CN114324326A - 快速成像筛选***及其筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快速成像筛选***及其筛选方法，包括：显微成像装置、定位成像装置、载玻片、载玻片支架、支撑框架、控制中枢***和第一光源切换装置；控制中枢***控制第一光源发出均匀的面光源，面光源照射载玻片，使载玻片上的荧光细胞变亮，通过移动平台控制单元，控制移动平台在水平方向进行二维移动，实现对载玻片的全区域快速成像，获得待测细胞的数量和坐标位置信息；在控制中枢***输入待测细胞的信息后，再次控制移动平台在水平方向进行二维移动，将待测细胞移动至显微成像装置下方进行高分辨率成像。本发明可以根据不同需求快速更换光源，实现对不同目标的快速检测。
Description
技术领域
本发明涉及光电仪器技术领域，特别涉及一种快速成像筛选***及其筛选方法。
背景技术
随着社会的进步和科学技术的发展，在医疗卫生、食品安全、水质检测等领域，针对某些特定微量细胞、痕量微生物实时检测亟待解决，从而保证医药、食品、水质的质量安全，同时能够促进某些疾病的早期发现早治疗，提高居民的健康生活水平。
申请号为CN09342369提出一种循环肿瘤细胞快速检测的大视场生物成像、扫描、分析装置。采用大视场高分辨率反射式成像***以及小视场显微成像***。光源采用固定的方式，通过公用三维移动载物台调整大视场成像装置和显微成像装置的相对位置。实现循环肿瘤细胞的快速检测。
申请号CN106525803的专利提出一种生物成像仪同时实现大视场成像和高分辨率成像。大视场成像***采用的是多组反射镜组件结合探测器的方式成像，同时采用固定光源的方式；高分辨率成像***通过二维控制器驱动载台带动载玻片沿做水平方向的二维方向运动，从而调整大视场成像装置和显微成像装置的相对位置。
但是，采用反射式成像***会导致结构设计复杂，成本高。光源采用固定式，不具备针对不同的目标快速更换光源的能力；采用二维移动平台或三维移动平台，在大视场成像后无法实现成像后目标点坐标信息的提取，并且将目标点信息传递给显微成像***，真正实现大视场成像和显微成像的协调一致。光源采用固定式，不具备针对不同的目标快速更换光源的方案。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种快速成像筛选***及其筛选方法，实现同时兼顾对目标样本快速成像，完成初步的识别，如数量、质心、位置坐标等信息，并能够通过显微成像装置对所有筛选出的任意目标点进行高分辨率成像，完成稀有细胞和痕量生物细胞的大批量、快速的识别与精确检测。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的一种快速成像筛选***，包括：显微成像装置、定位成像装置、载玻片、载玻片支架、支撑框架、控制中枢***和第一光源切换装置；支撑框架的内部移动平台控制单元，支撑框架的上表面安装有移动平台，第一光源切换装置安装在支撑框架的内部，第一光源切换装置内安装有第一光源，定位成像装置位于第一光源的中间区域，显微成像装置位于支撑框架的上表面，移动平台的上方安装载玻片支架和载玻片；
控制中枢***控制第一光源发出均匀的面光源，面光源照射载玻片，使载玻片上的荧光细胞变亮，通过移动平台控制单元，控制移动平台在水平方向进行二维移动，定位成像装置对载玻片进行全区域成像，获得待测细胞的数量和坐标信息；
将待测细胞的坐标信息输入到控制中枢***并计算移动量，根据移动量再次控制移动平台在水平方向进行二维移动，将待测细胞移动至显微成像装置下方进行高分辨率成像。
优选地，第一光源切换装置还包括：转动连接件、定位支座、后端限位结构、前端定位结构；第一光源与转动连接件固定连接，转动连接件与定位支座之间转动连接，后端限位结构和前端定位结构分别固定在定位支座上。
优选地，第一光源切换装置还包括：固定螺钉；
当第一光源切换装置处于初始状态时，转动连接件通过固定螺钉与前端定位结构固定连接，此时第一光源和转动连接件处在固定状态。
当第一光源切换装置处于旋转状态时，取出固定螺钉，第一光源和转动连接件能够一起转动。
优选地，定位成像装置包括：光学镜头，第一探测器和固定支架，固定支架安装在支撑框架的内部，第一探测器安装在固定支架的上方，光学镜头安装在第一探测器的上方。
优选地，显微成像装置包括第二探测器、显微镜、调节支架、基座和第二光源；基座固定在支撑框架的上表面，调节支架固定在基座上，第二探测器和显微镜分别固定在调节支架上，第二光源为点光源，位于载玻片的底部。
优选地，第二光源为环状光源并集成到定位成像装置上。
优选地，调节支架上安装有微调焦轮和粗调焦轮，实现显微镜的竖直方向快速和慢速移动。
