便携式全自动高速显微扫描仪的制作方法

1.本发明涉及显微图像采集领域，特别是一种便携式全自动高速显微扫描仪。

背景技术：

2.细胞和组织病理图像识别技术被认为是权威和明确的诊断手段，但是细胞和组织病理图像识别技术的检测流程冗长，包括采样、制片、样本显微图像采集，图像拼接和图像识别等过程。在全人工的时代，一位病理医师一天仅能完成个位数的诊断。这远不能满足用户的需求。现有的诊断流程有一处瓶颈即在于显微图像扫描的设备昂贵且耗时较长。国外技术中dr.weinstein与美国d metrix科研开发队伍一起合作开发了一套病理诊断产品快速数字切片显微扫描仪dx-40。采用集成80个显微镜同时进行扫描的方案，能够实现40张每小时的处理速度。但是该结构非常复杂，导致价格高昂。申请人在之前开发了一系列微型的显微图像采集装置，例如cn110794569a细胞微型显微图像采集装置及图像识别方法。通过将手机作为图像采集设备，大幅降低了设备的成本。但是该设备涉及的手机摄像头各款参数均不相同，导致每个手机拍摄的图像具有不同的视野范围，拼接和识别难度较高，而且手机的图像精度与工业相机的图像精度仍存在差距。而且采用该设备完成单个玻片图像采集和运算仍需要大约2个小时，效率较低，而随着细胞和组织病理图像识别技术的普及用户越来越多，现有设备的工作效率限制了技术的发展。美国专利us8755579a记载了一种全自动快速显微镜载玻片扫描仪，采用了连续线扫描实时拼接的方案，大幅提高了采集速度。但是这对设备的精度要求极高，否则拼接的显微图像误差较大，没有辅助诊断价值。而且现有市场上也较少针对于线性扫描仪的专用镜头，这导致该设备的成像质量和成本呈指数级增加。

技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供便携式全自动高速显微扫描仪，能够大幅提高采集图像的速度，，而且也不会大幅增加设备的成本，且能够保障扫描图像质量。优选的方案中，还需要显微扫描仪具有更紧凑的结构，以便于将更多的显微扫描仪组成集以进一步提高扫描效率。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种便携式全自动高速显微扫描仪，它包括步进载物台、显微镜筒和频闪头；显微镜筒与工业相机连接，显微镜筒与步进载物台的z轴座固定连接；步进载物台用于搭载玻片；显微镜筒同轴或一侧还设有频闪头，频闪头用于根据步进载物台的连续行走行程，按设定的频率发出闪光，工业相机跟随频闪头的闪光频率进行图像采集。
5.优选的方案中，步进载物台的结构为：底座与z轴座固定连接，底座顶部设有x向的凹槽，x向座设置在x向的凹槽内，并沿着x向滑动，在底座上设有向y向一侧延伸的x轴电机座，x轴步进电机与x轴电机座固定连接，在x向座相对应一侧设有延伸的x臂，x臂上固设有
螺母，x轴步进电机与x轴螺杆固定连接，x轴螺杆与螺母螺纹连接；在x向座的顶部设有y向的凹槽，y向座设置在y向的凹槽内，并沿着y向滑动，在x向座设有向x向一侧延伸的y轴电机座，y轴电机座与y轴步进电机固定连接，在y向座相对应一侧设有延伸的y臂，y臂上固设有螺母，y轴步进电机与y轴螺杆固定连接，y轴螺杆与螺母螺纹连接；在y向座的顶部设有朝向外侧的槽体，玻片架设置在槽体内。
6.优选的方案中，x轴步进电机和y轴步进电机与控制器连接，控制器采用开环控制；控制器与工控机连接，工控机发送步进信号至控制器，工控机还根据步进信号按对应视野位置发送频闪信号至频闪头；工控机根据频闪信号启动工业相机采集图像，并输送至存储器。
7.优选的方案中，在x轴电机座与x臂之间设有x轴行程传感器，用于校验底座与x向座之间的频闪间相对位移，若检测出误差，则将误差值发送存储，作为后续图像拼接时的x向修正值；在y轴电机座与y臂之间设有y轴行程传感器，用于校验x向座与y向座之间的频闪间相对位移，若检测出误差，则将误差值发送存储，作为后续图像拼接时的y向修正值。
8.优选的方案中，还设有显示装置，显示装置与工控机连接，工控机接收到采集的图像后，即根据扫描路径对采集的图像根据对应的视野的坐标进行拼接；拼接过程中，引入x向修正值和y向修正值进行修正。
