CN111279242B - 双处理器图像处理 - Google Patents

Abstract

一种数字载片扫描设备，包括扫描载物台、聚焦传感器、成像传感器和至少两个处理器。主处理器被配置为控制所述扫描载物台以相对于所述聚焦传感器和所述成像传感器移动样品。所述主处理器控制辅处理器以处理由所述聚焦传感器生成的焦点缓冲区和由所述成像传感器生成的图像缓冲区。所述辅处理器访问每个缓冲区并处理所述缓冲区中的数据以生成所述缓冲区的平均对比度矢量。然后，将所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区的所述平均对比度矢量提供到所述主处理器，以结合自动聚焦和/或数字载片图像的生成来进行进一步处理。

Description

双处理器图像处理

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年11月28日提交的美国临时专利申请号62/591,418的优先权，该申请以引用方式整体并入本文，如同完全地阐述一样。

背景

发明领域

本发明总体上涉及一种数字载片扫描设备(例如，用于病理学)，并且更具体地涉及在数字载片扫描设备扫描样品期间对双处理器资源的高效实时管理。

相关技术

数字病理学是通过允许管理从物理载片产生的信息的计算机技术实现的基于图像的信息环境。数字病理学部分地通过虚拟显微术实现，虚拟显微术是扫描物理玻璃载片上的样本并产生可在计算机监视器上存储、查看、管理和分析的数字载片图像的实践。通过对整个玻璃载片进行成像的能力，数字病理学领域迅猛发展并且在当前被认为是诊断医学中用来实现对重大疾病(诸如癌症)的甚至更好、更快且更便宜的诊断、预后和预测的最有前景的途径之一。

在数字病理学行业中，期望的是尽可能快地扫描玻璃载片上的样本。为了减少扫描时间，还期望成像系统实时地自动聚焦。然而，当实施实时自动聚焦时，数字载片扫描设备的处理器就会变得过载，并且这种过载会不利地影响扫描时间。因此，需要一种克服在上文所描述的常规的系统中发现的这些显著问题的系统和方法。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本文描述了一种包括至少两个处理器的数字载片扫描设备。在一个实施方案中，扫描设备的主处理器是中央处理单元(CPU)，其被配置为控制整个扫描设备和扫描过程。CPU还可控制扫描设备的整个图像处理和自动聚焦过程。然而，在一个实施方案中，作为自动聚焦过程的一部分的某些特定图像分析处理从CPU卸载到辅处理器，诸如图形处理单元(GPU)。

有利地，CPU将某些处理密集型任务卸载到GPU，以提高数字载片扫描设备的整体效率。例如，如果实时自动聚焦要求处理来自聚焦传感器和成像传感器两者的图像数据，则卸载的任务可包括处理每个一千扫描线缓冲区以生成聚焦传感器的平均对比度矢量和处理每个一千扫描线缓冲区以生成成像传感器的平均对比度矢量。生成平均对比度矢量可包括确定扫描线中的每个像素的对比度值。尽管传感器可具有4,096个像素，但是扫描线典型地具有4,080个像素。可针对缓冲区中的一千个扫描线中的每一个的每个像素来确定这些对比度值。此外，可将缓冲区中的每个像素列(例如，列1至4,080中的一千个像素中的每一个)平均为单个值，并且可使用这些平均值的组合来计算由GPU生成并提供到CPU的平均对比度矢量。卸载到GPU的附加的任务可包括在生成平均对比度矢量之前将颜色转换为黑色和白色以及进行照明校正。

