成像系统、盒和使用其的方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及成像领域并且更特别地，涉及成像系统，载片盒以及处理载片上的生 物样品的方法。
【背景技术】
[0002] 指示疾病的细胞结构中的变化的分子成像识别对于在医学科学中更好地理解经 常是重要的。显微术应用可以应用于微生物学(例如，革兰氏染色法等)，植物组织培养，动 物细胞培养(例如，相衬显微术等)，分子生物学，免疫学(例如，ELISA等)，细胞生物学(例 如，免疫荧光，染色体分析等)，共焦显微术，时移和活细胞成像，逐幅成像，和三维成像。
[0003] 在手动的显微术方法中，手动地将样本承载载片加载到显微镜中并且通过显微镜 的目镜进行查看。在医疗应用中，病理学家能够察看细胞特性，被感染的细胞对比于未被感 染的细胞的计数或样本的其它特性。由于每个载片的处置时间的原因，分析大量的样本经 常是耗时的。长的处理时间可能耽误精确的诊断和治疗。附加地，常规的显微镜经常不能 捕获合适用于存档和稍后使用的高分辨率和高质量图像。
[0004] 在自动的显微术方法中，数字图像经常被收集、在高分辨率监视器上查看、共享以 及针对稍后使用而被存档。不幸的是，常规的自动载片处理系统经常出错，包括载片误处 置、显微镜载片与光学部件(例如，照相机，成像捕获装置等）的误对准，以及显微镜载片的 破损。以举例子的方式，常规的可靠设备经常夹持显微镜载片的标签端部。在标签处可能 存在被露出的残留胶。如果夹持器接触邻近于标签的载片的边缘或标签的边缘，则露出的 残留胶可能粘住或粘附于夹持器。这可能造成载片的误处置。
【发明内容】
[0005] 在一些实施例中，保持盒的显微镜载片包括主体，多个架子以及多个支撑构件。主 体被配置成围绕并保护显微镜载片并且包括第一侧壁和第二侧壁。架子能够支撑显微镜载 片并且被定位在第一和第二侧壁之间。当保持盒的显微镜载片在直立的取向中时，架子能 够被垂直地彼此分隔开。支撑构件远离相应的架子延伸并且包括伸长本体和卡件。卡件从 伸长本体向上突出并且能够限制定位的显微镜载片沿着伸长本体移动。
[0006] 在一些其它实施例中，一种运送显微镜载片的方法，包括：使用拾取装置在不接触 显微镜载片上的标签的边缘的情况下并且不接触显微镜载片的邻近于标签的边缘的情况 下拾取显微镜载片。使用拾取装置将显微镜载片运送到所需的位置。在一些实施例中，在 不接触标签的边缘的情况下并且不接触载片边缘的情况下，在至少两个处理站(例如着色 单元，盖片机，成像系统，光学扫描仪，光学成像系统）之间运送显微镜载片。
[0007] 在一些实施例中，显微镜载片拾取装置包括端部执行器，端部执行器包括具有上 表面和下表面的伸长平面平台。在平台的上侧定位流体管路。头元件包括连接器和吸头。 连接器被定位在平台的上侧并且被耦接至流体管路。吸头被定位在平台的下侧。
【附图说明】
[0008] 参照下面的附图描述非限定的并且非穷举的实施例。贯穿各个视图，除非另外指 明，相同的参考数字指的是同似的部分或者动作。
[0009] 图1是根据在此描述的系统的各种实施例的扫描显微镜和/或其它扫描装置的成 像系统的示意性图解，扫描显微镜和/或其它扫描装置可以包括与数字病理学样品扫描和 成像相关地使用的各种部件装置。
[0010] 图2是示出根据在此描述的系统的实施例的包括聚焦系统的成像装置的示意性 图解。
[0011] 图3A和3B是示出控制系统可以包括适当的电子器件的控制系统的实施例的示意 性图解。
[0012] 图4是更详细地示出根据在此描述的系统的实施例的抖动聚焦台的示意性图解。
[0013] 图5A-5E是示出根据在此描述的系统的聚焦操作的迭代的示意性图解。
[0014] 图6A是示出根据在此描述的系统的实施例的抖动聚焦光学器件的命令波形和锐 度确定的绘图的示意性图解。
[0015] 图6B是示出用于抖动透镜的正弦波运动的一部分的所计算的锐度（Zs)值的绘图 的示意性图解。
