CN204964362U - 箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，使用时直接设置在细胞培养箱内，智能化程度高，它包括工作台、设置在工作台一侧的支架、由设置在工作台顶部一侧的显微光源机构、L型显微光学机构、光电成像机件构成的显微成像装置，该装置摄取的影像经数字化转换传输至云端，通过网络与电脑或手机相连接，它还包括用于放置培养皿的载物台、载体精密旋转台机构、横向移动机构以及纵向移动机构，显微光源机构设置在支架顶端且位于载物台正上方的。其优点是：可实现细胞培养非接触观察研究，即无需取出培养皿在显微镜下观摩，能够在电脑或手机上实现清晰地观察培养箱内细胞培养实时变化情况。

Description

箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种细胞培养技术领域，具体讲是一种能够在细胞培养箱上使用的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪。

背景技术

近年来，蓝牙技术的发展越来越快，在各领域应用也越来越广泛，尤其是在电脑和手机上的应用的发展尤为迅速，而蓝牙技术的应用范围远远不止这些。现在越来越多的人正在研究将蓝牙技术走向我们日常生活当中，而且已经有一定成效。通过蓝牙与WiFi技术的结合，结合手机APP，使得设备更加的智能化，不仅数据能同步到云端服务器，记录用户的日常数据信息，也可以由日常数据信息，通过云计算，分析出各类报告给用户。

在生物工程领域里的细胞培养过程中对培养箱内的环境要求及其严格，目前传统的细胞培养箱在控制箱内环境方面虽然采用微电脑自动抑制控制***，可有效避免培养过程中打开箱门造成内腔温度波动度大，但是对于科研工作者每次都要取出培养皿进行观测仍然是一项繁复的工作。目前在细胞培养领域中非接触观摩即无需取出培养皿在显微镜下观测，就能通过电脑或手机APP端登陆云端服务器分配的管理权限帐号，实时清晰看到培养箱内细胞的变化情况的技术还无先例。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于：提供一种箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，可实现细胞培养非接触观察研究，即无需取出培养皿在显微镜下观摩，能够在电脑或手机上实现清晰地观察培养箱内细胞培养实时变化情况。

本实用新型的技术解决方案是：箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，包括工作台、设置在工作台一侧的支架、固定在工作台顶部一侧的显微光学机构、与显微光学机构连接且能够连接电脑或手机的光电成像机件、位于工作台上方用于放置培养皿的载物台、设置在支架顶端且位于载物台正上方的显微光源机构、固定在载物台底部且能够带动载物台转动的载体精密旋转台机构、设置在载体精密旋转台机构底部且能够带动载物台左右移动的横向移动机构以及设置在横向移动机构底部且能够带动载物台前后移动的纵向移动机构。显微光学机构、光电成像机件和显微光源机构

进一步地，所述载物台的顶部设有多个用于放置培养皿的凹槽，所述载物台的中间设有一通孔。

进一步地，所述凹槽的形状为圆形、正方形中的至少一种。

进一步地，所述载体精密旋转台机构包括第一步进电机、安装在第一步进电机顶端的行星微转动机构以及与第一步进电机的转轴连接且用于支撑载物台的载物台支架，所述载物台支架的顶部还设有一保护壳，保护壳与第一步进电机的转轴固定，所述保护壳穿过载物台上的通孔并与载物台固定，所述保护壳的顶端安装有一固定旋钮。

进一步地，所述纵向移动机构包括固定在工作台上的支撑台、固定在工作台顶部的纵向不锈钢线轨、滑动设置在纵向不锈钢线轨上的纵向滑台、固定在支撑台上且用于带动纵向滑台前后平移的纵向滚珠丝杆以及设置在支架一侧且用于带动纵向滚珠丝杆转动的第二步进电机，所述纵向滚珠丝杆位于工作台的上方且位于纵向滑台的下方，所述第二步进电机的转轴穿过支架并与纵向滚珠丝杆的一端固定。

进一步地，所述横向移动机构包括固定在纵向滑台顶部的横向不锈钢线轨、滑动设置在横向不锈钢线轨上的横向滑台，所述纵向滑台顶部的两侧分别垂直设有固定板和固定台，所述横向移动机构还包括设置在固定板和固定台之间且用于带动横向滑台左右平移的横向滚珠丝杆以及固定在固定板外侧且用于带动横向滚珠丝杆转动的第三步进电机，所述横向滚珠丝杆位于横向滑台的上方，所述第三步进电机的转轴穿过固定板并与横向滚珠丝杆的一端固定。