在一个实施方案中，一种数字载片扫描设备包括：成像系统，所述成像系统包括聚焦传感器和成像传感器；扫描载物台，所述扫描载物台被配置为支撑样品并相对于所述聚焦传感器和所述成像传感器移动所述样品；主处理器，所述主处理器被配置为控制所述扫描载物台以从所述聚焦传感器和所述成像传感器生成图像数据；以及辅处理器，所述辅处理器被配置为在所述主处理器的控制下通过以下操作来处理由所述聚焦传感器和所述成像传感器生成的图像数据：针对包括由所述聚焦传感器生成的多个扫描线的焦点缓冲区和包括由所述成像传感器生成的多个扫描线的图像缓冲区中的每一个，其中所述多个扫描线中的每一个包括多个像素，访问相应的缓冲区，计算所述相应的缓冲区的所述多个扫描线中的每个像素列的平均对比度值，其中像素列包括贯穿所述相应的缓冲区中所有的所述多个扫描线在相应位置处的所有像素，以及生成所述相应的缓冲区的相应的对比度矢量，其中所述相应的对比度矢量包括所述相应的缓冲区中的所述多个扫描线中的每个像素列的所述平均对比度值；以及将从所述焦点缓冲区生成的所述对比度矢量和从所述图像缓冲区生成的所述对比度矢量两者返回到所述主处理器以进行进一步处理。所述主处理器可在控制所述扫描载物台的同时生成所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区两者。所述辅处理器还可由所述主处理器控制以针对所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区中的每一个来计算所述相应的缓冲区中的每个像素的平均对比度值，其中使用每个像素列中的所述像素的所述计算出的平均对比度值来计算所述相应的缓冲区的所述多个扫描线中的每个像素列的所述平均对比度值。可通过对所述像素和在所述像素周围的一个或多个像素的对比度值求平均来计算每个像素的所述平均对比度值。与所述主处理器控制所述扫描载物台以从所述聚焦传感器和所述成像传感器生成新的图像数据并行地，所述辅处理器可执行对由所述聚焦传感器和所述成像传感器生成的所述图像数据的所述处理。所述主处理器可使用从所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区中的一个或两个生成的所述对比度矢量来生成被支撑在所述扫描载物台上的所述样品的全载片图像。所述数字载片扫描设备还可包括物镜，所述物镜被配置为沿着垂直于所述扫描载物台的平面的轴线移动，其中所述主处理器使用从所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区中的一个或两个生成的所述对比度矢量来使所述物镜自动地聚焦。

在一个实施方案中，公开了一种数字载片扫描设备中的方法，所述数字载片扫描设备包括：聚焦传感器；成像传感器；扫描载物台，所述扫描载物台被配置为支撑样品并相对于所述聚焦传感器和所述成像传感器移动所述样品；主处理器；以及辅处理器。所述方法包括：针对多个迭代中的每一个，使用所述主处理器来控制所述扫描载物台以从所述聚焦传感器和所述成像传感器生成图像数据，其中所述图像数据包括焦点缓冲区和图像缓冲区，所述焦点缓冲区包括由所述聚焦传感器生成的多个扫描线，所述图像缓冲区包括由所述成像传感器生成的多个扫描线，其中每个扫描线包括在所述扫描线中具有相应位置的多个像素；以及与所述主处理器控制所述扫描载物台并行地，使用所述辅处理器通过以下操作来处理所述图像数据：针对所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区中的每一个，访问相应的缓冲区，计算所述相应的缓冲区的所述多个扫描线中的每个像素列的平均对比度值，其中像素列包括贯穿所述相应的缓冲区中所有的所述多个扫描线在相应位置处的所有像素，以及生成所述相应的缓冲区的相应的对比度矢量，其中所述相应的对比度矢量包括所述相应的缓冲区中的所述多个扫描线中的每个像素列的所述平均对比度值；以及将从所述焦点缓冲区生成的所述对比度矢量和从所述图像缓冲区生成的所述对比度矢量两者返回到所述主处理器以进行进一步处理。

在阅读以下详细描述和附图之后，本发明的其他特征和优点对于本领域的普通技术人员来说将变得更显而易见。

附图说明

通过阅读以下详细描述和附图，将理解本发明的结构和操作，在附图中，相同的附图标记指代相同的部分并且其中：

图1是根据一个实施方案的示出用于双处理器图像处理的示例过程的流程图；

图2A是示出可结合本文所描述的各种实施方案使用的示例支持处理器的装置的框图；

图2B是根据一个实施方案的示出具有单个线性阵列的示例线扫描相机的框图；

图2C是根据一个实施方案的示出具有三个线性阵列的示例线扫描相机的框图；以及

图2D是根据一个实施方案的示出具有多个线性阵列的示例线扫描相机的框图。

具体实施方式

本文所公开的某些实施方案提供了将特定图像处理任务从主处理器卸载到辅处理器，以便在数字载片扫描设备中完成实时自动聚焦。如本文所使用，分别来说，形容词“实时”应理解为是指接近实时以及实时，并且名词“实时”应理解为是指接近实时以及实时。在阅读本说明书之后，对于本领域的技术人员来说将变得显而易见的是，如何在各种可选的实施方案和可选的应用中实现本发明。然而，尽管本文将描述本发明的各种实施方案，但是应理解，这些实施方案仅以示例方式呈现，而不进行限制。如此，对各种可选的实施方案的这个详细描述不应被解释为限制如所附权利要求书中所阐述的本发明的范围或广度。

1.双处理器

图1是根据一个实施方案的示出用于双处理器图像处理的示例过程的流程图。所示出的过程可由数字载片扫描设备内的主处理器100和辅处理器200(例如，作为处理器555)实施，如稍后关于图2A至图2D所描述。