9.优选的方案中，还设有光补偿传感器，光补偿传感器用于检测每次工业相机采集图像时，频闪光的强度值，对各个视野对应的光强度值求平均值，然后求出各个视野的频闪光的强度值与平均值的差值，当所述差值超出预设范围，则对当前视野的亮度进行补偿调节。
10.优选的方案中，频闪头的结构为，led光源与开关元件的输出端电连接，开关元件的控制端与控制器电连接，开关元件的输入端与电源电连接；频闪头的最大亮度为 50000lx~100000 lx步进载物台步进速度是17~20ms/视野，显微镜筒的数值孔径为0.5~0.75，工业相机的曝光时间为10~25微秒。
11.优选的方案中，还设有全景镜头，全景镜头的视野覆盖整个玻片架或玻片，全景镜头用于采集编码图像和组织样本的全景图像，以获取当前玻片的信息，并用于引导后续的连续行走频闪图像采集操作。
12.优选的方案中，z轴座上设有镜筒座，镜筒座与z轴座沿z向滑动连接，显微镜筒和工业相机与镜筒座固定连接，z轴座上还设有z轴步进电机，在镜筒座上设有螺孔，z轴步进电机与z轴螺杆固定连接，z轴螺杆与螺孔螺纹连接，z轴步进电机用于微调镜筒座的焦点。
13.本发明提供的一种便携式全自动高速显微扫描仪，通过采用上述的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：1、本发明采用基于矩形视野连续扫描的图像采集方案，配合频闪头提高图像采集亮度的方案，在确保图像采集精度的前提下，大幅提高了图像采集效率，图像采集从之前的20分钟以上，降低到60~120秒(与视野数量相关)。
14.2、采用具有自导向和自驱动结构的导向座的方案，大幅简化了载物台的结构，且便于提高新行走速度。
15.3、通过采用连续行走+频闪的方案，显微镜筒中能够采用更小的数值孔径即na值。从而使采集的图像具有更深的视野，提高衍射极限图像精度，而且边缘变形和散更小。
16.4、采用频闪的方式，因为工作时长较短，也降低了照明光源的散热压力，从而便于采用更大功率的led光源。
17.5、采用开环控制配合误差值修正的方案，在确保拼接精度的基础上进一步提高了采集速度。使本发明方案的采集速度60~120秒达到国际领先水平。如图7中所示，扫描1392个视野的图像，扫描时间仅用去71秒，且扫描完成，拼接图像和识别图像也同步呈现，大幅提高了诊断效率。
18.6、设置的光补偿传感器，能够在后期通过亮度补偿实现各个视野之间的亮度统一，从而克服了频闪工作方式新产生的技术难题。
19.7、本发明采用现有技术的成熟元件进行优化设计和精确控制，大幅降低了设备成本，更利于显微扫描仪在基层医疗机构推广，以惠及更多的用户，将例如宫颈癌等恶性肿瘤拦截在初始阶段，大幅提高肿瘤的治愈率。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的整体结构示意图。
21.图2为本发明的载物台支架立体图。
22.图3为本发明的视野和路径示意图。
23.图4为本发明的频闪头的结构示意图。
24.图5为本发明的玻片结构示意图。
25.图6为本发明的同步控制脉冲示意图。
26.图7为本发明的设备扫描结果示意图。
27.图8为本发明的设备另一扫描结果示意图。
28.图中：显示装置1，工控机2，控制器3，存储器4，z轴座5，z轴步进电机6，z轴螺杆7，z轴滑槽8，镜筒座9，显微镜筒10，光补偿传感器11，全景镜头12，玻片架13，y向座14，x向座15，x臂16，y轴电机座17，y轴步进电机18，y轴螺杆19，y臂20，y轴行程传感器21，x轴电机座22，x轴行程传感器23，x轴步进电机24，x轴螺杆25，底座26，开关元件27，开关控制信号28，电源29，编码图像30，玻片31，组织样本32，工业相机33，频闪头34，led光源35，视野100，扫描路径200。
具体实施方式
29.如图1、2中，一种便携式全自动高速显微扫描仪，它包括步进载物台、显微镜筒10和频闪头15；显微镜筒10与工业相机33连接，显微镜筒10中的光学元件为现有技术。显微镜筒10与步进载物台的z轴座5固定连接；步进载物台用于搭载玻片31；步进载物台顶部设有凹槽，用于搭载玻片架13，通常每个玻片架13设置两个玻片31。
30.显微镜筒10同轴或一侧还设有频闪头15，频闪头15用于根据步进载物台的连续行
