一种基于图像识别定位的组织芯片制芯系统的制作方法

本实用新型涉及一种指芯系统，特别涉及一种通过图像识别定位的组织芯片制芯系统，属于生物和医学器械技术领域。

背景技术：

组织阵列，也称组织微阵列(TMAS)，即在一个单一的受体块(接收块) 或石蜡块上放有多个不同的组织样本。用切片机将受体块(接收块)按通常方法进行切片，得到标本。

组织微阵列技术是一项重大的实验技术革新，临床病理学家和生物学家利用阵列生物组织和病理标本的切片进行分析，获得高通量生物组织和病理标本状况及变化的关键信息。

组织阵列制作过程中需要使用中空的取样针从各种组织或样本块，冲压制备组织芯，逐一修整组织芯后，再将组织芯按既定顺序放置在同一个受体块里。制备多样本组织阵列时，取样和组织芯修整等重复性操作非常费时费力。目前市场上常用的组织芯片制备系统和方法仍存在如下问题：首先，目前的组织芯片制备采用取样针进行取样，如：中国实用新型申请号：201620069234.6；授权公告号： CN 205317515U中取样针取样以按压环转方式取样，尽管对供体组织块或蜡块影响较小，但难以保证所取组织芯的完整性，制备的蜡芯中组织压缩、变形、断裂等问题严重；此外，取样针所取样深度不易控制，尽管现有机械取样装置能精确控制穿刺深度，但对于较薄的样品取样时，可能导致蜡芯前端为空白蜡芯，因此制备的组织芯片中组织芯不位于同一平面，切片后的芯片阵列出现空位点，降低了芯片制备效率和成品率。其次，如中国实用新型，申请号：201310396643.8；申请公布号：CN 103439163A采用的活版式组织芯片制备仪器及方法中的蜡模置入蜡芯过程中需要人工操作，仍然没有实现完全的自动化并且精确度也难以保证；同时该实用新型中蜡芯寻址的结果需要手工编码和记录，效率低下的同时也难以保证准确性。最后，极少数带有图像识别自动化组织芯片制备仪器问世，然而全部是用于针型取样机的，并且其自带的单一的二维图像识别监控系统无法完全控制线切割的取芯，只能从蜡块的上部选择取样的区域，不能从侧面选择取样深度，容易出现空白蜡芯，最终无法兼顾自动化程度和取芯质量。

技术实现要素：

针对现有的组织阵列的制作技术存在的缺陷，本实用新型的目的是在于提供一种基于图像识别定位的组织芯片制芯系统，该制芯系统自动化程度高，视觉识别定位精准、识别速率快，对样品组织损伤小，取芯效率和成品率较高，且可针对制备的组织芯的信息建立数据库进行管理，提高组织芯的信息的完整性和可追溯性。

为了实现上述技术目的，本实用新型提供了一种基于图像识别定位的组织芯片制芯系统，其包括切割系统和计算机控制系统；

所述切割系统包括数控切割机、XYZ轴平动工作台、360度旋转转台、冷冻台、受体蜡块架和图像识别定位模块；

所述数控切割机包括切割机工作台和切割器，所述切割机工作台上安装有 XYZ轴平动工作台，所述受体蜡块架设置在XYZ轴平动工作台上，所述XYZ 轴平动工作台上设有360度旋转转台，所述360度旋转转台上设有冷冻台，所述受体蜡块架设置在冷冻台上，所述切割器设置在冷冻台上方；

所述图像识别定位模块包括线阵CCDa和线阵CCDb，线阵CCDa设置在冷冻台上方，用于识别和采集X-Y平面的图形，线阵CCDb设置在360度旋转转台侧部，用于识别和采集Z轴方向的图形，线阵CCDa和线阵CCDb均与计算机控制系统连接。

优选的方案，所述数控切割机为数控金刚石线切割机或数控光纤激光切割机。数控切割机用于切割受体蜡块的样品组织获得蜡芯；优选为数控金刚石线切割机。选择合适的数控切割机对样品组织损伤小、切割快速精准，更有利于切割受体蜡块的样品组织。

优选的方案，所述XYZ轴平动工作台由上往下依次为X轴平动工作台、Y 轴平动工作台和Z轴平动工作台。XYZ轴平动工作台可以控制放置样品的受体蜡块的受体蜡块架在三维空间内自由移动。