最初，数字载片扫描设备使用其主处理器100来执行步骤110，以相对于成像系统移动扫描载物台(例如，载物台580)，该成像系统包括聚焦传感器、成像传感器和单个物镜(例如，物镜600)。经由从物镜到聚焦传感器的光学路径(例如，光学路径605)将物镜的视野(例如，视野625)的至少一部分提供到聚焦传感器。此外，经由从物镜到成像传感器的光学路径将物镜的视野的至少一部分提供到成像传感器。在一个实施方案中，聚焦传感器和成像传感器均为线性传感器，它们各自都会产生被称为扫描线的图像数据线。因此，聚焦传感器和成像传感器各自产生表示它们相应的接收的视野的图像数据的多个扫描线。

在步骤120中，主处理器100生成包括由聚焦传感器产生的多个扫描线的焦点缓冲区，并且生成包括由成像传感器产生的多个扫描线的图像缓冲区。在所描述的实施方案中，假设每个缓冲区包括1,000个扫描线，其中每个扫描线包括4,080个像素。然而，每个缓冲区可包括更多或更少的扫描线，和/或每个扫描线可包括更多或更少的像素。

在步骤130中，一旦在步骤120中已经生成焦点缓冲区和图像缓冲区，主处理器100就控制辅处理器200来处理焦点缓冲区和图像缓冲区。这允许主处理器100继续控制整个扫描过程，包括扫描载物台相对于成像系统的连续移动(即，在步骤110的后续迭代中)以及附加的焦点缓冲区和图像缓冲区的生成(即，在步骤120的后续迭代中)。

与主处理器100对整个扫描过程的这种连续控制并行地，在步骤210中，辅处理器200从图像缓冲区和焦点缓冲区获得图像数据。在所描述的示例中，每个缓冲区中的图像数据包括1,000个扫描线，其中每个扫描线包括4,080个单独的像素，这些单独的像素沿着扫描线在与相应传感器上的像素相对应的相应位置处进行索引。例如，缓冲区可被描述为包括1,000行和4,080列的像素表，其中每一行对应于由相应的传感器产生的一个扫描线，每一列对应于相应的传感器上的相应的像素。

在步骤220中，一旦已经获得给定的缓冲区的数据(例如，焦点缓冲区或图像缓冲区)，辅处理器200就计算每个缓冲区中的每个像素的平均对比度值。在一个实施方案中，这可通过对目标像素及其周围像素的对比度值求平均来完成。可选地，可省略步骤220。

在步骤230中，辅处理器200计算每个缓冲区中的每个列的平均对比度值。在其中每个缓冲区包括1,000个扫描线并且每个扫描线包括4,080个像素的实施方案中，步骤230可包括基于每个缓冲区中的给定的列中的1,000个像素中的每个的原始对比度值(在其中省略步骤220的实施方案中)或平均对比度(在其中执行步骤220的实施方案中)来计算平均像素对比度值。对于每个缓冲区，将此计算执行4,080次。

在步骤240中，辅处理器生成每个缓冲区的对比度矢量。每个对比度矢量包括在步骤230中针对相应的缓冲区中的4,080个像素列中的每个计算的平均对比度值。然后，在步骤250中，将焦点缓冲区的对比度矢量和图像缓冲区的对比度矢量返回到主处理器100以进行进一步处理。

在步骤140中，主处理器100将在步骤250中由辅处理器200返回的焦点缓冲区的对比度矢量和图像缓冲区的对比度矢量用于使物镜聚焦的自动聚焦过程并且用于生成扫描载物台上的样品(例如样品590)的全载片图像。

2.示例实施方案

在一个实施方案中，一种数字载片扫描设备包括：成像系统，该成像系统包括聚焦传感器和成像传感器；扫描载物台，该扫描载物台被配置为支撑样品并相对于聚焦传感器和成像传感器移动样品；主处理器，该主处理器被配置为控制扫描载物台并控制对由聚焦传感器和成像传感器生成的图像数据的处理；以及辅处理器，该辅处理器被配置为在主处理器的控制下处理由聚焦传感器和成像传感器生成的图像数据。在这个实施方案中，辅处理器由主处理器控制以处理由聚焦传感器和成像传感器生成的图像数据的单独的缓冲区。具体地，辅处理器由主处理器控制以：获得焦点缓冲区，该焦点缓冲区包括由聚焦传感器生成的多个扫描线，其中每个扫描线包括多个像素；计算焦点缓冲区中的每个像素列的平均对比度值，其中像素列包括贯穿焦点缓冲区中的所有扫描线在相应位置处的所有像素；以及生成焦点缓冲区的焦点对比度矢量，该焦点对比度矢量包括焦点缓冲区中的每个像素列的平均对比度值。