[0016] 图7A和7B是示出根据在此描述的系统的实施例的样本(组织)的聚焦确定和调整 的示意性图解。
[0017] 图8是示出根据在此描述的系统的实施例的包括用于在由抖动聚焦光学器件采 样的多个点处的每个锐度响应的锐度曲线和对比率的锐度轮廓的例子的示意性图解。
[0018] 图9示出图解用以产生控制信号以控制缓慢聚焦台的对比度功能的使用的功能 控制环框图。
[0019] 图10是示出根据在此描述的系统的实施例的与聚焦处理相关地被拆分成各区的 聚焦窗口的不意性图解。
[0020] 图11示出用于依照在此的技术的实施例的在各时间点可获得的不同锐度值的图 形图解。
[0021] 图12是示出根据在此描述的系统的实施例的在经受检查的样本的扫描期间的动 态即时聚焦处理的流程图。
[0022] 图13是示出根据在此描述的系统的实施例的在缓慢聚焦台处进行处理的流程 图。
[0023] 图14是示出根据在此描述的系统的实施例的图像捕获处理的流程图。
[0024] 图15是示出根据在此描述的系统的实施例的用于聚焦处理的替换布置的示意性 图解。
[0025]图16是示出根据在此描述的系统的另一实施例的用于聚焦处理的替换布置的示 意性图解。
[0026] 图17是示出根据在此描述的系统的实施例的用以获取载片上的组织的马赛克图 像的处理的流程图。
[0027] 图18是示出根据在此描述的系统的实施例的XY台的精密台（例如，Y台部分）的 实施方式的示意性图解。
[0028] 图19A和19B是根据在此描述的系统的实施例的精密台的移动台块的更详细视 图。
[0029] 图20示出根据在此讨论的精密台特征的并且包括根据在此描述的系统的实施例 的Y台、X台和底板的整个XY混合台的实施方式。
[0030] 图21是示出根据在此描述的系统的实施例的载片缓存装置的示意性图解。
[0031] 图22A是示出根据在此描述的系统的实施例的与第一载片相关的载片缓存处理 的流程图。
[0032] 图22B是示出根据在此描述的系统的实施例的与第二载片相关的载片缓存处理 的流程图。
[0033] 图23A和23B示出使用根据在此描述的系统的实施例的载片缓存技术的时序图并 且图示出根据在此描述的系统的各种实施例的时间节省。
[0034] 图24是示出根据在此描述的系统的另一实施例的载片缓存装置的示意性图解。
[0035] 图25A是示出根据针对具有用于载片处理的两个XY混合台的载片缓存装置描述 的系统的实施例的与第一载片相关的载片缓存处理的流程图。
[0036] 图25B是示出根据针对具有用于载片处理的两个XY混合台的载片缓存装置描述 的系统的实施例的与第二载片相关的载片缓存处理的流程图。
[0037] 图26是示出根据在此描述的系统的另一实施例的载片缓存装置的示意性图解。
[0038] 图27是示出根据图26的载片缓存装置的另一视图的示意性图解。
[0039] 图28A-28J是示出根据在此描述的系统的实施例的图26和27的载片缓存装置的 载片缓存操作的示意性图解。
[0040] 图29是示出根据在此描述的系统的实施例的用于使用发光二极管（LED)照明组 件来对载片进行照明的照明系统的示意性图解。
[0041] 图30是示出根据在此描述的系统的用于LED照明组件的实施例的更详细的视图 的示意性图解。
[0042] 图31是示出根据在此描述的系统的实施例的LED照明组件的特定实施方式的爆 炸视图的示意性图解。
[0043] 图32是示出根据在此描述的系统的实施例的可以与数字病理成像相关地使用的 高速载片扫描装置的示意性图解。
[0044] 图33是更详细地示出根据在此描述的系统的实施例的高速载片扫描装置的托盘 上的凹进处的示意性图解。
[0045] 图34是示出相对于载片而言起始于第一径向位置以便对凹进处中的载片上的样 本进行成像的成像路径的示意性图解。
[0046] 图35A和35B是示出根据在此描述的系统的另一实施例的旋转载片保持器上的载 片的替换布置的示意性图解。
