CN204924899U - 单细胞图像提取检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单细胞图像提取检测装置，包括工作台，用于放置细胞；电机，用于调节所述工作台的空间位置；驱动电路，用于驱动所述电机工作；显微镜，对所述细胞进行放大显示；摄像头，对所述显微镜显示的细胞图像进行摄像；视频编解码器，用于将摄像头所摄取细胞图像的模拟视频信号转换成数字信号；FPGA控制器，用于控制所述驱动电路驱动所述电机工作以调整所述工作台的空间位置；图像存储器，接用于存储细胞图像数据；程序存储器，用于存储程序；图像显示装置，与所述FPGA控制器连接用于显示所述细胞图像。能够自动调整来调节单细胞和显微镜之间的三维空间距离，同时使单细胞图像可以清晰、实时的呈现在图像显示装置上。

Description

单细胞图像提取检测装置

技术领域

本实用新型涉及细胞图像处理技术领域，特别涉及一种单细胞图像提取检测装置。

背景技术

单细胞是生命体结构和生命活动的基本单元，要了解生命体中一些生命活动规律，就必须要以单细胞为研究基础。在对单细胞内组成成分的分析研究中，由于单细胞分析的难度比较大，所以往往采取单细胞群体的分析手段来获得单细胞中的化学信息和电信息，但是这样做就会带来很多的局限性和弊端，因为在生物体内的组织具有不均匀性，单个细胞间更是具有较大的差异，在对单细胞群体的统计分析在结果中，掩盖了单细胞间的差异，从而造成了医学、生物学及其它学科在进一步深入研究生命活动规律中受到限制。而对于单个单细胞的研究，能够掌握更准确更全面的单细胞信息，可以克服以往群体分析中平均结果对个别信息掩盖的局限性，因此，单细胞分析的引入对疾病的早期预防和诊断具有重要的科学意义。传统的单细胞图像采集装置，主要通过人眼观看目镜中的单细胞图像质量(例如图像的完整性、图像清晰度等)，用手动控制方式来调节单细胞和显微镜之间的三维空间距离，使单细胞图像可以清晰的呈现在视觉范围之内，如此手动调整时间长，操作效率低，人为影响大，操作难度高。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种单细胞图像提取检测装置，能够自动调整来调节单细胞和显微镜之间的三维空间距离，同时使单细胞图像可以清晰、实时的呈现在图像显示装置上，有利于进一步对该单细胞图像作深入分析处理，帮助单细胞病理分析的医生观察单个单细胞是否出现异常，对其做出评估，从而进行诊断。

为达到上述目的，本实用新型一方面实施例提出了一种单细胞图像提取检测装置，所述单细胞图像提取检测装置包括工作台，用于放置细胞；电机，与所述工作台连接用于调节所述工作台的空间位置；驱动电路，与所述电机连接用于驱动所述电机工作；显微镜，对所述细胞进行放大显示；摄像头，对所述显微镜显示的细胞图像进行摄像；视频编解码器，与所述摄像头连接用于将摄像头所摄取细胞图像的模拟视频信号转换成数字信号；FPGA控制器，与所述视频解码器连接，用于辨别所述细胞图像是否处于设定的最清晰位置处，并且与所述驱动电路连接，用于控制所述驱动电路驱动所述电机工作以调整所述工作台的空间位置；图像存储器，与所述FPGA(FieldProgrammableGateArray即现场可编程门阵列)控制器连接用于存储细胞图像数据；程序存储器，与所述FPGA控制器连接用于存储程序；图像显示装置，与所述FPGA控制器连接用于显示所述细胞图像。

本实用新型实施例提出的所的单细胞图像提取检测装置包含FPGA控制器能够用于辨别所述细胞图像是否处于设定的最清晰位置处，并且还用于控制所述驱动电路驱动所述电机工作以调整所述工作台的空间位置以达到自动调节放置在工作台的细胞与显微镜之间的距离达到最佳距离，并最终将细胞图像呈现在图像显示装置上，实现显微镜与细胞间距的自动化快速精准调节。