进一步地，所述第一步进电机固定在横向滑台的顶部。

进一步地，所述显微光学机构包括全自动物镜转换器、反射镜和目镜，全自动物镜转换器上装有多个物镜，当载物台上放置有培养皿后，显微光源机构照射出的光线照射到培养皿上，光线经物镜和反射镜后在目镜上成像。

进一步地，所述显微光学机构为L型显微光学机构。

进一步地，所述光电成像机件包括CCD图像传感器、A/D转换模块和数字信号处理模块，所述CCD图像传感器将在目镜上得到的影像转换成模拟信号，并通过A/D转换模块和数字信号处理模块将模拟信号转换成能够连接手机或电脑的数字信号。

应用本实用新型所提供的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其有益效果是：可实现细胞培养非接触观察研究，即无需取出培养皿在显微镜下观摩，能够在电脑或手机上实现清晰地观察培养箱内细胞培养实时变化情况，可进行细胞水平上的定性和定量分析、活细胞生长图像分析、活细胞动态示踪等观测研究，该装置的最大优点是无需频繁打开培养箱门取出培养皿在显微镜下观测研究、可使得培养皿所处环境的温度湿度保持基本不变状态，保持了细胞研究的正确性、合理性和可靠性，实现了细胞培养实时观测研究的屏幕化和移动化。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的侧视图；

图3为本实用新型的局部结构示意图；

图4为本实用新型的显微光学机构的光路图；

图5为本实用新型的显微光学机构的结构示意图；

图6为本实用新型的视频信号采集/传输的原理结构框图；

图7为本实用新型的光电成像机件的原理结构框图；

图8为本实用新型的A/D转换模块的电路图；

图9为本实用新型的原理结构框图；

图10本实用新型的光电成像机件的放大电路图；

图11为本实用新型的图像数据压缩处理的原理框图；

图12为本实用新型在使用时的操作界面图；

图13为本实用新型运行的原理流程图；

图14为本实用新型的载物台的结构示意图；

图15为本实用新型的光电成像机件的原理框图；

图16为本实用新型放到培养箱内的原理图。

图中所示：1-工作台，2-支架，3-显微光学机构，31-全自动物镜转换器，32-反射镜，33-目镜，4-光电成像机件，41-CCD图像传感器，42-A/D转换模块，43-数字信号处理模块，5-载物台，6-显微光源机构，7-载体精密旋转台机构，71-第一步进电机，72-行星微转动机构，73-载物台支架，8-横向移动机构，81-横向不锈钢线轨，82-横向滑台，83-横向滚珠丝杆，84-第三步进电机，9-纵向移动机构，91-支撑台，92-纵向不锈钢线轨，93-纵向滑台，94-纵向滚珠丝杆，95-第二步进电机，10-凹槽，11-通孔，12-保护壳，13-固定旋钮，14-固定板，15-固定台。

具体实施方式

为比较直观、完整地理解本实用新型的技术方案，现就结合本实用新型附图进行非限制性的特征说明如下：

如图1-图16所示，箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，包括工作台1、设置在工作台1一侧的支架2、固定在工作台1顶部一侧的显微光学机构3、与显微光学机构3连接且能够连接电脑或手机的光电成像机件4、位于工作台1上方用于放置培养皿的载物台5、设置在支架2顶端且位于载物台5正上方的显微光源机构6、固定在载物台5底部且能够带动载物台5转动的载体精密旋转台机构7、设置在载体精密旋转台机构7底部且能够带动载物台5左右移动的横向移动机构8以及设置在横向移动机构8底部且能够带动载物台5前后移动的纵向移动机构9。微光学机构3、光电成像机件4和显微光源机构6构成显微成像装置，即如图1所示，构成显微成像装置后，该装置位于工作台顶部的一侧，该装置摄取的影像经数字化转换传输至云端，通过网络与电脑或手机相连接。

载物台5的顶部设有多个用于放置培养皿的凹槽10，凹槽10的形状为圆形、正方形中的至少一种。当然，凹槽10的形状为圆形、正方形只是本实用新型的一种较佳实施方式，具体使用时还可以采用其它形状，比如椭圆形、长方形等等。不同规格的培养皿可嵌套在载物台5上预留的凹槽10内，凹槽10的大小正好可使培养皿的底部显露在显微光学机构3的可视范围内。而且，载物台5可以根据放置培养皿的凹槽10进行替换。