[0047] 图36是示出根据在此描述的系统的实施例的包括被设置成检查载片上的样本的 物镜的成像系统的示意性图解。
[0048] 图37是示出根据在此描述的系统的实施例的使用可旋转的托盘的高速载片扫描 的流程图。
[0049] 图38是示出根据在此描述的系统的实施例的光学双重图像系统的示意性图解。
[0050] 图39A和39B是示出根据在此描述的系统的实施例的在图像传感器的前面的第一 镜筒透镜和第二镜筒透镜的往复运动的光学双重图像系统的示意性图解。
[0051] 图40是依照一个实施例的成像系统的前部、顶部和左侧等角视图。
[0052] 图41是图40的成像系统的前部、顶部和左侧等角视图。外部保护外壳示出为被 移除。
[0053] 图42是图40的成像系统的后部、顶部和右侧等角视图，其中保护外壳示出为被移 除。
[0054] 图43是图40的成像系统的顶部平面视图。
[0055] 图44是依照一个实施例的拾取装置的等角视图。
[0056] 图45是图44的拾取装置的顶部平面视图。
[0057] 图46是沿着图45的线46-46取得的拾取装置的截面视图。
[0058] 图47是图44的拾取装置的等角视图。
[0059] 图48是图46的拾取装置的详细视图。
[0060] 图49是载片保持器装置的前部、顶部、右侧等角视图。
[0061] 图50是图49的载片保持器装置的后部、顶部、左侧等角视图。
[0062] 图51是图49的载片保持器装置的前部立视图。
[0063] 图52是沿着图51的线52-52取得的载片保持器装置的截面视图。拾取装置被定 位成将载片插入到载片保持器装置中。
[0064] 图53是图52的载片保持器装置的详细的视图。
[0065] 图54是上架子的端部的详细的视图。
[0066] 图55是沿着图51的线53-53取得的载片保持器装置的截面视图。
[0067] 图56A是被定位在载片保持器装置的上架子上方的载片的前部立视图。
[0068] 图56B是放到图56A的上架子上的载片的前部立视图。
【具体实施方式】
[0069]图1是根据在此描述的系统的各种实施例的扫描显微镜和/或其它扫描装置的成 像系统5的示意性图解，扫描显微镜和/或其它扫描装置可以包括与数字病理学样品扫描 和成像相关地使用的各种部件装置。除了其它部件系统50以外，成像系统5可以包括具有 聚焦系统10的成像装置，载片台系统20、载片缓存系统30和照明系统40,如在此于别处进 一步详细讨论那样。还应注意，可以与如在Dietz等人的题为"DigitalMicroscopeSlide ScanningSystemandMethods(数字显微镜载片扫描系统和方法)"的美国专利申请公开 号2008/0240613A1 (通过引用将其合并于此）中描述的用于图像捕获、缝合以及放大的显 微镜载片扫描仪器架构和技术相关地使用在此描述的系统，其包括在没有相当大的精确度 损失的情况下与用放大重构图像并显示或存储被重构的图像相关联的特征。
[0070]图2是示出根据在此描述的系统的实施例的光学扫描显微镜和/或其它适当成像 系统的成像装置100的示意性图解，其包括用于取得被设置在载片上的组织样品101和/ 或其它对象的聚焦图像的聚焦系统的部件。在此描述的聚焦系统提供随着快照被捕获而针 对每个快照确定最佳聚焦，可以将其称为"动态即时聚焦"。在此提供的装置和技术导致形 成病理载片中的区域的数字图像所需的时间的明显减少。在此描述的系统将常规系统的两 步方法的步骤集成并本质上消除了预聚焦所需的时间。在此描述的系统提供使用用于捕获 快照的动态即时处理来创建显微镜载片上的样本的数字图像，其中用于捕获所有快照的总 时间小于在捕获快照之前使用针对每个快照的预确聚焦点的步骤的方法所需的时间。
