浮游生物多维成像鉴定仪的制作方法

1.本实用新型涉及浮游生物在线检测技术领域，特别涉及一种浮游生物多维成像鉴定仪。


背景技术：

2.浮游植物是指生活在海洋、湖泊、河流等水体中营浮游生活的微小生物，是水生生态系统中非常重要的生物类群。浮游植物的种类、生物量、生物多样性等参数是反映水生态健康的重要指标，在我国河流、湖泊、海洋监测及生态健康评价的相关指南、规范中都对其有明确要求。
3.现有的浮游植物在线鉴定技术远达不到快、细、准的全自动监测需求，鉴定物种的等级不高，不能及时反映浮游植物与水环境之间的生态效应，制约了我国水生态预警及环境监管的科学支撑。浮游植物最早的研究方法是利用光学显微镜直接观测以获得所需数据，但是显微镜观察需要复杂的人工操作和专业的生物学分类知识，费时费力，易因观察者的主观判断造成误差，不能及时准确反映水体健康状况，尤其当研究区域较大并涉及空间和时间时，镜检法就会受到很大的限制，导致样品分析缓慢，进而致使对生态环境系统评估的滞后性。现在发展较为成熟的浮游植物快速检测技术为流式影像仪法(flow cytometer and microscope,flow cam)，但是，该仪器在应用中也面临着很大的问题，一是浮游植物粒径范围宽且容易聚集成团状或链状，再加上其流动测样的特性，很容易造成流通池的堵塞和不同样品之间的交叉污染；二是浮游植物种类多、形状各异，单一角度拍摄的数字图像识别的准确性有待提高。
4.综上，现有成像方法无法实现立体多维度识别浮游植物，分辨率较低，难以满足浮游生物精准鉴定分类的客观需求，严重制约了我国水生态系统中浮游植物群落物种组成特征分析的科学研究进展。


