阅读说明：本技术 一种数字病理切片自动扫描系统及方法 (Automatic digital pathological section scanning system and method ) 是由 胡亦宁 张志伟 董蜀湘 储昭强 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种数字病理切片自动扫描系统及方法,包括显微镜机架、扫描相机、电动载物台、切片座、电动物镜转换器、控制器、全局预览模块和强光源模块,电动载物台为三维移动导轨。切片座可拆卸地设于电动载物台上。电动载物台的一侧还设有一用于控制该电动载物台沿z轴方向垂直升降的电动z轴。直线反馈编码器分别与控制器连接。电动物镜转换器的前端设有一全局预览模块,该全局预览模块用于连接至PC。扫描相机分别用于连接至控制器和PC。本发明的电动载物台在扫描过程中无需暂停即可完成切片的自动连续高速拍照采图,减小了扫描周期,大大提高了工作效率。(The invention provides a digital pathological section automatic scanning system and a method, comprising a microscope frame, a scanning camera, an electric objective table, a section seat, an electric objective converter, a controller, a global preview module and a strong light source module, wherein the electric objective table is a three-dimensional moving guide rail. The slice seat is detachably arranged on the electric objective table. And an electric z-axis for controlling the electric object stage to vertically lift along the z-axis direction is arranged on one side of the electric object stage. The linear feedback encoders are respectively connected with the controller. The front end of the electric objective converter is provided with a global preview module which is used for connecting to a PC. The scanning camera is for connection to the controller and the PC, respectively. The electric objective table can finish automatic continuous high-speed photographing and image collecting of slices without pause in the scanning process, so that the scanning period is shortened, and the working efficiency is greatly improved.)

一种数字病理切片自动扫描系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种数字病理切片自动扫描系统及方法。

背景技术

数字病理切片扫描仪是一种结合显微技术、计算机处理技术和图像处理技术的可自动扫描从而获得清晰、准确和能保存的数字化切片信息的仪器。利用数字病理切片扫描仪可对数字玻片进行预览、分析和讨论等，且不受时间与空间的限制，较之传统的在显微镜下的阅片方式，数字病理切片扫描仪操作更加方便、功能更加强大且应用更加广泛。因而自它诞生以来就倍受科研、医疗和教学界的关注，全自动的数字病理切片扫描仪技术也得到了快速的发展。

但是，目前市场上的数字病理切片扫描仪基本均采用走-停-拍的图片获取模式，运动平台主要基于步进电机，其光源亮度通常较低且曝光时间较长。在这种工作模式下，仪器扫描周期长。如以15mm*15mm的扫描区域为例，扫描通常需耗时200余秒，大大降低了工作效率，增加了时间成本。另一方面数字病理切片扫描仪的高周次加减速对驱动电机会产生一些不可避免的损耗，增加了仪器工作失效的风险和维修成本。而且目前市场上的数字病理切片扫描平台基本采用x轴电磁直线运动电机和y轴电磁直线运动电机驱动，两个电机之间还存在电磁干扰和发热严重的问题。

发明内容

本发明提供了一种数字病理切片自动扫描系统及自动扫描方法，旨在改善现有数字病理切片扫描仪在图片获取中走-停-拍工作模式带来的时间效率低以及硬件容易磨损等问题。

本发明是这样实现的：

一种数字病理切片自动扫描系统，包括显微镜机架、扫描相机、电动载物台、切片座、电动物镜转换器、控制器、全局预览模块和强光源模块；

所述电动载物台设于所述显微镜机架的中部，该电动载物台设有三维移动导轨以及每个移动导轨上对应设有一直线反馈编码器，从而实现所述电动载物台在三维空间中的移动，所述直线反馈编码器分别与所述控制器连接；

所述切片座可拆卸地设于所述电动载物台上，所述切片座用于固定切片；

所述电动物镜转换器设于所述显微镜机架上，且该电动物镜转换器位于所述电动载物台的上方，所述电动物镜转换器的前端设有一用于获取切片预览图的全局预览模块，所述全局预览模块用于连接至PC；

