CN111413342A - 一种冰冻切片显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了冰冻切片显微成像系统，属于生物医学的技术领域。包括：制冷模块，包括箱体，安装在箱体上的一级制冷装置、与一级制冷装置连接的二级制冷装置；成像模块，包括位于箱体内的物镜，用于对样本成像，还包括对物镜进行保温的物镜保护装置；切削模块，用于在箱体内对样本进行切削，包括穿入箱体内的刀具杆和进样杆，所述刀具杆与所述进样杆配合完成样本的切片。切削模块的部分位于箱体内，使得样本的切削过程能在箱体内的冷冻环境中进行，而成像模块的物镜也位于箱体内，物镜保护装置对物镜进行保温保护，物镜与切削模块配合，选择高数值孔径的物镜，对浅层样本进行成像，成像与切削交替进行，从而获取整个样本高分辨率的三维数据。

Description

一种冰冻切片显微成像系统

技术领域

本发明属于生物医学领域，更具体地，涉及一种冰冻切片显微成像系统。

背景技术

在生物医学领域，通常采用冰冻切片获取生物组织的薄切片，而后再对手动收集到的冰冻切片进行光学显微成像，获取生物组织信息。现有的一些冰冻切片显微成像系统则是直接将显微成像系统搭建在冰冻切片机上，切削模块安装于冰柜之中，保证样本始终处于冷冻环境，成像模块则在冰柜以外，确保精密光学器件能够正常工作。

常规冰冻切片数据获取过程中，人为操作复杂繁琐，劳动密集大，获取数据周期长，样本切片转移过程中存在人为的形态变化或破损，最终导致三维重建难度大。对于现有的冰冻切片显微成像系统而言，将成像部分远离冷冻环境，选择了长工作距离的低倍成像系统，所以无法获取高分辨的生物样本显微数据。而将整个切削装置安装于冰柜之中，低温对切削过程中的精密平台有一定影响，造成样本切削厚度与设定存在一定偏差，其次冰柜采用蒸气压缩式制冷方式，存在着较大的温度误差，进一步影响到切削精度，制冷系统工作过程中，压缩机工作时存在较大振动，进一步降低样本切片的精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了冰冻切片显微成像系统，其目的在于解决现有技术中对冰冻样本进行三维成像时精度低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了冰冻切片显微成像系统，包括：制冷模块，包括箱体，安装在所述箱体外壁的一级制冷装置、与所述一级制冷装置连接并对一级制冷装置进一步制冷的二级制冷装置；成像模块，包括位于箱体内的物镜，用于对样本成像，还包括对物镜进行保温的物镜保护装置；切削模块，用于在所述箱体内对样本进行切削，包括穿入箱体内的刀具杆和进样杆，所述刀具杆与所述进样杆配合完成样本的切片。

通过上述技术方案，切削模块的部分位于箱体内，使得样本的切削过程能在箱体内的冷冻环境中进行，而成像模块的物镜也位于箱体内，物镜保护装置对物镜进行保温保护，物镜与切削模块配合，选择高数值孔径的精密物镜(该物镜一般分辨率高，但工作距离较短)，对浅层样本进行成像，结合冰冻切削，去除已成像的组织，光学成像与冰冻切削交替进行，逐层地对样本进行成像，从而获取整个样本高分辨率的三维数据。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是物镜保护装置的整体结构示意图；

图3是刀具杆的结构示意图；

图4是支撑杆的结构示意图；

图5是进样杆的结构示意图；

图6是刀具杆的温度传导示意图；

图7是柔性平台的结构示意图。

图中，1、箱体；2、半导体制冷片；3、物镜；4、进样杆；5、精密三维平移台；6、通孔；7、导温层；8、保温层；9、制冷传感器；10、冷板；11、二级制冷装置；12、液体循环管；13、导热内筒；14、电热丝；15、温度传感器；16、保温外筒；17、保温介质；18、凹槽；19、柔性保温材料；20、刀具杆；21、凸块；22、摩擦层；23、支撑杆；24、压杆；25、隔热孔三；26、隔热孔一；27、隔热孔二；28、机架；29、第一方向调节件；30、第二方向调节。

