专利名称：一种对显微切片的全自动扫描系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种对显微切片进行扫描的系统及方法，特别涉及一种对显微切片或突光染色显微切片的全自动扫描系统及方法。
背景技术：
在教学、远程病理诊断、基于软件的智能自动识别系统等应用中，都需要对显微镜下观察的组织样品全貌提供给多人阅读或异地阅读或不同时候在既无实际切片/又无显微镜情况下阅读。这些应用都需要将组织样品全区域或相当大部分区域进行数字化。操作员在显微镜下实际观察组织样品时，一般在低放大倍数下对组织样品进行快速扫描，寻找到感兴趣或可疑区域后，再换用高倍数物镜对样品局部放大观察。然而，在对组织样品全区域或相当大部分区域进行数字化扫描过程中，一般采用高放大倍数如20X， 40X物镜观察，这样一个相机的视场即一个瞬间能看到的样品区域就非常小。这样就需要使得相机与样品有上百个甚至上万个相对移动才能在高放大倍数下将大部分组织区域或者全部扫描并数字化完毕。在对组织区域扫描并数字化的方法中，根据组织样品相对于相机的移动速度分为两大类。第一类方法采用面阵相机，在高放大倍数(如20X)物镜(30)下获得组织样品一个位置图像后，移动载物台大约一个面阵相机视场距离，在前一帧视场拍摄的组织样品位置紧邻位置排摄下一帧图像，一个组织样品一般在一个方向需要约30副面阵图像，在长度及宽度上完成扫描大致需要30*30副面阵图像。这类方法主要优点是图像获取时组织样品相对于相机是静止的，因而图像质量相对较高。缺点是在每一个新位置排摄图像时，载物台需要加速运动后减速运动到目标位置后停止，这个运动过程大概需要100毫秒时间，之后还需要等待系统完全稳定下来约50毫秒等待时间。这种走走停停、加速减速运动模式及所带来的系统振动使得面阵扫描数字化切片方法速度低，一般需要几百秒(几分钟)时间才能完成一张切片的数字化扫描过程。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种即能快速获取切片样品图像，同时所获取的图像质量很高的全自动扫描系统及方法。本发明解决现有技术中的技术问题，所采用的技术方案是提供一种对显微切片的全自动扫描系统，包括，载物台(10)，该载物台(10)用于放置切片样品(12)并带动切片样品(12)沿X轴方向匀速地运动、沿Y轴方向移动，X、Y轴方向彼此垂直并构成水平面；照明装置(20)，该照明装置(20)用于对切片样品(12)的局部或全部照亮；物镜(30)，该物镜(30)用于对照亮部分的切片样品(12)进行观察“轴控制器(40)，该Z轴控制器(40)控制物镜(30)沿Z轴方向移动，以使物镜(30)可观察切片样品(12)，Ζ轴方向沿该显微切片的全自动扫描系统的成像光轴方向，与X、Y轴分别垂直，X，Y、Z三轴构成正交坐标系；该扫描系统还包括，扫描相机(50)，该扫描相机(50)具有滚动快门曝光模式及带状阵列或带状子阵列读出模式，该扫描相机(50)对匀速移动的切片样品(12)的带状局部区域进行连续数字成像扫描，该扫描相机(50)在滚动快门曝光模式下对前一帧图像曝光结束前可开始对下一帧图像进行并行曝光，该扫描相机(50)的快门滚动方向与载物台匀速运动X方向保持一致；计算设备(60)，该计算设备(60)将连续曝光的多帧图像拼合成一完整数字切片。作为本发明所述扫描系统的优选方案，该扫描系统还包括一存储装置(70)，该存储装置(70)与计算设备(60)电连接，并用于存储计算设备(60)生成的完整数字切片。作为本发明所述扫描系统的优选方案，所述载物台(10)沿第一方向X方向勻速运动的动力源是伺服电机或直流电机或压电陶瓷电机。作为本发明所述扫描系统的优选方案，所述显微成像系统的照明装置(20)对切片样品(12)的长条带状照明。作为本发明所述扫描系统的优选方案，该扫描系统还包括一光学聚焦装置(80), 该扫描系统还包括一光学聚焦装置(80)，该光学聚焦装置(80)将来自切片样品(12)的光路聚焦于扫描相机(50)。