辅处理器还由主处理器控制以：获得图像缓冲区，该图像缓冲区包括由成像传感器生成的多个扫描线，其中每个扫描线包括多个像素；计算图像缓冲区中的每个像素列的平均对比度值，其中像素列包括贯穿图像缓冲区中的所有扫描线在相应位置处的所有像素；以及生成图像缓冲区的图像对比度矢量，该图像对比度矢量包括图像缓冲区中的每个像素列的平均对比度值。

有利地，针对由辅处理器处理的图像数据的每个焦点缓冲区，辅处理器将焦点对比度矢量返回到主处理器。另外地，针对由辅处理器处理的图像数据的每个图像缓冲区，辅处理器将图像对比度矢量返回到主处理器。随后，由主处理器使用焦点缓冲区的平均对比度矢量和图像缓冲区的平均对比度矢量来进行实时自动聚焦和/或对整个扫描过程的管理。

在一个实施方案中，一种数字载片扫描设备被配置为实施一种用于实时自动聚焦的方法，该数字载片扫描设备具有：聚焦传感器；成像传感器；扫描载物台，该扫描载物台被配置为支撑样品并相对于聚焦传感器和成像传感器移动样品；主处理器；以及辅处理器。用于实时自动聚焦的方法包括使用主处理器来控制扫描载物台并相对于聚焦传感器和成像传感器来移动由扫描载物台支撑的样品。该方法还包括由聚焦传感器生成多个焦点缓冲区，其中每个焦点缓冲区包括由聚焦传感器生成的多个扫描线，其中由聚焦传感器生成的每个扫描线包括在扫描线中具有相应位置的多个像素。该方法还包括由成像传感器生成多个图像缓冲区，其中每个图像缓冲区包括由成像传感器生成的多个扫描线，其中由成像传感器生成的每个扫描线包括在扫描线中具有相应位置的多个像素。

此外，该方法包括使用辅处理器来处理由聚焦传感器生成的多个焦点缓冲区和由成像传感器生成的多个图像缓冲区中的图像数据。由辅处理器进行的处理包括：获得焦点缓冲区，该焦点缓冲区包括由聚焦传感器生成的多个扫描线，其中每个扫描线包括多个像素；计算焦点缓冲区中的每个像素列的平均对比度值，其中像素列包括贯穿焦点缓冲区中的所有扫描线在相应位置处的所有像素；以及生成焦点缓冲区的焦点对比度矢量，该焦点对比度矢量包括焦点缓冲区中的每个像素列的平均对比度值。由辅处理器进行的处理还包括：获得图像缓冲区，该图像缓冲区包括由成像传感器生成的多个扫描线，其中每个扫描线包括多个像素；计算图像缓冲区中的每个像素列的平均对比度值，其中像素列包括贯穿图像缓冲区中的所有扫描线在相应位置处的所有像素；以及生成图像缓冲区的图像对比度矢量，该图像对比度矢量包括图像缓冲区中的每个像素列的平均对比度值。由辅处理器进行的处理另外地包括将焦点缓冲区的焦点对比度矢量和图像缓冲区的图像对比度矢量返回到主处理器以进行进一步处理。

3.示例数字载片扫描设备

图2A是示出可结合本文所描述的各种实施方案使用的示例支持处理器的装置550的框图。如技术人员将理解，还可使用装置550的可选形式。在所示的实施方案中，装置550被呈现为数字成像装置(本文也称为扫描仪系统、扫描系统、数字载片扫描设备、扫描设备等)，该数字成像装置包括：一个或多个处理器555；一个或多个存储器565；一个或多个运动控制器570；一个或多个接口系统575；一个或多个可移动载物台580，该一个或多个可移动载物台各自支撑具有一个或多个样品590的一个或多个玻璃载片585；一个或多个照明系统595，该一个或多个照明系统对样品进行照明；一个或多个物镜600，该一个或多个物镜各自限定沿着光轴行进的光学路径605；一个或多个物镜定位器630；一个或多个任选的落射照明系统635(例如，包括在基于荧光的扫描仪系统中)；一个或多个聚焦光学器件610；一个或多个线扫描相机615；和/或一个或多个面扫描相机620，该一个或多个面扫描相机中的每一个限定在样品590和/或玻璃载片585上的单独视野625。扫描仪系统550的各种元件经由一个或多个通信总线560通信地耦合。尽管可存在扫描仪系统550的各种元件中的每一种中的一个或多个，但是为了简单起见，除非需要以复数形式进行描述来传达适当的信息，否则将以单数形式描述这些元件。

