專利名稱：組織切片掃描成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種基于掃描成像原理的組織切片成像裝置。
背景技術(shù)：
對于組織切片進(jìn)行高通量高分辨率的獲取對于快速的組織學(xué)檢查結(jié)果的分析與存檔是非常重要的環(huán)節(jié)。簡單地對組織切片進(jìn)行拍照不能獲得其高分辨率圖像。通過顯微鏡和CXD相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)組織樣品的高分辨率成像，但顯微鏡尤其高倍顯微鏡的成像視野有限，無法在一個(gè)視野內(nèi)對完整的組織切片進(jìn)行觀察。完整的組織切片的觀察需要結(jié)合載物臺的移動實(shí)現(xiàn)，也可通過編程控制電控運(yùn)動平臺實(shí)現(xiàn)多個(gè)視野圖像的拼接從而實(shí)現(xiàn)完整組織切片圖像的自動獲取。多視野拼接的缺點(diǎn)是樣品需要沿二維方向進(jìn)行多次移動和停止， 會大大增加圖像獲取的時(shí)間。傳統(tǒng)的顯微鏡及相應(yīng)載物臺的設(shè)計(jì)只針對于一個(gè)或有限個(gè)組織切片樣品的觀察， 并不適合大量組織切片的快速高通量觀察。對于這一問題,Hamamatsu的NanoZoomer數(shù)字切片掃描儀，通過移動樣本并結(jié)合高靈敏度的時(shí)間延遲積分線陣列相機(jī)，在樣品移動的同時(shí)進(jìn)行成像，提高了掃描速度，可以一次對多個(gè)切片樣品進(jìn)行批量成像。這種方式適合于獲取切片的白光照明圖像。組織切片的觀察需要結(jié)合標(biāo)記技術(shù)以獲得對比度，而熒光標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展為特異性地標(biāo)記一些感興趣的結(jié)構(gòu)提供了可能。而對于熒光標(biāo)記的組織切片， Nanozoomer數(shù)字切片掃描儀使用全場照明的方式，分散了照明光的能量，同時(shí)全場照明的方式也提高了圖像的背景，不利于高對比度圖像的獲取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出組織切片掃描成像裝置一種，通過線掃描方式結(jié)合樣品的連續(xù)相對運(yùn)動，減少樣品反復(fù)運(yùn)動與停止的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)完整組織切片的高通量高分辨率成像。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種組織切片掃描成像裝置，其特征在于，包括激光光源、非機(jī)械式掃描器、探測器、電控運(yùn)動平臺、數(shù)據(jù)采集與處理主機(jī)；樣品固定安裝在所述電控運(yùn)動平臺上，所述非機(jī)械式掃描器位置固定，所述激光光源發(fā)出的激光通過所述非機(jī)械式掃描器在樣品上聚焦，所述非機(jī)械式掃描器用于按線掃描方式對組織切片進(jìn)行掃描，所述電控運(yùn)動平臺用于帶動樣品沿垂直于掃描線的方向作相對運(yùn)動，所述探測器探測用于接收樣品受激產(chǎn)生的信號光；所述數(shù)據(jù)采集和處理主機(jī)用于采集所述探測器的信號，經(jīng)過處理得到組織切片的掃描圖像。應(yīng)用非機(jī)械式掃描器以保證系統(tǒng)長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與穩(wěn)定性。所述電控運(yùn)動平臺包括位置傳感器和脈沖產(chǎn)生電路，所述位置傳感器用于在所述電控運(yùn)動平臺運(yùn)動到指定位置時(shí)觸發(fā)所述脈沖產(chǎn)生電路，所述脈沖產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生、輸出同步脈沖信號；所述同步脈沖信號用于觸發(fā)所述非機(jī)械式掃描器的掃描控制電路，使非機(jī)械式掃描器進(jìn)行掃描。