作为本发明所述扫描系统的优选方案，该扫描系统还包括狭缝分光装置(90)，该狭缝分光装置(90)包括平行于Y轴方向的狭缝(92)，以及一色散元件(94)，将来自切片样品(12)的光路经过狭缝(92)后，透过色散元件(94)将光路沿X轴方向分散成红光、橙光、黄光、绿光、蓝光、靛光、紫光。作为本发明所述扫描系统的优选方案，该扫描系统还包括照明滤镜装置(100)，该照明滤镜装置(100)包括至少一个激发滤镜及与之匹配的分光镜，照明装置(20)发出的光路经激发滤镜过滤后，透过分光镜并反射到切片样品(12)，并激发切片样品(12)使其产生荧光。作为本发明所述扫描系统的优选方案，所述扫描相机(50)是一具有滚动快门曝光模式的黑白单色相机。作为本发明所述扫描系统的优选方案，所述切片样品(12)的移动速度矢量Vl乘以物镜(30)放大倍数M后小于等于扫描相机(50)的快门滚动速度矢量V2，用公式表示为Vl = V2*K/(M*N)，其中，K为小于等于N的自然数1、2、3···，Ν为扫描相机(50)的一帧图像行数，M为所使用成像物镜(30)的放大倍数。本发明解决现有技术中存在技术问题，还提供了一种对显微切片的全自动扫描方法，包括以下步骤步骤Α，准备样品，S卩，将切片样品(12)放置在载物台(10)上，照明装置
(20)照亮切片样品(12)的局部或全部区域；步骤B，描扫地图，S卩，采用低倍率的物镜(30)扫描切片样品(12)的载体，以获取切片样品(12)的全景图；步骤C，X轴方向匀速运动，SP载物台10带动切片样品12开始沿扫描相机(50)的快门滚动方向即X轴方向匀速运动；步骤D，聚焦调节，S卩，移动切片样品(12)同时Z轴控制器(40)调节物镜(30)在Z轴方向的位置，以使切片样品(12)位于物镜(30)的焦平面内；步骤Ε，获取图像，S卩，扫描相机(50)在滚动快门曝光模式下对沿X方向匀速运动的切片样品(12)当前带状区域进行扫描并生成数字化图像；步骤F，当前带状区域是该带状区域所在X轴方向的最后一个区域吗？如果不是，则返回步骤C，否则进入步骤G ;步骤G，当前条状区域是该带状区域是所在Y轴方向的最后一个区域吗？如果不是，则进入步骤H，否则进入步骤I ;步骤Η，Υ轴方向移动，S卩，在载物台10停止沿X方向匀速运动的同时，带动切片样品(12)沿与X方向垂直的Y方向移动到下一带状区域，并返回步骤C ;步骤I，停止运动并输出合成图像，S卩，对切片样品(12)的扫描完成，载物台停止X、Y方向运动，计算设备60将扫描相机(50)的滚动快门所扫描的带状图像拼合成切片样品(12)的完整数字切片。作为本发明所述扫描方法的优选方案，该方法在步骤B之后步骤C之前，进一步包括步骤Β2，焦面建模，S卩，采用高倍率的物镜(30)获取切片样品(12)上各区域的焦面位置，并建立切片样品(12)的焦面模型。作为本发明所述扫描方法的优选方案，该方法在步骤I之后，进一步包括步骤J，存储装置(70)保存拼合成的完整数字切片以供调用查看。作为本发明所述扫描方法的优选方案，该方法在步骤C中，切片样品(12)的移动速度矢量Vl与扫描相机(50)的快门滚动速度矢量V2关系为Vl = V2*K/(M*N)，其中，K为小于等于N的自然数1、2、3···，N为扫描相机(50)的一帧图像行数，M为所使用成像物镜
(30)的放大倍数。作为本发明所述扫描方法的优选方案，该方法在步骤J之后，进一步包括步骤L，存储装置(70)保存拼合成的完整数字切片以供调用查看。作为本发明所述扫描方法的优选方案，扫描相机(50)在滚动快门曝光模式下对前一帧图像曝光结束前开始对下一帧图像进行并行曝光。