CN111999297B - 一种高通量数字病理切片自动扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高通量数字病理切片自动扫描装置,包括显微成像装置、切片装卸与扫描装置、切片预览装置、切片容器、切片输送装置、主控制器和基座;所述的切片输送装置、切片装卸与扫描装置、显微镜成像装置和主控制器安装在基座上,切片预览装置部分安装在基座上,部分安装在显微镜成像装置上,切片容器安装在切片输送装置上,主控制器连接切片装卸与扫描装置和显微镜成像装置;本发明提出的病理切片自动扫描装置实现了无需专门的切片装卸机构即可进行连续的自动化切片扫描,在提高效率的同时,还能精简机构,降低控制难度。
Description
技术领域
本发明属于自动对焦领域,具体涉及一种高通量数字病理切片自动扫描装置。本发明所提供的技术方案可用于基于显微摄像的设备及仪器,尤其适用于高通量的数字病理切片扫描仪。
背景技术
近些年随着远程医学的发展,远程病理诊断催生了一种新的医疗设备:数字病理切片扫描仪。数字病理切片扫描仪是一种将现代数字系统与传统光学原理有机结合的系统。它通过采集扫描传统的玻璃病理切片,得到显示患者细胞组织状况的高分辨率数字图像。再应用计算机技术对得到的图像自动进行高精度多视野无缝隙拼接和处理,获得优质的全切片数字化图像(whole slide image,WSI)。患者的数字切片图像一经生成,不同地区的医学专家便可通过图像对患者的病情进行诊断。也可将患者的数字切片图像传输于远程会诊平台,方便多名会诊专家同时对疑难杂病患者的切片图像进行取阅,讨论与诊断。
数字病理切片扫描仪按照可一次装卸切片的数量分为单片型、多片型与高通量型。一般多片型可一次性安装3-10片的病理切片,20片以上的机型通常称为高通量型。高通量机型针对病理诊断需求量较大场合,能够自动连续进行几十上百个病理切片的无人值守扫描,对自动化程度和机械装置的柔性提出了更高要求。为了实现自动化,现有的病理切片扫描仪往往采用了具有多个运动轴的复杂运动系统和切片专用的运载机构,结构复杂且控制难度较大。因此通过技术创新,开发一种机械结构精简、高可靠的高通量数字病理切片扫描仪很有必要。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明的目的在于提供一种高通量数字病理切片自动扫描装置,具备结构精简,自动化程度高,工作稳定的特点。
本发明提供一种技术方案:
一种高通量数字病理切片自动扫描装置,包括显微成像装置、切片装卸与扫描装置、切片预览装置、切片容器、切片输送装置、主控制器和基座。
所述的切片输送装置、切片装卸与扫描装置、显微镜成像装置和主控制器安装在基座上,切片预览装置部分安装在基座上,部分安装在显微镜成像装置上,切片容器安装在切片输送装置上,主控制器连接切片装卸与扫描装置和显微镜成像装置。
所述显微成像装置通过一个分光镜将单个显微物镜的光分成两路,通过两个不同倍率的附加镜,可同时获得两个不同放大倍率的显微图像;所述切片装卸与扫描装置包括两个互相垂直的直线运动机构,其中包括一个单定子多动子直线运动机构,并通过彼此相邻的两个动子组成一个夹持切片装置,带动切片在一个方向上进行扫描运动;所述切片容器可同时装载多枚切片,切片输送装置包含一个直线运动机构,可驱动切片容器在一个方向上做直线运动,实现切片输送。
所述显微成像装置包括一个显微物镜、一个结像透镜、一个分光镜、一个聚光镜、一个光源、一个显微物镜对焦装置、两个附加镜、两个相机、显微镜底座和同轴光路组件。光路经所述显微物镜到所述结像透镜后,被所述分光镜分成两路,并通过所述附加镜进入对应相机。
所述显微物镜固定在所述显微物镜对焦装置上,所述显微物镜对焦装置包括对焦装置直线电机、对焦装置导轨和磁力弹簧,所述对焦装置直线电机驱动所述显微物镜上下微动进行对焦,所述对焦装置导轨对运动进行导向,所述磁力弹簧提供向上的力以补偿显微物镜的重力,使所述直线电机向上和向下的负载相等。