根据本实用新型一个实施例，所述FPGA控制器包括数据缓存模块、逻辑控制模块和图像处理模块，其中所述数据缓存模块输入端与所述视频编码编解码器连接用于缓存每帧细胞图像数据，所述数据缓存模块输出端与所述逻辑控制模块连接；所述逻辑控制模块还分别与所述图像存储器和所述程序存储器连接，所述图像处理模块与所述逻辑控制模块相互连接并用于对数据存储模块中的细胞图像数据进行处理并将经处理后的细胞图像数据输出至所述图像显示装置同时对细胞图像数据质量判断；所述逻辑控制模块还分别与所述驱动电路连接用于控制所述驱动电路。

根据本实用新型的一个具体实施例，所述电机包括控制所述工作台X轴向位置的X轴电机、控制所述工作台Y向位置的Y轴电机及控制所述工作台Z轴向位置的Z轴电机，所述驱动电路与所述X轴电机、所述Y轴电机及所述Z轴电机相连接，其中X轴、Y轴、Z轴为互相垂直的空间轴线。

根据本实用新型的一个具体实施例，所述X轴电机、所述Y轴电机及所述Z轴电机均为步进电机。

根据本实用新型的一个具体实施例，所述驱动电路为五相电机驱动电路。

根据本实用新型的一个具体实施例，所述单细胞图像提取检测装置还包括USB通信模块，所述USB通信模块的输入端与所述逻辑控制模块连接，输出端通过数据线与所述图像显示装置相连。

本实用新型提出的细胞图像提取检测装置的图像处理方法包括所述显微镜对所述细胞进行放大显示；所述摄像头对所述显微镜显示的细胞图像进行摄像；所述视频编解码器将所述细胞图像的模拟视频信号转换成数字信号并输送至所述FPGA控制器；所述FPGA控制器对所述数据存储模块进行写控制，将每帧细胞图像数据存储到所述数据存储模块中，所述FPGA控制器在读控制下对所述数据存储模块中的每帧细胞图像数据读出并对每帧单细胞图像数据背景与前景进行分离处理，具体为首先读出的每帧单细胞图像数据进行去噪和灰度处理，然后对经去噪和灰度处理后的每帧单细胞图像使用sober算子进行边缘检测，对边缘内的像素用原细胞图像的灰度像素值进行填充，对边缘之外的区域进行置零处理，所述FPGA控制器再对已经完成背景与前景分离的每帧单细胞图像数据，通过自适应变步长搜索算法调整Z轴电机，最后把处理完成的每帧单细胞图像数据信号送至所述图像显示装置进行显示。

进一步地，所述对边缘内的像素用原细胞图像的灰度像素值进行填充，具体为如果边缘个数为偶数，则偶数个边缘内的像素值用原细胞图像的灰度像素值进行填充；如果边缘个数为奇数，则第一个边缘之后的边缘内的像素值用原细胞图像的灰度像素值进行填充。

进一步地，所述通过自适应步长搜索算法调整Z轴电机，具体为通过清晰度评价函数上两点组成的直线与水平直线构成夹角的大小来判断调焦步长，并进行调焦步长调整，将调整后的调焦步长转换成脉冲数发送至所述驱动电路，所述驱动电路驱动所述Z轴电机进行自适应调整。

进一步地，所述通过清晰度评价函数上两点组成的直线与水平直线构成夹角的大小来判断调焦步长，具体为如果夹角较小，则增加调焦步长；如果夹角较大，则减小调焦步长。

有益效果通过本实用新型提供的单细胞图像提取检测装置，通过FPGA控制器对细胞图像进行背景和前景分离处理，通过自适应变步长搜索算法调整Z轴电机，实现细胞图像清晰度的自动比较判断并通过电机运动对放置细胞的工作台与显微镜的距离自动调整控制，直至细胞图像清晰的呈现在图像显示装置上，操作方便，调焦效率高。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的单细胞图像提取检测装置构成示意图；