所述扫描相机垂直设于所述显微镜机架顶部，该扫描相机用于分别连接至所述控制器和所述PC；

所述显微镜机架的后部还设有一用于为所述扫描相机提供光源的所述强光源模块。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述电动载物台为中空载物台，该中空载物台的中部开设有与所述切片座相适配的开口，所述开口的内侧设有磁铁，所述切片座为***式切片座，该***式切片座上设有与所述中空载物台上的磁铁磁极相反的磁铁，所述***式切片座***所述中空载物台并通过磁铁与该中空载物台可拆卸连接，所述切片座上等间距设有复数个用于固定所述切片的弹簧夹。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述移动导轨包括x轴导轨、y轴导轨和电动z轴，所述电动z轴用于控制所述电动载物台垂直升降，所述直线反馈编码器分别平行设于与其相对应的所述移动导轨的一侧。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述x轴导轨的一侧设有一用于驱动所述电动载物台沿x轴方向匀速运动的电磁直线电机，所述y轴导轨的一侧设有一用于驱动所述电动载物台沿y轴方向步进的压电直线电机，所述电动z轴通过步进电机驱动所述电动载物台沿z轴方向垂直移动，所述步进电机通过柔性联轴器与显微镜细调轮杆连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述全局预览模块包括LED光源、匀光装置和全局预览摄像头，所述LED光源用于对所述切片进行整体的照亮，所述匀光装置用于对所述LED光源进行重新分配，并为所述切片提供一个均匀的光源，所述全局预览摄像头通过连接线与所述PC连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述扫描相机通过相机触发线与所述控制器的I/O接口连接，该扫描相机通过扫描相机线与所述PC连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述控制器分别通过指令控制所述电磁直线电机、所述压电直线电机和所述步进电机，以所述切片的扫描区域上任一顶点作为扫描起点，所述控制器通过控制所述压电直线电机驱动所述电动载物台沿y轴方向每步进一步，所述电磁直线电机驱动所述电动载物台沿x轴方向进行一次匀速扫描，所述扫描区域上的采图点移动到所述扫描相机下方中心时，所述控制器将所述采图点的编码反馈值通过脉冲信号发送给所述扫描相机，并触发该扫描相机拍照采图。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述显微镜机架包括一显微镜载物支架和一目镜，所述目镜倾斜设于所述显微镜机架的顶部前端，该目镜的下方为所述全局预览模块，其斜上方为所述扫描相机，所述显微镜载物支架设于所述电动物镜转换器的下方，其上设有所述电动载物台。

一种数字病理切片自动扫描方法，包括以下步骤：

S1、将切片固定在所述切片座上，并将所述切片座***所述电动载物台上；

S2、所述控制器通过所述步进电机控制所述电动z轴移动到预设焦点位置，所述切片随着所述电动载物台移动到所述全局预览模块的下方，所述全局预览摄像头拍下所述切片的全局预览图并上传到所述PC上；

S3、所述PC识别并处理所述全局预览图，自动选出所述扫描区域和该扫描区域上的采图点以及所述电动z轴的焦点位置，并根据所述扫描相机的视场宽度计算出所述采图点在所述电动载物台上相应的坐标点；

S4、所述压电直线电机控制所述电动载物台沿y轴方向每步进一步，所述电磁直线电机则驱动所述电动载物台沿x轴方向进行一次匀速扫描，当所述采图点随所述电动载物台移动到所述扫描相机的下方时，所述控制器接收到所述直线反馈编码器反馈的该采图点的编码反馈值后，所述控制器发送指令触发所述扫描相机对该采图点进行拍照采图，重复上述步骤直到所述扫描区域内的所有采图点均经过所述扫描相机的下方；

S5、所述扫描相机将拍下的图片信息发送到所述PC上进行处理。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述扫描区域分别沿横向和纵向划分为复数个等间距的特定格子区域，每个所述特定格子区域的中心点即为所述采图点。

本发明的有益效果是：

1、本发明的电动载物台设有三维移动导轨。其中，x轴导轨由电磁直线电机驱动，y轴导轨由压电直线电机驱动，电动z轴由步进电机驱动。该电动载物台可沿x轴方向进行匀速连续扫描以及可沿y轴方向步进定位。切片的扫描区域被划分为复数个等间距的特定格子区域，且每个特定格子区域的中心点作为采图点。切片随着电动载物台移动时，直线反馈编码器向控制器实时反馈采图点位置的编码反馈值。当采图点经过扫描相机下方时，控制器触发扫描相机快速曝光采图拍照，使得整个扫描过程形成直线电机闭环反馈控制。电动载物台在扫描过程中无需暂停运动即可完成切片的自动连续高速拍照采图，减小了扫描周期，大大提高了工作效率以及减小了时间成本。