所述附加镜的类型包括扩倍镜、缩倍镜、等倍镜,所述两个附加镜具有不同的放大倍率,可在扫描切片时同时获得两种不同倍率的显微图像。
所述切片装卸与扫描装置包括两个互相垂直的直线运动机构,所述直线运动机构包括直线电机、编码器、导向装置以及底座,可以在水平面上分别进行沿所述病理切片长度方向和宽度方向的直线运动,长度方向即平行于切片从切片容器上放置和抽取的方向为第一直线运动机构即Y轴直线运动机构,宽度方向即垂直于切片从切片容器上放置和抽取的方向为第二直线运动机构即X轴直线运动机构。所述直线运动机构由所述编码器进行反馈,使运动控制方式为闭环控制。
所述切片装卸与扫描装置的两个直线运动机构上下排列,第一直线运动机构在下方,第二直线运动机构在上方;第二直线运动机构的直线电机包括一个定子和多个动子,每个动子分别具备独立的编码器,可以单独运动。
所述第二直线运动机构的直线电机的动子包括动子线圈和卡爪,所述卡爪固定在动子线圈上;当所述彼此相邻的两个动子相向运动时,所述卡爪相向运动,可完成夹取切片的动作;当所述彼此相邻的两个动子同向等速运动时,可完成运输切片、扫描切片的动作。所述卡爪与切片接触一侧开有V形槽,用于固定所夹取的切片。
切片预览装置包括预览光源、反射镜和预览相机。其中预览光源安装在基座上,反射镜和预览相机安装在显微成像装置上。
所述切片容器包括切片容器主体、定位直线轴承、附属相机和附属相机光源;所述切片容器主体可以平行放置多枚切片,所述定位直线轴承和切片容器主体相固定;所述附属相机可以拍摄切片放置状态的图像;所述的附属相机光源为附属相机提供背景照明。
所述切片输送装置包括线性运动模组、导向轴组件和步进电机。所述线性运动模组可以进行升降运动,所述导向轴组件固定在线性运动模组上并随线性运动模组进行升降运动。所述步进电机为所述线性运动模组的升降运动提供动力。所述导向轴组件和所述切片容器的定位直线轴承相配合,用于实现所述切片容器和所述切片输送装置的灵活拆装。
本发明相对于现有技术的有益效果为:本发明提出的高通量数字病理切片自动扫描装置,能够在切片容器上放置多个切片,通过切片输送装置将需要扫描的切片送到需求高度。配备一台专用相机,在切片输送装置工作前通过图像识别判断切片容器上放置的切片数目。同时,本发明提出的高通量数字病理切片自动扫描装置,其切片装卸与扫描装置的上方运动轴的直线电机配备一个定子和多个动子,彼此相邻的两个动子分别装有一侧的卡爪,并可以单独控制运动。当待扫描的切片运动到与上方运动轴水平的高度后,两个卡爪相向运动,夹取切片,然后下方运动轴向远离切片容器方向运动,抽出切片。抽出切片后,上方运动轴的两个动子进行同步运动,带动装夹的切片进行扫描动作。通过上述设计,本发明提出的病理切片自动扫描装置实现了无需专门的切片装卸机构即可进行连续的自动化切片扫描,在提高效率的同时,还能精简机构,降低控制难度。
附图说明
图1是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置的整体结构示意图;
图2是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置中的切片容器结构示意图;
图3是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置中的切片容器局部示意图;
图4是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置中的切片输送装置结构示意图;
图5是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置中的切片输送装置和切片容器的连接示意图;
图6是图5中所述的导向轴组件的示意图;