图2是根据本实用新型实施例的图像处理相关部件构成示意图；

图3是根据本实用新型实施例的电机控制示意图；

图4是根据本实用新型实施例的自适应变步长搜索算法过程图；

图5是根据本实用新型实施例的清晰度评价函数值与离焦程度之间的关系状态示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图来描述本实用新型实施例提出的单细胞图像提取检测装置，如图1、图2和图3所示，单细胞图像提取检测装置包括用于放置细胞平面的工作台；与所述工作台连接的电机，所述电机用于调节所述工作台的空间位置；与所述电机连接的驱动电路，用于驱动所述电机工作；放大显示所述细胞平面上的细胞的显微镜；对所述显微镜显示的细胞图像进行摄像的CMOS摄像头；与所述摄像头输出端连接视频编解码器，所述视频编解码器用于将摄像头所摄取细胞图像的模拟视频信号转换成数字信号；与所述视频解码器输出端连接的FPGA控制器，所述FPGA控制器用于接收所述视频编解码器发送的细胞图像信号并辨别所述细胞图像是否处于设定的最清晰位置处，所述FPGA控制器并且与所述驱动电路连接，用于控制所述驱动电路驱动所述电机工作以调整所述工作台的空间位置；与所述FPGA控制器连接的图像存储器，用于存储细胞图像数据；与所述FPGA控制器连接程序存储器，用于存储程序；与所述FPGA控制器连接图像显示装置，用于显示所述细胞图像。

具体的，程序存储模块采用EPCS4串行SPIFLASH，4Mbit的空间足以承受1WLEsFPGA的逻辑代码，满足装置的性能要求；数据存储模块采用Hynix的SDRAMHY57V641620，此款SDRAM共有4Banks*1024*16Bit的资源，作为视频图像的内存；视频编解码器采用OmniVision公司生产的OV7725图像传感器，该传感器最高支持640*48060HZ分辨的视频输出，具有标准的SCCB配置接口，可以配置输出RGB422、RGB565、RGB444、YVA422这几种格式的视频流。工作台上的单细胞标本经显微镜放大后成像于CMOS摄像头图像传感器上，CMOS图像传感器将采集到的单细胞图像信号送至视频编解码器中，FPGA控制器对单细胞图像数据进行写控制，并将每帧单细胞图像数据存储于数据存储器中；然后FPGA控制器对数据存储模块进行读控制，把每帧单细胞图像从数据存储器中读出，对所读出的每帧单细胞图像数据进行去噪和灰度处理，接着对经过去噪和灰度处理后的每帧单细胞图像使用sober算子进行边缘检测，实现完成对每帧单细胞图像数据背景与前景分离处理，再通过自适应变步长搜索算法调整Z轴上的电机；最后把处理完成的每帧单细胞图像信号送至基于Windows开发的图像呈现装置的应用软件上进行实时显示。

如图2所示，所述FPGA控制器包括数据缓存模块、逻辑控制模块和图像处理模块，其中所述数据缓存模块输入端与所述视频编码编解码器连接用于缓存每帧细胞图像数据，所述数据缓存模块输入端与所述逻辑控制模块连接；所述逻辑控制模块还分别与所述图像存储器和所述程序存储器连接，所述图像处理模块与所述逻辑控制模块相互连接并用于对数据存储模块中的细胞图像数据进行处理并将经处理后的细胞图像数据输出至所述图像显示装置同时对细胞图像数据质量判断；所述逻辑控制模块还分别与所述驱动电路连接用于控制所述驱动电路。具体的，逻辑控制模块采用Alter公司的CycloneIV系列FPGA芯片EP4CE10E22C8N，该款芯片10320个逻辑单元、92个用户IO、存储单元为423936Bits、46个乘法器、2个PLL锁相环、10个全局时钟单元，虽然资源不算多，但是该资源可以满足装置的性能要求。

一个具体的实施例中，如图1、图2和图3所示，所述电机包括控制所述工作台X轴向位置的X轴电机、控制所述工作台Y向位置的Y轴电机及控制所述工作台Z轴向位置的Z轴电机，所述驱动电路与所述X轴电机、所述Y轴电机及所述Z轴电机相连接，其中X轴、Y轴、Z轴为互相垂直的空间轴线。所述X轴电机、所述Y轴电机及所述Z轴电机均为步进电机，所述驱动电路为五相电机驱动电路，通过五相电机驱动电路调节步进电机的步长可以改变工作平台在X轴、Y轴、Z轴上的位置，进而可以调节工作平台上的细胞与放大镜的距离，实现调焦。