2、本发明通过全闭环z轴运动来确定并计算最佳清晰面的z轴直线编码反馈值。数字病理切片自动扫描系统在获取全局预览图后将自动识别扫描区域，自动分配基准的对焦点，并分别通过电动z轴垂直移动到各焦点位置来进行各自对焦。其中，全局预览摄像头通过采集不同z轴高度的位置图像，并由PC计算出最佳清晰点的z轴位置作为焦点位置。各基准的对焦点都完成对焦后，由各组数据拟合出整个扫描区域各个相机视场对应的焦面数据，为后续清晰、快速的拍照提供了依据。本发明通过对z轴焦点的计算、斜率计算和控制补偿，可消除平台倾斜角度的误差。

3、本发明电动载物台在压电直线电机和电磁直线电机驱动下进行连续扫描运动，不仅减少了传统x-y电磁电机因x轴方向高周次加减速过程对驱动电机硬件造成的伤害，避免了传统x-y电磁电机之间存在的电磁干扰，而且还减少了传统x-y电磁电机之间发热严重的问题，有效提高了数字病理切片扫描系统的使用寿命。

4、本发明对现有的显微镜机架进行改造，保留了显微镜机架的目镜。通过这样的设置保留了传统的显微镜使用习惯，满足了使用者使用目镜来观察切片的需求。

5、本发明的电动载物台由三维移动导轨以及与该三维移动导轨相应的直线反馈编码器形成全闭环运动控制，可消除三维电动载物台的回程间隙。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明第一实施例在第一视角下的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的主视图；

图3是图2所示的第一实施例的左视图；

图4是图3所示的第一实施例的俯视图；

图5是本发明第一实施例的控制器的控制过程示意图；

图6是本发明第一实施例中切片的扫描区域沿横向和纵向划分的特定格子区域的示意图；

图7为本发明第二实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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。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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参照图1和图2所示，本发明的第一实施例提供了一种数字病理切片自动扫描系统，包括显微镜机架1、扫描相机2、电动载物台3、切片座4、电动物镜转换器5、控制器、全局预览模块6和强光源模块。

在本实施例中，电动载物台3设于显微镜机架1的中部，该电动载物台3设有三维移动导轨以及每个移动导轨上对应设有一直线反馈编码器71，从而实现电动载物台3在三维空间中的移动，直线反馈编码器71分别与控制器连接。通过直线反馈编码器可以准确反馈电动载物台3的位置。

在本实施例中，切片座4可拆卸地设于电动载物台3上。该切片座4可用于固定待扫描的切片41。

电动载物台3优选为中空载物台。该中空载物台的中部开设有与切片座4相适配的开口，开口的内侧设有磁铁42。切片座4为***式切片座。该***式切片座上设有与中空载物台上的磁铁磁极相反的磁铁，***式切片座***中空载物台并通过磁铁与该中空载物台可拆卸连接，实现了切片41的快速更换。在切片座4上等间距设有复数个用于固定切片的弹簧夹43。

在本实施例中，移动导轨包括x轴导轨、y轴导轨和电动z轴7，所述电动z轴7用于控制所述电动载物台3垂直升降。直线反馈编码器71分别平行设于与其相对应的移动导轨的一侧。

参照图3和图6所示，在本实施例中，x轴导轨的一侧设有一用于驱动电动载物台3沿x轴方向匀速运动的电磁直线电机。y轴导轨的一侧设有一用于驱动电动载物台3沿y轴方向步进的压电直线电机。电动z轴7通过步进电机72驱动电动载物台3沿z轴方向垂直移动。步进电机72通过柔性联轴器与显微镜细调轮杆连接。控制器分别通过指令控制电磁直线电机、压电直线电机和步进电机72。其中，控制器作为数字病理切片自动扫描系统的核心，一方面通过指令控制电动载物台3的运动，同时还能通过各自的反馈线接收来自直线反馈编码器71的编码反馈值，以获得电动载物台3的实时位置，控制扫描相机2拍照采图。

