CN113614506A - 用于组织切片、染色和扫描的自动系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于收集和分析样本的板或薄膜。该板或薄膜包括表面和来自固定在表面上的样本的多个切片。此外，从具有相等厚度的样本切割多个切片，并且将多个切片按照其切割顺序放置在板或薄膜的表面上。

Description

用于组织切片、染色和扫描的自动系统和方法

技术领域

本发明的领域是诊断系统和方法。更具体地，它呈现了临床病理学领域中用于将组织学标本切片、染色和成像过程自动化以及促进信息分析和疾病诊断的系统和方法。

背景技术

病理学对现代医学的重要性怎么强调都不为过。例如，在癌症治疗中，在活体组织检查中精确读取癌症浸润区域的病理数据是实现有效治疗设计的关键步骤。在一个多世纪的历史中，基于病理学的评估一直是诊断疾病不可或缺的一部分。

尽管是一种传统的方法，组织形态学评估仍然依赖于检查装有优质组织切片的载玻片。然而，制备适合临床使用的良好组织载玻片不仅是劳动密集型的，而且还需要训练有素的组织学技术人员的技能。目前，此类合格技术人员的供应无法跟上基于组织的测试量的增加量。因此，有必要开发最好采用自动化技术的，用于将制备组织载玻片所需的一些繁琐任务最少化的新方法。

另一方面，数字时代的到来，特别是在当今人工智能(AI)的帮助下，催生了一种称为数字病理学的新兴且快速发展的领域。数字病理学是指用数字格式的图像来捕获、存储和解释关于病理标本的信息的科技和技术。与通过光学显微镜工作的传统相比，数字病理学使得能够通过计算机界面查看图像，并通过互联网传输组织图像。利用数字病理学的快速发展，AI领域探索所谓的“认知技术”，这些技术可以模拟分析医学成像的人类推理和感知能力，以改进疾病预测和诊断。数字病理学将静态图像转换为可检取的数据有助于从组织学标本中获取越来越多的信息，AI领域预示推进对这些信息的后续定性和定量分析。

随着数字病理学与AI技术的同步发展，它需要越来越多的数据。然而，除了上述高质量组织切片的生产挑战外，当前的图像扫描/采集也落后。典型的基于显微镜的病理图像读取需要处理时间，并且不适合高产量方法。此外，对于任何给定的组织样本，根据当前标准，其图像仅限于若干个随机切片的2-D视图。如何改进现有标准以从给定的组织样本中获取更多信息，更重要的，如何大幅改进扫描技术以实现高产量图像采集，成为以AI为中心的数字病理时代的挑战。

还需要一种简化从制备组织载玻片到捕获数字图像的过程的系统或方法来。

发明内容

本发明提供了简化从制备组织载玻片到捕获数字图像的过程的系统和方法，以满足为AI聚焦的数字病理学生成多层3D图像的需求。同时，它承诺从组织样本中获取更多的整体信息，以增强组织学区域的覆盖范围，从而更好地进行病理诊断。

本发明的一个方面涉及处理样本的方法。该方法包括以下步骤：(i)提供样本，并且针对样本限定虚拟水平面和垂直于平面的虚拟垂直轴；(ii)沿虚拟水平面将样本切割成多个样本切片，其中切割基本上平行于虚拟水平面，多个样本切片的厚度基本相同，并且多个样本切片按照切割顺序沿虚拟垂直轴依次排列；以及(iii)按照切割顺序将多个样本片连续并置在支持件上。

上述方法中的样本可以是生物样本。具体地，样本可以是组织，例如，是福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织。

同样在上述方法中，多个样本切片的厚度是可调整的，而支撑件是膜。

上述方法可以进一步包括将多个样本切片固定在支持件上的步骤。

本发明的另一个方面涉及诊断患者体内的疾病的方法。该方法包括以下步骤：(i)从所述患者获取感兴趣的样本；(ii)执行上述方法；(iii)对样本执行组织学处理；(iv)从样本中获取成像数据，以及(v)比较和/或关联现有组织学数据和成像数据，以便评估所述患者的健康状况。

本发明的又一个方面涉及用于收集和分析样本的薄膜。该薄膜具有长而窄的表面和来自样本的多个切片，多个切片固定在表面上并沿表面的长边缘对齐。此外，从具有相等厚度的样本上切割多个切片，并且将多个切片按照其切割顺序并置在板或薄膜的表面上。

刚描述的薄膜的表面上的多个切片在一个或多个反应中同时处理。一个或多个反应包括组织学染色、基于荧光的染色或其他染色类型。

所描述的薄膜可以是塑料膜。此外，薄膜是光学透明的并且耐热高达至少60℃。其还可以具有沿着薄膜的表面的长边缘的一系列孔或缺口。

本发明的又一个方面涉及用于收集和处理样本的设备。设备包括具有刀片和托架的样本切割机，托架被配置为保持样本。此外，其中刀片或托架是可移动的以确保刀片对样本进行一系列切割成具有相等厚度的多个切片。设备还包括具有长而窄的表面的收集薄膜。通过其设计，设备可以被配置为在样本切割机从样本切割下切片之后，对切片施加力以将切片转移和安装到收集薄膜上，并且设备被配置为将多个切片沿表面的长边缘对齐，并且使多个切片按照其切割顺序连续地并置。