优选地，还包括隔震平台，隔震平台的上方的四角分别设置有减震装置，支撑框架放置在减震装置的上方。
本发明还提供一种快速成像筛选方法，包括以下步骤，
S1、打开第一光源使待测细胞变亮，通过定位成像装置对载玻片进行全区域成像，获取载玻片的像素宽度W0和像素高度H0和载玻片上的坐标识别点(x0，y0)。
S2、通过坐标识别点计算显微镜的中心在载玻片上的投影坐标(x1，y1)。
其中，
β为载玻片的像素宽度W0与载玻片的实际宽度W1的比值；
W1为载玻片的实际宽度，H1为载玻片的实际高度。
W2为投影位置到载玻片的宽的距离、H2为投影位置到载玻片的高的距离。
S3、将载玻片的图像进行图像处理后获得待测细胞的坐标(x2，y2)，并求出载玻片的x轴方向的移动量W3和y轴方向的移动量H3。
S4、将移动量W3、H3传送给控制中枢***，控制载玻片进行高精度移动，使待测细胞移动至显微成像装置的下方。
与现有的技术相比，本发明的优点如下：
1、快速成像装置采用光学镜头结合探测器的方式，并设置在载玻片下方，直接对载玻片拍摄成像，结构简单、紧凑。
2、第一光源进行快速更换结构设计，可以根据不同需求快速更换光源，实现对不同目标的快速检测，适应性更强。
3、定位成像装置与显微成像装置的协调一致，在载玻片下方定位成像装置成像时，首先对载玻片上的坐标识别点进行识别，根据预先设计的计算方法，以坐标识别点为基准位置，通过移动平台的移动可以直接测量出目标细胞相对载玻片坐标识别点的位置关系，从而抓取目标细胞的坐标。在显微成像时，可以将目标细胞的坐标点输入计算机软件，通过移动平台的移动，将载玻片目标细胞移动至显微成像装置物镜的的下方，实现定位成像装置与显微成像装置的协调联动。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的支撑框架示意图。
图3是根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的光源切换装置初始状态的结构示意图。
图4是根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的光源切换装置旋转状态的结构示意图。
图5是根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的定位成像装置的结构示意图。
图6是根据本发明实施例提供的快速成像筛选方法的流程图。
其中的附图标记包括：
显微成像装置1、第二探测器1-1、显微镜1-2、调节支架1-3、基座1-4、第二光源1-5；
定位成像装置2、光学镜头2-1、第一探测器2-2、固定支架2-3；
载玻片3-1、载玻片支架3-2、支撑框架4、移动平台控制单元4-1、移动平台4-2、第一光源控制单元4-3、隔震平台5、减震装置5-1、控制中枢***6；
光源切换装置7、第一光源7-1、转动连接件7-2、定位支座7-3、后端限位结构7-4、前端定位结构7-5、固定螺钉7-6。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的结构。
图2示出了根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的支撑框架。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的快速成像筛选***包括：显微成像装置1、定位成像装置2、载玻片3-1、载玻片支架3-2、支撑框架4、隔震平台5、减震装置5-1、控制中枢***6和光源切换装置7。
隔震平台5的上方的四角分别设置有减震装置5-1。
支撑框架4放置在减震装置5-1的上方，支撑框架4是一个立方的一体化结构，支撑框架4包括移动平台控制单元4-1、移动平台4-2和第一光源控制单元4-3，移动平台控制单元4-1安装在支撑框架4内部的底面上，移动平台4-2安装在支撑框架4的上表面，移动平台4-2为中间设置有矩形的中空，第一光源控制单元4-3安装在支撑框架4的侧面，第一光源控制单元4-3与控制中枢***6通过数据线连接，控制中枢***6能够控制第一光源控制单元4-3。
光源切换装置7安装在支撑框架4的内部，与移动平台控制单元4-1的位置相对应。
第一光源切换装置7包括第一光源7-1、转动连接件7-2、定位支座7-3、后端限位结构7-4、前端定位结构7-5、固定螺钉7-6。
第一光源7-1与转动连接件7-2之间固定连接，转动连接件7-2与定位支座7-3之间转动连接，后端限位结构7-4和前端定位结构7-5分别固定在定位支座7-3上。
图3示出了根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的光源切换装置的初始状态。
