台的中间部分设有用于放置病理玻片的玻片槽；推压驱动机构安装于固定器平台上，其一端连接双台阶式推压器；双台阶式推压器朝向玻片槽的端部开有两级台阶。
进一步地，还包括玻片样品原点坐标定位机构，包括定位摄像头和标记于玻片上的原点标签，在玻片先后两次被放置于所述载物台时，定位摄像头分别玻片的原点标签成像，通过对比标签位置消除两次放置的位置偏差。
本发明的有益技术效果体现在：
所述自动化宫颈液基细胞学自动筛查系统采用流水线式的结构，细胞学涂片从样品槽中首先进入低分辨扫描仪进行初步筛选，然后挑选出阳性玻片进一步进入高分辨扫描仪进行确诊分析。本发明不同于传统的宫颈细胞自动化筛查系统中通过单一物镜扫描成像获取病理数据的方式，而是通过流水线式的由低分辨物镜到分辨物镜多个物镜扫描成像的模式对细胞玻片样品进行分析，多分辨率流水线式工作的方式不仅保证了阳性样品数据的完整性，为精确诊断以及病变亚型分类提供了数据基础，而且极大的降低了玻片样品的数据量，降低了数据存储以及维护成本。
附图说明
图1为本发明宫颈细胞数字诊断原理图；
图2为本发明宫颈细胞数字诊断系统结构图；
图3为本发明玻片更换机构结构图；
图4为本发明双夹持式玻片夹具结构图；
图5为本发明台阶式玻片固定器结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1给出了本发明宫颈细胞样品的数字诊断系统结构图，所述系统包括：玻片更换机构50、低倍镜扫描成像机构40、阴性玻片存储盒20、阳性玻片存储盒30、高倍镜扫描成像机构10、玻片存储盒60、低倍镜图像分析模块(图中未示出)、高倍镜图像分析模块(图中未示出)。
所述玻片更换机构50可以自动化地将玻片样品从玻片存储盒中取出放置到低倍镜扫描成像机构40的成像区域，亦可以将玻片样品从低倍扫描成像装置放置到高倍镜扫描成像机构10的成像区域。在成像完成后，还可将玻片从低倍或者高倍镜扫描成像机构放回到玻片存储盒60中。
所述低倍镜扫描成像机构40用于对宫颈细胞玻片样品进行初步扫描成像，低倍镜图像分析模块对成像结果进行阴性与阳性样品的二分类。该机构可使用10X NA＝0.2的物镜甚至分辨率更低的物镜对玻片样品进行快速扫描成像。在获取到图像信息之后可以在本地的低倍镜图像分析模块进行处理，也可以将数据通过互联网上传到云端的低倍镜图像分析模块进行处理。低倍镜图像分析模块对图像进行解析，并记录可疑区域坐标以及该玻片的编号。低倍镜图像分析模块可采用基于深度学习得到的判读器。本实例中，该部分由一款便携式病理扫描仪构成，该扫描仪光学分辨率可为1.5μm成像系统的图像采样率为1μm/pixel。
所述高倍镜扫描成像机构10用于对阳性玻片进行高分辨扫描成像，高倍镜图像分析模块利用高分辨的成像结果进行图像分析，结合深度学习得出的分类网络，对阳性玻片进行病变亚型的分类。高倍镜图像分析模块可加载于某一独立处理器，也可集成于高倍镜扫描成像机构10内部。本实例中，该机构包括高倍显微物镜，该显微成像物镜的光学分辨率可达0.32μm，成像系统的图像采样率为0.17μm/pixel。分类网络可采用ResNet50、inceptionv3、inceptionv4等。
图2给出了本发明数字诊断系统工作流程。下面结合图2对系统的工作过程做进一步描述：检验人员将制作好的细胞病理样品放入到玻片存储槽60中。然后将玻片存储槽按照定位装置安放到自动化筛选仪器的卡槽上。点击计算机上扫描软件的开始扫描按钮，玻片更换机构50从玻片存储槽中60依次将样品放置到低倍镜扫描成像机构40中进行快速成像，并通过图像处理判读玻片。对于阴性玻片，玻片更换机构50将阴性玻片直接回收到阴性玻片存储盒20中。对于阳性玻片，玻片更换机构50进一步将玻片样品从低倍镜扫描成像机构40处取出放入到高倍镜扫描成像机构10的成像区域进一步进行扫描成像。并通过高倍镜图像分析模块对高分辨图像进行病变亚型的分类，根据分类结果将玻片依次回收到阳性玻片存储盒30。
按照一种优选的方式，高倍镜扫描成像机构10上设计有条码读取模块，读取条形码信息，该条码数值用于为高分辨率图像命名。条码识别部分采用GM65条形码读取模块，能够在5-10cm范围内自动读取条形码数值，该条码数值用于存储高分辨扫描结果的命名。
