CN112998656A - 一种智能追踪目标的活体荧光成像系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，包括上位机、外壳和设于外壳内的图像采集模块、光源模块、运动模块、温控模块、控制模块以及电源模块，图像采集模块与控制模块的输入端连接；图像采集模块设于运动模块上；图像采集模块采集外壳内的动物的图像数据并通过控制模块发送给上位机；控制模块根据接收到的上位机发送的指令，控制光源的强度和/或波长、运动模块和温控模块的工作状态。本发明还公开了一种控制方法。本发明具有根据目标实验动物的图像信息移动的智能云台系统，可以实时跟踪实验动物，能够实现较长时间地监测实验动物，所采集图像质量远远优于固定摄像头的图像，确保得到最好的图像质量。

Description

一种智能追踪目标的活体荧光成像系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种渗透破坏模型试验系统及其控制方法，尤其是指一种智能追踪目标的活体荧光成像系统及其控制方法。

背景技术

活体生物荧光成像技术是近年来发展起来的一项基于生物光信号的分析检测系统。它由敏感的CCD及其分析软件和作为报告子的荧光蛋白、荧光小分子探针或荧光材料组成。可见光体内成像通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标(组织或器官)的移动及变化，所得的数据更加真实可信。其原理和操作极其简单、所得结果直观等特点，已广泛应用于生命科学、医学研究等方面。但可见光系统的灵敏度不高，特异性不强，更多仪仗操作者主观经验判断，使用局限性较为明显。

目前市面上的活体荧光成像系统相机为固定位置，因此在实验过程中需要将实验动物进行麻醉，保证其在实验过程无法进行移动，防止其脱离摄像头的摄像范围，操作麻烦，使用不方便，并且麻醉过后的实验动物并不能反应其正常真实的生理特性,且麻醉具有一定的时效性，不能长时间地持续监测实验动物，极大地影响了实验的进行和准确性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种智能追踪、灵活性高和使用方便的活体荧光成像系统及其控制方法。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，包括上位机、外壳和设于外壳内的图像采集模块、光源模块、运动模块、温控模块、控制模块以及电源模块，图像采集模块与控制模块的输入端连接，光源模块、运动模块和温控模块与控制模块的输出端连接，电源模块为图像采集模块、光源模块、运动模块、温控模块和控制模块提供电源；所述图像采集模块设于运动模块上；所述图像采集模块采集外壳内的动物的图像数据并通过控制模块发送给上位机；所述控制模块根据接收到的上位机发送的指令，控制光源模块的发光强度和/或波长、运动模块和温控模块的工作状态。

作为一种优选的方案，所述运动模块包括固定安装于外壳内的底座，固定安装于底座上的X轴导轨，可滑动套设于X轴导轨上的X轴滑块，固定安装于X轴滑块上的Y轴导轨，可滑动套设于Y轴导轨上的Y轴滑块，用于驱动X轴滑块滑动的第一电机，以及用于驱动Y轴滑块滑动的第二电机；所述图像采集模块固定安装于Y轴滑动上。

作为一种优选的方案，所述光源模块包括多种不同波长的LED灯珠，控制模块控制相应的LED灯珠点亮或熄灭而控制发出不同波长的光，为图像采集模块提供不同波长的光源。

作为一种优选的方案，所述温控模块包括传感器和加热丝，所述传感器检测外壳内的温度并将温度数据通过控制模块发送给上位机，控制模块根据接收到的上位机的指令控制加热丝的工作状态。

作为一种优选的方案，所述图像采集模块为摄像头。

作为一种优选的方案，所述上位机为PC机。

作为一种优选的方案，所述控制模块为单片机、微处理器和FPGA中的一种或多种。

一种智能追踪目标的活体荧光成像系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：开启活体荧光系统，待图像显示后，通过人为框定实验动物；

S2：进入实验阶段，实验人员调节光源的波长和亮度、运动模块和摄像头的位置和温控模块的工作状态。

步骤S1包括以下步骤：

S101，打开活体荧光系统，将数据传输线插入上位机，使控制模块与上位机通信连接；

S102，打开上位机，查看图像显示，若图像正常显示，则执行步骤S104，否则执行步骤S103；

S103，检测活体荧光系统的接线是否正常，再执行步骤S102；

S104，放入实验动物，保证动物在摄像头拍摄范围之内，然后在上位机中人为框出；

S105，关上外壳的盖子，查看摄像头是否有跟踪实验动物；若正常则系统运行成功，否则，执行步骤S104。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明的上位机根据接收到的图像数据，判断是否改变图像采集模块的位置；如需要改变图像采集模块的位置，则上位机发送命令给控制模块，使控制模块控制运动模块移动而调节图像采集模块的位置，从而调节图像采集模块拍摄的图像位置。并且上位机可以通过控制模块控制光源模块的强度和/或波长，使得外壳内的光照亮度和波长能更好地为拍摄清晰的图像提供光照条件，同时上位机可以通过控制模块控制温控模块维持外壳内的温度在合适的范围内。本发明具有根据目标实验动物的图像信息移动的智能云台系统，可以实时跟踪实验动物，能够实现较长时间地监测实验动物，所采集图像质量远远优于固定摄像头的图像，确保得到最好的图像质量。与现有技术相比，可以不需要对实验动物进行麻醉操作，方便实验的操作和得到较为准确的结果。