所述電控運(yùn)動平臺在垂直于掃描線的方向移動一定距離后迅速返程，然后向平行 于掃描線的方向移動一定距離。本發(fā)明還包括切片刀，所述切片刀固定安裝，所述非機(jī)械式掃描器的物鏡垂直于 所述切片刀面。本發(fā)明使用掃描成像方式對組織切片進(jìn)行掃描。照明光或激發(fā)光聚焦于樣品上， 提高了對樣品的照明強(qiáng)度或激發(fā)強(qiáng)度。這種方式尤其對于熒光標(biāo)記的組織切片可以大大提 高熒光激發(fā)效率，也即提高了信號光的強(qiáng)度，有利于提高成像的信噪比。同時(shí)只在聚焦點(diǎn)附 近的組織切片區(qū)域被激發(fā)而發(fā)出熒光，因而消除了其他區(qū)域熒光的干擾，有利于提高圖像 的對比度。另一方面，掃描成像方式可以方便地結(jié)合共聚焦成像與雙光子成像技術(shù)，從而對 厚組織樣品提供光學(xué)層析能力。本發(fā)明中所述掃描器使用非機(jī)械式掃描器，如聲光偏轉(zhuǎn)器。使用非機(jī)械式掃描器， 對于高通量連續(xù)切片掃描而言，不存在掃描器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械磨損與疲勞問題，可以更好 地保證長時(shí)間連續(xù)掃描的可靠性與穩(wěn)定性。所述掃描成像方式是通過線掃描與樣品移動的組合實(shí)現(xiàn)完整切片的成像。使用單 軸掃描器對光束進(jìn)行快速的線掃描，通過掃描光路使聚焦光點(diǎn)沿一條直線在樣品上掃描， 通過探測光路記錄掃描線上各掃描位置樣品的反射光或被激發(fā)的熒光并據(jù)此繪制切片的 圖像。所述切片樣品的移動可以針對已經(jīng)制備好的樣品，由電控運(yùn)動平臺帶動樣品沿垂 直于掃描線的方向移動。對于沿掃描線方向具有較大尺寸的樣品，可以通過增加掃描線的 長度或者通過電控運(yùn)動平臺提供切片樣品沿掃描線方向的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)整個(gè)樣品掃描圖像的 獲取。所述切片樣品的移動也可以是通過與超薄切片機(jī)結(jié)合。在超薄切片機(jī)中，在切片 的過程中，新形成的樣品切片會短暫地貼附于刀面上沿刀面滑動。如果將光束聚焦于刀面， 并使聚焦光點(diǎn)沿直線掃描，通過掃描與切片的滑動兩者的組合，可以在切片的同時(shí)就完成 其掃描圖像的獲取。本發(fā)明通過非機(jī)械式掃描器對切片組織進(jìn)行掃描，電控運(yùn)動平臺帶動切片組織同 步移動，實(shí)現(xiàn)大量大尺寸組織切片的高分辨率圖像獲取或完整組織塊的同步切片與切片圖 像獲取。


圖I.省略數(shù)據(jù)采集與處理主機(jī)的組織切片激光掃描成像裝置示意圖。圖2.掃描與樣品運(yùn)動示意。圖3.掃描成像及同步脈沖示意圖。圖4.樣品圖像采集流程。圖5.組織切片的同時(shí)進(jìn)行掃描成像。
具體實(shí)施例方式圖I為使用聲光偏轉(zhuǎn)器作為非慣性掃描器的組織切片激光掃描系統(tǒng)示意圖。激光 器I出射激光經(jīng)過聲光偏轉(zhuǎn)器2進(jìn)行快速偏轉(zhuǎn)掃描,掃描光通過補(bǔ)償兀件3消除聲光偏轉(zhuǎn)器快速掃描時(shí)引起的柱面鏡效應(yīng)。經(jīng)過補(bǔ)償元件3后的激光光束為掃描的準(zhǔn)直光束。掃描光束經(jīng)過掃描透鏡4,分光片5反射,再通過筒鏡6,最后經(jīng)物鏡7聚焦于樣品表面,激光束的掃描使聚焦點(diǎn)沿一條直線移動形成一條掃描線。焦點(diǎn)沿掃描線反復(fù)掃描，與此同時(shí)樣品 8由電控運(yùn)動平臺9控制沿垂直于掃描線的方向12連續(xù)運(yùn)動。樣品的反射光或激發(fā)的熒光(也即信號光)經(jīng)物鏡7收集，再經(jīng)筒鏡6和分光片5匯聚于狹縫10所在位置。由探測器11 (光電倍增管或相機(jī))對收集的信號光進(jìn)行連續(xù)記錄。狹縫10是利用共聚焦探測的原理，阻擋離焦位置的信號光從而能夠抑制背景，并可對厚組織樣品進(jìn)行層析成像。在進(jìn)行完整的組織切片成像時(shí)，掃描線14始終處于同一位置，電控運(yùn)動平臺沿方向12的一次連續(xù)運(yùn)動過程可以完成對樣品上一個(gè)條帶的掃描成像過程。