[0071] 成像装置100可以包括成像传感器110,诸如电荷耦合器件（CXD)和/或互补金属 氧化物半导体（CMOS)图像传感器，其可以是捕获数字病理图像的照相机111的一部分。成 像传感器110可以从显微镜物镜120接收经由镜筒透镜112、束分离器114以及包括诸如聚 光器116和光源118和/或其它适当光学部件119的被传输光显微镜的其它部件传输的被 传输光。可以对显微镜物镜120进行无限远修正。在一个实施例中，束分离器114可以提 供分配近似70%的光束源指向图像传感器110以及约30%的其余部分沿着路径指向抖动聚 焦台150和聚焦传感器160。可以将被成像的组织样品101设置在可以沿着X和Y方向移 动并且可以被如在此于别处进一步讨论的那样进行控制的XY移动台130上。聚焦台140 可以控制显微镜物镜120沿Z方向的移动以使由图像传感器110捕获的组织101的图像聚 焦。聚焦台140可以包括用于使显微镜物镜120移动的电动机和/或其它合适的装置。抖 动聚焦台150和聚焦传感器160被用于根据在此描述的系统提供用于动态即时聚焦的细聚 焦控制。在各种实施例中，聚焦传感器160可以是C⑶和/或CMOS传感器。
[0072] 抖动聚焦台150和聚焦传感器160根据在成像处理期间快速地计算的锐度值和/ 或其它度量来提供动态即时聚焦以随着每个图像快照被捕获而获得用于每个图像快照的 最佳聚焦。如在此于别处进一步详细地讨论的，可以使抖动聚焦台150以一定的频率，例如 以正弦运动来进行移动，其独立于并且超过对于显微镜物镜120的更缓慢运动而言可行的 移动频率。由聚焦传感器160进行用于在抖动聚焦台150的运动范围内的组织查看的聚焦 信息的多个测量。聚焦电子器件和控制系统170可以包括用于控制聚焦传感器和抖动聚焦 台150的电子器件、主时钟、用于控制缓慢聚焦台140 (Z方向）的电子器件、XY移动台130 以及依照在此的技术的系统的实施例的其它部件。聚焦电子器件和控制系统170可以被用 于使用来自抖动聚焦台150和聚焦传感器160的信息来执行锐度计算。可以在由抖动移动 定义的正弦曲线的至少一部分内计算锐度值。聚焦电子器件和控制系统170然后可以使 用该信息来确定用于组织的最佳聚焦图像的位置并命令缓慢聚焦台140使显微镜物镜120 移动到所需的位置(沿着Z轴，如所示那样）以便在成像处理期间获得最佳聚焦图像。控制 系统170还可以使用该信息来控制XY移动台130的速度，例如，台130沿Y方向的移动的 速度。在实施例中，可以通过对相邻像素的对比度值进行差分化，对其求平方并将那些值加 在一起以形成一个分数来计算锐度值。在此于别处进一步讨论了用于确定锐度值的各种算 法。
[0073] 在根据在此描述的系统的各种实施例中，并且依照在此于别处讨论的部件，一种 用于创建显微镜载片上的样本的数字图像的装置包括：被无穷远修正的显微镜物镜；束分 离器；照相机聚焦透镜；高分辨率照相机；传感器聚焦透镜组；抖动聚焦台；聚焦传感器； 聚焦粗(缓慢）台；以及聚焦电子器件。该装置可以允许在不需要在捕获快照之前预定用于 所有快照的聚焦点的情况下使物镜聚焦并通过照相机来捕获每个快照，并且其中用于捕获 所有快照的总时间小于要求在捕获快照之前预定用于每个快照的聚焦点的步骤的系统所 需的时间。该系统可以包括计算机控制，用于：i)在组织上确定第一聚焦点以通过使粗聚 焦台移动通过整个z范围并监视锐度值来建立标称聚焦面；ii)以在所关心区域的一角处 开始的X和y来对组织进行定位；iii)将抖动细聚焦台设定为运动，其中抖动聚焦台被同 步到主时钟，该主时钟也控制xy台的速度；iv)命令台从帧移动到邻近帧，和/或v)产生 触发信号以获取图像传感器上的帧并触发光源以创建光脉冲。
[0074] 进一步地，根据另一实施例，在此描述的系统可以提供用于创建在显微镜载片上 的样本的数字图像的计算机实施方法。该方法可以包括确定包括显微镜载片的区域(该区 域包括样本的至少一部分）的扫描区域。可以将该扫描区域划分成多个快照。可以使用显 微镜物镜和照相机来捕获快照，其中可以在不需要在捕获快照之前预定用于所有快照的聚 焦点的情况下针对每个快照进行使物镜和显微镜聚焦并通过照相机来捕获每个快照。用于 捕获所有快照的总时间可以小于要求在捕获快照之前预定用于每个快照的聚焦点的步骤 的方法所需的时间。