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。

本发明提出一种冰冻切片机，包括制冷模块、成像模块、切削模块。

参照图1，制冷模块包括箱体1、安装在箱体1上的一级制冷装置、与一级制冷装置连接用来对一级制冷装置进一步制冷的二级制冷装置11，用于为样本提供冷冻环境。

成像模块包括位于箱体1内的物镜3，通过物镜3对样本进行成像，且成像模块还包括有对物镜3进行保温的物镜保护装置。

切削模块包括穿入箱体1内的刀具杆20和进样杆4，进样杆4位于箱体1内的一端可以用于放置样本，刀具则固定在箱体1内或箱体1内的刀具杆20上；也可以用于安装刀具，样本则放置在箱体1内或箱体1内的刀具杆20上，通过进样杆4和刀具杆20的配合，实现对样本的切削。箱体1上开设有用于进样杆4进入并进行切削运动的通孔6，通孔6的截面积大于进样杆4的截面积，以使进样杆4能在通孔6内自由移动。

通过将切削模块的一部分置于箱体1外，一部分置于箱体1内，使得样本的切削过程能在箱体1内的冷冻环境中进行，而驱动切削运动的设备能放置在箱体1外的室温环境中，既保护了样本，还能避免冷冻环境对箱体外精密设备的影响，从而保证切削的精度。切削模块与成像模块配合，成像模块对样本的表面进行成像后，再通过切削模块将样本的成像部分切削下来，然后成像模块再对样本剩余的样本块表面进行成像，如此循环，实现对整个样本的三维数据获取；切削模块与成像模块配合也可以是通过切削模块将样本表面进行切片，然后成像模块对切片进行成像，来实现整个样本的三维数据获取。成像模块的物镜3位于箱体1内，因此，可使用短工作距离的高倍物镜，从而获取高分辨的样本显微数据，物镜保护装置将位于箱体1内的物镜3进行保温，避免冷冻环境对物镜3的影响，且成像模块的大部分位于箱体1外的室温环境，可以保证光学器件的正常运行。

参照图1，进一步地，箱体1包括导温层7和包覆在导温层7周侧的保温层8，导温层7由导热性能良好的材质制成，且厚度较薄，例如各种铜、铝等高导热率的金属或合金，而导温层7则由保温性能良好的材质制成，且厚度较厚，例如PVC发泡剂、泡沫等。

具体地，一级制冷装置包括半导体制冷片2，半导体制冷片2阵列分布在导温层7的两侧外壁上，导温层7的内壁则固定有与半导体制冷片2一一对应的制冷传感器9。可以根据需要随意改变箱体1的大小、形状及结构，以及半导体制冷片2的排布方式，每一个制冷传感器9均能反馈各点的温度值。冰冻切片机还包括PID控制模块，根据制冷传感器9实时反馈的温度值输出对应的半导体制冷片2所需的电压，经过功率放大电路后给对应的半导体制冷片2供电，进而实现对各半导体制冷片2的输出功率控制，以及实时控制半导体制冷片的通断，从而可以调节各个点的温度一致、达到整个冷冻环境的温度一致。

一级制冷装置还包括两个冷板10，冷板10对称设置在导温层7的两侧且嵌设在保温层8内，半导体制冷片2的冷端与导温层7粘接固定，热端与冷板10紧密接触固定。冷板10连接有液体循环管12，液体循环管12向远离冷板10的方向延伸至远处，液体循环管中可以填充水、油等液体。二级制冷装置11则位于在液体循环管12远离冷板10的一端，可以是水箱和风扇，风扇用于对水箱内的液体进行降温。冷板10内的液体吸收半导体制冷片2热端的热量后，进入到远离冷板10的水箱内，经过风扇冷却后又能重新进入冷板10内继续对半导体制冷片2的热端进行散热，这样循环往复，实现对半导体制冷片2的热端的稳定散热，进而实现整个冷冻环境的稳定制冷。液体循环管12将热量带至远处进行散热，降低了风扇等机械振动对箱体1的影响，在冰冻切片机运行过程中不会存在振动影响，从而提高了切削模块的运行精度。

参照图1和图2，进一步地，箱体1上开设有用于物镜3进入的成像口(图中未示出)，成像口的口径大于物镜3的外径，物镜保护装置设置在成像口处。物镜保护装置包括固定在成像口处的导热内筒13，导热内筒13选择高导热率的金属材质制成，其内径大于物镜3的外径，便于物镜3的灵活伸入与取出。导热内筒13的周侧缠绕有电热丝14，成像过程中，物镜3伸入导热电筒中，物镜保护装置中的电热丝14以一定功率工作，保证物镜3所处的环境在室温环境，尽可能地避免箱体1内的冷冻环境对物镜3的影响。