较优选的方案，X轴平动工作台和Y轴平动工作台之间设有X轴滑动装置。主要控制放置样品的受体蜡块的受体蜡块架在X轴方向平动。

较优选的方案，Y轴平动工作台和Z轴平动工作台之间设有Y轴滑动装置。主要控制放置样品的受体蜡块的受体蜡块架在Y轴方向平动。

较优选的方案，Z轴平动工作台在下部设有升降螺柱。主要控制放置样品受体蜡块的受体蜡块架在Z轴方向上下移动。

较优选的方案，X轴平动工作台侧面设有X轴步进电机，Y轴平动工作台侧面设有Y轴步进电机，Z轴平动工作台底部设有Z轴步进电机。X轴步进电机与X轴平动工作台通过螺杆连接，X轴步进电机带动螺杆转动，驱动X轴平动工作台沿X轴平动。Y轴步进电机与Y轴平动工作台通过螺杆连接，Y轴步进电机带动螺杆转动，驱动Y轴平动工作台沿Y轴平动。Z轴步进电机带动升降螺柱转动驱动Z轴平动工作台沿Z轴平动。

较优选的方案，X轴步进电机和Y轴步进电机分别控制X轴滑动装置和Y 轴滑动装置，用于驱动X轴平动工作台和Y轴平动工作台在X-Y平面内任意角度平动。

较优选的方案，Z轴步进电机通过控制升降螺柱驱动Z轴平动工作台沿Z 轴方向上下移动。

较优选的方案，X轴、Y轴和Z轴的行程范围均为-100mm～100mm。整个 XYZ轴平动工作台可以控制放置样品的受体蜡块在边长为200mm的立方三维空间内可以任意移动。

进一步优选的方案，所述X轴滑动装置或Y轴滑动装置为滑台、导轨和滚珠丝杆套装组合。在滑台与导轨之间安装滚珠丝杆，将滑台与导轨的轴承由滑动转化为滚动，能精确控制滑台与导轨之间的相对移动距离。

进一步优选的方案，所述X轴滑动装置的滑台设置在X轴平动工作台底部， X轴滑动装置的导轨设置在Y轴平动工作台顶部，X轴滑动装置的滑台和导轨之间设有滚珠丝杆。

进一步优选的方案，所述Y轴滑动装置的滑台设置在Z轴平动工作台底部， Y轴滑动装置的导轨设置在Z轴平动工作台顶部，Y轴滑动装置的滑台和导轨之间设有滚珠丝杆。

进一步优选的方案，X轴平动工作台和Y轴平动工作台的滑台上均设置有光栅尺及编码器。计算机控制系统可以通过光栅尺和编码器对XYZ轴平动工作台的运动精确定位。

进一步优选的方案，Z轴平动工作台的升降螺柱上设置有光栅尺及编码器。

优选的方案，所述冷冻台为圆形板状结构，半径大小与360度旋转转台截面半径大小相同，所述冷冻台通过螺钉固定于360度旋转转台上。

优选的方案，所述360度旋转转台为圆柱形结构，其包括上部旋转转台和下部旋转转台，下部旋转转台固定在XYZ轴平动工作台上，上部旋转转台与下部旋转转台之间活动连接，上部旋转转台相对下部旋转转台可以在360°角度内任意转动。设置有360度旋转转台，使得受体蜡块架可以实现环轴运动，为切割不同形状、不同尺寸的蜡芯奠定了基础。

较优选的方案，所述360度旋转转台在上部旋转转台和下部旋转转台侧壁均设有角度刻度，上部旋转转台侧壁设有控制其转动和固定的操作手柄，下部旋转转台通过螺丝固定在XYZ轴平动工作台上。通过操作手柄可以手动操作上部旋转转台相对下部旋转转台转动，对放置在360度旋转转台在上的样本组织位置进行粗调。下部旋转转台通过螺丝固定方便拆卸。

优选的方案，所述受体蜡块架在每个放置受体蜡块的外框上四角均设有供图像识别定位模块识别定位的特征图像。图像识别定位模块主要根据受体蜡块架外框上四角设置的不同特征图像来识别受体蜡块。特征图像为任意图像，主要是方便识别即可。

优选的方案，所述计算机控制系统控制XYZ轴平动工作台的运动、控制图像识别定位模块进行信息采集和处理，以及控制数控切割机的切割位置校准。

优选的方案，所述计算机控制系统通过三轴联动控制卡与XYZ轴平动工作台的各交流伺服电机以及光栅尺相连。

优选的方案，所述计算机控制系统通过Matrox Solis ECL/XCL-B图像采集卡与图像识别定位模块相连。

优选的方案，数控金刚石线切割机的切割器与计算机控制系统连接，通过计算机控制系统精确控制其运行。

优选的方案，360度旋转转台中上部旋转转台与下部旋转转台之间活动连接，连接件如圆柱体以及可与圆柱体无缝嵌合的柱套，圆柱体和柱套分别安装在上部旋转转台底部中央与下部旋转转台顶部中央。