走行程，按设定的频率发出闪光，工业相机33跟随频闪头15的闪光频率进行图像采集。优选的方案如图4中，频闪头15的结构为，led光源35与开关元件27的输出端电连接，开关元件27的控制端与控制器电连接，开关元件27的输入端与电源29电连接；本例中的开关元件27采用pmos管。
31.频闪头15的最大亮度为 50000lx~100000 lx，步进载物台步进速度是17~20ms/视野，显微镜筒10的数值孔径为0.5~0.75，工业相机33的曝光时间为10~25微秒。
32.优选的方案如图1、2中，步进载物台的结构为：底座26与z轴座5固定连接，底座26顶部设有x向的凹槽，x向座15设置在x向的凹槽内，并沿着x向滑动，在底座26上设有向y向一侧延伸的x轴电机座22，x轴步进电机24与x轴电机座22固定连接，在x向座15相对应一侧设有延伸的x臂16，x臂16上固设有螺母，x轴步进电机24与x轴螺杆25固定连接，x轴螺杆25与螺母螺纹连接；在x向座15的顶部设有y向的凹槽，y向座14设置在y向的凹槽内，并沿着y向滑动，在x向座15设有向x向一侧延伸的y轴电机座17，y轴电机座17与y轴步进电机18固定连接，在y向座14相对应一侧设有延伸的y臂20，y臂20上固设有螺母，y轴步进电机18与y轴螺杆19固定连接，y轴螺杆19与螺母螺纹连接；在y向座14的顶部设有朝向外侧开口的槽体，玻片架13设置在槽体内。
33.优选的，底座26、x向座15和y向座14均采用铝合金材质，一是便于加工成复杂的形状。二是大幅减轻自重，减少摩擦力。三是具有加工硬化后的自润滑效果。本发明的步进载物台将导向结构、驱动装置的固定结构做成一个零部件，尺寸精度大幅提高，而且结构非常紧凑，大幅缩小了显微扫描仪的尺寸。
34.优选的方案如图1中，x轴步进电机24和y轴步进电机18与控制器3连接，控制器3采用开环控制；由此结构，获得较高的工作效率。如图3、7中所示，本发明的设备，视野100为16：9的矩形视野，完成1392视野数，即48*29的阵列扫描，花费时间为71秒，且扫描完成后，全景图也拼接完成，与现有技术相比，效率大幅提高。如图8中所示，在工控机2中集成了人工智能图像识别程序，通过全景图识别组织样本32的范围，这样在后续的扫描过程中，对行走路径进行优化，提前去除不必要的无内容视野，进一步提高扫描速度。
35.控制器3与工控机2连接，工控机2发送步进信号至控制器3，工控机2还根据步进信号按对应视野100位置发送频闪信号至频闪头34；工控机2采用和电脑相同的系统，以提高控制软件、拼接软件和识别软件以及其他环境软件的兼容性。工控机2根据频闪信号启动工业相机33采集图像，并输送至存储器4。控制器3优选采用stm32f系列的控制器。
36.优选的方案如图1中，在x轴电机座22与x臂16之间设有x轴行程传感器23，用于校验底座26与x向座15之间的频闪间相对位移，若检测出误差，则将误差值发送存储，作为后续图像拼接时的x向修正值；在y轴电机座17与y臂20之间设有y轴行程传感器21，用于校验x向座15与y向座14之间的频闪间相对位移，若检测出误差，则将误差值发送存储，作为后续图像拼接时的y向修正值。由此结构，在获得了开环控制的高效率的同时，也通过后期修正确保了图像精度。即实现了效率和精度的最优化。本例中的x轴行程传感器23和y轴行程传感器21优选采用激光位移传感器。优选的，x轴行程传感器23和y轴行程传感器21采用不同波长的光源，以避免互相干扰。
37.优选的方案如图1中，还设有显示装置1，显示装置1集成在显微扫描仪的壳体上，能够实现实时交互。如图7、8中所示，优选的，显示装置1采用触控屏。显示装置1与工控机2连接，工控机2接收到采集的图像后，即根据扫描路径200对采集的图像根据对应的视野100的坐标进行拼接；即扫描的图像，先经过靶面裁剪。在标定过程中，对每个视野的坐标进行标定，即仅将第一行第一视野和第一行第二视野进行人工或基于图像识别算法的拼接，得出二者之间的相对坐标，后续的图像就根据相对坐标，以坐标定位的方式进行拼接，在拼接过程中无需再进行边缘图像识别。换行时，也经过一次基于人工或基于图像识别算法的拼接，得出行间视野图像的相对坐标，后续的换行则均通过坐标定位的方式进行拼接，在拼接过程中无需再进行边缘图像识别。