图7是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置的切片装卸与扫描装置的整体示意图;
图8是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置的切片装卸与扫描装置的Y轴示意图;
图9是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置的切片装卸与扫描装置的X轴示意图;
图10是图9中所述的卡爪的示意图;
图11是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置中的预览装置的整体示意图;
图12是是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置中的显微成像装置的整体示意图;
图13是本发明提供的高通量数字病理切片自动扫描装置中的显微成像装置的对焦装置示意图;
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。术语“X轴”,“Y轴”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意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、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例:
如图1所示,本发明的实施例所述的病理切片自动扫描装置包括切片容器1、切片输送装置2、切片装卸与扫描装置3、切片预览装置4、显微镜成像装置5、主控制器6和基座7。切片输送装置2、切片装卸与扫描装置3、显微镜成像装置5和主控制器6安装在基座7上,切片预览装置4部分安装在基座7上,部分安装在显微镜成像装置5上,切片容器1安装在切片输送装置2上,主控制器6连接切片装卸与扫描装置3和显微镜成像装置5。
如图2和图3所示,切片容器1包括切片容器主体11、定位直线轴承12、附属相机13、附属反射镜14、附属相机光源15。切片容器主体11上加工有平行的货架状结构,用于放置切片。定位直线轴承12为钢制,安装在切片容器主体11上。附属相机13、附属反射镜14、附属相机光源15不与切片容器主体固定,本实施例中附属相机13、附属反射镜14、附属相机光源15固定在基座7上。附属反射镜14的作用是转折附属相机13的光路,能够更合理地安排本实施例中病理切片自动扫描装置各组件的位置,附属相机光源15为附属相机13提供背景照明,附属相机13安装在能够拍摄切片容器主体11及其放置在上面的切片的位置,通过连接计算机对采集到的图像进行图像处理,识别切片数目。
如图4所示,切片输送装置2包括线性运动模组21,导向轴组件22和步进电机23。线性运动模组21包括模组主体211、丝杠212和滑块213。导向轴组件22固定在滑块213上,步进电机23固定在模组主体211上。当步进电机23转动时,丝杠212随之转动,带动滑块213及导向轴组件22向上或向下运动。
如图5和图6所示,切片容器1的定位直线轴承12和切片输送装置2的导向轴组件22能够通过轴孔配合进行组合。导向轴组件22上有磁铁221,用于在组合后防止定位直线轴承12滑动。定位直线轴承12和导向轴组件22组合后,当切片输送装置2的滑块213上下运动时,切片容器1的切片容器主体11随之上下运动。
如图7所示,切片装卸与扫描装置3包括Y轴直线运动机构31和X轴直线运动机构32。本实施例中Y轴指平行于切片从切片容器1上放置和抽取的方向的坐标轴,X轴指垂直于切片从切片容器1上放置和抽取的方向的坐标轴。