本发明所述的技术方案相对于现有技术，取得的有益效果是(I)本发明所述的全自动扫描系统及方法，采用具有滚动快门曝光模式及带状阵列或带子状阵列读出模式的扫描相机和能够沿相机快门滚动方向匀速运动的载物台，对切片样品进行扫描，由于扫描相机在滚动快门曝光模式下对前一巾贞图像曝光结束前可开始对下一帧图像进行并行曝光而且相机快门与样品匀速运动方向匹配，因此可以大大提升样品匀速运动速度的幅度，同时降低相机曝光过程中由于样品运动所造成的终结图像的运动模糊现象，从而提高整张切片扫描速度，在提高切片样品整张图像的获取速度的同时降低运动模糊；另外，扫描相机获取相邻两帧图像的过程中有并行曝光、曝光时间与图像输出时间也有并行，因此也大大提高切片样品整张图像获取速度；再有，由于沿X方向扫描切片样品过程中，载物台没有走走停停所需要加速、减速、等待系统振动稳定后再获取图像等周期性耗时过程。这三方面均使得扫描相机获取的图像又快又清晰稳定。(2)本发明所述的全自动扫描系统及方法，所获取的图像可以存储在存储装置内，供教学、远程病理诊断等各种场合随时调用查看。(3)本发明所述的光学聚焦装置，可以将不同波长的光信号聚焦至扫描相机的图像敏感元件上，不同波段光聚焦到不同行的像素上，可以根据实际需要提高荧光成像的多光谱通道数目到几十甚至上百，同一系统可适用于几十甚至上百的荧光染色，适用于上百个通道的荧光扫描虚拟切片系统。(4)本发明所述的可以窄带照明的照明装置，可以只对切片样品需要成像的部分照明，减少对带有荧光染色的切片样品12不必要的光致漂泊。(5)本发明所述的扫描相机可以是一黑白单色相机，黑白单色相机具有相对于彩色相机更高的量子效率，更适合在弱光下成像或者在明场观察但是由于曝光时间非常短所造成的单个像元每帧曝光时间内收集光子数少的情况下成像。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I是本发明所述的对显微切片的全自动扫描系统实施例一的框图；图2是本发明所述的对显微切片的全自动扫描系统实施例二的框图；图3是本发明所述的对显微切片的全自动扫描方法流程图。
具体实施例方式为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，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，并不用于限定本发明。 如图I所示，本发明所述的对显微切片的全自动扫描系统，包括载物台10、照明装置20、物镜30、Z轴控制器40。该载物台10用于放置切片样品12，并带动切片样品12沿X轴方向匀速运动、Y轴运动，将扫描相机50放置于传统数字显微成像系统的探测器位置，但是需要将相机50的成像面沿扫描系统的光轴(即系统Z轴)转动，使得相机50的滚动快门方向与载物台10运动方向一致；其中X、Y、Z轴方向两两互相垂直，X方向是指纸面的水平方向，Y轴方向是垂直于纸面的方向，Z轴方向是纸面向上方向。照明装置20用于对切片样品12的局部或全部照亮，照明装置20可以包括照明光源、光阑、光形整形装置等，照明光源可以采用汞灯、氦氖等、氙灯、LED、激光光源中的任一种。照明装置20可以与计算设备60电气连接，由计算设备60控制其工作状态。物镜30用于对照亮部分的切片样品(12)进行观察，物镜30可以是市面上销售的传统物镜，可以实现调节使用不同倍率M的物镜30。Z轴控制器40控制物镜30沿Z轴方向移动，以使物镜30可观察切片样品12 ；Z轴控制器40与计算设备60电连接，由计算设备60控制其工作。另外，对于载物台10，可以由XY轴控制器42控制其在X轴方向匀速和Y轴方向移动，驱动载物台10的沿X方向匀速运动的电机可以是易于实现高速匀速运动的电机如伺服电机或直流电机或压电陶瓷电机等，驱动载物台10的沿Y方向运动的电机可以是步进电机。如图I所示，本发明所述的扫描系统还包括扫描相机50和计算设备60。扫描相机50具有滚动快门(Rolling Shutter)曝光模式及带状阵列/带状子阵列读出模式，该扫描相机50对沿其快门滚动方向(即X方向)匀速移动的切片样品12进行连续数字成像扫描，该扫描相机50在滚动快门曝光模式下对前一帧图像曝光结束前可开始对下一帧图像进行并行曝光。在计算机显示屏上，上述“带状”是指长度方向包含像素大于宽度方向所包含像素，因而形成带状。