如图3所示，当第一光源切换装置7处于初始状态时，转动连接件7-2通过固定螺钉7-6与前端定位结构7-5固定连接，此时第一光源7-1和转动连接件7-2均处在固定状态，不能转动。
图4示出了根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的光源切换装置的旋转状态。
如图4所示，当第一光源切换装置7处于旋转状态时，拧出固定螺钉7-6，能够将第一光源7-1和转动连接件7-2能够一起转动。第一光源7-1用于使荧光细胞变亮，在对不同的荧光细胞进行成像时，需要更换能够使对应的荧光细胞变亮的第一光源7-1，在更换第一光源7-1后，后端限位结构7-4对第一光源7-1定位，安装固定螺钉7-6后，完成第一光源的固定。
图5示出了根据本发明实施例提供的快速成像筛选***的定位成像装置。
如图5所示，定位成像装置2在支撑框架的内部，位于第一光源7-1的中间区域。定位成像装置2包括：光学镜头2-1、第一探测器2-2和固定支架2-3；固定支架2-3固定在支撑框架内部的横梁上，第一探测器2-2安装在固定支架2-3的上方，光学镜体2-1安装在第一探测器2-2的上方，第一探测器2-2与控制中枢***6通过数据线连接。
支撑框架4的移动平台4-2的上方安装有载玻片支架3-2，载玻片支架3-2内设置有用于安装载玻片3-1的凹槽，载玻片3-1固定在载玻片支架3-2的凹槽内，载玻片3-1上设置有坐标识别点，利用坐标识别点可以根据移动平台的二维移动创建细胞样本在载玻片中的坐标位置。
显微成像装置1固定在支撑框架4的上表面，显微成像装置为现有技术，显微成像装置1包括第二探测器1-1、显微镜1-2、调节支架1-3、基座1-4、第二光源1-5；基座1-4固定在支撑框架4的上表面，调节支架1-3固定在基座1-4上，第二探测器1-1和显微镜1-2分别固定在调节支架1-3上；第二探测器1-1与控制中枢***6通过数据线连接。
显微镜1-2包括物镜转换盘，显微镜1-2包括电动物镜转换盘，能够自动切换显微镜物镜；电动物镜转换盘上装有若干个不同倍率的显微物镜，根据不同需求可切换不同倍率物镜。显微镜1-2的物镜转换盘目前可采用手动方式或电动方式。
调节支架1-3上设计有微调焦轮和粗调焦轮，可以实现显微镜1-2的竖直方向快速和慢速移动。
第二光源1-5位于载玻片的底部，第二光源1-5为点光源，用于照射载玻片上的荧光细胞样本，为显微成像装置1的第一探测器1-1提供照明环境。第二光源1-5也可以为环状光源，并集成到定位成像装置2上，缩小整机的空间，降低成本。
控制中枢***6控制第一光源控制单元4-3，第一光源控制单元4-3控制第一光源7-1发出均匀的面光源，直接照射载玻片3-1后，载玻片3-1上的荧光细胞变亮，通过移动平台控制单元4-1，控制移动平台4-2在水平方向进行二维移动，移动平台4-2的移动方式为“蛇形”移动方式，定位成像装置自动调焦，进而实现对载玻片3-1的全区域快速成像。采集荧光细胞的图像信息，并进行整体图像的拼接。完成图像拍摄对荧光细胞样本初步筛选和识别，包括荧光细胞样本的数量和坐标位置。在全区域快速成像后，关闭第一光源7-1，以防高温对设备的损坏。再次通过移动平台控制单元4-1控制移动平台4-2复位。
通过在控制中枢***6输入待测细胞的坐标信息后，再次通过移动平台控制单元4-1，控制移动平台4-2在水平方向进行二维移动，快速将相应坐标点的待测细胞移动至显微成像装置1的显微物镜下方，第二探测器1-1对显微物镜下方的待测细胞进行高分辨率成像。
本发明提供的快速成像筛查***的原理为：载玻片下方的定位成像装置在成像时，根据预先设计的计算方法，将坐标识别点为基准位置，通过移动平台的移动可以直接测量出目标细胞相对载玻片坐标识别点的位置关系，从而抓取目标细胞的坐标。在显微成像时，可以将目标细胞的坐标点输入控制中枢***，计算出显微镜***与荧光细胞的坐标点的差值通过移动平台的移动，将载玻片目标细胞移动至显微成像装置物镜的下方，实现定位成像装置与显微成像装置的协调联动。
图6示出了根据本发明实施例提供的快速成像筛选方法的流程图。
如图6所示，快速成像筛选方法包括以下步骤：
S1、通过定位成像装置对载玻片进行全区域成像，获取载玻片的像素宽度W0和像素高度H0和载玻片上的坐标识别点(x0，y0)。
S2、通过坐标识别点计算显微镜中心在载玻片上的投影坐标(x1，y1)。
应用一束光线从下到上垂直照射显微镜光学***的视场中心。这束光线与载玻片相交的投影位置即是显微镜***相对于载玻片的位置(x1，y1)。
其中，
β为载玻片的像素宽度W0与载玻片的实际宽度W1的比值；
W1为载玻片的实际宽度，H1为载玻片的实际高度。