如图8所示,Y轴直线运动机构包括Y轴直线电机、Y轴编码器组件313、Y轴导轨314和Y轴底座315。所述的Y轴直线电机包括Y轴定子磁轴311和Y轴动子线圈模组312;Y轴底座315固定在基座7上。Y轴编码器组件313包括Y轴光栅尺3131和Y轴读数头3132,其中Y轴光栅尺3131固定在Y轴底座315上,读数头3132固定在Y轴动子线圈模组312上,为Y轴动子线圈模组312的运动提供位置反馈。Y轴定子磁轴311固定在Y轴底座315上。Y轴导轨314包括Y轴轨道3141和Y轴滑块3142,其中Y轴轨道3141固定在Y轴底座315上。Y轴滑块3142可以在Y轴轨道3141上沿直线滑动,同时,Y轴动子线圈模组312还套在Y轴定子磁轴311上,并借助X轴底座和Y轴滑块3142间接固定,来保持和Y轴定子磁轴311之间留有径向间隙不发生接触。
如图9所示,X轴直线运动机构包括X轴直线电机、X轴编码器组件324、X轴导轨325和X轴底座326。所述的X轴直线电机包括X轴定子磁轴321和两个X轴动子线圈模组322、323。X轴底座326固定在Y轴滑块3142和Y轴动子线圈模组312上,随Y轴动子线圈模组312运动而运动。X轴编码器组件324包括X轴光栅尺3241和两个X轴读数头3242、3243,其中X轴光栅尺3241固定在X轴底座326上,两个X轴读数头3242、3243分别固定在两个X轴动子线圈模组322、323上,分别为两个X轴动子模组322、323的运动提供位置反馈。X轴定子磁轴321固定在X轴底座326上。X轴导轨325包括X轴轨道3251和两个X轴滑块3252、3253,其中X轴轨道3251固定在X轴底座326上。X轴滑块3252、3253可以在X轴轨道3251上沿直线滑动,并和两个X轴动子线圈模组322、323分别相固定,同时,两个X轴动子线圈模组322、323还套在X轴定子磁轴321上,并通过和X轴滑块3252、3253的固定来保持和X轴定子磁轴321之间留有径向间隙不发生接触。本实施例中,X轴直线运动机构的动子数量为2,但本发明不限于此。
如图9和图10所示,X轴动子线圈模组322和323包括X轴动子线圈模组主体3221、3231,以及卡爪3222、3232。卡爪3222、3232分别固定在动子线圈模组主体3221、3231上。两个卡爪3222、3232组成一个夹持机构。卡爪3222、3232在接触切片一侧分别开有V型槽,
当两个卡爪相向运动时可以夹持切片,V形槽使夹持机构可以容许在夹持时切片在高度方向上的位置误差,以及不同切片的厚度公差。
如图11所示,预览装置4包括预览光源41、预览反射镜42和预览相机43。其中预览光源41安装在基座7上,预览反射镜42和预览相机43安装在显微成像装置5上。在扫描之前,预览相机43会先进行切片预览图像采集,通过预览图像判断切片扫描范围大小。预览光源41为预览相机43提供照明。预览反射镜42的作用是转折预览相机43的光路,合理利用安装空间。
如图12所示,显微成像装置5包括显微镜底座51、显微镜光源52、聚光镜53、显微物镜54、显微物镜对焦装置55、结像透镜56、分光镜57、附加镜58、同轴光路组件59和两台显微镜相机5a、5b。本实施例中,附加镜58为缩倍镜。同轴光路组件59为四根平行轴和若干笼板构成的支架组件,可以在其上安装其他光学元件。显微镜光源52、聚光镜53、显微物镜对焦装置55、同轴光路组件59固定在显微镜底座51上,显微物镜54固定在显微物镜对焦装置55上,结像透镜56、分光镜57、附加镜58固定在同轴光路组件59上。显微镜光源52、聚光镜53、显微物镜54、结像透镜56、分光镜57构成显微镜前半段光路。分光镜57将光路一分为二:第一路由固定在同轴光路组件59上的显微镜相机5a成像,第一路未配置相应的附加镜,可以视为安装一个虚拟等倍镜;第二路在同轴光路组件59上安装附加镜58,再在附加镜58上固定显微镜相机5b成像。