即是，每一帧图像的长度方向为扫描相机50全像素Nx，宽度即扫描运动方向的像素M，Nx与M的关系满足2彡M < Nx ;另外，相机50输出的带状阵列输出模式是指输出图像一个方向含有的像素数目比另一个方向的多至少I倍，相机50输出的带状子阵列输出模式是指相机50输出图像一个方向含有的像素数目与另一个方向的像素数目接近。扫描相机50 可以科学级 CMOS 相机(SCMOS)，例如 Hamamatsu 的 SCMOSl 1440-50B、Flash4.0、以及Andor Neo SCMOS相机。采用CMOS相机，其读取噪音较低，成像质量及速度都较高；当然，采用CCD相机，也可以实现本发明所述的效果，只是其读取噪音较CMOS相相较高，而且大多CCD相机不具备滚动快门曝光模式。如图I所示，本发明所述的扫描系统还包括扫描系统还包括存储装置70，该存储装置70与计算设备60电连接，并用于存储计算设备60生成的完整数字切片。在合成数字切片的过程中，可以通过与计算设备60电连接的显示设备72进行观察。另外，计算设备60可以通过通讯接口 62与外部的系统总线64进行通讯，在系统总线64上可以连接多个老师用计算机、学生用计算机以进行教学用，也可以连接医生用计算机以进行病理分析与诊断。扫描相机50可以是一黑白单色相机，也可以是彩色相机。优选为黑白单色相机，黑白单色相机具有相对于彩色相机更高的量子效率，更适合在弱光下成像或者在明场观察但是由于曝光时间非常短所造成的单个像元每帧曝光时间内收集光子数少的情况下成像。切片样品12的移动速度矢量Vl与所使用物镜30的放大倍数M的乘积等于扫描相机50的快门滚动速度矢量V2，如此，可以保证切片样品12与扫描相 机50的快门相对静止，从而有利于提高切片样品12的匀速运动速度幅度并且获取稳定且清晰的图像；或者切片样品12的移动速度矢量Vl与所使用物镜(30)的放大倍数M的乘积与扫描相机(50)的快门滚动速度矢量V2关系为Vl = V2*K/(M*N)，其中，K为小于N自然数1、2、3···，Ν为扫描相机50的一帧图像行数，M为所使用物镜30的放大倍数。如此，保持切片样品12与一定的规律进行运动，同样有利于获取稳定且清晰的图像。扫描相机50采用连续无间断曝光，每帧图像曝光时间T与图像输出帧率f成反比T*f = 1，该关系表面专门用于图像输出的时间非常小，小到可以被忽略掉。如图2所示，本发明所述的显微切片的全自动扫描系统，还可以包括光学聚焦装置80、狭缝分光装置90及照明滤镜装置100中的一个或多个。狭缝分光装置90包括平行于Y轴方向的狭缝，以及一色散元件，将来自切片样品12的光路经过狭缝后，透过色散元件将光路沿X轴方向分散成红光、橙光、黄光、绿光、蓝光、靛光、紫光。光学聚焦装置80将来自切片样品12的光路聚焦于扫描相机50,可以将不同波长的光信号聚焦至扫描相机的图像敏感元件上，不同波段光聚焦到不同行的像素上。照明滤镜装置100包括至少一个激发滤镜102及与之匹配的分光镜104，照明装置20发出的光路经激发滤镜102过滤后，透过分光镜104并反射到切片样品12产生荧光。其成像原理如下来自照明光源20的光只有满足激发滤镜102透过光频率的光能够到达分光镜104，被分光镜104反射到切片样品12上。切片样品12因为受到特定波长的光激发，产生荧光，来自切片样品12的波长长于激发光波长的荧光可以透过分光镜104，进入物镜30。而从切片样品12发射来的波长较短的激发光被分光镜104阻挡，不能进入物镜30。因而，照明光源20可以获得的波段满足切片样品12荧光观察所需要的激发光的波段的光信号照射到切片样品12上，而只让来自切片样品12的荧光入射到物镜30，来自切片样品12的照明反射光/透射光等不能进入物镜30。如图I、图3所示，本发明解决现有技术中存在的技术问题，还提供了一种对显微切片的全自动扫描方法，该方法包括以下步骤步骤A，准备样品，S卩，将切片样品12放置在载物台10上，照明装置20照亮切片样品12的局部或全部区域。步骤B，描扫地图，即，采用低倍率的物镜20扫描切片样品12的载体，以获取切片样品12的全景图。