参照图2，进一步地，导热内筒13的周侧设置有温度传感器15，通过温度传感器15及时反馈物镜保护装置中的温度，便于反馈调节电热丝14的功率大小，以根据不同的箱体1环境选择合适的发热温度、对物镜3进行保护。

参照图2，进一步地，物镜保护装置还包括与导热内筒13同轴设置的保温外筒16，保温外筒16选择低导热率的材质制成，其内径大于导热内筒13的外径，导热内筒13与保温外筒16之间填充有保温介质17，例如PVC发泡剂、泡沫、海绵等。导热内筒13的上端边缘处向远离中心处的方向凸起，保温外筒16的上端则向中心处呈阶梯状设置，保温外筒16与导热内筒13配合后，上端形成与成像口边缘处契合的凹槽18，通过凹槽18与箱体1的成像口进行卡接，更加稳定。而发泡剂将电热丝14进行包裹，保障物镜3周围的温度均衡稳定。整个物镜保护装置能将物镜3环境与箱体1内的冷冻环境隔绝，避免了物镜3环境与箱体1环境的相互影响。

参照图1，进一步地，箱体1上于通孔6处设置有隔热装置，隔热装置包括固定在通孔6处的柔性保温材料19，例如棉花、海绵、橡胶、乳胶等，具有一定的形变和复位能力。柔性保温材料19的边缘处与通孔6的内壁粘接固定，柔性保温材料19的内壁则包覆在进样杆4的周侧，柔性保温材料19的形状可以跟随进样杆4的运动需求、通孔6的形状来设置。当进样杆4在通孔6内朝通孔6的边缘处的任一方向运动时，会挤压其运动方向上的柔性保温材料19，而当进样杆4回到通孔6中心处时，柔性保温材料19恢复初始形状。通过将切削模块的一部分置于箱体1外，一部分置于箱体1内，使得样本的切削过程能在箱体1内的冷冻环境中进行，而驱动切削运动的设备能放置在箱体1外的室温环境中，既保护了样本，还能避免室温环境对三维平移台等设备的影响，从而保证切削的精度。

参照图1和图3，进一步地，刀具杆20的两端刚性连接在箱体1外，刀具杆20的中部凸起后形成穿入箱体1内的凸块21，用于放置样本或者刀具。进样杆4位于箱体1外的一端用于连接精密三维平移台5，以实现进样杆4的自由运动，精密三维平移台用于驱动进样杆3相对于刀具杆16移动，从而完成对样本的切削。采用平推式的切削方法，可以尽可能地缩小箱体的体积，降低制冷成本，

具体地，参照图3，凸块21呈“L”型，其一端与刀具杆20一体呈“T”字形，另一端向垂直于刀具杆20的方向弯折呈三角部，可以固定用于夹持刀具的夹具，凸块21、刀具杆20、三角部一体成型，在切削过程中三角部受力时，不会与刀具杆20之间产生运动间隙，因此，保证了刀具杆20的结构刚度，有利于提高切削的精度。

参照图1，进一步地，进样杆4位于箱体1内的一端为自由端且于上表面设置有摩擦层22，摩擦层22可以通过开设内凹的槽或设置凸起的块来形成，用于增大进样杆4自由端上表面的摩擦力，在放置样本时，更加稳定。

参照图1和图4，进一步地，本发明还包括收片模块，收片模块包括支撑杆23和与支撑杆23连接的压杆24，压杆24用于缠绕胶带，以粘接切削下来的切片。支撑杆23可以为两个对称的“L”形杆组成，压杆24位于二者之间。支撑杆23也可以整体呈与刀具杆20相同的“T”字形，压杆24则连接在支撑杆23的底部。

具体的，进样杆4、刀具杆20、支撑杆23和压杆24均选用导热性能低的刚性材质，例如钛合金，不锈钢这种低导热率的金属。参照图3和图5，进样杆4上开设有隔热孔一26，刀具杆20的凸块21上开设有隔热孔二27，支撑杆23向压杆24方向弯折的部分上开设有隔热孔三25，隔热孔一26、隔热孔二27和隔热孔三25优选为等腰三角形孔，也可以为其他的规则或不规则的多边形孔，孔内可以填充保温材料，例如海绵、棉花等，用于降低进样杆4、刀具杆20和支撑杆23的热传导效果，也就是降低箱体1内外之间的热量传递，从而保证样本所处的低温环境，而开设这种形状对称的中心对称的通孔还能保持杆的两边对称，使两边导热性能类似，同时还能保证结构强度。通过改变箱体1的形状，结合进样杆4刀具杆20和支撑杆23的设计，使得箱体1内的冷冻环境与外部的其他设备之间有更高的耦合性。