本实用新型的CCD模块包括线阵CCDa和线阵CCDb，能对样品的三维数据进行高速采集及保存。

本实用新型的受体蜡块架上可同时放置多块受体蜡块。

本实用新型的基于CCD定位的组织芯片制芯系统的制芯方法，包括以下具体步骤：

第一步，打开制芯系统控制软件，点击放样按钮，将已经编号过且预冻好的受体蜡块置于受体蜡块架上；

第二步，点击点位按钮，XYZ轴平动工作台开始运动，直至固定于XYZ轴平动工作台上的受体蜡块架上放置了受体蜡块的外框的特征图像分别被成功识别；同时计算机自动存储各个特征图像坐标信息；

第三步，通过线阵图像识别a和线阵图像识别b对受体蜡块的图像进行采集，通过特定的算法对图像识别定位模块采集的图形进行处理，获得受体蜡块的三维图像；

第四步，对图像识别采集的三维图像进行处理获得受体蜡块中的样品组织区域和样品组织厚度，并对该区域可制芯区域进行设定；

第五步，控制数控切割机进行切割前校准，设置合理的切割参数；

第六步，切割，通过切割机按照预定轨迹对受体蜡块进行切割获得组织芯。

第七步，将获得的组织芯进行视觉识别，获取其特征值；并建立数据库，存储组织芯的的特征值信息和组织样品的其它信息，供后续使用查询。

本实用新型的组织芯片制芯系统在XYZ轴平动工作台上设置有360度旋转转台，使得受体蜡块架可以实现环轴运动，为切割不同形状、不同尺寸的蜡芯奠定了基础。受体蜡块架上可放置单个或多个不同的受体蜡块，为批量化制备组织芯奠定基础。利用图像识别定位模块对受体蜡块的图像进行识别；通过对图像的灰度处理，自动提取样品组织的边界特征，并根据所需组织芯的数量和横截面尺寸对样品组织区域自动划分制芯区域。图像采集和图像分析工作都是通过计算机控制系统实现，大大减少人工操作的误差和工作强度。采用数控线切割机对样品组织进行切割，可以有效地降低对样品组织的损伤，有利于提高组织芯的成品率；由于线切割机可以一次对单个或多个受体蜡块进行切割，大大提高了制芯效率。制芯完成后，通过视觉识别获取所制备的组织芯的特征值，并建立数据库存储组织芯的特征值和其它信息，为后续的查询和使用提供了便捷。

本实用新型的组织芯片制芯系统控制原理为：首先供体蜡块架通过Y轴滑台伸出机箱，待固定好供体蜡块后，再通过Y轴滑台返回机箱。此时线阵图像识别 a开始工作，通过供体蜡块架在X轴和Y轴滑台上的移动，线阵图像识别a从蜡块上方采集供体蜡块架上的特征图像以确定各个受体蜡块的相对位置，给出坐标信息并自动存储。然后再通过供体蜡块架在X-Y平面内移动图像识别a采集供体蜡块上面的图像，使用直方图阈值分割算法对灰度化后的概要图像进行分割，其数学表达式为(1)。灰度化后的概要图像比较简单,直方图明显呈双峰,使用灰度均值作为分割阈值即可得到较好的分割效果。X-Y工作平台在Z轴交流伺服电机的驱动下，向上移动，使供体蜡块进入切割模块工作区域，这时供体蜡块架也移动到线阵图像识别b的一侧，同样适用阈值分割算法对灰度化后的概要图像进行分割，确定取样的深度。定出切割的相对位置参数后，计算机通过三轴联动控制卡，控制XYZ轴平动工作台的上下移动，和供体蜡块架的前后、左右移动，在线切割工作台上完成取芯切割。切割完成后，对获取的组织芯逐一进行视觉识别，获得各个组织芯的特征值信息，并建立数据库存储组织芯的的特征值信息及其它信息。

