CN110596068B - 基于线扫描的条带序列切片光学成像装置及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及了一种基于线扫描的条带序列切片光学成像装置及成像方法，旨在解决现有技术无法实现条带序列切片连续成像的问题。本发明装置包括：条带，用于序列放置生物组织序列切片；条带卷取装置、条带供给装置，分别与条带两端固定，分别用于均速旋转卷取条带以及供给条带；一字线光源、线阵图像传感器，设置于条带两侧或同一侧，在条带传动状态下扫描序列切片；图像处理单元，接收线阵图像扫描装置发送的一系列线阵图像，并生成条带序列切片图像。本发明通过条带卷取及供给装置带动条带传送切片，采用线阵图像传感器依次逐行扫描条带，最终通过图像处理单元生成序列图像，图像分辨率高、低畸变，生成图像效率高。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及了一种基于线扫描的条带序列切片光学成像装置及方法。
背景技术
条带序列切片，是指将生物组织切分成连续的序列切片，并使用自动卷带收集设备逐一将切片收集到条带上。最早采用自动条带收集连续超薄序列切片的设备，是由美国哈佛大学的Jeff Litchman实验室设计并实现的，主要用来在电子显微镜中对连续脑组织超薄切片进行微观纳米尺度的扫描成像，获取神经结构的三维结构信息。但是只得到组织的微观结构信息，没有结构对应的相关类别和功能信息是无法建立生物组织功能与结构的一致性关系描述，也就无法进一步研究组织结构对应的行为功能。随着荧光探针等生物光学标记技术和碳纳米管条带等序列切片收集材料的发展，现有技术已经能够实现在透明条带上收集长序列切片，并在较长时间内(2周)保留荧光信号，这为建立高效的条带序列切片的光学(荧光)成像发放提供了技术支持。
传统的光学相机采用单一成像的模式，无法对序列切片进行连续成像，且分辨率低，不能达到微米级荧光信号的分辨率；通过传统荧光显微镜结合载物台移动拍摄并二次拼接的方式，将极大增加拍摄的时间成本，同时会引入拼接累计误差，造成图像的错位失真。
采用线阵扫描结合样本移动的方式，可以获取高分辨率、线性无畸变的扫描图像，该方法已被广泛应用。Hamamatsu的NanoZoomer和华中科技大学的组织切片扫描成像装置均使用了线扫描结合样品移动成像的方式，但每次成像只针对单一组织切片，并在切片平面上存在XY双向位移，这种方式不适用于条带序列切片的连续成像。
总的来说，传统成像技术无法进行切片连续成像，且分辨率低，在拼接过程中容易引入拼接累计误差，造成图像错位失真，现有线阵扫描结合样本移动的方式每次成像只针对单一组织切片，并在切片平面上存在XY双向位移，无法实现条带序列切片的连续成像。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法实现条带序列切片连续成像的问题，本发明提供了一种基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，该成像装置包括条带、条带卷取装置、条带供给装置、一字线光源、线阵图像传感器、图像处理单元；
所述条带，配置为透明或半透明的柔软带状物，用于序列放置生物组织序列切片；
所述条带卷取装置、条带供给装置，分别与所述条带两端固定，分别用于均速旋转卷取所述条带以及供给条带；
所述一字线光源、线阵图像传感装置，为设置于条带两侧或同一侧的相对配置的发光装置与线阵图像传感器；所述线阵图像传感器在条带传动状态下对序列切片进行线扫描；
所述图像处理单元，配置为接收所述线阵图像传感器发送的一系列线阵图像，并通过预设的条带序列切片光学成像方法生成条带序列切片图像。
在一些优选的实施例中，所述条带卷取装置包括条带卷取盒、卷取驱动转子；
所述条带卷取盒，中心设置有卡槽，用于固定所述卷取驱动转子；
所述卷取驱动转子，配置为带有步进编码的旋转驱动装置，用于驱动所述卷带盒均速旋转。
在一些优选的实施例中，所述条带供给装置包括条带供给盒、阻尼转子；
所述条带供给盒，中心设置有卡槽，用于固定所述阻尼转子；
所述阻尼转子，配置为固定于卷带盒卡槽上的阻尼旋转装置，用于提供阻尼力，控制条带处于拉直状态。
在一些优选的实施例中，所述一字线光源为一字线普通白光或一字线激光。
在一些优选的实施例中，所述一字线光源与所述条带面平行且与所述条带运行方向垂直。
在一些优选的实施例中，所述线阵图像传感器为配备成像镜头的CCD线阵图像传感器或CMOS线阵图像传感器。
在一些优选的实施例中，所述预设的条带序列切片光学成像方法包括：
步骤S10，将基于线扫描的条带序列切片光学成像装置获取的线阵图像依据生物组织切片切分为线阵图像序列；