根据本实用新型的一个实施例，单细胞图像提取检测装置还包括USB2.0通信模块，所述USB2.0通信模块的输入端与所述逻辑控制模块连接，输出端通过数据线与所述图像显示装置相连，在逻辑控制模块的控制下，把已经处理好的细胞前景图像数据送至基于Windows开发的图像呈现终端的应用软件上通过显示屏呈现出来，具体的USB2.0通信模块可以采用CY7C68013作为桥接芯片，它包括以下内容：USB2.0高速收发器，最高能实现480Mbps的速度，内部16KBRAM、4KBFIFO、I2C、UART控制器等，该通信模块可以实现FPGA与PC机的视频图像的传输。

下面参考附图来描述本实用新型实施例提出的单细胞图像提取检测装置的图像处理方法，如图1至图3所示，所述细胞图像提取检测装置包括细胞放置工作台、电机、驱动电路、显微镜、摄像头、视频编解码器、FPGA控制器、图像存储器、程序存储器、图像显示装置，所述图像处理方法包括：所述显微镜对所述细胞进行放大显示；所述摄像头对所述显微镜显示的细胞图像进行摄像；所述视频编解码器将所述细胞图像的模拟视频信号转换成数字信号并输送至所述FPGA控制器；所述FPGA控制器对所述数据存储模块进行写控制，将每帧细胞图像数据存储到所述数据存储模块中，所述FPGA控制器在读控制下对所述数据存储模块中的每帧细胞图像数据读出并对每帧单细胞图像数据背景与前景进行分离处理，具体为首先读出的每帧单细胞图像数据进行去噪和灰度处理，然后对经去噪和灰度处理后的每帧单细胞图像使用sober算子进行边缘检测，对边缘内的像素用原细胞图像的灰度像素值进行填充，对边缘之外的区域进行置零处理，所述FPGA控制器再对已经完成背景与前景分离的每帧单细胞图像数据，通过自适应变步长搜索算法调整Z轴电机，最后把处理完成的每帧单细胞图像数据信号送至所述图像显示装置进行显示。

自适应变步长搜索算法如图4所示，假设平台上的细胞任意初始位置为s₀，初始位置处清晰度评价函数值为F(s₀)，则计算F(s₀)、tan(γ)和tan(u)的数值；自适应变步长搜索过程为：

步骤1：移动一次步长l，所处的位置为s₀+l，清晰度评价函数值为F(s₀+l)，取中间位置为s₀+l/2，清晰度评价函数值为F(s₀+l/2)，并计算F(s₀+l)、F(s₀+l/2)、tan(θ)、tan(α)和tan(β)的数值；

步骤2：比较F(s₀+l)和F(s₀)的大小关系，如果F(s₀+l)>F(s₀)，则判断是否成立，如果否移动步长l变为l/2，返回步骤1，如果是，则判断tan(θ)<tan(γ)、tan(α)>tan(γ)、tan(β)>tan(γ)是否成立，如果是调焦结束，如果否，则判断tan(θ)<tan(γ)、tan(α)<tan(γ)、tan(β)<tan(γ)是否成立，如果是移动步长l变为2l，返回步骤1，如果否则判断tan(θ)>tan(γ)、tan(α)>tan(γ)、tan(γ)<tan(β)<tan(u)是否成立，如果是移动步长l变为l/2，返回步骤1，否则之间返回步骤1。

步骤3：比较F(s₀+l)和F(s₀)的大小关系，如果F(s₀+l)<＝F(s₀)，与步骤2判断方式相同。

一个具体的实施例中，进一步的，所述对边缘内的像素用原细胞图像的灰度像素值进行填充，具体为如果边缘个数为偶数，则偶数个边缘内的像素值用原细胞图像的灰度像素值进行填充；如果边缘个数为奇数，则第一个边缘之后的边缘内的像素值用原细胞图像的灰度像素值进行填充。

一个具体的实施例中，进一步的，所述通过自适应步长搜索算法调整Z轴电机，具体为通过清晰度评价函数上两点组成的直线与水平直线构成夹角的大小来判断调焦步长，并进行调焦步长调整，将调整后的调焦步长转换成脉冲数发送至所述驱动电路，所述驱动电路驱动所述Z轴电机进行自适应调整。