载体精密旋转台机构7包括第一步进电机71、安装在第一步进电机71顶端的行星微转动机构72以及与第一步进电机71的转轴连接且用于支撑载物台5的载物台支架73，载物台支架73的顶部还设有一保护壳12，保护壳12与第一步进电机71的转轴固定，保护壳12穿过载物台5上的通孔11并与载物台5固定，保护壳12的顶端安装有一固定旋钮13。用户通过调节第一步进电机71的旋转度即可方便的观测到不同区域的细胞成像。行星微转动机构72每步进一步转动0.1度。

纵向移动机构9包括固定在工作台1上的支撑台91、固定在工作台1顶部的纵向不锈钢线轨92、滑动设置在纵向不锈钢线轨92上的纵向滑台93、固定在支撑台91上且用于带动纵向滑台93前后平移的纵向滚珠丝杆94以及设置在支架2一侧且用于带动纵向滚珠丝杆94转动的第二步进电机95，纵向滚珠丝杆94位于工作台1的上方且位于纵向滑台93的下方，第二步进电机95的转轴穿过支架2并与纵向滚珠丝杆94的一端固定。

横向移动机构8包括固定在纵向滑台93顶部的横向不锈钢线轨81、滑动设置在横向不锈钢线轨81上的横向滑台82，纵向滑台93顶部的两侧分别垂直设有固定板14和固定台15，横向移动机构8还包括设置在固定板14和固定台15之间且用于带动横向滑台82左右平移的横向滚珠丝杆83以及固定在固定板14外侧且用于带动横向滚珠丝杆83转动的第三步进电机84，横向滚珠丝杆83位于横向滑台82的上方，第三步进电机84的转轴穿过固定板14并与横向滚珠丝杆83的一端固定。第一步进电机71固定在横向滑台82的顶部，使得载体精密旋转台机构7能够与横向移动机构8连接起来。

纵向移动机构9和横向移动机构8组成二维台机构，二维台机构可实现在载体精密旋转台机构7固定后能够前后、左右平移，以便于观测整个二维平面上的所有细胞。

如图4和图5所示，显微光学机构3包括全自动物镜转换器31、反射镜32和目镜33，当载物台5上放置有培养皿后，全自动物镜转换器31上设有多个物镜，显微光源机构6照射的光线照射到培养皿上，光线经物镜和反射镜32后在目镜33上成像。为尽可能的减小本实用新型整个装置的体积，根据光的折射原理，把光源到显微镜呈像的光路设计为可拐弯的L型光学***。全自动物镜转换器31上装有放大倍数分别为5×、10×、20×和40×的物镜，在进行细胞观测时，全自动物镜转换器31的定时自动聚焦则能够保证长时间实时摄影过程中焦平面的稳定和图像的清晰。物镜的选择标准为：必须适合长时间工作在37℃左右、湿度在90％以上、CO₂浓度在5％左右的细胞生长环境中，具体使用时，可以使全自动物镜转换器31和目镜33设置成具有防雾、除雾功能。

如图5所示，作为本实用新型的一种较佳实施方式，显微光学机构3为L型显微光学机构，即显微光学机构3设计成“L”型，被成像的细胞培养情况通过专门设计的L型高放大倍率(可根据需求可置换)高分辨率显微光学机构将3影像成像于光电成像机件4上，光电成像机件4将数据传输给专门的处理单元进行图像数据压缩处理并上传给云服务器提供给手机或电脑进行远程实验操控。

光电成像机件4包括CCD图像传感器41、A/D转换模块42和数字信号处理模块43，CCD图像传感器41将在目镜33上得到的影像转换成模拟信号，并通过A/D转换模块42和数字信号处理模块43将模拟信号转换成能够连接手机或电脑的数字信号，数字信号传输给专门的处理单元进行图像数据压缩处理并上传给云服务器提供给手机或电脑进行远程实验操控。