具体来说，为了降低对放置在载物台10上的带有切片样品12的载玻片的数字化扫描时间以及该过程所形成的数字切片图像的大小，以便减小后续图像存储所需硬盘并提高图像传输方便程度。在数字化整张切片时，可以只对载玻片上有细胞组织的部分在高倍数物镜下进行数字化。在高倍数物镜下进行数字化之前，使用低倍数物镜如IX物镜获得一张组织切片全景图。例如，使用IX物镜与IX匹配接头，Hamamatsu SCMOS Flash 4. O相机。在全分辨率的读出模式下，扫描相机50的视场扫过的组织样品实际尺寸为13. 312毫米长，13. 312毫米宽。地图扫描可以在几秒时间内完成从载玻片最左端开始，拍摄载物片第一幅全分辨率图像，在X方向移动载物台13. 3毫米，拍摄载物片第二幅全分辨率图像，重复4次后，获得沿着载玻片长度方向4次图像。之后使载物台沿着Y方向移动13毫米，拍摄载物片第五幅全分辨率图像，向左(负X方向)移动13毫米，排摄载物片第六幅全分辨率图像。总共最多移动7次，拍摄8幅全分辨率图像就可以覆盖一张50毫米长25毫米宽的标准载玻片。利用软件分析可以根据所获得的图像的对比度确定切片样品12在载物片的位置。载物台 10相对于物镜30的移动过程是先加速、接近目标位置后减速、停止在目标位置上(约200毫秒)，等待系统稳定下来(约400毫秒)，这个过程总共需要约150毫米时间。扫描地图最多需要7次移动，8次成像；总共时间为8幅像*1/100帧率+7次载物台移动*0. 60秒/移动+物镜转换需要约2秒钟=6. 30秒。即扫描地图可以在6. 3秒时间以内完成。步骤C,勻速运动，即载物台10带动切片样品12开始沿扫描相机50的快门滚动方向即X轴方向匀速运动。具体来说，为了提高切片样品12的匀速运动速度的幅度同时减少获得终结图像的运动模糊程度，切片样品的运动方向需要与扫描相机快门滚动方向一致。在相机50曝光过程中，切片样品12的移动速度矢量Vl与所使用物镜30的放大倍数M的乘积与扫描相机
(50)的快门滚动速度矢量V2关系为Vl = V2*K/(M*N)，其中，K为小于等于N自然数1、2、3···，N为扫描相机50的一帧图像行数，M为所使用物镜30的放大倍数。步骤D，聚焦调节，即，移动切片样品12同时Z轴控制器40调节物镜30在Z轴方向的位置，以使切片样品12位于物镜20的焦平面内。具体来说，在对整张切片样品12进行扫描数字化过程中，需要将切片样品12在纵向上移动到物镜30的景深之内才能对切片样品12进行摄像。聚焦方式采用业界普遍采用的方式之一如多点焦面建模法在样品区域内选择多个(X，Y)位置点，水平移动载物台10逐一到每个选择点，在Z轴方向上下移动物镜30，采用高倍率在每一个Z轴位置拍摄一帧全分辨率图像。在此(X，Y)位置上，样品相对于物镜30的Z轴移动过程中，获得一系列的图像，通过软件分析以确定最清晰、对比度最高的那一副图像对应的Z轴位置就是此(X，Y)位置的焦面位置。选用20个左右点进行焦面测量建模，约需要20秒时间，因而建立起切片样品12的焦面模型。当然，也可以采用其他焦面聚焦的方式，本发明不限定。在对切片样品12匀速扫描过程中，根据扫描位置(X，Y)，查看已经建好的焦面模型图，获得该切片样品12位置的焦面位置Ζ。由Z轴控制器40将切片样品12相对地移动到物镜30焦平面之内。在一帧图像到下一帧图像获取之间，焦面变化遵从焦面连续变换原贝U，因而变化幅度微小，可以在切片样品12沿X方向移动的时间内完成。步骤Ε，获取图像，即，扫描相机50在滚动快门曝光模式下对沿X方向匀速运动的切片样品12当前带状区域进行扫描并生成数字化图像。具体来说，本发明可以采用CMOS相机作为扫描相机50对切片样品12扫描成像。具有滚动快门曝光模式和带状阵列读出模式的CMOS相机，其每一水平行线上(H)的每个像素上都有独立的读取放大器，一水平行线的所有像素是通过一列读取放大器同时读出。因此，扫描相机50在扫描过程中，可以逐次获取带状的图像。