2、当需要调节图像采集模块的位置时，上机位发送命令给控制模块，使控制模块输出控制信号控制第一电机和/或第二电机工作，进而使图像采集模块在X轴和/或Y轴方向上滑动，从而实现对图像采集模块在X轴和Y轴方向上的位置进行调节的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明智能追踪目标的活体荧光成像系统的控制流程框图；

图2是本发明智能追踪目标的活体荧光成像系统的结构示意图；

图3是本发明智能追踪目标的活体荧光成像系统的运动模块和图像采集模块的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1至图3，本实施例涉及智能追踪目标的活体荧光成像系统，包括上位机、外壳1和设于外壳1内的图像采集模块2、光源模块、运动模块3、温控模块、控制模块以及电源模块，图像采集模块2与控制模块的输入端连接，光源模块、运动模块3和温控模块与控制模块的输出端连接，电源模块为图像采集模块2、光源模块、运动模块3、温控模块和控制模块提供电源；所述图像采集模块2设于运动模块3上；所述图像采集模块2采集外壳1内的动物的图像数据并通过控制模块发送给上位机；所述控制模块根据接收到的上位机发送的指令，控制光源模块的发光强度和/或波长、运动模块3和温控模块的工作状态。

上位机根据接收到的图像数据，判断是否改变图像采集模块2的位置；如需要改变图像采集模块2的位置，则上位机发送命令给控制模块，使控制模块控制运动模块3移动而调节图像采集模块2的位置，从而调节图像采集模块2拍摄的图像位置。并且上位机可以通过控制模块控制光源模块的强度和/或波长，使得外壳1内的光照亮度和波长能更好地为拍摄清晰的图像提供光照条件，同时上位机可以通过控制模块控制温控模块维持外壳1内的温度在合适的范围内。

本发明具有根据目标实验动物的图像信息移动的智能云台系统，可以实时跟踪实验动物，能够实现较长时间地监测实验动物，所采集图像质量远远优于固定摄像头的图像，确保得到最好的图像质量。与现有技术相比，可以不需要对实验动物进行麻醉操作，方便实验的操作和得到较为准确的结果。

如图2和图3所示，所述运动模块3包括固定安装于外壳1内的底座31，固定安装于底座31上的X轴导轨32，可滑动套设于X轴导轨32上的X轴滑块33，固定安装于X轴滑块33上的Y轴导轨34，可滑动套设于Y轴导轨34上的Y轴滑块35，用于驱动X轴滑块33滑动的第一电机36，以及用于驱动Y轴滑块35滑动的第二电机37；所述图像采集模块2固定安装于Y轴滑动上。当需要调节图像采集模块2的位置时，上机位发送命令给控制模块，使控制模块输出控制信号控制第一电机36和/或第二电机37工作，进而使图像采集模块2在X轴和/或Y轴方向上滑动，从而实现对图像采集模块2在X轴和Y轴方向上的位置进行调节的目的。

所述光源模块包括多种不同波长的LED灯珠，控制模块控制相应的LED灯珠点亮或熄灭而控制发出不同波长的光，为图像采集模块2提供不同波长的光源，来解决不同荧光探针的激发波长不同的问题。

所述电源模块将交流电220V转化为直流电源而为图像采集模块2、光源模块、运动模块3、温控模块和控制模块供电。

所述温控模块包括传感器和加热丝，所述传感器检测外壳1内的温度并将温度数据通过控制模块发送给上位机，控制模块根据接收到的上位机的指令控制加热丝的工作状态。传感器检测外壳1内的温度，并通过控制模块将温度数据传输给上位机；上位机根据接收到的温度数据通过控制模块控制加热丝是否工作，从而调节系统内部的温度，保证维持实验动物的温度需求。

所述图像采集模块2为摄像头。摄像头与感光元件和滤光片连接而对外壳1内进行图像采集并通过控制模块发送到上位机。

所述上位机为PC机。用户可以通过PC机上的显示屏实时显示接收到的图像。

所述控制模块为单片机、微处理器和FPGA中的一种或多种。当然，控制模块也可以是其他可编程设备。控制模块通过数据线将数据包传输至上位机，上位机将数据包进行解析，并通过通讯协议进行分割分为两种数据：一种是控制信息数据，一种图像信息数据。控制信息数据含有目前摄像头所代表的坐标轴、温度、速度、光源波长及其强度等相关控制信息。图像信息数据为摄像头所获取的图像的矩阵。图像信息通过归一化等操作，存储到缓冲区中，等待OpenCV的API接口进行读取调用，反馈给摄像头需要移动的坐标位置，再坐标位置发给系统中的控制模块，由控制模块来判断是否需要移动摄像头的位置。若需要移动摄像头位置，数据通过PID算法后，输出的脉冲波至运动模块3，控制第一电机36和第二电机37转动，从而实现摄像头的移动，最终实现视觉伺服控制。