步骤S20，基于获取的线阵图像行距校准因子，分别校正所述线阵图像序列中每一个序列图像的比例，获得生物组织切片序列图像。
在一些优选的实施例中，所述线阵图像行距校准因子通过粘贴于条带上的标准尺寸与其线阵扫描后尺寸计算获取或通过生物组织切片的真实尺寸与其线阵扫描后尺寸计算获取。
本发明的有益效果：
本发明基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，通过条带卷取以及供给装置带动条带传送生物组织序列切片，通过设置于条带一侧的线型光源在条带上产生垂直于传动方向的光线，通过设置于条带另一侧或同一侧线阵图像传感器，依次逐行扫描全部条带，最终通过数字图像处理设备完成线阵图像的处理，高效输出高分辨率、低畸变的完整条带序列切片光学扫描图像。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于线扫描的条带序列切片光学成像装置一种实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的一种基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，该成像装置包括条带、条带卷取装置、条带供给装置、一字线光源、线阵图像传感器、图像处理单元；
所述条带，配置为透明或半透明的柔软带状物，用于序列放置生物组织序列切片；
所述条带卷取装置、条带供给装置，分别与所述条带两端固定，分别用于均速旋转卷取所述条带以及供给条带；
所述一字线光源、线阵图像传感装置，为设置于条带两侧或同一侧的相对配置的发光装置与线阵图像传感器；所述线阵图像传感器在条带传动状态下对序列切片进行线扫描；
所述图像处理单元，配置为接收所述线阵图像传感器发送的一系列线阵图像，并通过预设的条带序列切片光学成像方法生成条带序列切片图像。
为了更清晰地对本发明基于线扫描的条带序列切片光学成像装置进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明一种实施例的基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，包括条带、条带卷取装置、条带供给装置、一字线光源、线阵图像传感器、图像处理单元，各模块详细描述如下：
条带，配置为透明或半透明的柔软带状物，用于序列放置生物组织序列切片。
待扫描生物序列切片顺次放置与条带上，序列切片可带有荧光标记。
条带卷取装置、条带供给装置，分别与所述条带两端固定，分别用于均速旋转卷取所述条带以及供给条带。
条带卷取装置包括条带卷取盒、卷取驱动转子；
条带卷取盒，中心设置有卡槽，用于固定所述卷取驱动转子；
卷取驱动转子，配置为带有步进编码的旋转驱动装置，用于驱动所述卷带盒均速旋转。
本发明一个实施例中，选用步进电机作为卷取驱动转子。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为"步距角"，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
条带供给装置包括条带供给盒、阻尼转子；
条带供给盒，中心设置有卡槽，用于固定所述阻尼转子；
阻尼转子，配置为固定于卷带盒卡槽上的阻尼旋转装置，用于提供阻尼力，控制条带处于拉直状态。
本发明一个实施例中，选用阻尼转轴作为阻尼驱动转子。可以使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，我们称为阻尼器。在条带卷取装置带动条带供给装置转动供给条带时，阻尼转轴提供的阻力使得条带处于拉直状态，从而保证条带平整地在设定平面传送。
一字线光源、线阵图像传感装置，为设置于条带两侧或同一侧的相对配置的发光装置与线阵图像传感器；所述线阵图像传感器在条带传动状态下对序列切片进行线扫描。
一字线光源为一字线普通白光或一字线激光。一字线光源与条带面平行且与所述条带运行方向垂直。
一字线激光源一般由脉冲激光器、光学划线棱镜和光学准直棱镜构成，也可以是成熟的一字线激光器。一字线激光从条带下方照射条带，激发激光线上生物组织切片的荧光信号。
线阵图像传感器为配备成像镜头的CCD线阵图像传感器或CMOS线阵图像传感器，其成像焦距在条带平面上，每次通过扫描平均获得一行线阵图像，并输出至图像处理单元。
如图1所示，为本发明基于线扫描的条带序列切片光学成像装置一种实施例的系统结构示意图。卷取驱动转子7设置于条带卷取盒6上，为条带卷取装置；阻尼转子8设置于条带供给盒9上，为条带供给装置；条带卷取装置与条带供给装置分别与条带4两端固定，序列切片5放置于条带上；一字线光源由脉冲激光器1、光学划线棱镜2和光学准直棱镜3构成，设置于条带一侧；线阵图像传感器10设置于条带另一侧。在其他实施例中，线阵图像传感器也可以与一字线光源设置于条带的同一侧，线阵图像传感器通过采集反射光获取线阵图像。