38.拼接过程中，引入x向修正值和y向修正值进行修正。考虑到步进载物台可能因为丢步、间隙等原因产生误差，因此，采用后继修正的方式，能够确保精度。在标定时，将拼接时分辨率下的单个像素与现实世界的尺寸值进行对应，则x向修正值和y向修正值就能够被转换为像素数量进行补偿修正，以提高视野图像拼接精度。
39.优选的方案如图1中，还设有光补偿传感器11，光补偿传感器11用于检测每次工业相机33采集图像时，频闪头34发出的频闪光的强度值，进一步优选的，光补偿传感器11的检测时间与工业相机33的曝光时间相对应。对各个视野对应的光强度值求平均值，然后求出各个视野的频闪光的强度值与平均值的差值。当所述差值超出预设范围，则对当前视野的亮度进行补偿调节。由此方案，使各个视野之间的亮度值保持平均。
40.优选的方案如图1中，还设有全景镜头12，全景镜头12的视野覆盖整个玻片架13或玻片31，如图5中所示，全景镜头12用于采集编码图像30和组织样本32的全景图像，以获取当前玻片的信息，例如当前玻片31的id码，并用于引导后续的连续行走频闪图像采集操作，例如可以辅助载物台根据组织样本32进行预定位。
41.使用时，如图6中所示，同步脉冲控制的原理是，图中，x是x轴步进信号，每个脉冲信号对应x轴步进电机24的一个微步进，y是y轴步进信号，对应y轴步进电机18的一个微步进，图6中脉冲数量和宽度仅为示意。y轴步进信号用于扫描路径200的换行。l 是频闪头34闪烁信号，即当收到多个x轴步进信号后，工控机2发出一个开关控制信号28，使开关元件27导通，频闪头34的led光源35发光。c是工业相机33的曝光控制脉冲，通常开关控制信号28的脉冲宽度对应的时间要大于曝光控制脉冲对应的曝光时间。lc是光补偿传感器11启动采集信号的脉冲信号，lc的脉冲信号宽度大于或等于曝光控制脉冲信号宽度，且与曝光控制脉冲信号，脉冲信号宽度是指高电平的脉冲信号宽度。
42.优选的方案如图1中，z轴座5上设有镜筒座9，镜筒座9与z轴座5沿z向滑动连接，显微镜筒10和工业相机33与镜筒座9固定连接，z轴座5上还设有z轴步进电机6，在镜筒座9上设有螺孔，z轴步进电机6与z轴螺杆7固定连接，z轴螺杆7与螺孔螺纹连接，z轴步进电机6用于微调镜筒座9的焦点。该方案对于具有多层结构的病理组织图像，能够通过微调镜筒座9的焦点，使图像在不同的层间聚焦。
43.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：包括步进载物台、显微镜筒（10）和频闪头（15）；显微镜筒（10）与工业相机（33）连接，显微镜筒（10）与步进载物台的z轴座（5）固定连接；步进载物台用于搭载玻片（31）；显微镜筒（10）同轴或一侧还设有频闪头（15），频闪头（15）用于根据步进载物台的连续行走行程，按设定的频率发出闪光，工业相机（33）跟随频闪头（15）的闪光频率进行图像采集。2.根据权利要求1所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：步进载物台的结构为：底座（26）与z轴座（5）固定连接，底座（26）顶部设有x向的凹槽，x向座（15）设置在x向的凹槽内，并沿着x向滑动，在底座（26）上设有向y向一侧延伸的x轴电机座（22），x轴步进电机（24）与x轴电机座（22）固定连接，在x向座（15）相对应一侧设有延伸的x臂（16），x臂（16）上固设有螺母，x轴步进电机（24）与x轴螺杆（25）固定连接，x轴螺杆（25）与螺母螺纹连接；在x向座（15）的顶部设有y向的凹槽，y向座（14）设置在y向的凹槽内，并沿着y向滑动，在x向座（15）设有向x向一侧延伸的y轴电机座（17），y轴电机座（17）与y轴步进电机（18）固定连接，在y向座（14）相对应一侧设有延伸的y臂（20），y臂（20）上固设有螺母，y轴步进电机（18）与y轴螺杆（19）固定连接，y轴螺杆（19）与螺母螺纹连接；在y向座（14）的顶部设有朝向外侧的槽体，玻片架（13）设置在槽体内。3.