相对现有技术，本实用新型带来的有益效果：

本实用新型的制芯系统通过基于CCD三维定位的线切割制芯技术，代替传统的取样针制芯技术，通过视觉识别制芯区域和制芯深度，具有定位精度高，误差小的优点。通过数控线切割机切割受体块获得组织芯，利用数控线切割机制芯时，通过线阵CCDa获取选择制芯位置，通过线阵CCDb选择制芯的深度；最终通过编程控制数控线切割机走丝轨迹与制芯区域重合，具有加工精度高、效率高、样品组织损伤小等特点，有效地提高制芯效率和成品率。针对制备的组织芯的信息建立数据库进行管理，提高组织芯的信息的完整性和可追溯性。

附图说明

【图1】为本实用新型的制芯系统的切割系统结构示意图；

【图2】为本实用新型计算机控制系统控制原理示意图；

【图3】为本实用新型计算机控制系统执行流程图；

【图4】为具体实施方式中涉及的计算流程；

其中，1为数控切割机的切割器；2为上部旋转转台，3为下部旋转转台，4为操作手柄，5为线阵CCDa，6为线阵CCDb，7为受体蜡块架，8为数控切割机的工作台，9为X轴平动工作台，10为Y轴平动工作台，11为Z轴平动工作台，12 为X轴滑动装置，13为Y轴滑动装置，14为升降螺柱，15为X轴步进电机连接部位，16为Y轴步进电机连接部位，17为Z轴步进电机连接部位，18为下部旋转转台的角度刻度，19为上部旋转转台的角度刻度，20为冷冻台。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本实用新型的基于CCD定位组织芯片制芯系统及方法作详细的说明，应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型权利要求保护范围。

本实用新型涉及的制芯系统主要部件包括切割系统和计算机控制系统；切割系统如图1所示。所述的切割系统包括数控切割机、XYZ轴平动工作台、360 度旋转转台、受体蜡块架7、冷冻台20和图像识别定位模块；所述数控切割机包括切割机工作台8和切割器1，所述切割机工作台上安装有XYZ轴平动工作台，所述XYZ轴平动工作台上设有360度旋转转台，360度旋转转台为圆柱形结构，360度旋转转台上设有冷冻台，冷冻台为圆板状结构，大小与360度旋转转台截面大小一致，通过螺丝固定在360度旋转转台上，便于拆卸。所述切割器设置在冷冻台正上方。XYZ轴平动工作台由上往下依次为X轴平动工作台9、Y 轴平动工作台10和Z轴平动工作台11。X轴平动工作台和Y轴平动工作台之间设有X轴滑动装置12，Y轴平动工作台和Z轴平动工作台之间设有Y轴滑动装置13，Z轴平动工作台在下部设有升降螺柱14。X轴滑动装置主要是控制X轴平动工作台沿X轴方向平动。Y轴滑动装置主要是控制Y轴平动工作台连同X 轴平动工作台沿Y轴方向平动。X轴滑动装置或Y轴滑动装置为滑台、导轨和滚珠丝杆套装组合；X轴滑动装置的滑台设置在X轴平动工作台底部，X轴滑动装置的导轨设置在Y轴平动工作台顶部，X轴滑动装置的滑台和导轨之间设有滚珠丝杆；Y轴滑动装置的滑台设置在Z轴平动工作台底部，Y轴滑动装置的导轨设置在Z轴平动工作台顶部，Y轴滑动装置的滑台和导轨之间设有滚珠丝杆。升降螺柱主要是控制整个XYZ轴平动工作台沿Z轴垂直方向运动。X轴平动工作台侧面设有X轴步进电机(X轴步进电机图中未显示，其连接部位如图1 中15)，Y轴平动工作台侧面设有相应的Y轴步进电机(X轴步进电机图中未显示，其连接部位如图1中16)，Z轴平动工作台在底部设有Z轴步进电机(X 轴步进电机图中未显示，其连接部位如图1中17)；X轴步进电机控制X轴滑动装置驱动X轴平动工作台沿X轴左右平动，Y轴步进电机控制Y轴滑动装置驱动Y轴平动工作台连同X轴平动工作台沿Y轴前后平动，Z轴步进电机控制升降螺柱驱动XYZ轴平动工作台沿Z轴方向上下移动；通过X轴步进电机、Y 轴步进电机和Z轴步进电机可控制XYZ轴平动工作台在三维空间内任意位置； X轴、Y轴和Z轴的行程范围均为-100～100mm。X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机与计算机控制系统通过三轴联动控制卡连接。XYZ轴平动工作台的X轴平动工作台和Y轴平动工作台的滑台上分别设有光栅尺及编码器和Z 轴平动工作台的螺柱上设有光栅尺及编码器，可精确控制XYZ轴平动工作台的运动。360度旋转转台固定在XYZ轴平动工作台上；所述的360度旋转转台包括上部旋转转台2和下部旋转转台3，下部旋转转台通过螺丝固定在X轴平动工作台上，上部旋转转台与下部旋转转台之间活动连接，上部旋转转台可以相对下部旋转转台在360°角度内任意转动；上部旋转转台与下部旋转转台侧面分别设有角度刻度19和18，用于指示两者相对转动角度。上部旋转转台侧面还设有操作手柄，用于上部旋转转台和转动和固定操作。冷冻台上放置受体蜡块架，受体蜡块架可以放置多块受体蜡块；受体蜡块架框架四周设有便于CCD模块识别的特征图像。在不使用360度旋转转台时，将360度旋转转台拆卸，受体蜡块架也可以直接放置在XYZ轴平动工作台上。所述的图像识别定位模块包括线阵 CCDa5和线阵CCDb6，线阵CCDa5设置在冷冻台斜上方，用于识别和采集X-Y 平面的图形，线阵CCDb6设置在360度旋转转台侧部，用于识别和采集Z轴方向的图形，线阵CCDa5和线阵CCDb6都与计算机控制系统连接。计算机控制系统通过Matrox Solis ECL/XCL-B图像采集卡与CCD模块相连，用于控制和数据保存。