如圖2所示，條帶的寬度由掃描線的長度15決定。獲取一個(gè)條帶的圖像后，電控運(yùn)動平臺沿與方向12相反的方向進(jìn)行快速回程運(yùn)動。然后沿方向13移動掃描線長度15的距離，并開始沿方向12進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動，開始下一條帶的掃描成像過程。完整組織切片的圖像由多個(gè)條帶的圖像沿方向13拼接而成。通過電控運(yùn)動平臺連續(xù)運(yùn)動與線掃描組合的方式能夠減少樣品沿方向12 反復(fù)移位和停止的次數(shù)，有利于縮短成像時(shí)間。由于掃描線的掃描運(yùn)動與電控運(yùn)動平臺的運(yùn)動為兩個(gè)獨(dú)立的過程，得到正確的掃描圖像需要兩個(gè)運(yùn)動之間進(jìn)行精確同步。電控運(yùn)動平臺內(nèi)置位置反饋傳感器可在平臺運(yùn)動的同時(shí)產(chǎn)生與運(yùn)動位置相關(guān)的位置反饋信號，通過電控運(yùn)動平臺內(nèi)的可配置的脈沖產(chǎn)生電路在平臺運(yùn)動到特定位置時(shí)產(chǎn)生脈沖信號，如圖3中的同步脈沖17。平臺運(yùn)動到相應(yīng)的位置即產(chǎn)生一個(gè)脈沖。由該位置同步脈沖17觸發(fā)掃描器2的掃描控制電路開始掃描過程。使用非慣性掃描器能夠極大縮短掃描延遲時(shí)間，從而能夠快速開始線掃描過程并達(dá)到很高的掃描速度。相鄰位置同步脈沖之間的時(shí)間等于掃描器進(jìn)行一次線掃描的掃描時(shí)間，令該時(shí)間為Tscan，平臺的運(yùn)動速度為V，圖像中的像素大小16為P，則滿足Ts_ = P/V。根據(jù)像素大小P以及掃描線長度15(記為Ls_)可以計(jì)算得到掃描線掃描方向像素的個(gè)數(shù)N。位置同步脈沖17觸發(fā)探測器11進(jìn)行連續(xù)的信號采集。兩相鄰?fù)矫}沖之間采集的信號被平均分為N段，并進(jìn)行分段平均，分段平均的結(jié)果即為條帶圖像中一行相應(yīng)像素的強(qiáng)度。電控運(yùn)動平臺一次連續(xù)運(yùn)動的長度應(yīng)大于樣品的長度18(記為LnrovJ。圖4為組織切片獲取的流程圖。在進(jìn)行組織切片的圖像獲取之前先按步驟19，對電控運(yùn)動平臺運(yùn)動速度，希望獲取圖像的像素大小等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并計(jì)算相應(yīng)的派生參數(shù)。再按步驟20，控制電控運(yùn)動平臺按指定參數(shù)開始連續(xù)運(yùn)動。運(yùn)動到指定位置時(shí)產(chǎn)生位置同步脈沖，并觸發(fā)掃描的開始，和信號的采集。采集的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，分段平均得到圖像中的一行，平臺持續(xù)運(yùn)動產(chǎn)生下一個(gè)位置同步脈沖，并重復(fù)上述過程從而完成一個(gè)條帶圖像的獲取過程。之后平臺側(cè)向移動一個(gè)條帶的寬度Ls_，開始下一個(gè)條帶圖像的獲取， 最終得到完整的組織切片掃描圖像。實(shí)施例一如圖I所不,激光器I輸出波長為488nm的激光,聲光偏轉(zhuǎn)器2掃描角度為38mrad。 掃描透鏡4的焦距為400mm，筒鏡6的焦距為180mm，則光束在物鏡后的掃描角度擴(kuò)大為 84mrad (接近5° )。使用20x物鏡，其等效焦距為9mm，則激光束經(jīng)物鏡7后的掃描線的長度為755 μ m左右。當(dāng)待成像樣品為熒光標(biāo)記的樣品時(shí)，分光片5使用二向色鏡，以分開激發(fā)光和收集的熒光。當(dāng)帶成像樣品為非熒光標(biāo)記樣品時(shí)，分光片5使用寬帶半透半反鏡，則收集的信號為樣品的反射光，組織切片圖像的對比度反應(yīng)了樣品中不同組成部分吸收和散射性質(zhì)的差異。平臺運(yùn)動速度設(shè)為6. 