W2为投影位置到载玻片的宽的距离、H2为投影位置到载玻片的高的距离。
通过精密量具进行测量得到W1、H1、W2、H2。
S3、将图像进行图像处理后获得待测细胞的坐标(x2，y2)，并求出载玻片的x轴方向的移动量W3和y轴方向的移动量H3。
将定位成像装置拍摄的载玻片的全区域像进行二值化处理，采用Opencv自带的连通域方法获得荧光坐标(x2，y2)。
S4、将移动量W3、H3传送给控制中枢***，控制移动平台上的载玻片进行高精度移动，使待测细胞移动至显微成像装置的下方，实现定位成像装置与显微成像装置的协调联动，并且实现高分辨率成像。
S5、重复步骤S3-S4，实现多个待测细胞的高分辨率成像。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种快速成像筛选***，其特征在于，包括：显微成像装置、定位成像装置、载玻片、载玻片支架、支撑框架、控制中枢***和第一光源切换装置；所述支撑框架的内部移动平台控制单元，所述支撑框架的上表面安装有移动平台，所述第一光源切换装置安装在所述支撑框架的内部，所述第一光源切换装置内安装有第一光源，所述定位成像装置位于所述第一光源的中间区域，所述显微成像装置位于所述支撑框架的上表面，所述移动平台的上方安装所述载玻片支架和载玻片；
控制中枢***控制第一光源发出均匀的面光源，所述面光源照射所述载玻片，使所述载玻片上的荧光细胞变亮，通过所述移动平台控制单元，控制所述移动平台在水平方向进行二维移动，所述定位成像装置对所述载玻片进行全区域成像，获得所述待测细胞的数量和坐标信息；
将所述待测细胞的坐标信息输入到所述控制中枢***并计算移动量，根据所述移动量再次控制所述移动平台在水平方向进行二维移动，将所述待测细胞移动至所述显微成像装置下方进行高分辨率成像。
2.根据权利要求1所述的快速成像筛选***，其特征在于，所述第一光源切换装置还包括：转动连接件、定位支座、后端限位结构、前端定位结构；所述第一光源与所述转动连接件固定连接，所述转动连接件与所述定位支座之间转动连接，所述后端限位结构和所述前端定位结构分别固定在所述定位支座上。
3.根据权利要求2所述的快速成像筛选***，其特征在于，所述第一光源切换装置还包括：固定螺钉；
当第一光源切换装置处于初始状态时，所述转动连接件通过所述固定螺钉与所述前端定位结构固定连接，此时所述第一光源和所述转动连接件处在固定状态；
当第一光源切换装置处于旋转状态时，取出所述固定螺钉，所述第一光源和所述转动连接件能够一起转动。
4.根据权利要求3所述的快速成像筛选***，其特征在于，所述定位成像装置包括：光学镜头，第一探测器和固定支架，所述固定支架安装在所述支撑框架的内部，所述第一探测器安装在所述固定支架的上方，所述光学镜头安装在所述第一探测器的上方。
5.根据权利要求4所述的快速成像筛选***，其特征在于，所述显微成像装置包括第二探测器、显微镜、调节支架、基座和第二光源；所述基座固定在所述支撑框架的上表面，所述调节支架固定在所述基座上，所述第二探测器和所述显微镜分别固定在所述调节支架上，所述第二光源为点光源，位于载玻片的底部。
6.根据权利要求5所述的快速成像筛选***，其特征在于，所述第二光源为环状光源并集成到所述定位成像装置上。
7.根据权利要求6所述的快速成像筛选***，其特征在于，所述调节支架上安装有微调焦轮和粗调焦轮，实现所述显微镜的竖直方向快速和慢速移动。
8.根据权利要求7所述的快速成像筛选***，其特征在于，还包括隔震平台，所述隔震平台的上方的四角分别设置有减震装置，所述支撑框架放置在所述减震装置的上方。
9.一种快速成像筛选方法，使用权利要求1-8中任一项所述的快速成像筛选***，其特征在于，包括以下步骤，
S1、打开所述第一光源使所述待测细胞变亮，通过所述定位成像装置对所述载玻片进行全区域成像，获取所述载玻片的像素宽度W0和像素高度H0和所述载玻片上的坐标识别点(x0，y0)；
S2、通过所述坐标识别点计算所述显微镜的中心在所述载玻片上的投影坐标(x1，y1)；
其中，
β为所述载玻片的像素宽度W0与所述载玻片的实际宽度W1的比值；
W1为所述载玻片的实际宽度，H1为所述载玻片的实际高度；
W2为所述投影位置到所述载玻片的宽的距离、H2为所述投影位置到所述载玻片的高的距离；
S3、将所述载玻片的图像进行图像处理后获得所述待测细胞的坐标(x2，y2)，并求出所述载玻片的x轴方向的移动量W3和y轴方向的移动量H3；
S4、将所述移动量W3、H3传送给所述控制中枢***，控制所述载玻片进行高精度移动，使所述待测细胞移动至所述显微成像装置的下方。
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