图像处理单元，配置为接收所述线阵图像传感器发送的一系列线阵图像，并通过预设的条带序列切片光学成像方法生成条带序列切片图像。
图像处理单元可由普通计算机或者专用定制继承集成电路板卡构成。
预设的条带序列切片光学成像方法包括：
步骤S10，将基于线扫描的条带序列切片光学成像装置获取的线阵图像依据生物组织切片切分为线阵图像序列。
将线阵图像传感器产生的线阵图像依次逐行排列，组成完整二维图像或者二维图像阵列。所有扫描线构成完整二维图像，完整二维图像长度太长，可以按切片间隙切分成二维图像阵列。
步骤S20，基于获取的线阵图像行距校准因子，分别校正所述线阵图像序列中每一个序列图像的比例，获得生物组织切片序列图像。
根据条带前进速率和线阵图像传感器参数，计算二维图像行距校准因子，通过行距比例因子校正二维图像至等比例二维图像为最终结果。
线阵图像行距校准因子通过粘贴于条带上的标准尺寸与其线阵扫描后尺寸计算获取或通过生物组织切片的真实尺寸与其线阵扫描后尺寸计算获取。
行距校准因子可以通过在条带上贴上标准棋盘格校准版，并通过标准棋盘格在同样条带前进速率下计算；还可以通过测量真实部分序列切片的长宽比例与对应的未校准二维图像对比计算获得。
需要说明的是，上述实施例提供的基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，仅以上述各模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨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/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，其特征在于，该成像装置包括条带、条带卷取装置、条带供给装置、一字线光源、线阵图像传感器、图像处理单元；
所述条带，配置为透明或半透明的柔软带状物，用于序列放置生物组织序列切片；
所述条带卷取装置、条带供给装置，分别与所述条带两端固定，分别用于均速旋转卷取所述条带以及供给条带；
所述条带卷取装置包括条带卷取盒、卷取驱动转子；
所述条带卷取盒，中心设置有卡槽，用于固定所述卷取驱动转子；
所述卷取驱动转子，配置为带有步进编码的旋转驱动装置，用于驱动所述条带卷取盒均速旋转；
所述条带供给装置包括条带供给盒、阻尼转子；
所述条带供给盒，中心设置有卡槽，用于固定所述阻尼转子；
所述阻尼转子，配置为固定于卷带盒卡槽上的阻尼旋转装置，用于提供阻尼力，控制条带处于拉直状态；
所述一字线光源、线阵图像传感装置，为设置于条带两侧或同一侧的相对配置的发光装置与线阵图像传感器；所述线阵图像传感器在条带传动状态下对序列切片进行线扫描；
所述图像处理单元，配置为接收所述线阵图像传感器发送的一系列线阵图像，并通过预设的条带序列切片光学成像方法生成条带序列切片图像；
所述预设的条带序列切片光学成像方法包括：
步骤S10，将基于线扫描的条带序列切片光学成像装置获取的线阵图像依据生物组织切片切分为线阵图像序列；
步骤S20，基于获取的线阵图像行距校准因子，分别校正所述线阵图像序列中每一个序列图像的比例，获得生物组织切片序列图像；
所述线阵图像行距校准因子通过粘贴于条带上的标准尺寸与其线阵扫描后尺寸计算获取或通过生物组织切片的真实尺寸与其线阵扫描后尺寸计算获取。
2.根据权利要求1所述的基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，其特征在于，所述带有步进编码的旋转驱动装置为步进电机。
3.根据权利要求1所述的基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，其特征在于，所述阻尼旋转装置为阻尼转轴。
4.根据权利要求1所述的基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，其特征在于，所述一字线光源为一字线普通白光或一字线激光。
5.根据权利要求1或4所述的基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，其特征在于，所述一字线光源与所述条带面平行且与所述条带运行方向垂直。
6.根据权利要求1所述的基于线扫描的条带序列切片光学成像装置，其特征在于，所述线阵图像传感器为配备成像镜头的CCD线阵图像传感器或CMOS线阵图像传感器。
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