所述玻片更换机构50可以自动化的将玻片样品从玻片存储盒中取出放置到低倍扫描成像装置上，亦可以将玻片样品从低倍扫描成像装置放置到高倍扫描成像装置上。或者，将玻片从低倍或者高倍扫描装置上放回到玻片存储盒中，该自动化玻片更换系统可以实现批量玻片的自动处理。本发明给出一种较佳的实施方式，请参见图3，玻片更换机构50包括进给驱动机构501、双夹持式玻片夹具502和玻片固定器503。进给驱动机构501用于固定双夹持式玻片夹具502，驱使双夹持式玻片夹具502相对玻片固定器503进给运动。所述双夹持式玻片夹具502具有可不同步启用的上、下夹槽，玻片固定器503具有玻片槽以及可不同步使用的上、下固定结构；当上夹槽被启用，通过进给驱动机构501驱动其夹持运载待成像玻片至玻片槽，第一级台阶压被启用固定待成像玻片；当下夹槽被启用，通过进给驱动机构501驱动下夹槽夹持已成像玻片退槽，此时第一级台阶释放的待成像玻片掉入玻片槽底部，第二级台阶再被启用压紧固定玻片，等待成像。
更具体的，请参见图4，双夹持式玻片夹具502，用于夹持运载玻片，包括纵向位移机构5021、夹具基座5022和活动式夹持片5023；夹具基座5022的一侧设有上夹板5024和下夹板5025；纵向运动机构5021固定于夹具基座5022上，纵向运动机构5021的一端设有活动式夹持片5023，且活动式夹持片5023位于上夹板5024和下夹板5025之间，通过纵向位移机构5021的纵向上下运动调整活动式夹持片5023的纵向位置，使得活动式夹持片5023与上夹板5024组合成为玻片上夹槽或者与下夹板5025组合成为玻片下夹槽，如此同一时间只有玻片上夹槽被启用或者玻片下夹槽被启用，构成非同步(异步)工作模式，在持续工作中形成交替工作模式，实现了取出已成像玻片与放置新病理玻片操作的同步。
在本较佳实施方式中，纵向位移机构5021采用双向稳定电磁铁和连接杆实现，双向稳定电磁铁的输出端连接连接杆，所述双向电稳定电磁铁有两个稳定态，在正负电压切换下，电磁铁上的推杆产生对应的伸缩动作，其稳定态推力或者拉力达5N以上。所述活动式夹持片5023与电磁铁的推杆通过螺钉刚性连接，在推杆伸缩的两个状态下，所述双夹持式玻片夹具502可以分别产生两处病理玻片上、下夹持槽。当需要更换玻片样品时，病理玻片夹具上的上夹槽夹持新样品送入到扫描仪中，到达指定放置点时，上夹持槽松弛同时下夹持槽闭合使已经扫描完毕的玻片样品被夹持固定，并随着进给轴退出扫描仪器。
为了保证病理玻片夹具在带走旧玻片样品的同时新玻片样品不产生位移，本发明设计了特别的台阶式玻片固定器20，如图5所示。所述玻片固定器503，用于在成像过程中承载玻片，包括固定器平台5031、推压驱动机构5032和双台阶式推压器5033；固定器平台5031的中间部分设有用于放置病理玻片的玻片槽5034；推压驱动机构5032安装于固定器平台5031上，其一端连接双台阶式推压器5033；双台阶式推压器5033朝向玻片槽5034的端部开有两级台阶。该台阶式的设计优势在于，通过推压驱动机构5032的平面运动调整两级台阶相对玻片槽5034的位置，使得两级台阶形成非同步启用的固定玻片的上固定结构、下固定结构。
当所述双夹持式玻片夹具502的玻片上夹槽夹持运载玻片至玻片槽5034时，推压驱动机构5032驱使双台阶式推压器5033靠近玻片，第一级台阶压紧固定待成像玻片；下夹槽被启用，其夹持着位于玻片槽底部上一次的已成像玻片，通过进给驱动机构501的驱动退槽；推压驱动机构5032驱使双台阶式推压器5033后移，第一级台阶压释放玻片，待成像玻片掉入玻片槽的底部，此时第二级台阶压紧固定玻片，等待成像；当玻片成像完成，第二级台阶压释放玻片，然后继续按照前面的方式，启用上夹槽再次送入新的待成像玻片，下夹槽夹持着已成像玻片退槽。
在本较佳实施方式中，推压驱动机构5032采用步进丝杆电机实现，当丝杆电机转动时，带动滑块平移，从而使台阶式推压器进行平移。
在本较佳实施方式中，玻片槽5034中间设计有方形镂空结构，用于显微成像的投射照明，镂空结构的四个角设计有立柱，立柱高度大于两片玻片的厚度。