6mm/s，掃描成像像素大小設(shè)置為Ιμπι，則掃描線的掃描時(shí)間為150 μ S。設(shè)樣品寬度為2cm，長度為5cm，則完整組織切片的圖像將由27個(gè)條帶組成。 每個(gè)條帶的圖像掃描采集時(shí)間在IOs左右。實(shí)施例二如圖5所示為組織切片激光掃描裝置的另一種實(shí)施方式。即將激光掃描成像裝置與組織切片系統(tǒng)直接結(jié)合。在對組織塊進(jìn)行薄切片的同時(shí)進(jìn)行掃描成像。切片刀21固定不動，組織塊23沿方向12相對于切片刀22運(yùn)動，從而得到一條切片21。切片21在靠近刀鋒的部分會短暫地帖附于切片刀22的表面。將物鏡7垂直于切片刀22的表面放置，并調(diào)節(jié)其距離切片刀22表面的距離，使焦點(diǎn)落在切片21上。經(jīng)過掃描器2的掃描，焦點(diǎn)在切片21上沿掃描線14的方向掃描。組織塊23沿方向12的一次連續(xù)運(yùn)動過程，可以在形成切片21的同時(shí)完成切片21的掃描圖像的獲取過程。一次切片過程結(jié)束，組織塊沿方向12的反向進(jìn)行快速回程運(yùn)動，再沿方向13側(cè)向移動一段距離，該段距離的長度等于切片21的寬度，從而可以進(jìn)行下一條切片的切削和掃描成像過程。
權(quán)利要求
1.一種組織切片掃描成像裝置，其特征在于，包括激光光源、非機(jī)械式掃描器、探測器、 電控運(yùn)動平臺、數(shù)據(jù)采集與處理主機(jī)；樣品固定安裝在所述電控運(yùn)動平臺上，所述非機(jī)械式掃描器位置固定，所述激光光源發(fā)出的激光通過所述非機(jī)械式掃描器在樣品上聚焦，所述非機(jī)械式掃描器用于按線掃描方式對組織切片進(jìn)行掃描，所述電控運(yùn)動平臺用于帶動樣品沿垂直于掃描線的方向作相對運(yùn)動，所述探測器探測用于接收樣品受激產(chǎn)生的信號光；所述數(shù)據(jù)采集和處理主機(jī)用于采集所述探測器的信號，經(jīng)過處理得到組織切片的掃描圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的組織切片掃描成像裝置，其特征在于，所述電控運(yùn)動平臺包括位置傳感器和脈沖產(chǎn)生電路，所述位置傳感器用于在所述電控運(yùn)動平臺運(yùn)動到指定位置時(shí)觸發(fā)所述脈沖產(chǎn)生電路，所述脈沖產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生、輸出同步脈沖信號；所述同步脈沖信號用于觸發(fā)所述非機(jī)械式掃描器的掃描控制電路，使非機(jī)械式掃描器進(jìn)行掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組織切片掃描成像裝置，其特征在于，所述電控運(yùn)動平臺在垂直于掃描線的方向移動一定距離后迅速返程，然后向平行于掃描線的方向移動一定距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的組織切片掃描成像裝置，其特征在于，還包括切片刀，所述切片刀固定安裝，所述非機(jī)械式掃描器的物鏡垂直于所述切片刀面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種組織切片掃描成像裝置。該裝置包括激光源、非機(jī)械式掃描器、探測器、電控運(yùn)動平臺。非機(jī)械式掃描器按線掃描方式對組織切片進(jìn)行掃描，電控運(yùn)動平臺帶動樣品沿垂直于掃描線的方向作相對運(yùn)動，掃描器的掃描運(yùn)動與電控運(yùn)動平臺的運(yùn)動精確同步，在組織切片運(yùn)動的同時(shí)完成掃描圖像的獲取。本發(fā)明適用于大量組織切片的圖像的快速獲取，具有分辨率高、圖像獲取快速的優(yōu)點(diǎn)。以及對完整組織塊的快速切片及同步的切片圖像獲取。
文檔編號G01N21/63GK102590155SQ201210013629
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者呂曉華, 曾紹群, 李安安, 駱清銘, 齊曉莉, 龔輝 申請人:華中科技大學(xué)