使用时，首先将装有细胞样品的培养皿安放在载物台5的凹槽10中，然后通过第一步进电机71、第二步进电机95和第三步进电机84使待观测细胞所在培养皿的位置与显微光源机构6、显微光学机构3的全自动物镜转换器31的物镜在适合观测的角度上，显微光源机构6发出的光是LED光线，显微光源机构6可提供白光拍摄***和三通道荧光(红色荧光、绿色荧光和蓝色荧光)，当观测对象发生变化时，可以通过适当调节载物台5和横向移动机构8、纵向移动机构9来获取最佳的观测角度；最后在光电成像机件4获取到图像信息，经过匹配的数字图像处理技术后对应的细胞形态信息即可在电脑、手机上清晰显示。

使用时，该分析仪的使用环境无限制，即该箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪充分考虑到培养箱内的温度、湿度、酸碱PH值以及雾气等因素，耐温和耐高湿设计，能够提供长时间稳定的细胞培养与连续观察及拍摄记录功能；在透光性方面：采用透光度高的镜片和0.17mm厚玻璃特制培养皿最大限度减小箱内环境对采集图像清晰度的影响。

在精度控制方面：计算机程序控制高精度旋转步进电机(这里的步进电机包括第一步进电机71、第二步进电机95和第三步进电机84)，第一步进电机71驱动载物台5转动对待观测培养皿的位置精确定位可达到0.1度；在光源选择方面：显微光源机构6可提供白光拍摄***和三通道荧光(红色荧光、绿色荧光和蓝色荧光)，即亮即拍，没有荧光激发的时间差及产热的问题；在CCD灵敏度方面：科学级CCD分辨率可达10560*10560读取速度为800MHz，像素尺寸为9μm，制冷温度最低可达-100℃，高灵敏度CCD使细胞的光损伤较小；在成像速度方面：全自动全自动物镜转换器31和自动聚焦功能使成像速度小于500ms，成像更快。在图像清晰度方面：同步辐射光源相称成像技术的使用弥补了光镜不能直接观察到细胞模式和组织的结构关系的缺陷。

如图7所示，其为光电成像机件4的原理结构框图，CCD图像传感器41将在目镜33上得到的影像转换成模拟信号，并通过A/D转换模块42和数字信号处理模块43将模拟信号转换成能够连接手机或电脑的数字信号，数字信号传输给专门的处理单元进行图像数据压缩处理并上传给云服务器提供给手机或电脑进行远程实验操控。如图8所述，其为A/D转换模块的电路图。如11所示，其为行图像数据压缩的原理框图。

如图6所示，它为本实用新型的视频信号采集/传输结构框图，光电成像机件4获取到图像信息，经过匹配的数字图像处理技术后对应的细胞形态信息即可在电脑、手机上清晰显示。如图9所述，经过匹配的数字图像处理技术后对应的细胞形态信息通过WiFi网络传输到手机或电脑。

当然，作为本实用新型的一个较佳实施方式，如图12所示，载体精密旋转台机构7和二维台机构(包括横向移动机构8和纵向移动机构9)的上位机软件是整个设备的控制和运算中心，需要提供一个简单易用的操作界面，必须把内部复杂的控制算法隔离。根据用户的操作，上位机软件通过各个模块对设备和控制板进行访问，并且在显示器上提供状态反馈的信息和生成实时曲线。该统软件主要包括了用户的操作界面，设备和控制板的控制模块，图像处理模块。

根据用户的需求，软件需要对各个***设备进行控制，同时还要在计算机显示器上显示实时的状态反馈信息，以便操作人员实时及时了解设备的工作状况，保证整个***安全稳定的运行。整个箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪的软件包括了图像分析处理模块，设备控制模块以及人际交互模块，其层次结构图如图12所示。人机交互模块为用户提供便捷的交互环境，用户选定测试任务，并输入所需的信息，程序自动形成测试流程，并调用后台相关的模块。根据以上分析，智能活细胞培养成像***软件的运行流程如图13所示。程序的界面主要分成三个部分，一是控制菜单：该菜单能调出***设备的参数设定程序，同时能打开和关闭CCD显示窗口上的电子辅助线功能；二是流程化操作部分：该部分可引导用户依次完成各部分，从而实现对待细胞的观测；三是显示部分：该部分包含CCD显示窗口、状态显示窗口、程序电源数值显示窗口及状态栏上的坐标显示。