根据权利要求2所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：x轴步进电机（24）和y轴步进电机（18）与控制器（3）连接，控制器（3）采用开环控制；控制器（3）与工控机（2）连接，工控机（2）发送步进信号至控制器（3），工控机（2）还根据步进信号按对应视野（100）位置发送频闪信号至频闪头（34）；工控机（2）根据频闪信号启动工业相机（33）采集图像，并输送至存储器（4）。4.根据权利要求3所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：在x轴电机座（22）与x臂（16）之间设有x轴行程传感器（23），用于校验底座（26）与x向座（15）之间的频闪间相对位移，若检测出误差，则将误差值发送存储，作为后续图像拼接时的x向修正值；在y轴电机座（17）与y臂（20）之间设有y轴行程传感器（21），用于校验x向座（15）与y向座（14）之间的频闪间相对位移，若检测出误差，则将误差值发送存储，作为后续图像拼接时的y向修正值。5.根据权利要求4所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：还设有显示装置（1），显示装置（1）与工控机（2）连接，工控机（2）接收到采集的图像后，即根据扫描路径（200）对采集的图像根据对应的视野（100）的坐标进行拼接；拼接过程中，引入x向修正值和y向修正值进行修正。6.根据权利要求5所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：还设有光补偿传感器（11），光补偿传感器（11）用于检测每次工业相机（33）采集图像时，频闪光的强度值，对各个视野对应的光强度值求平均值，然后求出各个视野的频闪光的强度值与平均值的差值，当所述差值超出预设范围，则对当前视野的亮度进行补偿调节。7.根据权利要求1所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：频闪头（15）的
结构为，led光源（35）与开关元件（27）的输出端电连接，开关元件（27）的控制端与控制器电连接，开关元件（27）的输入端与电源（29）电连接。8.根据权利要求1所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：频闪头（15）的最大亮度为 50000lx~100000 lx步进载物台步进速度是17~20ms/视野，显微镜筒（10）的数值孔径为0.5~0.75，工业相机（33）的曝光时间为10~25微秒。9.根据权利要求8所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：还设有全景镜头（12），全景镜头（12）的视野覆盖整个玻片架（13）或玻片（31），全景镜头（12）用于采集编码图像（30）和组织样本（32）的全景图像，以获取当前玻片的信息，并用于引导后续的连续行走频闪图像采集操作。10.根据权利要求1所述的一种便携式全自动高速显微扫描仪，其特征是：z轴座（5）上设有镜筒座（9），镜筒座（9）与z轴座（5）沿z向滑动连接，显微镜筒（10）和工业相机（33）与镜筒座（9）固定连接，z轴座（5）上还设有z轴步进电机（6），在镜筒座（9）上设有螺孔，z轴步进电机（6）与z轴螺杆（7）固定连接，z轴螺杆（7）与螺孔螺纹连接，z轴步进电机（6）用于微调镜筒座（9）的焦点。

技术总结

本发明提供一种便携式全自动高速显微扫描仪，包括步进载物台、显微镜筒和频闪头；显微镜筒与工业相机连接，显微镜筒与步进载物台的z轴座固定连接；步进载物台用于搭载玻片；显微镜筒同轴或一侧还设有频闪头，频闪头用于根据步进载物台的连续行走行程，按设定的频率发出闪光，工业相机跟随频闪头的闪光频率进行图像采集。本发明采用基于矩形视野连续扫描的图像采集方案，配合频闪头提高图像采集亮度的方案，在确保图像采集精度的前提下，大幅提高了图像采集效率，图像采集从之前的20分钟以上，降低到60~120秒。采用具有自导向和自驱动结构的导向座的方案，大幅简化了载物台的结构，且便于提高新行走速度。便于提高新行走速度。便于提高新行走速度。