CN1260596C - 一种计算机激光共焦扫描显微镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算机激光共焦扫描显微镜系统，由激光共焦扫描显微镜和计算机控制系统两大部分构成，计算机控制系统包括：用于设置扫描参数的参数设置器、控制激光共焦扫描显微镜的各扫描振镜进行移动，实现相应的X、Y平面扫描的扫描控制器、控制激光共焦扫描显微镜的功率衰减器、空间滤波器和Z向微位器件进行精确定位的定位器；对激光共焦扫描显微镜的信号控测光路进行选择、转换的通道选择器、对所采集的扫描信号进行处理及计算的图像处理器、对图像进行三维重构及显示的三维重构器。本发明不仅能够实现对生物标本的扫描成像，而且能够实现荧光断层图像的处理、分析和三维数据场的可视化。

Description

一种计算机激光共焦扫描显微镜系统

                    技术领域

本发明涉及一种计算机激光共焦扫描显微系统。

                    背景技术

激光共焦扫描显微镜是一种具有优异横向与纵向分辨率的光学显微成像系统，能够进行光学断层扫描成像，其扫描的序列断层图像可进行三维图像重构，从而了解生物组织及材料等标本的内部结构、外部形貌。

目前常见的激光共焦扫描显微镜大都不能实现生物标本的不失调共焦扫描显微成像，本发明实现了计算机控制的全自动不失调共焦扫描成像，且实现了荧光断层扫描图像的处理、分析和三维数据场的可视化。

                    发明内容

本发明要解决的技术问题就是现有技术功能单一的问题，为人们提供一种集扫描、荧光图像的采集、处理、分析及三维数据场的重构、显示为一体的计算机激光共焦扫描显微系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明由激光共焦扫描显微镜和计算机控制系统两大部分构成，其特征在于，所述计算机控制系统包括：

1.1用于设置扫描参数的参数设置器；

1.2根据参数设置器设置的扫描参数，控制激光共焦扫描显微镜的各扫描器件进行移动，实现相应的X、Y平面扫描的扫描控制器；

1.3根据参数设置器设置的扫描参数，控制激光共焦扫描显微镜的功率衰减器、空间滤波器和微位器件进行精确定位的定位器；

1.4根据设置的扫描参数，对激光共焦扫描显微镜的信号控测光路进行选择、转换的通道选择器；

1.5对所采集的扫描图像进行处理及计算的图像处理器；

1.6对所采集的序列断层图像进行三维重构及显示的三维重构器。

本发明可实现系统的自动化控制，便于用户操作使用，不仅能够实现对生物标本的扫描成像，而且能够实现荧光断层图像的处理、分析和三维数据场的可视化。

                         附图说明

图1为本发明系统控制示意图。

图2为本发明的图像采集流程图。

图3为本发明的图像处理流程图。

图4为本发明的三维重构流程图。

                       具体实施方式

参见图1，本发明由激光共焦扫描显微镜和控制系统两大部分构成。其中，激光共焦扫描显微镜由激光器，功率衰减器，X、Y方向扫描振镜，Z向微位器件、由空间滤波器A、光电探测器A、放大器A构成的红色信号探测光路，由空间滤波器B、光电探测器B、放大器B构成的绿色信号探测光路，A/D转换器等构成。

参见图2，本发明之参数设置器设置的参数包括图像大小、像素间距、扫描范围、激光功率、空间滤波器、通道选择、扫描速度、滤波器等共八个参数。下逐个说明如下：

1、图像大小

图像大小有1024*1024、512*512、256*256、128*128四种可选。根据所选择图像的大小，控制系统控制X、Y方向扫描振镜的采样点个数，从而改变标本被扫描的范围。

2、像素间距

像素间距有14种可选。根据所选择的像素间距大小，控制系统控制X、Y方向扫描振镜的采样点间距，从而改变了图像主观放大率和分辨率。

3、扫描范围

扫描范围设置是指在图像大小和像素间距一定的情况下，根据所选择的扫描位置，计算机控制X、Y方向扫描振镜的起点位置，从而改变扫描的中心位置。考虑到物镜的孔径问题，X及Y方向各有3档可选。

4、激光功率

激光功率共有8档可选。由于激发的激光功率很强时，辐射荧光很强，影响了图像细节，因此利用控制系统控制功率衰减器对激光功率进行衰减。

5、空间滤波器

空间滤波器直径的大小直接影响系统的分辨率。激光共焦扫描显微镜采用5种大小不一的滤波器。控制系统发出控制信号到定位器对相应的空间滤波器进行精度定位。

6、通道选择

通道选择有3种方式。即红色通道，绿色通道，红色通道和绿色通道3种工作方式。计算机发出控制信号到通道选择器对通道进行选择。

7、扫描速度

扫描速度有4种方式可选，即超快速，快速，正常，慢速。通过控制速度选择器，改变激光共焦扫描显微镜的扫描速度。

8、滤波器

由于采集图像质量受到很多因素影响，因此图像常常有噪音，本发明设有多种滤波器。本发明之定位器用于控制激光共焦扫描显微镜的功率衰减器、空间滤波器和Z向微位器件进行精确定位。

在本实施例中，激光共焦扫描显微镜的激光功率共有8档。由于激发的激光功率强时，容易影响扫描采集的图像细节，因此需根据不同要求利用功率衰减器对激光功率进行衰减。

由于空间滤波器的大小直接影响系统的分辨率。因此，在本实施例中，激光共焦扫描显微镜采用了5种大小不一的空间滤波器。

在扫描振镜工作前，定位器根据扫描参数设置器设置的参数，发出控制信号，根据相应的控制要求通过相应的步进电机带动功率衰减器的中性滤波片和空间滤器，从而使两者精确定位。