按照一种优选的方式，本发明还增设了玻片样品原点坐标定位机构，包括一个定位摄像头以及玻片上的原点标签。该摄像头固定于玻片扫描仪上，玻片扫描显微镜可以通过所述摄像头拍摄的标签图像对玻片样品进行定位。由于玻片样品在给检验人员复查的时候需要在显微镜下判读，而将玻片样品再次放置到载物台上时，可能与自动判读时的位置不一致，因此，利用固定在扫描显微镜上的摄像头对玻片样品的标签进行二次拍摄，并对比两次标签的平移情况，即可消除两次放置玻片产生的位置偏差，进而精确的将显微镜视野移动到可疑区域处用于检验人员的复查。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种宫颈细胞玻片数字诊断系统，其特征在于，包括玻片更换机构、低倍镜扫描成像机构、高倍镜扫描成像机构、低倍镜图像分析模块和高倍镜图像分析模块；
所述玻片更换机构用于将宫颈细胞玻片从玻片存储盒中取出放置到低倍扫描成像机构的成像区域，以及将宫颈细胞玻片从低倍扫描成像机构移放至高倍扫描成像机构的成像区域；
所述玻片更换机构包括进给驱动机构(501)、双夹持式玻片夹具(502)和玻片固定器(503)；进给驱动机构(501)用于固定双夹持式玻片夹具(502)，驱使双夹持式玻片夹具(502)相对玻片固定器(503)进给运动；所述双夹持式玻片夹具(502)具有可不同步启用的玻片上、下夹槽，玻片固定器(503)具有玻片槽以及可不同步使用的上、下固定结构；当玻片上夹槽被启用，通过进给驱动机构(501)驱动其夹持运载待成像玻片至玻片槽，上固定结构被启用压紧固定待成像玻片；当玻片下夹槽被启用，通过进给驱动机构(501)驱动玻片下夹槽夹持已成像玻片退槽，此时上固定结构释放的待成像玻片掉入玻片槽底部，下固定结构被启用压紧固定玻片，等待成像；
所述低倍镜扫描成像机构用于对玻片进行低分辨率地扫描成像；所述低倍镜图像分析模块用于对低分辨率图像执行阴性和阳性的二分类；
所述高倍镜扫描成像机构用于对阳性玻片进行高分辨率地扫描成像；所述高倍镜图像分析模块用于对高分辨率图像判别宫颈细胞的病变亚型。
2.根据权利要求1所述的宫颈细胞玻片数字诊断系统，其特征在于，还包括条码读取模块，用于读取条形码信息，该条形码信息用于为高分辨率图像命名。
3.根据权利要求1所述的宫颈细胞玻片数字诊断系统，其特征在于，所述双夹持式玻片夹具(502)，用于夹持运载玻片，包括纵向位移机构(5021)、夹具基座(5022)和活动式夹持片(5023)；夹具基座(5022)的一侧设有上夹板(5024)和下夹板(5025)；纵向位移机构(5021)固定于夹具基座(5022)上，纵向位移机构(5021)的一端设有活动式夹持片(5023)，且活动式夹持片(5023)位于上夹板(5024)和下夹板(5025)之间，通过纵向位移机构(5021)的纵向上下运动调整活动式夹持片(5023)的纵向位置，使得活动式夹持片(5023)与上夹板(5024)组合成为玻片上夹槽或者与下夹板(5025)组合成为玻片下夹槽，如此同一时间只有玻片上夹槽被启用或者玻片下夹槽被启用，构成异步工作模式，在持续工作中形成交替工作模式，实现了取出已成像玻片与放置新病理玻片操作的同步。
4.根据权利要求3所述的宫颈细胞玻片数字诊断系统，其特征在于，所述玻片固定器(503)用于在成像过程中承载玻片，包括固定器平台(5031)、推压驱动机构(5032)和双台阶式推压器(5033)；固定器平台(5031)的中间部分设有用于放置病理玻片的玻片槽(5034)；推压驱动机构(5032)安装于固定器平台(5031)上，其一端连接双台阶式推压器(5033)；双台阶式推压器(5033)朝向玻片槽(5034)的端部开有两级台阶。
5.根据权利要求1或3或4所述的宫颈细胞玻片数字诊断系统，其特征在于，还包括玻片样品原点坐标定位机构，包括定位摄像头和标记于玻片上的原点标签，在玻片先后两次被放置于载物台时，定位摄像头分别对玻片的原点标签成像，通过对比标签位置消除两次放置的位置偏差。
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