扫描相机50在滚动快门曝光模式下对前一帧图像曝光结束前开始对下一帧图像进行并行曝光，同一帧图像曝光完毕前已经开始该帧图像的输出，即相机开启快门曝光时间与相机输出图像时间有并行重叠，以提高相机帧率、提高整张切片扫描速度减少整张切片扫描所需要时间。步骤F，当前带状区域是该带状区域所在X轴方向的最后一个区域吗？如果不是，则返回步骤C，否则进入步骤G ； 具体来说，切片样品12沿扫描相机50快门滚动方向(即X方向)相对于扫描相机50作匀速运动，切片样品12首先是X轴的最小值处逐渐增大X值，最后切片样品12到达X轴的最大值处，获得一条由多帧带状图像组成的图像块。切片样品12在匀速运动过程中，扫描相机50 —直处于连续曝光状态，输出由多帧图像组成的图像块。其中X轴的最小值、最大值得确定可以由步骤B扫描地图获得切片样品组织沿X方向分布的阈值范围[X最小值，X最大值]，沿Y方向分布的阈值[Y最小值，Y最大值]，通过查看载物台X当前位置是否超过[X最小值，X最大值]范围来定；也可以通过所获得图像是否有组织纹理来判断是否完成X方向条带扫描，还可以通过数从该条形块开始到目前所获得的图片个数是否达到最大值，该最大值估算为(X最大值-X最小值)*物镜放大倍数M/相机FOV沿Y方向宽度，还可以根据扫描时间来估算等等，在此不限制。在一种优化实施方案中，选用Hamamatsu Flash 4. O SCMOS相机,在2048Hx 8V子阵列读出模式下，该SCMOS相机一帧视场在图像传感器上的尺寸是长2048H*6. 5微米即13. 312毫米，宽为8*6. 5微妙即52微米。在20X物镜IX匹配接头下，该SCMOS相机一帧视场扫过的组织样品实际尺寸为0. 665毫米长，2. 6微米宽即一个狭长带状图像。在该例中，样品移动速度与CMOS相机快门滚动速度恒定同步(即两个速度保持恒定I : I的比例)。在具体实施中，载物台在X方向所配的电机为高速度直流、伺服或压电陶瓷电机。这样每帧图像获取时间，样品相对于相机沿X方向移动8行像素距离。组织样品12在相机50获取一帧相机视场图像过程中匀速运动，在两帧图像获取之间还是保持匀速运动，在获取一条图像块的过程中始终是保持同样速度匀速运动的。这样组织样品在沿X方向扫过相机的整个过程中，避免了切片数字化的一类方法即普通面阵相机排摄行列数相当的面阵成像过程中走走停停所需要的周期性的加速、减速、等待系统振动稳定的耗时过程。扫描相机50沿X方向扫描样品一条图像块的实际时间可以低于I秒钟，估算如下。相机一帧视场70在像空间长度2048像素X 6. 5微米/像素=13. 312毫米，宽度8像素X 6. 5微米/像素=52微米。采用20X物镜为例，相机一帧视场70在实际样品物空间长度为O. 665毫米，宽度为2. 6微米。大小为L : 15毫米X W : 15毫米的样品一条图像块71包含15毫米/2. 6微米即5769幅狭窄长条形状70的图像。排摄一条图像块71所需要时间为5769幅图像/25655帧率=O. 225秒。由于样品沿X方向匀速运动，图像块所包含的各帧图像自然对接，将各帧图像沿X方向拼接成一条图像块的计算量较小，可以在计算机60获取相机50扫描图像的同时进行。
整张切片12沿Y方向大约包含15毫米/0. 665毫米即22块这样的图像块。步骤G，当前条状区域是该带状区域是所在Y轴方向的最后一个区域吗？如是不是，则进入步骤H，否则进入步骤I。具体来说，判断方法与步骤F类似，只是步骤H是沿Y方向。在一种优化实施方案中，选用Hamamatsu Flash 4.0 SCMOS相机,在2048Hx 8V子阵列读出模式下，扫描一张大小为15毫米X 15毫米的样品的时间可以根据如下计算该样品包含22条像图像块，(样品宽度W15毫米/ 一帧视场70在实际样品物空间长度为O. 665毫米)。在扫描完一条图像块时，沿着X正方向运动的样品需要减速、停止，沿着负X方向以最大速度运动到样品最左端A，减速停止，再向Y方向移动70在实际样品物空间长度，开始进入下一条图像块的扫描(实际中X、Y方向运动可以同时重叠进行)。