图6中(a)为刀具杆20上未开设等腰三角孔的温度传导模拟图，图6中(b)为刀具杆20上开设有等腰三角孔的温度传导模拟图，图中的温度单位为℃。将刀具杆20的最下表面设为-20℃冷源，而其他表面则设置在室温对流状态，用于模拟设有通孔后对刀具杆16的温度传导影响。可以看到，开设有等腰三角孔的刀具杆20位于室温对流环境中的部分与室温环境更为接近，综上，等腰三角孔的开设可以有效地降低刀具杆20对温度的传导，同理，等腰三角孔的开设也可以有效地降低进样杆4和支撑杆23对温度的传导。

进一步地，参照图7，支撑杆23的两端连接有柔性平台，柔性平台包括机架28和设置在机架28内的两个方向的调节件，第一方向调节件29包括水平设置的内外嵌套的四条平行的柔性板，柔性板的端头固定于机架28上以使柔性板在竖直方向上发生位移，而在水平方向上不发生位移。第二方向调节30件包括竖直设置的内外嵌套的四条平行的柔性板，柔性板的端头固定于机架28上以使柔性板在水平方向上发生位移，而在竖直方向上不发生位移。通过在压杆24上饶设胶带对切片进行粘接收片，收片过程中，第一方向调节件29和第二方向调节30件消除了支撑杆23和压杆24在四个自由度上产生的偏移，即可以实现对压杆24四个自由度的控制，以实现对胶带和切片之间距离的精准控制，进而恒定挤压粘接，尽可能地减小了粘接收片过程中造成的切片形变，有利于配合切削来保证收集的切片厚度一致。

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 (10)

1.一种冰冻切片显微成像系统，其特征在于，包括：

制冷模块，包括箱体，安装在所述箱体外壁的一级制冷装置、与所述一级制冷装置连接并对一级制冷装置进一步制冷的二级制冷装置；

成像模块，包括位于箱体内的物镜，用于对样本成像，还包括对物镜进行保温的物镜保护装置；

切削模块，用于在所述箱体内对样本进行切削，包括穿入箱体内的刀具杆和进样杆，所述刀具杆与所述进样杆配合完成样本的切片。

2.根据权利要求1所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，所述箱体内开设有用于物镜进入的成像口，所述物镜保护装置包括固定在所述成像口内的导热内筒与缠绕在所述导热内筒周侧的电热丝。

3.根据权利要求2所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，所述导热内筒的周侧设置有温度传感器。

4.根据权利要求2所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，所述导热内筒的上端向远离中心处的方向凸起，所述导热内筒外还同轴固定有保温外筒，所述保温外筒的上端呈阶梯状，以与所述导热内筒的上端之间形成与所述成像口边缘处契合的凹槽。

5.根据权利要求4所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，所述导热内筒与所述保温外筒之间填充有保温介质。

6.根据权利要求1所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，所述进样杆与所述箱体之间设置有隔热装置，所述进样杆上开设有用于降低进样杆热传递效果的隔热孔一。

7.根据权利要求1所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，所述刀具杆刚性连接在所述箱体外，所述刀具杆上开设有用于降低刀具杆热传递效果的隔热孔二，所述进样杆的一端安装在箱体外的精密三维平移台上，所述精密三维平移台用于驱动所述进样杆相对于所述刀具杆移动。

8.根据权利要求1所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，还包括位于箱体外的收片模块，所述收片模块包括支撑杆和与所述支撑杆连接的压杆，所述支撑杆上开设有用于降低支撑杆热传递效果的隔热孔三。

9.根据权利要求8所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，所述支撑杆连接有柔性平台，所述柔性平台内分别设置有两个方向的调节件，以消除所述支撑杆对应方向上的偏移。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的冰冻切片显微成像系统，其特征在于，所述进样杆位于所述箱体内的一端的上表面设置有摩擦层。

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