如图13所示,显微物镜对焦装置55包括物镜固定环551、对焦装置导轨552、磁力弹簧553、对焦装置直线电机554和编码器组件555。对焦装置导轨552由对焦装置轨道5521和对焦装置滑块5522组成,对焦装置轨道5521固定在显微镜底座51上,对焦装置滑块5522和物镜固定环551相固定,且能够在对焦装置轨道5521上沿直线滑动。显微物镜54通过物镜固定环551和显微物镜对焦装置55相固定。对焦装置直线电机554包括对焦装置定子5541和对焦装置动子5542,对焦装置定子5541固定在在显微镜底座51上,对焦装置动子5542和物镜固定环551相固定,用于驱动物镜固定环551和安装在物镜固定环551上的显微物镜54上下运动。磁力弹簧553一端固定在显微镜底座51上,另一端和物镜固定环551相固定,其特征为能够提供恒定的弹力,用于抵消物镜固定环551和显微物镜54的重力,使对焦装置直线电机554向上和向下运动的负载相等。对焦装置编码器组件555包括对焦装置光栅尺5551和对焦装置读数头5552,对焦装置光栅尺5551固定在显微镜底座51上,对焦装置读数头5552固定在物镜固定环551上,为对焦装置动子5542的运动提供位置反馈。
综上,实施例所述的高通量数字病理切片自动扫描装置工作流程如下:操作人员将含切片标本的切片依次放入切片容器主体11,将切片容器1上的定位直线轴承12和切片输送装置2上的导向轴组件22进行组合,通过导向轴组件22上的磁铁221进行临时固定。在切片输送装置2开始运动前,切片容器1的附属相机13采集切片放置图像,并由上位机端通过图像识别判断放置的切片数目。此后,主控制器6控制切片输送装置2带动切片容器主体11向上运动,将切片运送至X轴卡爪3222、3232同一高度,卡爪3222、3232分别位于切片两侧,在切片达到指定高度后,通过主控制器6控制X轴两个X轴动子线圈模组322、323相向运动,夹紧切片。夹紧后,主控制器6控制Y轴直线运动机构31运动,带动X轴直线运动机构32沿Y轴方向整体移动,从切片容器主体11上抽出切片。主控制器6利用X轴编码器组件324、Y轴编码器组件313,实现对两个运动轴的闭环控制,使运动达到高定位精度。在抽出切片后,主控制器6控制X轴的两个X轴动子模组322、323进行同步动作,使X轴卡爪3222、3232夹持切片先到达预览相机43的采图位置,即预览光源41所在位置,进行预览图像的采集,上位机端通过识别预览图象,确认切片扫描范围。预览图象采集后,X轴卡爪3222、3232同步动作,夹持切片继续移动至显微物镜54下方,主控制器6控制X轴直线运动机构32和Y轴直线运动机构31互相配合,按照上位机端设定的路径开始切片扫描流程。在扫描过程中,通过主控制器6控制显微物镜对焦装置55的对焦装置直线电机554上下运动进行对焦,并依靠显微物镜对焦装置55上的编码器组件555提供位置反馈实现闭环控制,使对焦运动的达到足够的定位精度。扫描过程的图像由显微镜相机5a和5b采集,借助分光镜57对光路的分解,可以同时获得显微镜相机5a采集的原倍率图像,以及显微镜相机5b采集的经过附加镜58缩减的缩倍图像,上位机端可以根据需求选择显示和保存。在扫描结束后,主控制器6控制Y轴直线运动机构31首先带动X轴直线运动机构32沿Y方向运动到抽出切片的Y轴位置,随后X轴卡爪3222、3232同步动作,夹持切片沿X方向运动至抽出切片的X轴位置。到位后,主控制器6控制Y轴直线运动机构31带动X轴直线运动机构32沿Y方向运动,将切片放回切片容器主体11,随后主控制器6控制X轴卡爪3222、3232沿反方向运动,松开切片。松开切片后,根据切片容器附属相机13采集切片放置图像的识别情况,切片输送装置2带动切片容器主体11向上或向下运动,将需要扫描的下一张切片调整到指定高度并重复上文过程,直至切片容器主体11上的切片全部被扫描。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的技术原理,还可以做出各种变化和变型,这些变化和变型均落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种高通量数字病理切片自动扫描装置,其特征在于,包括显微成像装置、切片装卸与扫描装置、切片预览装置、切片容器、切片输送装置、主控制器和基座;