而且，如图16所示，相比于现有技术的细胞培养箱，该类细胞培养箱必须用到显微镜，而现有技术的显微镜是直接固定在细胞培养箱内或者设置在培养箱外的的，存在着位置调节苦难的问题，局限性较大，而本实用新型所提供的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪是一个完整的专门设备，显微光学机构3直接是设置在这个设备上，这个设备使用时直接放到培养箱箱体内就可以了，方便取出。而且，本实用新型相对于现有技术的细胞培养箱，它具有网络智能化，因为它可以连接手机或电脑使用，能够在电脑或手机上实现清晰地观察培养箱内细胞培养实时变化情况，方便了人们的观测研究，而这些现有技术的细胞培养箱所不具备的。

本实用新型所提供的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，使用时直接设置在细胞培养箱内作为一种专门的装置，可实现细胞培养非接触观察研究，即无需取出培养皿在显微镜下观摩，能够在电脑或手机上实现清晰地观察培养箱内细胞培养实时变化情况，可进行细胞水平上的定性和定量分析、活细胞生长图像分析、活细胞动态示踪等观测研究，该***的最大优点是无需频繁打开培养箱门取出培养皿在显微镜下观测研究、可使得培养皿所处环境的温度湿度保持基本不变状态，保持了细胞研究的正确性、合理性和可靠性，实现了细胞培养实时观测研究的屏幕化和移动化。

当然，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，非因此即局限本实用新型的专利范围，凡运用本实用新型说明书及图式内容所为之简易修饰及等效结构变化，均应同理包含于本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：包括工作台、设置在工作台一侧的支架、固定在工作台顶部一侧的显微光学机构、与显微光学机构连接且能够连接电脑或手机的光电成像机件、位于工作台上方用于放置培养皿的载物台、设置在支架顶端且位于载物台正上方的显微光源机构、固定在载物台底部且能够带动载物台转动的载体精密旋转台机构、设置在载体精密旋转台机构底部且能够带动载物台左右移动的横向移动机构以及设置在横向移动机构底部且能够带动载物台前后移动的纵向移动机构。

2.根据权利要求1所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述载物台的顶部设有多个用于放置培养皿的凹槽，所述载物台的中间设有一通孔。

3.根据权利要求2所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述凹槽的形状为圆形、正方形中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述载体精密旋转台机构包括第一步进电机、安装在第一步进电机顶端的行星微转动机构以及与第一步进电机的转轴连接且用于支撑载物台的载物台支架，所述载物台支架的顶部还设有一保护壳，保护壳与第一步进电机的转轴固定，所述保护壳穿过载物台上的通孔并与载物台固定，所述保护壳的顶端安装有一固定旋钮。

5.根据权利要求4所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述纵向移动机构包括固定在工作台上的支撑台、固定在工作台顶部的纵向不锈钢线轨、滑动设置在纵向不锈钢线轨上的纵向滑台、固定在支撑台上且用于带动纵向滑台前后平移的纵向滚珠丝杆以及设置在支架一侧且用于带动纵向滚珠丝杆转动的第二步进电机，所述纵向滚珠丝杆位于工作台的上方且位于纵向滑台的下方，所述第二步进电机的转轴穿过支架并与纵向滚珠丝杆的一端固定。

6.根据权利要求5所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述横向移动机构包括固定在纵向滑台顶部的横向不锈钢线轨、滑动设置在横向不锈钢线轨上的横向滑台，所述纵向滑台顶部的两侧分别垂直设有固定板和固定台，所述横向移动机构还包括设置在固定板和固定台之间且用于带动横向滑台左右平移的横向滚珠丝杆以及固定在固定板外侧且用于带动横向滚珠丝杆转动的第三步进电机，所述横向滚珠丝杆位于横向滑台的上方，所述第三步进电机的转轴穿过固定板并与横向滚珠丝杆的一端固定。

7.根据权利要求6所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述第一步进电机固定在横向滑台的顶部。

8.根据权利要求7所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述显微光学机构包括全自动物镜转换器、反射镜和目镜，全自动物镜转换器上装有多个物镜，当载物台上放置有培养皿后，显微光源机构照射出的光线照射到培养皿上，光线经物镜和反射镜后在目镜上成像。

9.根据权利要求8所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述显微光学机构为L型显微光学机构。

10.根据权利要求8所述的箱内活细胞培养网络型智能成像分析仪，其特征在于：所述光电成像机件包括CCD图像传感器、A/D转换模块和数字信号处理模块，所述CCD图像传感器将在目镜上得到的影像转换成模拟信号，并通过A/D转换模块和数字信号处理模块将模拟信号转换成能够连接手机或电脑的数字信号。