一个具体的实施例中，进一步的，所述通过清晰度评价函数上两点组成的直线与水平直线构成夹角的大小来判断调焦步长，具体为如果夹角较小，则增加调焦步长；如果夹角较大，则减小调焦步长。

对于已经处于最佳视觉范围内的单细胞图像，通过变步长自适应搜索算法调整单细胞和显微镜之间的三维空间距离，使得CMOS摄像头获取的单细胞图像最清晰。如图5清晰度评价函数值与离焦程度之间的关系状态示意图，其中的夹角为F(s₀+l)与F(s₀)构成的直线l₁与水平轴的夹角为α：

$tan\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{F(s_0+1)-F\left(s_0\right)}{l}$

F(s₀+l/2)与F(s₀)构成的直线l₂与水平轴的夹角为β：

$tan\left(\mathrm{\&beta;}\right)=\frac{F(s_0+1/2)-F\left(s_0\right)}{l/2}$

直线l₁与直线l₂之间的夹角为θ：

$tan\left(\mathrm{\&theta;}\right)=tan(\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})=\frac{tan\left(\mathrm{\&alpha;}\right)-tan\left(\mathrm{\&beta;}\right)}{1+\tan \left(\mathrm{\&alpha;}\right)tan\left(\mathrm{\&beta;}\right)}=\frac{l\left(F\right(s_0+l)-2F(s_0+l/2)+F(s_0\left)\right)}{l^2+2\left(F\right(s_0+l)-F(s_0\left)\right)\left(F\right(s_0+l/2)-F(s_0\left)\right)}$

搜索过程为：其中在实际的测试中γ的一般取值为5-10，u的一般取值为85-90。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种单细胞图像提取检测装置，包括

工作台，用于放置细胞；

电机，与所述工作台连接用于调节所述工作台的空间位置；

驱动电路，与所述电机连接用于驱动所述电机工作；

显微镜，对所述细胞进行放大显示；

摄像头，对所述显微镜显示的细胞图像进行摄像；

视频编解码器，与所述摄像头连接用于将摄像头所摄取细胞图像的模拟视频信号转换成数字信号；

FPGA控制器，与所述视频解码器连接，用于辨别所述细胞图像是否处于设定的最清晰位置处，并且与所述驱动电路连接，用于控制所述驱动电路驱动所述电机工作以调整所述工作台的空间位置；

图像存储器，与所述FPGA控制器连接用于存储细胞图像数据；

程序存储器，与所述FPGA控制器连接用于存储程序；

图像显示装置，与所述FPGA控制器连接用于显示所述细胞图像。

2.如权利要求1所述单细胞图像提取检测装置，其特征在于所述FPGA控制器包括数据缓存模块、逻辑控制模块和图像处理模块，其中所述数据缓存模块输入端与所述视频编码编解码器连接用于缓存每帧细胞图像数据，所述数据缓存模块输出端与所述逻辑控制模块连接；所述逻辑控制模块还分别与所述图像存储器和所述程序存储器连接，所述图像处理模块与所述逻辑控制模块相互连接并用于对数据存储模块中的细胞图像数据进行处理并将经处理后的细胞图像数据输出至所述图像显示装置同时对细胞图像数据质量判断；所述逻辑控制模块还分别与所述驱动电路连接用于控制所述驱动电路。

3.如权利要求2所述单细胞图像提取检测装置，其特征在于所述电机包括控制所述工作台X轴向位置的X轴电机、控制所述工作台Y向位置的Y轴电机及控制所述工作台Z轴向位置的Z轴电机，所述驱动电路与所述X轴电机、所述Y轴电机及所述Z轴电机相连接，其中X轴、Y轴、Z轴为互相垂直的空间轴线。

4.如权利要求3所述单细胞图像提取检测装置，其特征在于所述X轴电机、所述Y轴电机及所述Z轴电机均为步进电机。

5.如权利要求4所述单细胞图像提取检测装置，其特征在于所述驱动电路为五相电机驱动电路。

6.如权利要求2至5任一所述单细胞图像提取检测装置，其特征在于还包括USB通信模块，所述USB通信模块的输入端与所述逻辑控制模块连接，输出端通过数据线与所述图像显示装置相连。