设备还可以进一步包络提供收集薄膜的薄膜辊。

本发明的又一个方面涉及一种用于处理样本的设备，该设备包括刚描述的设备和一个或多个样本处理模块。在装置中，样本是福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织，以及一个或多个样本处理模块的示例包括脱蜡模块，密封模块、样本染色模块和样本成像模块。优选地，样本成像模块被配置为同时捕获组织的多个切片的的成像数据。

对于密封模块，它可以提供密封剂液滴来覆盖收集膜，或者为收集膜提供透明盖。

本发明的又一个方面涉及用于收集和处理样本的设备。该设备包括样本切割机，传送带和收集板。样本切割机具有刀片和托架，托架被配置为保持样本。刀片或托架可以是可移动的以确保刀片将样本连续切割成具有相等厚度的多个切片。

上述设备可以被配置为在样本切割机从样本切割下切片之后，立即通过传送带移除切片，然后卸载切片并将其安装到收集板上。此外，设备可以被配置为使多个切片按照其切割顺序连续地并置在收集板上。

在设备的一个实施例中，传送带是由薄膜层组成的传送薄膜带。在该实施例中，设备可以进一步包括提供薄膜层的薄膜辊。

本发明的又另一个方面涉及用于处理样本的装备。装置包括上述设备和一个或多个样本处理模块。在该装置中，样本可以是福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织，以及一个或多个样本处理模块可以包括脱蜡模块。当样本是组织时，一个或多个样本处理模块的示例还可以是板密封模块、样本染色模块、组织学染色模块或样本成像模块。样本成像模块可以被配置为同时捕获组织的多个切片的的成像数据。另一方面，板密封模块可以提供用于覆盖板的密封剂液滴、用于覆盖板的薄膜或用于板的透明盖，例如，玻璃盖。

本发明的又另一个方面涉及一种成像设备，该成像设备具有固定在板的表面上的多个试样；载体，用于保持板；图像捕获装置，图像捕获装置具有图像捕获区域，以及移动机构，用于改变载体和图像捕获装置之间的相对位置关系。在上述成像设备中，成像设备被配置为在落入图像捕获区域的板上同时捕获每一个试样的图像；并且成像设备被配置为将板表面分成多个图像捕获区域。此外，移动机构依次将图像捕获装置移动到多个图像捕获区域，以捕获多个试样的图像。

成像设备可以进一步包括用于处理成像设备的数字输出的人工智能单元。

本发明的另一个方面涉及处理生物样本的方法。该方法包括：(i)将生物样本切割成具有相等厚度的多个切片；(ii)将多个切片依次转移到具有长而窄的表面的收集薄膜上，从而使多个切片沿表面的长边缘对齐；(iii)卷绕收集薄膜以形成在卷绕层之间具有均匀厚的空间的辊；(iv)对卷绕的收集薄膜上的多个切片进行染色；(v)将卷绕的收集薄膜展开；以及(vi)对收集薄膜上的多个切片进行成像。此外，当通过成像设备移动收集薄膜时，一次对一个切片进行成像，并且包括以下特征：整个切片在成像中被一次性捕获，并且成像以每分钟10个切片到每分钟60个切片的速度进行。

在上述方法中，生物样本可以是FFPE组织。此外，设备可以被配置为执行上述方法。

在附图和说明中阐述了本发明的详情。本发明的其他特征、目的和优点对于本领域技术人员在阅读附图和说明书以及所附权利要求书时将是显而易见的。

附图说明

图1是高产量可重复使用板设计的一种变体中的切片和安装过程的图。面板(A)示出了样本切片和转移到薄膜(film)上。面板(B)示出了薄膜条带。面板(C)描绘了安装在处理板上的多个条带。

图2是描绘了切片机构的图。面板(A)示出了组织块相对于刀片的相对定位和运动。面板(B)示出了样本片如何转移到薄膜上。

图3描绘了切片期间块和刀片的运动。面板(A)和(B)描绘了其中刀片静止的设计的前图像和后图像。面板(C)和(D)描绘了切割时其中块和刀片都在运动的设计的前图像和后图像。

图4是描绘了在整个设备中移动时保持对薄膜定位的精确控制的机构的图。

图5示出了条带如何被安装到板上。

图6示出了一旦板装满后如何将条带锁定在板上的位置。

图7是描绘了实现在单个薄膜带上连续处理样本的设计的图。

图8示出了两个染色模块变体的示意图。

图9示出了连续处理模型的替代设计。面板(A)示出了一旦安装了切片就会卷成染色螺旋的薄膜。面板(B)示出了试剂浴染色模块。面板(C)示出了在数字扫描之前放大模拟图像以及存储的扫描模块。

图10显示了使用参考扫描进行扫描时用于旋转误差校正的质量控制方法。面板(A)描绘了参考图像面板(B)示出了具有误差的相同样本片后处理。图(C)示出了相同样本片的校正图像。

具体实施方式

提供了用于获取一系列组织切片的连续图像的方法。所述方法的各方面包括制备组织样本的一系列平行切片，平行切片的厚度基本相同。还提供实践本主题方法的设备和装置。

在更详细地描述本发明之前，应当理解，本发明不限于所描述的特定实施例，因为此类实施例当然可以变化。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例，使得本领域的普通技术人员能够执行本发明。然而，应当理解，本发明可以以各种形式实现，并且不旨在限制本发明的示例性实施例。此外，在附图中，省略与具体实施方式无关的部分的描述以清楚地描述本发明。