这个过程需要大约O. 6秒时间(O. 4秒移动，O. 2秒等待振动稳定)。因此数字化一张大小为15毫米X 15毫米的样品的时间为22条图像块X (O. 225秒/图像块+0. 6秒/开始移位到新图像带时间)= 18秒。步骤Η，Υ轴方向移动，S卩，在载物台10停止沿X方向匀速运动的同时，带动切片样品12沿与X方向垂直的Y方向移动到下一带状区域，并返回至步骤C。在这个过程中扫描相机50不会曝光成像，计算设备60可以合成已经获取的多幅图像块。步骤I，停止运动并输出合成图像，S卩，对切片组织区域的扫描完成，载物台停止X、Y方向运动，计算设备60将扫描相机50的滚动快门所扫描的带状图像拼合成切片样品12的完整数字切片。具体来说，本发明所获得的多个图像块，可以根据图像纹理、相互关联程度等进行无缝拼接，以形成完整的数字切片。作为优选方案，步骤I之后进一步包括步骤J，存储装置70保存拼合成的完整数字切片以供调用查看。作为另一优选方案，该方法在步骤B之后步骤C之前，进一步包括步骤Β2，焦面建模，即，采用高倍率的物镜30获取切片样品12上各区域的焦面位置，并建立切片样品12的焦面模型，从而可以提高扫描速度。上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
权利要求
1.ー种对显微切片的全自动扫描系统,包括， 载物台(10)，该载物台(10)用于放置切片样品(12)并带动切片样品(12)沿X轴方向匀速地运动、沿Y轴方向移动，X、Y轴方向彼此垂直并构成水平面； 照明装置(20)，该照明装置(20)用于对切片样品(12)的局部或全部照亮； 物镜(30)，该物镜(30)用于对照亮部分的切片样品(12)进行观察； Z轴控制器(40)，该Z轴控制器(40)控制物镜(30)沿Z轴方向移动，以使物镜(30)可观察切片样品(12)，Z轴方向沿该显微切片的全自动扫描系统的成像光轴方向，与X、Y轴分别垂直，X，Y、Z三轴构成正交坐标系； 其特征在干，该扫描系统还包括， 扫描相机(50)，该扫描相机(50)具有滚动快门曝光模式及带状阵列或帯状子阵列读出模式，该扫描相机(50)对匀速移动的切片样品(12)的帯状局部区域进行连续数字成像扫描，该扫描相机(50)在滚动快门曝光模式下对前ー巾贞图像曝光结束前可开始对下一中贞图像进行并行曝光，该扫描相机(50)的快门滚动方向与载物台匀速运动X方向保持一致； 计算设备(60)，该计算设备￠0)将连续曝光的多帧图像拼合成ー完整数字切片。
2.根据权利要求I所述的对显微切片的全自动扫描系统，其特征在于，该扫描系统还包括一存储装置(70)，该存储装置(70)与计算设备￠0)电连接，并用于存储计算设备(60)生成的完整数字切片。
3.根据权利要求I所述的对显微切片的全自动扫描系统，其特征在于，所述载物台(10)沿第一方向X方向匀速运动的动力源是伺服电机或直流电机或压电陶瓷电机。
4.根据权利要求I所述的所述的对显微切片的全自动扫描系统，其特征在于，所述显微成像系统的照明装置(20)对切片样品(12)的长条带状照明。
5.根据权利要求I所述的对显微切片的全自动扫描系统，其特征在于，该扫描系统还包括一光学聚焦装置(80)，该光学聚焦装置(80)将来自切片样品(12)的光路聚焦于扫描相机(50)。
6.根据权利要求I所述的对显微切片的全自动扫描系统，其特征在于，该扫描系统还包括狭缝分光装置(90)，该狭缝分光装置(90)包括平行于Y轴方向的狭缝(92)，以及一色散元件(94)，将来自切片样品(12)的光路经过狭缝(92)后，透过色散元件(94)将光路沿X轴方向分散成红光、橙光、黄光、绿光、蓝光、靛光、紫光。
7.根据权利要求I所述的对显微切片的全自动扫描系统，其特征在于，该扫描系统还包括照明滤镜装置(100)，该照明滤镜装置(100)包括至少ー个激发滤镜及与之匹配的分光镜，照明装置(20)发出的光路经激发滤镜过滤后，透过分光镜并反射到切片样品(12)，并激发切片样品(12)使其产生荧光。