所述的切片输送装置、切片装卸与扫描装置、显微镜成像装置和主控制器安装在基座上,切片预览装置部分安装在基座上,部分安装在显微镜成像装置上,切片容器安装在切片输送装置上,主控制器连接切片装卸与扫描装置和显微镜成像装置;
所述显微成像装置通过一个分光镜将单个显微物镜的光分成两路,通过两个不同倍率的附加镜,可同时获得两个不同放大倍率的显微图像;所述切片装卸与扫描装置包括两个互相垂直的直线运动机构,其中包括一个单定子多动子直线运动机构,并通过彼此相邻的两个动子组成一个夹持切片装置,带动切片在一个方向上进行扫描运动;所述切片容器可同时装载多枚切片,切片输送装置包含一个直线运动机构,可驱动切片容器在一个方向上做直线运动,实现切片输送;
所述显微成像装置包括一个显微物镜、一个结像透镜、一个分光镜、一个聚光镜、一个光源、一个显微物镜对焦装置、两个附加镜、两个相机、显微镜底座和同轴光路组件;光路经所述显微物镜到所述结像透镜后,被所述分光镜分成两路,并通过所述附加镜进入对应相机;
所述显微物镜固定在所述显微物镜对焦装置上,所述显微物镜对焦装置包括对焦装置直线电机、对焦装置导轨和磁力弹簧,所述对焦装置直线电机驱动所述显微物镜上下微动进行对焦,所述对焦装置导轨对运动进行导向,所述磁力弹簧提供向上的力以补偿显微物镜的重力,使所述直线电机向上和向下的负载相等;
所述切片装卸与扫描装置包括两个互相垂直的直线运动机构,所述直线运动机构包括直线电机、编码器、导向装置以及底座,可以在水平面上分别进行沿所述病理切片长度方向和宽度方向的直线运动,长度方向即平行于切片从切片容器上放置和抽取的方向为第一直线运动机构即Y轴直线运动机构,宽度方向即垂直于切片从切片容器上放置和抽取的方向为第二直线运动机构即X轴直线运动机构;所述直线运动机构由所述编码器进行反馈,使运动控制方式为闭环控制;
所述切片装卸与扫描装置的两个直线运动机构上下排列,第一直线运动机构在下方,第二直线运动机构在上方;第二直线运动机构的直线电机包括一个定子和多个动子,每个动子分别具备独立的编码器,可以单独运动;
所述第二直线运动机构的直线电机的动子包括动子线圈和卡爪,所述卡爪固定在动子线圈上;当所述彼此相邻的两个动子相向运动时,所述卡爪相向运动,可完成夹取切片的动作;当所述彼此相邻的两个动子同向等速运动时,可完成运输切片、扫描切片的动作;所述卡爪与切片接触一侧开有V形槽,用于固定所夹取的切片。
2.根据权利要求1所述的一种高通量数字病理切片自动扫描装置,其特征在于,所述附加镜的类型包括扩倍镜、缩倍镜、等倍镜,所述两个附加镜具有不同的放大倍率,可在扫描切片时同时获得两种不同倍率的显微图像。
3.根据权利要求1所述的一种高通量数字病理切片自动扫描装置,其特征在于,切片预览装置包括预览光源、反射镜和预览相机;其中预览光源安装在基座上,反射镜和预览相机安装在显微成像装置上。
4.根据权利要求1所述的一种高通量数字病理切片自动扫描装置,其特征在于,所述切片容器包括切片容器主体、定位直线轴承、附属相机和附属相机光源;所述切片容器主体可以平行放置多枚切片,所述定位直线轴承和切片容器主体相固定;所述附属相机可以拍摄切片放置状态的图像;所述的附属相机光源为附属相机提供背景照明。
5.根据权利要求4所述的一种高通量数字病理切片自动扫描装置,其特征在于,所述切片输送装置包括线性运动模组、导向轴组件和步进电机;所述线性运动模组可以进行升降运动,所述导向轴组件固定在线性运动模组上并随线性运动模组进行升降运动;所述步进电机为所述线性运动模组的升降运动提供动力;所述导向轴组件和所述切片容器的定位直线轴承相配合,用于实现所述切片容器和所述切片输送装置的灵活拆装。
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