主题系统和方法主要用于诊断目的。然而，这些系统和方法的成功实施带来了转变病理学实践的前景，进一步将病理学跃升为一门定量科学。

除非另有限定，本文中所使用的所有技术和科学术语具有如本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。虽然与本文所描述的那些方法和材料类似或等同的任何方法和材料也可在本发明的实践或测试中使用，但是现在描述的是优选的方法和材料。本文所提及的所有公开通过引用并入本文，以披露和描述引用这些公开的方法和/或材料。

本发明的实施例在组织切片、组织染色、相机、图像识别和/或自动图像分析等领域提供了有利的特征和特性，包括制造方法、系统和/或设备。注意，术语“确定”、“测量”、“评估”和“分析”可互换地使用，并且包括定量和定性测定。

由本发明处理和分析的样本为生物样本。具体地，样本可以是经由需要组织学分析的活组织检查或解剖采集的任何组织。在使用本发明进行处理之前，样本为福尔马林固定、石蜡包埋(FFPE)的组织样本。

本发明的主要方面涉及样本处理的集成方法，包括：(i)连续样本切片；(ii)将样本切片转移到支撑件(诸如薄膜)上，并且可以包括对多个样本进行后续分组和/或转移到处理台；(iii)经由热和化学品使用进行脱蜡；(iv)经由成序列的试剂浴中的批量染色或试剂滴涂进行组织染色，诸如但不限于血毒素和曙红(H&E)、免疫组织化学(IHC)、基于免疫荧光(IF)的染色或其他特殊染色方案；(v)密封剂使用；(vi)模拟图像放大、数字扫描和图像收集/存储；(vii)三维图像叠加与重建；(viii)对经处理的样本的AI分析。实现了刚才描述的方法，使得每个步骤可以被设计为集成设备的模块或部件，并且设备的多个配置能够依据用户的具体需求执行本发明的基本方面。本文详细描述了本发明的多种配置和替代配置。

本发明被设计为利用传统超薄切片机设计执行标准切片协议，该设计包括被配置为保持样本的托架和刀片。传统上，托架和样本移动使得石蜡块被压抵刀片的切割边缘，以生成均匀厚度的片。替代地，刀片可以与托架的运动正交移动以便于切片；还可以结合振动切片机。样本的厚度可以由用户进行调整。

相机也可以被结合到超薄切片机的设计中。该相机被定位为垂直于并且面向组织样本块表面的中心。存在相机有助于质量控制。相机将在每次切片之前拍摄块面的参考照片。已知尺寸的比例尺或标记存在于样本的托架或盒上。在重建扫描图像的叠加时，可以稍后参考该图像以帮助对齐和误差校正。

本发明连续地处理样本，并将每个片连续等距地转移到塑料薄膜或带上。薄膜被定位在刀片附近，使得片将接触该薄膜并与之粘附；薄膜以与片一致的速度移动，以在转移到薄膜期间将切片的起皱或撕裂最小化。通过设计，塑料薄膜的净负电荷和FFPE组织样本的净正电荷有助于转移。此外，在切片之前，样本块表面和薄膜可以喷涂水溶液；水的内聚力将有助于转移。可以包括一种机构，以对切片施加力，以帮助粘附。薄膜也可以涂覆有促进组织切片粘附的化学层或粘合剂。多个样本片按照切割顺序安装到薄膜上。超薄切片进行，直到整个或期望厚度的样本被切片，或在某些情况下，直到样本安装台已满。

塑料薄膜或带存储在卷或线轴中，并以与样本切片的速率一致的速率展开。为了保持对薄膜和薄膜上切片的位置的精确控制，薄膜被设计为沿薄膜的长度方向在横向边缘具有一系列等距间隔的孔。链轮用于在整个设备的模块之间传输薄膜。这些链轮的齿轮与薄膜上的孔对齐，从而精确控制薄膜的移动。当将样本与密封剂或染色涂抹器校准时，以及在一些变体中，扫描时，这一点非常重要。薄膜在高达至少60℃的温度下具有光学透明性和耐热性；该温度与脱蜡有关。

设计变体

在一个实施例中，将切片从薄膜直接转移到安装板上。板台经由CNC进行控制，使得在限定区域内依次将切片转移到板上。这种板是超大玻璃或塑料载玻片，被设计为保持来自单个样本块的数百个连续切片；但是，这些数字可能因样本的尺寸而异。一旦安装到板上，样本将一起进行脱蜡、染色、密封和扫描。将具有整个样本安装到其上的板转移至存储。

在另一个实施例中，薄膜被分成多个条带，每个条带包含安装在其上的多个切片。在该实施例中，可通过两种方式处理条带。在一个变体中，条带被转移到安装板。安装板上的销钉与薄膜上的孔对齐，允许将(多个)条带离散放置在安装板上。一旦板装满条带，锁紧机构就会将条带固定到位。如上述实施例中所述，板和所附接的条带经历脱蜡、染色、密封和扫描。然而，一旦被扫描，可将条带从板上移除并单独存储。然后，该板可以重新用作安装台。替代地，不是将条带转移到板上，而是直接使用替代处理模块进行脱蜡、染色和密封。这种版本不利于执行高产量分析，并且因此更适用于临床或研究应用。目前的临床协议处理给定的组织样本的近似5到10个连续切片；此数量的切片可以安装在一个条带上。

需要对相邻切片进行非均匀染色的研究可以利用替代染色模块，该替代染色模块可以利用H&E、IHC、IF或SS之一单独地和可变地沿条带处理样本。在这这些替代应用中的任何一种应用中，可以将条带返回板用于集体成像。