一个或多个处理器555可包括例如主处理器100(例如，CPU)和辅处理器200(例如，单独的GPU)。主处理器100和辅处理器200有利地能够并行地处理指令。在一个实施方案中，一个或多个处理器555可包括能够并行地处理指令的多核心处理器，其中多核心处理器的第一核心可被认为是主处理器100，而多核心处理器的第二核心可被认为是辅处理器200。还可提供附加的单独处理器以控制特定部件或执行特定功能，诸如图像处理。例如，附加的处理器可包括用于管理数据输入的辅助处理器、用于执行浮点数学运算的辅助处理器、具有适合于快速地执行信号处理算法的架构的专用处理器(例如，数字信号处理器)、从属于主处理器100的从处理器(例如，后端处理器)和/或用于控制线扫描相机615、载物台580、物镜225和/或显示器(未示出)的附加的处理器。这样的附加的处理器可为单独的离散处理器，或者可与处理器555集成。

存储器565提供可由处理器555执行的程序的数据和指令的存储。存储器565可包括存储数据和指令的一种或多种易失性和持久性计算机可读存储介质，包括但不限于随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器、可移动存储装置驱动器等。处理器555被配置为执行存储在存储器565中的指令并经由通信总线560与扫描仪系统550的各种元件通信以实施扫描仪系统550的整体功能。

一个或多个通信总线560可包括被配置为传达模拟电信号的通信总线560，并且可包括被配置为传达数字数据的通信总线560。因此，从处理器555、运动控制器570和/或接口系统575经由一个或多个通信总线560进行的通信可包括电信号和数字数据两者。处理器555、运动控制器570和/或接口系统575还可被配置为经由无线通信链路与扫描系统550的各种元件中的一个或多个通信。

运动控制系统570被配置为精确地控制和协调载物台580和/或物镜600(例如，经由物镜定位器630)的X-Y-Z移动。在一个实施方案中，载物台580能够沿着X轴和Y轴移动，而物镜600能够沿着Z轴移动。运动控制系统570还被配置为控制扫描仪系统550中的任何其他移动部分的移动。例如，在基于荧光的扫描仪实施方案中，运动控制系统570被配置为协调落射照明系统635中的滤光器等的移动。

在一个实施方案中，接口系统575允许扫描仪系统550与其他系统和人类操作员介接。例如，接口系统575可包括用户界面以用于将信息直接地提供给操作员和/或允许来自操作员的直接输入。接口系统575还可被配置为便于扫描系统550与直接地连接的一个或多个外部装置(例如，打印机、可移动存储介质等)或经由网络(未示出)连接到扫描仪系统550的外部装置(诸如图像服务器系统、操作员站、用户站、管理服务器系统等)之间的通信和数据传输。

照明系统595被配置为对样品590的一部分进行照明。照明系统可包括例如光源和照明光学器件。光源可为可变强度卤素光源，其具有凹面反射镜以最大化光输出并具有KG-1滤光片以抑制热量。光源还可为任何类型的弧光灯、激光器或其他光源。在一个实施方案中，照明系统595以透射模式对样品590进行照明，使得线扫描相机615和/或面扫描相机620感测透射穿过样品590的光学能量。可选地或组合地，照明系统595可被配置为以反射模式对样品590进行照明，使得线扫描相机615和/或面扫描相机620感测从样品590反射的光学能量。更一般地，照明系统595可被配置为适合于在光学显微术的任何已知模式中探询显微镜样品590。

在一个实施方案中，扫描仪系统550包括落射照明系统635来优化扫描仪系统550以进行基于荧光的扫描。基于荧光的扫描是对包括荧光分子的样品590的扫描，所述荧光分子是可吸收特定波长的光(激发)的光子敏感分子。这些光子敏感分子还以更高波长发射光(发射)。由于这种光致发光现象的效率非常低，因此发射光量通常非常低。这种低发射光量典型地阻碍用于扫描和数字化样品590的常规技术(例如，透射模式显微术)。有利地，扫描仪系统550的基于荧光的实施方案使用包括多个线性传感器阵列的线扫描相机615(例如，时间延迟积分(“TDI”)线扫描相机)并通过将样品590的同一区域暴露于线扫描相机615的多个线性传感器阵列中的每一个来增加线扫描相机对光的敏感度。这在用低发射光来扫描微弱荧光样品时特别地有用。

因此，在基于荧光的扫描仪系统实施方案中，线扫描相机615优选地是单色TDI线扫描相机。有利地，单色图像在荧光显微术中是理想的，因为它们提供了来自存在于样品上的各种通道的实际信号的更准确表示。如本领域的技术人员将理解，可用发射不同波长的光的多种荧光染料来标记荧光样品590，这些波长也称为“通道”。

此外，由于各种荧光样品的低端和高端信号电平呈现线扫描相机615要感测的波长的宽光谱，因此期望线扫描相机615可感测到的低端和高端信号电平是类似地宽的。因此，在基于荧光的扫描仪实施方案中，在基于荧光的扫描系统550中使用的线扫描相机615是单色10位64线性阵列TDI线扫描相机。应注意，可采用线扫描相机615的各种位深度以与扫描系统550的基于荧光的扫描仪实施方案一起使用。