8.根据权利要求I所述的对显微切片的全自动扫描系统，其特征在于，所述扫描相机(50)是ー具有滚动快门暴光模式的黑白单色相机。
9.根据权利要求I所述的对显微切片的全自动扫描系统，其特征在于，所述切片样品(12)的移动速度矢量Vl乘以物镜(30)放大倍数M后小于等于扫描相机(50)的快门滚动速度矢量V2，用公式表示为V1 = V2*KバM*N)，其中，K为小于等于N的自然数1、2、3…，N为扫描相机(50)的一帧图像行数，M为所使用成像物镜(30)的放大倍数。
10.ー种对显微切片的全自动扫描方法，其特征在于，包括以下步骤、步骤A，准备样品，S卩，将切片样品(12)放置在载物台(10)上，照明装置(20)照亮切片样品(12)的局部或全部区域； 步骤B，描扫地图，S卩，采用低倍率的物镜(30)扫描切片样品(12)的载体，以获取切片样品(12)的全景图； 步骤C，X轴方向匀速运动，即载物台10带动切片样品12开始沿扫描相机(50)的快门滚动方向即X轴方向匀速运动； 步骤D，聚焦调节，S卩，移动切片样品(12)同时Z轴控制器(40)调节物镜(30)在Z轴方向的位置，以使切片样品(12)位于物镜(30)的焦平面内； 步骤E，获取图像，S卩，扫描相机(50)在滚动快门曝光模式下对沿X方向匀速运动的切片样品(12)当前帯状区域进行扫描并生成数字化图像； 步骤F，当前帯状区域是该带状区域所在X轴方向的最后ー个区域吗？如果不是，则返回步骤C，否则进入步骤G ; 步骤G，当前条状区域是该带状区域是所在Y轴方向的最后ー个区域吗？如果不是，则进入步骤H，否则进入步骤I ; 步骤H，Y轴方向移动，S卩，在载物台10停止沿X方向匀速运动的同时，带动切片样品(12)沿与X方向垂直的Y方向移动到下一帯状区域，并返回步骤C ； 步骤I，停止运动并输出合成图像，即，对切片样品(12)的扫描完成，载物台停止X、Y方向运动，计算设备60将扫描相机(50)的滚动快门所扫描的帯状图像拼合成切片样品(12)的完整数字切片。
11.根据权利要求10所述的对显微切片的全自动扫描方法，其特征在于，该方法在步骤I之后，进ー步包括步骤J， 存储装置(70)保存拼合成的完整数字切片以供调用查看。
12.根据权利要求10所述的对显微切片的全自动扫描方法，其特征在于，该方法在步骤B之后步骤C之前，进ー步包括步骤B2， 焦面建模，即，采用高倍率的物镜(30)获取切片样品(12)上各区域的焦面位置，并建立切片样品(12)的焦面模型。
13.根据权利要求10所述的对显微切片的全自动扫描方法，其特征在于，该方法步骤C中， 切片样品(12)的移动速度矢量Vl与扫描相机(50)的快门滚动速度矢量V2关系为Vl=V2*KバM*N)，其中，K为小于等于N的自然数1、2、3…，N为扫描相机(50)的一帧图像行数，M为所使用成像物镜(30)的放大倍数。
14.根据权利要求10所述的对显微切片的全自动扫描方法,其特征在于，扫描相机(50)在滚动快门曝光模式下对前ー帧图像曝光结束前开始对下一帧图像进行并行曝光。
全文摘要
本发明公开了一种对显微切片的全自动扫描系统及方法，该系统包括载物台、照明装置、物镜、Z轴控制器，还包括扫描相机和计算设备，该扫描相机具有滚动快门曝光模式及带状阵列或带状子阵列读出模式，该扫描相机对沿其快门滚动方向匀速移动的切片样品的带状局部区域进行连续数字成像扫描，该扫描相机在滚动快门曝光模式下对前一帧图像曝光结束前可开始对下一帧图像进行并行曝光；该计算设备将连续曝光的每一帧图像拼合成一完整数字切片。采用上述方案，可以提高切片样品匀速运动速度，同时降低扫描相机曝光时间中样品运动所造成的运动模糊，提高图像的获取速度，并且扫描相机获取的图像清晰稳定。
文档编号G02B21/00GK102854615SQ20121012874
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者易定容 申请人:麦克奥迪实业集团有限公司