在又另一个实施例中，具有所安装的样本的薄膜作为一个连续的带依次传输通过每个处理模块。一旦被处理，样本会被卷入线轴中以进行存储。该实施例具有两个变体。第一个是其中样本切片沿着传送带(在该情况下是载体薄膜)在每个模块之间移动的连续设计。该版本将会是耗时的，因为每个样本都要单独地进行处理。第二设计具有载体薄膜，其中切片被卷入处理螺旋。该螺旋包含样本，因为样本经历集体脱蜡和染色。该螺旋被设计为使得薄膜的层之间存在空间，允许液体试剂不受阻碍地清洗每个样本切片。样本将从螺旋展开以用于密封和扫描，然后重新卷入线轴以进行存储。

模块化部件

脱蜡模块仅用于通过加热样本来熔化石蜡；通常用于脱蜡的所有其他液体试剂清洗液(诸如乙醇溶液和二甲苯)可以由染色模块施加，因为这些模块被设计用于液体化学施加。脱蜡模块必须将每个样本加热至近似55℃达10分钟。一般设计可以是烤箱或加热表面。如果使用安装板、条带或处理螺旋，样本可以经由机器人机构转移到隔热加热室。如果利用连续的薄膜带，样本在通过设备时可以通过或穿过加热走廊。

如上所述，染色模块用于施加完成脱蜡过程以及对组织样本进行染色的液体试剂。染色模块的两个变型可以被集成到设备中。染色模块的第一实施例利用试剂浴设计，其中，如针对特定染色协议要求的，将样本浸没在一系列液体试剂槽中并在一系列液体试剂槽中培养。当与切片安装板(使用薄膜条带或直接切片安装)和处理螺旋相结合时，这种变体非常适合。通过这种方式，样本作为集体进行染色，增加了均匀性。染色模块的第二变体可以是自动试剂分配器，其中自动施加器(applicator)(如移液管或喷嘴)将特定试剂滴到特定样本上。在该实施例中，试剂可以存储在模块内的储罐中，并且可以通过专用管道泵送到施加器以防止污染。特定染色试剂的离散施加将减少所需试剂的体积，并且如果相邻样本需要不同的染色，特定染色试剂的离散施加是至关重要的。可以在单个样本周围放置腔室或屏障，以防止样本径流和交叉污染。该染色模块变体可以被集成到系统中，用于与1)切片安装板(使用薄膜条带或直接切片安装)，2)独立于该板的单独条带，以及3)连续处理实施例的传送带设计一起使用，其中试剂浴变体不适用。

在染色模块的所有实施例中，染色的方法将由用户指定。试剂浴变体和自动分配器变体两者都能够执行1)标准H&E染色、2)IHC、3)IF和4)各种特殊染色协议。每个模块的特定试剂可以手动地装载到模块中，并且用户可以经由用户界面指示协议。由于抗体和非标准染色试剂的成本，试剂浴变体非常适合标准H&E染色，而其他染色协议可以受益于由自动分配器执行的更精确的施加。

密封模块用于将透明盖涂覆到染色样本上。该盖被设计为防止扫描和分析过程中以及存储期间样本干燥和损坏。根据用户的需求，可以将密封模块中的三种变体中的一种变体集成到设备中。密封模块的第一实施例将液体密封剂分配到每个样本上。密封剂的施加将受到控制并具有限定的体积，这与自动分配染色模块的方法类似。在集成设备的某些实施例中，该密封模块变体可以被集成到染色模块中。该变体可以与本发明的所有实施例一起使用。密封模块的第二和第三变体主要适用于本发明的利用将切片直接安装到板上的实施例。一旦安装板和所有切片经历染色，无论如何，都可以在板和样本上施加具有粘合剂的塑料薄膜。替代地，可以将大玻璃盖玻片施加在板上。密封的最后一个变体最适用于可能需要使用组织样本、进行后处理的用户。

扫描模块用于捕获和存储所有染色组织样本的数字图像。该模块的一个实施例利用高分辨率数码相机，该高分辨率数码相机捕获视场(FOV)内的一个或多个样本的图像。例如，为了在本发明的连续馈送变体中使用，该高分辨率相机可以依次捕获每个切片的图像。替代地，当使用安装板时，相机FOV可以捕获板上的一些或所有样本的区域。如果只捕获到特定区域，则相机或板可以构建在CNC支架上，从而允许相机捕获板的多个区域，这些区域随后将由重建软件拼接在一起。扫描模块的另一个实施例结合高分辨率数码相机阵列；该实施例与安装板变体最好地集成。每个相机的FOV可以捕获安装板的区域，使得每个图像包含一个或多个组织切片。如果相机的FOV受到期望的分辨率的限制，这种变体被设计为减少扫描板所花的时间。在扫描模块的又一个实施例中，投光器可以用于照亮染色组织切片的一侧。当光通过样本时，模拟图像可以通过一系列透镜放大，并由高分辨率多色数字检测器阵列捕获。检测器阵列的传感器将需要适当大量的像素，使得在数字转换和分块(binning)后保持较高的有效分辨率。传感器还需要足够大以捕获整个投射和放大图像。扫描模块的这个刚描述的实施例可以集成到本发明的所有实施例中；然而，它非常适合于单带连续处理变体。

分析软件

本发明的其余方面描述了软件的特征和功能。软件执行三个动作；1)生成组织样本的三维重建；2)区分重建中的组织类型，从而允许用户从重建中过滤某些组织类型并突出显示样本中的目标组织；3)使用AI进行机器学习以促进疾病诊断。