本发明之通道选择器用于对激光共焦扫描显微镜的信号控测光路进行选择、转换。在本实施例中，激光共焦扫描仪的信号探测光路有红色通道和绿色通道两种，工作方式共有红色通道、绿色通道、红色通道和绿色通道3种。在定位器对功率衰减器和空间滤波器进行精确定位的同时，通道选择器根据参数设置器设置的参数，对通道进行相应的选择。

在定位器和通道选择器完成相应的设置后，本发明之扫描控制器根据参数设置器设置的参数，控制X、Y方向扫描点的点数、扫描点的间距、扫描起点的位置，实现标本被扫描位置和扫描范围大小的选择，同时发出扫描信号，通过D/A进行数模转换后，其模拟信号输入到各扫描振镜，实现激光的X、Y双向平面扫描。根据不同的扫描方式，扫描控制器还同时发出相应的控制信号，通过串行口输入到激光共焦扫描显微镜的Z向微位器件的定位器，实现Z向的精确定位和移动。

本发明对标本的扫描分为图像预扫描和图像扫描两个步骤。

图像预扫描的目的有两个：(1)为了保证单层扫描时标本处于激光共聚焦扫描显微镜的共聚焦点焦面上；(2)为了保证多层扫描时标本处于Z向扫描范围内。本发明通过调整Z向微位器件来实现实验标本的Z向高度调整变化，从而完成上述两个目的。其调整范围为800微米。

图像扫描包括单层扫描、多层扫描和实时扫描三种。下分别叙述如下：

1、图像单层扫描。调整扫描参数和Z向位置，进行扫描。可以扫描红色通道图像，也可以扫描绿色通道图像，还可以同时扫描双色通道图像，进行图像混合。如果对于扫描结果图像满意，则可以结束扫描；否则继续调整扫描参数和Z向位置进行扫描，直至满意为止。

2、多层扫描。根据图像预扫描结果，输入多层扫描的断层间距和断层层数，进行扫描。可以扫描红色图像，也可以扫描绿色图像，还可以扫描双色图像，进行图像混合。扫描结束后，进行多层图像浏览。如果对于扫描结果图像满意，则可以结束扫描；否则继续调整扫描参数和Z向位置进行扫描，直至满意为止。

3、实时扫描。根据图像预扫描结果，选择实时扫描区域，输入扫描次数和时间间隔，进行扫描，显示扫描结果图形。如果对于扫描结果图像满意，则可以结束扫描；否则继续图像预扫描，选择实时扫描区域，输入扫描次数和时间间隔，进行扫描直至满意为止。

被扫描标本在扫描激光点激发下发出的荧光通过相应的信号探测光路输入到A/D转换器，经模数转换后输入至计算机控制系统的相关存储器进行图像保存，也可直接送入图像处理器进行图像处理。

参见图3，本发明之图像处理器用于对保存或实时采集的图像进行处理及计算。它主要完成以下几项工作：

1、图像滤波：根据所选模板，计算图像中每个像素点的值，实现图像平滑。

2、图像明暗度调整：根据需要对图像的明暗度进行调整。图像明暗度可按120％增加或80％减小。

3、图像缩放：根据需要对图像的大小进行缩放。图像大小可按120％增大或80％缩小。

4、伪彩色处理：根据需要对图像添加颜色。

5、计算：对所选图像可进行直线或区域的灰度分布计算。进行直线上的灰度计算时，首先点击鼠标，确定直线的起点，然后拖动鼠标，在终点时放开在图像上画一条直线，计算出图像上对应的所画直线位置的灰度及直线长度。

进行区域上的灰度计算时，首先点击鼠标，确定所选区域的左上角坐标点，然后拖动鼠标，在右下角坐标点时放开在图像上画区域计算出图像上对应的所画区域位置的灰度及区域面积。

6、荧光标记

1)图像单标：对打开的图像添加颜色。

2)图像双标：对打开的两幅图像分别添加不同的颜色。

参见图3，本发明之三维重构器用于对图像进行三维重构及显示的，它主要完成以下几项工作：

1、打开断层图像：打开要合成三维图像所需的多幅断层图像，构成三维数据场。

2.数据场投影变换：对数据场进行X、Y及Z上的位移变化、对数据场绕X、Y及Z进行旋转变化。

3、三维体数据转化为二维数据：对X、Y上的每个像素点，确定其对应Z方向上的最大值，作为二维数据X、Y上的值。

Claims (2)

1、一种计算机激光共焦扫描显微镜系统，由激光共焦扫描显微镜和计算机控制系统两大部分构成，其特征在于，所述计算机控制系统包括：

1.1用于设置扫描参数的参数设置器；

1.2根据参数设置器设置的扫描参数，控制激光共焦扫描显微镜的各扫描器件进行移动，实现相应的X、Y平面扫描的扫描控制器；

1.3根据参数设置器设置的扫描参数，控制激光共焦扫描显微镜的功率衰减器、空间滤波器和微位器件进行精确定位的定位器；

1.4根据设置的扫描参数，对激光共焦扫描显微镜的信号探测光路进行选择、转换的通道选择器；

1.5对所采集的扫描图像进行处理及计算的图像处理器；

1.6对所采集的序列断层图像进行三维重构及显示的三维重构器。

2、根据权利要求1所述的计算机激光共焦扫描显微镜系统，其特征在于：所述的信号探测光路有两个，分别是由空间滤波器A、光电探测器A、放大器A构成的红色信号探测光路，以及由空间滤波器B、光电探测器B、放大器B构成的绿色信号探测光路。

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