可移动载物台580被配置为在处理器555或运动控制器570的控制下进行精确的X-Y移动。可移动载物台还可被配置为在处理器555或运动控制器570的控制下沿着Z轴进行移动。可移动载物台被配置为在由线扫描相机615和/或面扫描相机进行的图像数据捕获期间将样品定位在期望位置。可移动载物台还被配置为在扫描方向上将样品590加速到基本上恒定的速度，并且然后在由线扫描相机615进行的图像数据捕获期间维持基本上恒定的速度。扫描仪系统550可采用高精度且紧密地协调的X-Y网格来帮助将样品590定位在可移动载物台580上。在一个实施方案中，可移动载物台580是基于线性马达的X-Y载物台，其中在X轴和Y轴两者上采用高精度编码器。例如，可在扫描方向上的轴线上和在垂直于扫描方向并与扫描方向在同一平面上的方向上的轴线上使用非常精确的纳米编码器。载物台还被配置为支撑玻璃载片585，样品590设置在该玻璃载片上。

样品590可为可通过光学显微术探询的任何事物。例如，玻璃显微镜载片585经常用作样本的观察基底，该样本包括组织和细胞、染色体、DNA、蛋白质、血液、骨髓、尿液、细菌、小滴、活检材料，或任何其他类型的死或活的、染色或未染色的、标记或未标记的生物材料或物质。样品590还可为沉积在任何类型的载片或其他基底上的任何类型的DNA或DNA相关材料(诸如cDNA、RNA或蛋白质)的阵列，包括通常称为微阵列的任何和所有样品。样品590可为微量滴定板(例如，96孔板)。样品590的其他示例包括集成电路板、电泳记录、培养皿、膜、半导体材料、法医材料和机加工零件。

物镜600安装在物镜定位器630上，在一个实施方案中，该物镜定位器采用非常精确的线性马达来使物镜600沿着由物镜600限定的光轴移动。例如，物镜定位器630的线性马达可包括50纳米编码器。载物台580和物镜600在X、Y和Z轴上的相对位置在处理器555(例如，主处理器100)的控制下使用运动控制器570以闭环方式进行协调和控制，该处理器采用存储器565来存储信息和指令，包括用于整个扫描系统550操作的计算机可执行的编程的步骤。

在一个实施方案中，物镜600是平场复消色差(“APO”)无限远校正物镜，其数值孔径对应于期望的最高空间分辨率，其中物镜600适合于透射模式照明显微术、反射模式照明显微术和/或落射照明模式荧光显微术(例如，Olympus 40X,0.75NA或20X,0.75NA)。有利地，物镜600能够校正色像差和球面像差。由于物镜600是无限远校正的，因此聚焦光学器件610可在光学路径605中放置于物镜600上方，在那里，穿过物镜的光束变成准直光束。聚焦光学器件610将由物镜600捕获的光信号聚焦到线扫描相机615和/或面扫描相机620的光响应元件上并且可包括光学部件(诸如滤光片、放大变换器透镜等)。与聚焦光学器件610相结合的物镜600为扫描系统550提供了总放大率。在一个实施方案中，聚焦光学器件610可包含镜筒透镜和任选的2X放大变换器。有利地，2X放大变换器允许本机20X物镜600以40X放大率扫描样品590。

线扫描相机615包括图片元素(“像素”)的至少一个线性阵列。线扫描相机可为单色或彩色的。彩色线扫描相机典型地具有至少三个线性阵列，而单色线扫描相机可具有单个线性阵列或多个线性阵列。还可使用任何类型的单数或复数线性阵列，无论是被封装作为相机的部分还是定制集成到成像电子模块中。例如，还可使用三线性阵列(“红-绿-蓝”或“RGB”)彩色线扫描相机或96线性阵列单色TDI。TDI线扫描相机典型地通过对来自样本的先前成像区域的强度数据求和而产生信噪比(“SNR”)的与积分级的数量的平方根成比例的增加来在输出信号中提供显著地更好的SNR。TDI线扫描相机包括多个线性阵列。例如，TDI线扫描相机可具有24个、32个、48个、64个、96个或甚至更多的线性阵列。扫描仪系统550还支持以各种格式制造的线性阵列，包括具有512个像素的一些格式、具有1,024个像素的一些格式，以及具有多达4,096个像素的其他格式。类似地，还可在扫描仪系统550中使用具有各种像素大小的线性阵列。选择任何类型的线扫描相机615的突出要求是载物台580的运动可与线扫描相机615的线速率同步，使得在样品590的数字图像捕获期间，载物台580可相对于线扫描相机615处于运动中。