[0075] 图3A是包括聚焦电子器件161、主时钟163和台控制电子器件165的聚焦电子器 件和控制系统170的实施例的示意性图解。图3B是聚焦电子器件161的实施例的示意性 图解。在所图解的实施例中，聚焦电子器件161可以包括诸如合适地快速的A/D转换器171 和具有可以用于作出锐度计算的微处理器173的现场可编程门阵列（FPGA)172的适当的电 子器件。A/D转换器171可以从被耦合到FPGA 172和微处理器173并被用于输出锐度信息 的聚焦传感器160接收信息。包括在系统170中的主时钟可以向聚焦电子器件161、台控制 电子器件165以及系统的其它部件供给主时钟信号。台控制电子器件165可以生成被用于 控制缓慢聚焦台140、XY移动台130、抖动聚焦台150的控制信号和/或其它控制信号和信 息，如在此于别处进一步讨论的那样。除了其它信息以外，FPGA 172可以向聚焦传感器160 供给时钟信号。实验室中的测量示出可以在18微秒内作出640X32像素帧上的锐度计算， 容易地快到足以用于在此描述的系统的合适的操作。在实施例中，聚焦传感器160可以包 括被窗口化成640 X 32条的单色(XD照相机，如在此于别处进一步讨论的那样。
[0076] 扫描显微镜可以获取包括RGB或某个其它色彩空间中的对比度信息和/或强度信 息的1D或2D像素阵列，如在此于别处进一步讨论的那样。系统在例如25mmX50mm玻璃 载片上的大的视野内找到最佳聚焦点。许多商用系统对由具有CCD阵列的20x、0. 75NA显 微镜物镜产生的场景进行米样。给定物镜和聚光器的0.75的NA和500nm的波长，光学系 统的横向分辨率为大约〇. 5微米。为了以尼奎斯特频率对该分辨率元素进行采样，对象处 的像素大小为大约0.25微米。对于具有7. 4微米的像素大小、以30fps运行的4M像素 照相机(例如DalsaFalcon4M30/60)而言，从对象到成像照相机的放大是7. 4/0. 25=30x。 因此，2352X1728下的一个帧可以覆盖对象处的0.588mmXO. 432mm的区域，其对于在面 积上被定义为15_X15 _的典型组织切片而言等同大约910个帧。在聚焦尺寸的组织 空间改变比对象处的帧大小更低得多的情况下理想地使用在此描述的系统。实际上聚焦的 改变在更大的距离内发生并且作出大部分的聚焦调整以修正偏斜。这些偏斜在对象处一般 地在每帧尺寸0. 5-1微米的范围内。
[0077] 对于当前扫描系统(例如BiolmageneiScanCoreo系统）而言所得到的时间对于 20x15mmX15mm场的预扫描和扫描而言为大约3. 5分钟并且对于15mmX15mm场的 40x扫描而言为大约15分钟。通过在26个道次中运行35个帧来扫描15mmX15mm场。 可以用1秒的回扫描时间单向地进行扫描。使用根据在此描述的系统的技术来进行扫描的 时间可以为大约5秒以找到标称聚焦面，每道次1. 17秒（25道次)，总共5+25X(1. 17+1) =59. 25秒(大约1分钟)。相比于常规方法而言这是相当大的时间节省。在此描述的系统的 其它实施例可以允许甚至更快的聚焦时间，但是可能发生对用以避免连续扫描上的运动模 糊的短照明时间所需的光量的限制。允许高峰值照明的脉冲调制或选通光源118可以缓解 该问题，该光源118可以如在此于别处进一步讨论的那样为LED光源。在实施例中，可以由 聚焦电子器件和控制系统170来控制光源118的脉冲调制。另外，双向地运行系统将消除 回描时间，对于20x扫描节省大约25秒，导致35秒的扫描时间。
[0078] 应当注意到，与聚焦电子器件和控制系统170相关地使用的部件还可以更一般地 被称为用于与在此描述的技术的实施例相关地执行多种不同功能的电部件。
[0079] 图4是根据在此描述的系统的实施例的更详细地示出抖动聚焦台150的示意性图 解。抖动聚焦台150可以包括可以被诸如声音线圈致动器的一个或多个致动器152a、b移 动并且可以被安装到刚性外壳15