重建是通过首先对各个组织切片进行识别和排列来完成的。如果连续执行图像捕获，则应当以正确的顺序存储数字图像。如果使用本发明的某些实施例，诸如捕获安装板上所有样本的扫描模块，则可以实现分离的算法，以1)识别给定图像中的每个切片并对该每个切片编号，以及2)保存一组新的图像，每组图像仅包含一个切片。在某些实施例中，可能需要拼接功能以首先生成板的完整图像。一旦各个图像被保存和排序，就可以执行质量控制和误差校正的过程。通过将经处理的组织样本的高分辨率图像与切片前拍摄的参考图像进行匹配，可以观察到相对位置、旋转和形态的变化。为了辅助该过程，可以将虚拟比例或参考标记覆盖到高分辨率图像上。一旦所有图像依次叠加并校正误差，重建过程就可以开始。重建算法将利用每个切口的已知厚度在2D图像之间插值，并形成经处理的组织样本的3D模型。

一旦重建完成，将进行AI分析。通过观察已知细胞类型(生理和病理两者)的重建和交叉参考组织学图像数据库中的染色模式，AI系统将识别和指示组织样本的特征，包括但不限于生理和病理总体结构、组织类型和边界，血管网等。软件还生成组织样本的动态3D模型，其中可以取决于用户的目标而突出显示或移除某些组织和结构。

用户界面(最有可能以计算机应用的形式呈现)将用于管理集成设备的设置和编辑动态3D重建。可以由用户控制的一些特征包括样本厚度、染色方案和图像分辨率。该列表并非详尽无遗。用户还可能需要指示正在使用设备的哪个实施例，包括结合了哪些模块。

本发明被设计为将组织学的所有过程组合成一个高产量集成设备。每个部件的模块化特性允许系统的最终设计有很大的变化。确定使用哪种变体取决于所分析样本的类型和分析方法，尤其是哪种染色协议。上述某些模块可以独立地使用，或者在某些情况下，如果需要手动处理，则可以省略；然而，旨在将本发明开发为无用户输入或最小用户输入的自主集成系统。

实施方法的最佳模式

以下示例和附图更具体地解释了本发明，但不限制本发明的范围。

图1描绘了本发明的高产量、可重复使用的板的实施例中的切片和安装过程的图。如面板(A)所示，福尔马林固定、石蜡包埋(FFPE)的生物组织样本块1由超薄切片机刀片2切片。相机4存在并对准块面24；这在每次切割之前捕获块面24的图像。保存该参考图像以用于质量控制目的。将所得组织切片3依次转移到薄的透明耐热的安装薄膜5上。最初被卷入线轴6的该薄膜5使用高精度链轮系统7移动通过设备。在本附图所描绘的本发明的实施例中，可以借助一些夹具8延伸并拉紧薄膜5的前端长度。在这些夹具8之间收集的一定长度的薄膜5具有安装在其上的多个经切片的组织切片3；在本发明的上下文中，该长度的薄膜称为条带10。该条带10由刀片9切割。薄膜的条带10经由自动机构转移到超大玻璃载玻片上，该载玻片被设计为保持多个薄膜的条带10(定义为安装板11)。安装板11可以保持多个条带10。它们被布置为使得最大数量的条带10可以安装到板11上。样本块1的切割顺序也被保持，使得样本切片5在板11上的放置从左到右、从上到下连续。一旦安装板11被装满，所有安装的条带10或直接安装的样本切片(实施例中未描绘)将经历样本处理，包括脱蜡、染色、密封、扫描和分析。在该实施例中，条带10可以被分离地移除和存储；安装板11可以重复用于下一组条带10。

图2是描绘了切片机构的图。面板(A)示出了组织块1相对于刀片2的相对定位。刀片的斜面平行于样本块面24，同时刀片的切削刃移位期望的切片厚度；附图中为5um(不按比例)。组织块25的运动是线性的并且平行于块面24。薄膜5被定位为靠近刀片2，使得样本切片3卷曲并接触薄膜5；如面板(B)所示。控制薄膜5运动的链轮7确保薄膜5在转移点处的速度等于切割运动25的速度，使得在转移期间不会撕裂或损坏样本切片3。在切割之前，可以将水溶液26喷涂到薄膜5和块面24上，以帮助转移到薄膜5上。

图3描绘了切片期间样本块25和刀片27的运动。面板(A)和(B)描绘了其中刀片2静止并且块1被迫进入切割边缘的设计。面板(C)和(D)描绘了切割时块1和刀片2都在运动的设计。在这种情况下，刀片的切割边缘相对于样本向右27平移，当块向下25移动进入刀片时切过样本。在这两种情况下，组织块25的运动方向保持线性并且垂直于切割边缘。

图4是描绘在薄膜5上的模块之间传输时用于维持对组织样本切片3的定位的精确控制的机构的图。沿薄膜5的横向边缘的等距孔12与链轮上的齿轮对齐。整个设备中所有链轮的旋转都是协调的，使得精确地且准确地定义所有样本切片3的位置。

图5示出了如何将薄膜的条带10安装在板11上。在本发明的该实施例中，安装板11被设计为具有延伸穿过板11的突起或销钉13，该突起或销钉13与其安装表面正交。这些销钉13沿板的相对的横向边缘定位，并与薄膜条带10中的孔12对齐。该设计提供条带10的离散且一致的放置，优化安装区域，并且在本发明的某些实施例中，有助于扫描和染色(未示出)。