由线扫描相机615生成的图像数据存储在存储器565的一部分中并由处理器555处理以生成样品590的至少一部分的连续数字图像。连续数字图像可由处理器555进一步处理，并且修改过的连续数字图像也可存储在存储器565中。

在具有两个或更多个线扫描相机615的实施方案中，线扫描相机615中的至少一个可被配置为用作聚焦传感器，该聚焦传感器与线扫描相机615中的被配置为用作成像传感器的至少一个组合地操作。聚焦传感器可逻辑上定位成与成像传感器在同一光轴上，或者聚焦传感器可逻辑上定位成相对于扫描仪系统550的扫描方向在成像传感器之前或之后。在其中至少一个线扫描相机615用作聚焦传感器的一个实施方案中，由聚焦传感器生成的图像数据存储在存储器565的一部分中并由一个或多个处理器555处理以生成聚焦信息，从而允许扫描仪系统550调整样品590与物镜600之间的相对距离以在扫描期间维持聚焦在样品上。另外地，在一个实施方案中，用作聚焦传感器的至少一个线扫描相机615可被定向，使得聚焦传感器的多个单独像素中的每一个沿着光学路径605定位在不同的逻辑高度处。

在操作中，扫描仪系统550的各种部件以及存储在存储器565中的编程的模块使得能够对设置在玻璃载片585上的样品590进行自动扫描和数字化。玻璃载片585牢固地放置在扫描仪系统550的可移动载物台580上以扫描样品590。在处理器555(例如，主处理器100)的控制下，可移动载物台580将样品590加速到基本上恒定的速度，以供线扫描相机615感测，其中载物台的速度与线扫描相机615的线速率同步。在扫描图像数据条带之后，可移动载物台580减速并使样品590基本上完全停止。然后，可移动载物台580正交于扫描方向移动来定位样品590，以进行对后续图像数据条带(例如，相邻的条带)的扫描。随后扫描附加的条带，直到样品590的整个部分或整个样品590被扫描为止。

例如，在对样品590的数字扫描期间，获取样品590的连续数字图像作为多个连续视野，这些连续视野组合在一起以形成图像条带。多个相邻的图像条带类似地组合以形成样品590的一部分或整个样品590的连续数字图像。对样品590的扫描可包括获取竖直图像条带或水平图像条带。对样品590的扫描可为从上到下、从下到上或这两者(双向)，并且可在样品590上的任何点处开始。可选地，对样品590的扫描可为从左到右、从右到左或这两者(双向)，并且可在样品590上的任何点处开始。另外地，不必以相邻或连续方式获取图像条带。此外，样品590的所得图像可为整个样品590或仅样品590的一部分的图像。

在一个实施方案中，计算机可执行指令(例如，编程的模块和软件)存储在存储器565中，并且当被执行时，使得扫描系统550能够执行本文所描述的各种功能。在本说明书中，术语“计算机可读存储介质”用于指代用于存储计算机可执行指令并将其提供给扫描系统550以供处理器555(例如，主处理器100和/或辅处理器200)执行的任何介质。这些介质的示例包括存储器565以及直接地或间接地与扫描系统550通信地耦合(例如，经由网络(未示出))的任何可移动或外部存储介质(未示出)。

图2B示出了具有单个线性阵列640的线扫描相机615，该单个线性阵列可被实现为电荷耦合装置(CCD)阵列。单个线性阵列640包括多个单独像素645。在所示的实施方案中，单个线性阵列640具有4,096个像素。在可选的实施方案中，线性阵列640可具有更多或更少的像素。例如，线性阵列的常见格式包括512个、1,024个和4,096个像素。像素645以线性方式布置来限定线性阵列640的视野625。视野的大小根据扫描仪系统550的放大率而变化。

图2C示出了具有三个线性阵列的线扫描相机，该三个线性阵列中的每一个可被实现为CCD阵列。三个线性阵列进行组合以形成色彩阵列650。在一个实施方案中，色彩阵列650中的每个单独线性阵列检测不同的色彩强度(例如，红色、绿色或蓝色)。来自色彩阵列650中的每个单独线性阵列的色彩图像数据进行组合以形成色彩图像数据的单个视野625。

图2D示出了具有多个线性阵列的线扫描相机，该多个线性阵列中的每一个可被实现为CCD阵列。多个线性阵列进行组合以形成TDI阵列655。有利地，TDI线扫描相机可通过对来自样本的先前成像区域的强度数据求和而产生SNR的与线性阵列(也称为积分级)的数量的平方根成比例的增加来在其输出信号中提供显著地更好的SNR。TDI线扫描相机可包括更多数量的线性阵列。例如，TDI线扫描相机的常见格式包括24个、32个、48个、64个、96个、120个和甚至更多的线性阵列。