当实验动物活跃程度较低，移动速度较慢时，运行并调用选择的是OpenCV的中CSRT Tracker，因为活体荧光成像系统中的帧数较低，采集的速度较慢，便可以使用CSRTTracker，牺牲一定的速度来换取更高的精确度，且能一定程度上防止跳帧现象。

当实验动物活跃程度较高，移动速度较快时，且摄像头范围较小时，此时对图像处理要求会更高，因此可以选用识别速度更快的KCF Tracker，相较于CRST Tracker，KCFTracker的识别速度更快，可以提高图像的识别速度，从而使对电机的控制周期缩短，但是会略微降低识别精度。

当存在该实验动物的训练网络识别模型时，也可以选择GOTURN Tracker会降低一定的识别速度，但是极大提高识别精度，几乎不会出现无法识别的错误，从而降低手动选取目标的概率。

本实施例还提供了一种智能追踪目标的活体荧光成像系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：开启活体荧光系统，待图像显示后，通过人为框定实验动物；

S2：进入实验阶段，实验人员调节光源的波长和亮度、运动模块3和摄像头的位置和温控模块的工作状态。

步骤S1包括以下步骤：

S101，打开活体荧光系统，将数据传输线插入上位机，使控制模块与上位机通信连接；

S102，打开上位机，查看图像显示，若图像正常显示，则执行步骤S104，否则执行步骤S103；

S103，检测活体荧光系统的接线是否正常，再执行步骤S102；

S104，放入实验动物，保证动物在摄像头拍摄范围之内，然后在上位机中人为框出；

S105，关上外壳1的盖子，查看摄像头是否有跟踪实验动物；若正常则系统运行成功，否则，执行步骤S104。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，其特征在于，包括上位机、外壳和设于外壳内的图像采集模块、光源模块、运动模块、温控模块、控制模块以及电源模块，图像采集模块与控制模块的输入端连接，光源模块、运动模块和温控模块与控制模块的输出端连接，电源模块为图像采集模块、光源模块、运动模块、温控模块和控制模块提供电源；所述图像采集模块设于运动模块上；所述图像采集模块采集外壳内的动物的图像数据并通过控制模块发送给上位机；所述控制模块根据接收到的上位机发送的指令，控制光源模块的发光强度和/或波长、运动模块和温控模块的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，其特征在于，所述运动模块包括固定安装于外壳内的底座，固定安装于底座上的X轴导轨，可滑动套设于X轴导轨上的X轴滑块，固定安装于X轴滑块上的Y轴导轨，可滑动套设于Y轴导轨上的Y轴滑块，用于驱动X轴滑块滑动的第一电机，以及用于驱动Y轴滑块滑动的第二电机；所述图像采集模块固定安装于Y轴滑动上。

3.根据权利要求1所述的一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，其特征在于，所述光源模块包括多种不同波长的LED灯珠，控制模块控制相应的LED灯珠点亮或熄灭而控制发出不同波长的光，为图像采集模块提供不同波长的光源。

4.根据权利要求1所述的一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，其特征在于，所述温控模块包括传感器和加热丝，所述传感器检测外壳内的温度并将温度数据通过控制模块发送给上位机，控制模块根据接收到的上位机的指令控制加热丝的工作状态。

5.根据权利要求1所述的一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，其特征在于，所述图像采集模块为摄像头。

6.根据权利要求1所述的一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，其特征在于，所述上位机为PC机。

7.根据权利要求1所述的一种智能追踪目标的活体荧光成像系统，其特征在于，所述控制模块为单片机、微处理器和FPGA中的一种或多种。

8.基于权利要求1至7任一项所述的一种智能追踪目标的活体荧光成像系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：开启活体荧光系统，待图像显示后，通过人为框定实验动物；

S2：进入实验阶段，实验人员调节光源的波长和亮度、运动模块和摄像头的位置和温控模块的工作状态。

9.根据权利要求8所述的一种智能追踪目标的活体荧光成像系统的控制方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：

S101，打开活体荧光系统，将数据传输线插入上位机，使控制模块与上位机通信连接；

S102，打开上位机，查看图像显示，若图像正常显示，则执行步骤S104，否则执行步骤S103；

S103，检测活体荧光系统的接线是否正常，再执行步骤S102；

S104，放入实验动物，保证动物在摄像头拍摄范围之内，然后在上位机中人为框出；

S105，关上外壳的盖子，查看摄像头是否有跟踪实验动物；若正常则系统运行成功，否则，执行步骤S104。

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