图6示出了附加安全测量，以防止在加工期间板安装条带10的移动。可以将机械锁杆或夹具14降到板11上的销钉13上。

图7是本发明的一个实施例的示意图，其中单个连续的薄膜带在处理模块之间依次传输样本切片。如图1所描述的，首先将样本切片并转移到载体薄膜上。这里描绘的实施例示出的不是被切割成条带，而是薄膜和安装的样本切片(未显示)以传送带的方式沿着通过脱蜡15、染色16、密封和扫描17模块移动。一旦被处理，薄膜被卷入存储线轴18中。脱蜡模块15用于加热每个样本并熔化石蜡。由于该实施例的设计，脱蜡模块15可以被设计为沿着加热元件排列的走廊。化学清洗通常也用于脱蜡，然而，这些试剂可以并入染色模块并由染色模块施加。此处描述的染色模块16是自动分配器设计，该自动分配器设计将染色试剂21施加到各个样本切片(参见图8A)。该实施例的密封模块(未示出)将液体密封剂的液滴21时间啊到每个样本上；给定类似的机构，该系统也可以并入染色模块并由其施涂。扫描模块17用于捕获每个样本的数字图像。该模块有多种可能的实施例(参见具体实施方式：模块化部件)；与本发明的实施例一起使用的版本可以在样本进入相机的视场时连续地拍摄样本的高分辨率图像。载体薄膜的移动和每个模块内样本的定位可以由高精度链轮7控制。

图8示出了染色模块的两个可能的实施例。面板(A)示出了自动分配器设计16。在该设计中，作为移液管或喷嘴的自动施加器20将特定(particular)染色试剂21滴在特定(specific)样本上，此处描绘为滴在薄膜的条带10上。染色试剂以及脱蜡试剂和液体密封剂可以单独存储在模块19主体内的储罐中。为了降低成本和减少浪费，可以对每个样本使用离散且相对较小体积的试剂。可以在各个样本周围放置腔室或屏障(未示出)，以防止样本径流和交叉污染。该模块变体可以被设计为具有多个施加器20，该多个施加器20能够分配多个试剂21并同时处理多个样本，以及相邻切片之间的可变染色。此处描绘了自动施加器染色模块变体16处理隔离的条带10。然而，该设计可以被集成到本发明的大多数实施例中；当使用处理螺旋时，这种设计不合适(参见具体实施方式：模块化部件)。

面板(B)示出了试剂浴设计22。根据期望的染色协议的要求，将该变体样本浸没在一系列液体试剂浴23中并在一系列液体试剂浴23中培养。该附图描绘了正在被处理的隔离的条带；然而，该变体非常适合使用切片安装板11(使用薄膜条带(图1)或直接切片安装(未显示))和处理螺旋(图9)进行集体样本染色。

图9示出了单带连续处理的替代实施例。与图7所描绘的连续过程类似，样本切片在载体薄膜上转移和处理。然而，如面板(A)所示，薄膜和样本切片被卷入染色螺旋32。该螺旋被设计为容纳完全切片的组织样本块1的全部长度，同时维持卷入的薄膜的层之间的空间。一旦整个样本被切片并且被传输至螺旋，该薄膜被切割(未示出)，并且该螺旋继续处理：脱蜡(未显示)、使用试剂浴变体模块22(面板(B))进行染色、密封(未示出)、扫描(面板(C))、存储18。面板(C)中描绘的扫描模块17的一个实施例示出了在图像捕获之前被放大的样本的模拟图像。被定位在现在被染色的样本切片3下方的投影仪33将样本的模拟图像投影通过通过多个透镜34。这些透镜将图像放大并聚焦到高分辨率多色数字检测器阵列35中。在该图中，依次且连续地收集来自每个样本的图像，然而，该扫描模块变体可以在本发明的所有实施例中使用。一旦被扫描，样本被传输到存储线轴18中。

图10显示了在3D图像重建之前实现的质量控制方法。如图1中所见，相机4存在并对准块面24；这在每次切割之前捕获块面24的图像。保存该参考图像。在该参考图像(面板(A))内可观察到已知尺寸的比例或标记28。该比例可以被定位在超薄切片机托架或样本盒上。面板(B)示出了如高分辨率扫描仪29所见的相同样本切片后处理的图像；该样本在该附图中经历了非预期的旋转。该面板中的比例30表示重建软件覆盖的虚拟比例。将参考图像和比例28与虚拟图像29和比例30进行比较，以确定样本位置、旋转和形态的非预期的改变。确定误差(如果有)后，软件可以对高分辨率图像进行校正，如面板(C)中所见的。将经校正的图像31保存并且结合到3D重建中。