参照图1、图5和图6所示，具体地，以扫描区域的任一顶点作为扫描起点，控制器控制压电直线电机驱动电动载物台3沿y轴方向每步进一步，电磁直线电机则驱动电动载物台沿x轴方向进行一次匀速扫描，使得切片41上每个特定格子区域的采图点均能经过扫描相机2下方的中心。采图点经过扫描相机2下方的中心时，控制器自动将该采图点在x、y和z轴形成的正交坐标系上的位置的编码反馈值通过脉冲信号发送给扫描相机2，并触发该扫描相机2在极短的曝光时间内进行拍照采图，该曝光时间约为15微秒。按照上述方法依次连续循环移动和拍照采图，从而获得切片的整个扫描区域的清晰图片。

参照图3所示，本发明的第一实施例通过正交的x轴导轨和y轴导轨形成的精密直线滑轨导向、驱动x轴导轨匀速运动的电磁直线电机和驱动y轴导轨步进的压电直线电机以及直线反馈编码器实现了电动载物台高精度的闭环控制。电动z轴7通过步进电机72驱动电动载物台3沿z轴方向垂直移动，且步进电机72通过柔性联轴器与显微镜细调轮杆连接，在对焦过程中，使得电动z轴7能准确移动到焦点位置。电动z轴7配合z轴直线反馈编码器71，实现了高精度的z轴图像聚焦闭环控制。由该电动载物台3和电动z轴7形成的全闭环运动控制，消除了该三维电动载物台的回程间隙。

参照图1和图2所示，在本实施例中，电动物镜转换器5设于显微镜机架1上，且该电动物镜转换器5位于电动载物台3的上方，用于控制不同倍数物镜电动切换。电动物镜转换器5的前端设有一用于获取切片预览图的全局预览模块6，全局预览模块6用于连接至PC。

在本实施例中，全局预览模块6包括LED光源、匀光装置和全局预览摄像头。LED光源用于对切片进行整体的照亮。匀光装置可以对LED光源进行重新分配，从而为全局预览摄像头获取全局预览图提供一个均匀的光源。全局预览摄像头通过连接线与PC连接，并将该全局预览摄像头拍摄的全局预览图发送到PC上。

扫描相机2垂直设于显微镜机架1顶部，该扫描相机2用于分别连接至控制器和PC。

在本实施例中，扫描相机2通过相机触发线与控制器的I/O接口连接，控制扫描相机2对每一个采图点进行拍照。该扫描相机2通过扫描相机线与PC连接，用于将采集的切片41的图片数据上传到PC上。

参照图1、图3和图4所示，在本实施例中，显微镜机架1包括一显微镜载物支架11和一目镜12，该目镜12倾斜设于显微镜机架1的顶部前端。在目镜12的下方为全局预览模块6，其斜上方为扫描相机2。显微镜载物支架11位于电动物镜转换器5的下方，其上设有电动载物台3。

显微镜机架1的后部还设有一用于为扫描相机提供光源的强光源模块。该强光源模块可以为扫描相机提供一个亮度较大的光源，从而可以大大缩短扫描相机2的曝光时间。本发明实施例中，扫描相机2的曝光时间约为15微秒。

参照图7所示，本发明的第二实施例提供了一种数字病理切片自动扫描方法，包括以下步骤：

S1、将切片41固定在切片座4上，并将切片座4***电动载物台3上。

S2、控制器通过步进电机控制电动z轴7移动到预设焦点位置，切片41随着电动载物台3移动到全局预览模块6的下方，全局预览摄像头拍下切片41的全局预览图并上传到PC上。

S3、PC识别并处理全局预览图，自动选出扫描区域和该扫描区域上的采图点以及电动z轴7的焦点位置。优选地，切片41的扫描区域分别沿横向和纵向划分为复数个等间距的特定格子区域，每个特定格子区域的中心点即为采图点。PC根据扫描相机2的视场宽度计算出每一个采图点在电动载物台3上相应的坐标点。

S4、压电直线电机控制电动载物台3沿y轴方向每步进一步，电磁直线电机驱动电动载物台3沿x轴方向进行一次匀速扫描。当采图点随电动载物台3移动到扫描相机2的下方时，控制器接收到直线反馈编码器71反馈的该采图点的编码反馈值后，控制器发送指令触发扫描相机2对该采图点进行拍照采图。重复上述步骤直到扫描区域内的所有采图点均经过扫描相机2的下方。

S5、扫描相机2将拍下的图片信息发送到PC上进行处理。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。