基于CCD定位的组织芯片制芯系统的制芯方法，计算机控制系统(相机厂家自带软件系统→德国耶拿公司ProgRes CapturePro采图与分析软件)执行流程如图3所述，详细步骤为：

1)将样品蜡块预冷至0-4℃，进入控制系统界面，点击放样按钮，供体蜡块架通过Y轴平动工作台移动到外侧，将样品蜡块固定在供体蜡块架上，供体蜡块架通过Y轴平动工作台进入工作区域。

2)在计算机软件点击定位按钮，线阵图像识别a开启，蜡块架上各个放置受体蜡块的外框四角均设有的特定图像供线阵图像识别a识别，同时特定图像作为图像采集边界，提高图像采集速率；线阵图像识别a识别完供体蜡块架上四个角的特定图像，并在计算机自动存储特定图像位置信息。

3)确定供体蜡块的位置，点击图像采集，通过XYZ轴平动工作台的在X-Y 平面移动，线阵图像识别a在X-Y平面内对受体蜡块进行图像采集；线阵图像识别b通过Z轴升降工作台移动对受体蜡块的侧面图像进行采集，待线阵图像识别a和线阵图像识别b图像采集完毕，根据Tsia算法所计算的内外参数，借助CCD摄像机成像数学模型计算各自对应在坐标系中的空间三维坐标值，计算过程如图4，获取受体蜡块的三维图像。

4)操作界面显示采集的图像通过计算采集图像的灰度，或者通过手动，对成像进行区域选择，提取受体蜡块内组织样品的边界特征，取芯控制系统将自动计算组织样品的边界区域与供体蜡块架上特定图标的相对位置。

5)操作者在操作界面里输入要切取的组织芯的数量和组织芯的横截面尺寸，取芯控制系统会自动提取的样品组织区域进行自动划分；依据线阵图像识别b9 获取的样本组织的厚度，设置组织芯的切取厚度略大于视觉识别的样本组织厚度；如果不输入的话，系统默认切取组织芯的尺寸横截面积为4mm²、厚度为0.5mm。

6)通过手动控制切割机1进行切割位置校对，将切割线移动至蜡块边界上任意一点，计算机自动存储切割线的坐标信息；校对完毕后，按划分好的取芯区域设定走丝轨迹；根据样品组织的特性设定切割线走丝速度(系统默认为0.5 米/秒)。

7)点击操作界面上的开始切割按钮，供体蜡块通过X轴交流伺服电动机和 Y轴交流伺服电动机在X-Y平动工作平台上前后左右移动使受体蜡块处于切割模块的工作平台中，X-Y平动工作平台通过升降机控制Z轴升降工作台上下移动实现切割。

8)取芯完成后，对获得的每个组织芯进行视觉识别获取其特征值，取芯系统自动存储其特征值信息，操作者同时添加对应的样本组织其它信息。

9)组织芯信息识别完成后，供体蜡块架将返回切割前的初始位置，点击取样按钮，受体蜡块架滑动到Y轴平动工作台外侧，样品可以通过机械手或手工取出，然后点击放样按钮，受体蜡块架返回工作平台,操作结束。