图例：

1.福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)生物组织样本

2.超薄切片机刀片

3.组织样本切片

4.低分辨率相机

5.载体薄膜

6.薄膜线轴

7.链轮

8.夹具

9.切割刀片

10.薄膜的条带

11.安装板

12.薄膜中的孔

13.销钉

14.锁杆

15.脱蜡模块

16.自动染色试剂分配模块

17.高分辨率相机

18.存储线轴

19.染色试剂储罐

20.自动分配器喷嘴

21.染色试剂

22.自动染色试剂浴模块

23.染色试剂浴

24.块面

25.块的运动方向

26.水喷雾

27.刀片的运动方向

28.参考比例尺

29.经处理的样本的高分辨率图像

30.虚拟参考比例尺

31.经处理的样本的经校正的高分辨率图像

32.处理螺旋

33.投影仪

34.透镜或透镜系列

35.检测器

示例1

将FFPE组织样本手动地插入切片装置的超薄切片机的托架中。如前文所描述的，当样本切片被转移到载体薄膜上时，进行连续切片。借助CNC将样本部分从载体薄膜转移到安装板上；样本按切割顺序连续地转移，使得板上每个样本的位置限制在板的已知区域内。板和所有安装的样本被转移到脱蜡模块中，其被设计为隔热的烤箱。然后将板转移到H&E试剂浴染色模块。将盖玻片应用在板上。扫描模块，包括能够扫描整个板的一个高分辨率相机，该相机捕获一个高分辨率图像。将板从设备上移除并进行存储。使用软件算法，将高分辨率图像划分为每个区域仅包含一个样本切片的区域；保存新的数据集，使得每个文件都是单个切片的图像。图像被编号并进行排列。所有样本图像都经历质量控制和平移、旋转和/或形态误差的校正；根据需要生成新的图像文件。图像数据集用于重建三维模型。该重建经由AI和机器学习算法进行分析，以帮助疾病诊断和组织样本展示。

示例2

将FFPE组织样本手动地插入切片装置的超薄切片机的托架中。如前文所描述的，当样本切片被转移到载体薄膜上时，进行连续切片。载体薄膜被卷入处理螺旋中。一旦整个组织块被切片，并且所有样本都被包含在螺旋中，薄膜就被切割。螺旋和其内容物被转移到脱蜡模块中，其被设计为隔热的烤箱。然后将板转移到H&E试剂浴染色模块。一旦被染色，薄膜在链轮的帮助下从螺旋展开。密封模块可以对每个样本施加液体密封剂液滴。扫描模块，包括投影仪、一系列透镜和一个高分辨率多色数字检测器阵列，其放大单个切片的模拟图像，并将该图像聚焦到传感器中。当样本从线轴展开时，对其进行连续扫描。一旦被扫描，薄膜被卷入存储线轴中。高分辨率图像应当是以相反的顺序。所有样本图像都经过质量控制，并且校正平移、旋转和/或形态误差；根据需要生成新的图像文件。图像数据集用于重建三维模型。该重建经由AI和机器学习算法进行分析，以帮助疾病诊断和组织样本展示。

本说明书中引用的所有公开和专利均通过引用并入本文，如同每个单独的公开或专利被具体地和单独地指示为通过引用并入本文，并且所述所有公开和专利通过引用并入本文，以公开和描述与所述出版物结合被引用的方法和/或材料。对任何公开的引用是对其在提交日期之前的公开文件的引用，并且不应被解释为承认本发明由于在先发明无权先于此类出版物。进一步，所提供的公开日期可能与实际公开日期不同，实际公开日期可能需要被单独地确认。若并入本文中的文件引用的术语定义与本文中明确定义的术语定义冲突，则以本文中的定义为准。

Claims (56)

1.一种处理样本的方法，包括：

提供样本，并且针对所述样本限定虚拟水平面和虚拟垂直轴；

沿所述虚拟水平面将所述样本切割成多个样本切片，其中：

所述切割基本平行于所述虚拟水平面，

所述多个样本切片的厚度基本相同，并且

所述多个样本切片按照切割顺序沿所述虚拟垂直轴依次排列，按照所述切割顺序将所述多个样本片连续并置在支撑件上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样本是生物样本。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述样本是组织。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述样本是福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个样本切片的所述厚度是可调整的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支撑件是长而窄的薄膜条带。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述多个样本切片固定在所述支撑件上。