提供了所公开的实施方案的以上描述，以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施方案的各种修改对于本领域的技术人员来说将显而易见，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文所描述的一般原理可应用于其他实施方案。因此，应理解，本文所呈现的描述和附图表示本发明的当前优选实施方案，并且因此表示通过本发明广泛地设想的主题。还应理解，本发明的范围完全地涵盖对于本领域的技术人员来说可变得明显的其他实施方案，并且本发明的范围相应地不受限制。

Claims (7)

1.一种数字载片扫描设备，所述数字载片扫描设备包括：

聚焦传感器；

成像传感器；

主处理器，所述主处理器被配置为：

控制扫描载物台，所述扫描载物台被配置为支撑样品并相对于所述聚焦传感器和所述成像传感器移动所述样品，以及

以从所述聚焦传感器和所述成像传感器生成图像数据；以及

辅处理器，所述辅处理器被配置为：

处理生成的图像数据：

针对如下中的每一个：i）焦点缓冲区，所述焦点缓冲区包括由所述聚焦传感器生成的多个扫描线和ii）图像缓冲区，所述图像缓冲区包括由所述成像传感器生成的多个扫描线，其中所述多个扫描线中的每一个包括多个像素，

访问相应的缓冲区，

计算所述相应的缓冲区的所述多个扫描线中的每个像素列的平均对比度值，其中像素列包括贯穿所述相应的缓冲区中所有的所述多个扫描线在相应位置处的所有像素，以及

生成所述相应的缓冲区的相应的对比度矢量，其中所述相应的对比度矢量包括所述相应的缓冲区中的所述多个扫描线中的每个像素列的所述平均对比度值，以及

将从所述焦点缓冲区生成的第一对比度矢量和从所述图像缓冲区生成的第二对比度矢量两者返回到所述主处理器以进行进一步处理。

2.如权利要求1所述的数字载片扫描设备，其中所述主处理器在控制所述扫描载物台的同时生成所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区两者。

3.如权利要求1所述的数字载片扫描设备，其中所述辅处理器还由所述主处理器控制以针对所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区中的每一个来计算所述相应的缓冲区中的每个像素的平均对比度值，并且其中使用每个像素列中的所述像素的计算出的平均对比度值来计算所述相应的缓冲区的所述多个扫描线中的每个像素列的所述平均对比度值，其中通过对所述像素和在所述像素周围的一个或多个像素的对比度值求平均来计算每个像素的所述平均对比度值。

4.如权利要求1所述的数字载片扫描设备，其中与所述主处理器控制所述扫描载物台以从所述聚焦传感器和所述成像传感器生成新的图像数据并行地，所述辅处理器执行对由所述聚焦传感器和所述成像传感器生成的所述图像数据的所述处理。

5.如权利要求1所述的数字载片扫描设备，所述数字载片扫描设备还包括物镜，所述物镜被配置为沿着垂直于所述扫描载物台的平面的轴线移动，其中所述主处理器使用从所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区中的一个或两个生成的所述对比度矢量来使所述物镜自动地聚焦。

6.如权利要求1所述的数字载片扫描设备，其中所述主处理器使用从所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区中的一个或两个生成的所述对比度矢量来生成被支撑在所述扫描载物台上的所述样品的全载片图像。

7.一种数字载片扫描设备中的方法，所述数字载片扫描设备包括：聚焦传感器；成像传感器；扫描载物台，所述扫描载物台被配置为支撑样品并相对于所述聚焦传感器和所述成像传感器移动所述样品；主处理器；以及辅处理器，所述方法包括：

针对多个迭代中的每一个，使用所述主处理器来控制所述扫描载物台以从所述聚焦传感器和所述成像传感器生成图像数据，其中所述图像数据包括焦点缓冲区和图像缓冲区，所述焦点缓冲区包括由所述聚焦传感器生成的多个扫描线，所述图像缓冲区包括由所述成像传感器生成的多个扫描线，其中每个扫描线包括在所述扫描线中具有相应位置的多个像素；以及

与所述主处理器控制所述扫描载物台并行地，使用所述辅处理器：

针对所述焦点缓冲区和所述图像缓冲区中的每一个，

访问相应的缓冲区，

计算所述相应的缓冲区的所述多个扫描线中的每个像素列的平均对比度值，其中像素列包括贯穿所述相应的缓冲区中所有的所述多个扫描线在相应位置处的所有像素，以及

生成所述相应的缓冲区的相应的对比度矢量，其中所述相应的对比度矢量包括所述相应的缓冲区中的所述多个扫描线中的每个像素列的所述平均对比度值，以及

将从所述焦点缓冲区生成的第一对比度矢量和从所述图像缓冲区生成的第二对比度矢量两者返回到所述主处理器以进行进一步处理。

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