8.一种用于收集和分析样本的薄膜，包括：

长而窄的表面，

来自所述样本的多个切片，所述多个切片固定在所述表面上并沿所述表面的长边缘对齐，其中：

从具有相同厚度的所述样本切割所述多个切片，并且

所述多个切片按照其切割顺序被并置在所述薄膜的所述表面上。

9.如权利要求8所述的薄膜，其特征在于，所述多个切片在一个或多个反应中同时处理。

10.如权利要求9所述的薄膜，其特征在于，所述一个或多个反应包括H&E染色、IHC染色或特殊染色。

11.如权利要求9所述的薄膜，其特征在于，所述一个或多个反应包括基于荧光的染色。

12.如权利要求8所述的薄膜，其特征在于，所述薄膜包括塑料膜。

13.如权利要求8所述的薄膜，其特征在于，所述薄膜是光学透明的并且耐热高达至少60℃。

14.如权利要求13所述的薄膜，进一步包括沿着所述薄膜的所述表面的长边缘的一系列孔或缺口。

15.一种用于收集和处理样本的设备，包括：

样本切割机，包括刀片和托架，所述托架被配置为保持样本，其中所述刀片或所述托架是可移动的以确保所述刀片对所述样本进行一系列切割成具有相等厚度的多个切片；以及

收集薄膜，具有长而窄的表面，

其中：

所述设备配置为在所述样本切割机从所述样本切割下切片之后，对所述切片施加力以将所述切片转移和安装到所述收集薄膜上，并且

所述设备被配置为将所述多个切片沿所述表面的所述长边缘对齐，并且使所述多个切片按照其切割顺序连续地并置。

16.如权利要求15所述的设备，进一步包括薄膜辊，其中所述收集薄膜由所述薄膜辊提供。

17.一种用于处理样本的装置，包括：

用于根据权利要求15收集和处理样本的设备，以及

一个或多个样本处理模块。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于：

所述样本是福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织，并且

所述一个或多个样本处理模块包括脱蜡模块。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于

所述一个或多个样本处理模块包括密封模块。

20.如权利要求17所述的装置，其特征在于

所述一个或多个样本处理模块包括样本染色模块。

21.如权利要求17所述的装置，其特征在于：

所述样本是福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织，

所述一个或多个样本处理模块包括组织学染色模块。

22.如权利要求17所述的装置，其特征在于

所述一个或多个样本处理模块包括样本成像模块。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于：

所述样本是福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织，

所述样本成像模块被配置为同时捕获所述组织的所述多个切片的成像数据。

24.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述密封模块提供密封液滴以覆盖所述收集薄膜。

25.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述密封模块为所述收集薄膜提供透明盖。

26.一种用于收集和处理样本的设备，包括：

样本切割机，包括刀片和托架，所述托架被配置为保持样本，其中所述刀片或所述托架是可移动的以确保所述刀片对所述样本进行一系列切割成具有相等厚度的多个切片；

传送带，以及

收集板

其中：

所述设备被配置为在所述样本切割机从所述样本切割下切片之后，立即通过所述传送带移除所述切片，然后卸载所述切片并将其安装到所述收集板上，并且

所述设备被配置为使所述多个切片按照其切割顺序连续地并置在所述收集板上。

27.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述传送带是由薄膜层组成的传送薄膜带。

28.如权利要求27所述的设备，进一步包括薄膜辊，其中所述薄膜层由所述薄膜辊提供。

29.一种用于处理样本的装置，包括：

权利要求26所述的设备，以及

一个或多个样本处理模块。

30.如权利要求29所述的设备，其特征在于：

所述样本是福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织，并且

所述一个或多个样本处理模块包括脱蜡模块。

31.如权利要求29所述的装置，其特征在于

所述一个或多个样本处理模块包括板密封模块。

32.如权利要求29所述的装置，其特征在于

所述一个或多个样本处理模块包括样本染色模块。

33.如权利要求29所述的装置，其特征在于：

所述样本是组织，

所述一个或多个样本处理模块包括组织学染色模块。

34.如权利要求29所述的装置，其特征在于

所述一个或多个样本处理模块包括样本成像模块。

35.如权利要求34所述的装置，其特征在于：

所述样本是组织，

所述样本成像模块被配置为同时捕获所述组织的所述多个切片的成像数据。

36.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述板密封模块提供密封液滴以覆盖所述板。

37.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述板密封模块提供薄膜以覆盖所述板。

38.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述板密封模块为所述板提供透明盖。

39.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述透明盖是玻璃盖。

40.一种用于对固定在薄膜条带上并在所述薄膜条带上对齐的多个试样进行成像的设备，所述设备包括：

薄膜辊，用于移动所述薄膜条带；

图像捕获装置，所述图像捕获装置具有图像捕获区域，其中所述图像捕获装置被配置为对落入所述图像捕获区域的所述薄膜条带上的试样进行成像，

其中所述薄膜辊被配置为将所述薄膜条带上的所述多个试样一次一个地移动到所述图像捕获区域中，从而依次获得所述多个试样的图像。

41.如权利要求40所述的成像设备，其特征在于，所述图像捕获装置包括一个或多个数码相机。

42.如权利要求17所述的装置，进一步包括如权利要求40所述的成像设备。

43.一种成像设备，包括：

板，所述板具有固定在所述板的表面上的多个试样；

载体，用于保持所述板；

图像捕获装置，所述图像捕获装置具有图像捕获区域，其中所述图像捕获装置被配置为对落入所述图像捕获区域的所述板上的每一个试样同时捕获图像，以及

移动机构，用于改变所述载体和所述图像捕获装置之间的相对位置关系，

其中：

所述成像设备被配置为将板表面分成多个所述图像捕获区域，

所述移动机构将所述图像捕获装置依次移动到所述多个图像捕获区域，以捕获所述多个试样的图像。

44.如权利要求43所述的成像设备，其特征在于，所述图像捕获装置包括多个相机。

45.如权利要求29所述的装置，进一步包括如权利要求40所述的成像设备。

46.如权利要求43所述的成像设备，进一步包括被配置为处理所述成像设备的数字输出的人工智能单元。

47.一种用于处理生物样本的方法，包括：

将所述生物样本切割成具有相等厚度的多个切片；

将所述多个切片依次转移到具有长而窄的表面的收集薄膜上，从而使所述多个切片沿所述表面的长边缘对齐；

卷绕所述收集薄膜以形成在卷绕层之间具有均匀厚的空间的辊；

对卷绕的收集薄膜上的所述多个切片进行染色；

将所述卷绕的收集薄膜展开；以及

对所述收集薄膜上的所述多个切片进行成像，

其中：

当将所述收集薄膜移动通过成像设备时，一次对一个切片进行成像，整个切片在所述成像中被一次性捕获，并且

所述成像以每分钟10个切片到每分钟60个切片的速度进行。

48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述生物样本是FFPE组织。

49.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述多个切片按照其切割顺序并置在所述收集薄膜的所述表面上。

50.如权利要求47所述的方法，其特征在于，对所述卷绕的收集薄膜上的所述多个切片进行染色包括一个或多个反应。

51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述一个或多个反应包括H&E染色、IHC染色或特殊染色。

52.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述一个或多个反应包括基于荧光的染色。

53.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述收集薄膜包括塑料膜。

54.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述收集薄膜是光学透明的并且耐热高达至少60℃。

55.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述收集薄膜包括沿所述表面的长边缘的一系列孔或缺口。

56.一种设备，所述设备被配置为执行权利要求47所述的方法。

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