技术实现要素：

5.本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
6.本实用新型还有一个目的是提供一种浮游生物多维成像鉴定仪，其利用多个毛细流通管并结合至少三个多倍复合物镜进行立体多维全景成像，实现对浮游生物的多维高分辨成像，以显著提高成像与识别效果，以辅助实现浮游生物的高精度的分类研究。
7.为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种浮游生物多维成像鉴定仪，包括：
8.基座；
9.采样组件，其设置在基座上，采样组件包括样品池，所述样品池通过进样管连通至待检测水体；蠕动泵和过滤器，其均设置在所述进样管上；
10.样品制备组件，其设置在基座上，样品制备组件包括多个毛细流通管，多个毛细流通管，其均匀间隔开插设在样品台上，且样品台靠近样品池设置；回收台，其上可拆卸的插
设带有检测过的样品的多个毛细流通管；机械传送组件，其包括xy轴移动平台，其设置在基座上；机械臂，其设置在xy轴移动平台上，且机械臂的前端设置夹具，夹具前端可拆卸的夹持任一毛细流通管；
11.光学成像组件，其包括载物台，其设置在基座上；盲孔，其成型在载物台上，任一毛细流通管的下端可拆卸的插入盲孔内；物镜盘，其可升降的设置在基座上；至少三个多倍复合物镜，其通过物镜盘以盲孔所在延伸线上任一点为圆心呈发散状均匀分布在载物台周围，且至少三个多倍复合物镜所在平面与盲孔所在延伸线相垂直，至少三个多倍复合物镜的光轴在所述盲孔所在延伸线上的任一点交汇；显微相机，其与所述至少三个多倍复合物镜通讯连接，且至少三个多倍复合物镜与所述物镜盘同步升降，并通过显微相机同步采集并存储插设在盲孔上的任一毛细流通管内的浮游生物多维图像集；以及
12.驱动组件，其用于分别驱动蠕动泵、xy轴移动平台、机械臂、显微相机和物镜盘。
13.优选的是，所述载物台和物镜盘均为钢化玻璃或石英玻璃，多个毛细流通管为石英玻璃。
14.优选的是，盲孔的深度小于等于任一毛细流通管的长度的1/8；任一毛细流通管的容积为≥0.1ml。
15.优选的是，所述盲孔的深度等于任一毛细流通管的长度的1/8；任一毛细流通管的容积为0.1ml、0.5ml、1.5ml、或2ml。
16.优选的是，所述物镜盘包括：
17.两环状体，其至少三个多倍复合物镜夹设在两环状体之间；
18.立柱，其竖直固定在基座上；滑块，其一端固定至两环状体上，另一端可滑动的设置在立柱上。
19.优选的是，任一毛细流通管的两端分别标刻编号；显微相机采集任一毛细流通管内的浮游生物多维图像集时，同步采集对应毛细流通管上的编号并存储。7、如权利要求1所述的浮游生物多维成像鉴定仪，其特征在于，还包括：
20.出废液管，其一端连通至样品池的底部，另一端向外延伸设置；进样管包括分设在蠕动泵进水口侧的第一进样管和蠕动泵出口侧的第二进样管；
21.三通，其设置在第一进样管和蠕动泵之间，三通的第一进水口连通至第一进样管的出样口，三通的出水口连通至蠕动泵的进水口；以及
22.清洗器，其包括储存腔，储存腔内预存储纯净水，所述储存腔的出水口通过出水管连通三通的第二进水口，所述驱动部驱动清洗器定时清洗。
23.优选的是，所述xy轴移动平台包括：
24.一横梁，所述机械臂通过驱动滑块可上下滑动的设置在横梁上；
25.一对纵梁，一横梁的两端通过驱动滑块滑动设置在一对纵梁上；
26.至少两支撑柱，其下端固定在基座上，至少两支撑柱的上端固定在一对纵梁上。
27.优选的是，所述样品台上和所述回收台均为上方均匀分布多个插孔的板体，多个毛细流通管一一对应插设在样品台上的多个插孔内；
28.带有检测过的样品的多个毛细流通管一一对应插设在回收台上的多个插孔内。
29.本实用新型至少包括以下有益效果：
30.本实用新型利用多个毛细流通管并结合至少三个多倍复合物镜进行立体多维全
景成像，实现对浮游生物的多维高分辨成像，以显著提高成像与识别效果，为实现浮游生物的高精度的分类提供图像集素材；
31.在实际应用中，可利用物联网技术，建立在线监测模式，通过4g/5g等移动网络快捷方便的获取显微相机中的图像集并及时存储。
32.本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
33.图1为本实用新型一个实施例中所述的浮游生物多维成像鉴定仪的结构示意图；
34.图2为本实用新型一个实施例中所述的三通及与其相连接的结构示意图；
35.图3为在一个实施例中采用本实用新型所述的浮游生物多维成像鉴定仪进行多维鉴定的系统的结构示意图；
36.图4为另一个实施例中采用本实用新型所述的浮游生物多维成像鉴定仪进行多维鉴定的流程图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
38.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
39.如图1所示，本发明提供一种浮游生物多维成像鉴定仪，包括：基座1；采样组件10，其设置在基座上，采样组件包括样品池101，所述样品池通过进样管102连通至待检测水体；蠕动泵103和过滤器，其均设置在所述进样管上；样品制备组件20，其设置在基座上，样品制备组件包括多个毛细流通管201，其均匀间隔开插设在样品台202上，且样品台靠近样品池设置；回收台203，其上可拆卸的插设带有检测过的样品的多个毛细流通管201＇；在实际应用中，为了保持样品环境温度恒定，可将样品池和回收台分别置于恒温器内的两个容纳腔内；再设置两个温度传感器用于检测及配合恒温器的单片机相互配合，调控恒温器的温度，比如常规室温20℃等，避免样品中浮游生物损失。机械传送组件30，其包括xy轴移动平台301，其设置在基座上；机械臂302，其设置在xy轴移动平台上，且机械臂的前端设置夹具3021，夹具前端可拆卸的夹持任一毛细流通管；夹具包括两片铰接设置的夹片；光学成像组件40，其包括载物台401，其设置在基座上；盲孔，其成型在载物台上，任一毛细流通管的下端可拆卸的插入盲孔内；物镜盘403，其可升降的设置在基座上；至少三个多倍复合物镜402，其通过物镜盘以盲孔所在延伸线上任一点为圆心呈发散状均匀分布在载物台周围，且至少三个多倍复合物镜所在平面与盲孔所在延伸线相垂直，至少三个多倍复合物镜的光轴在所述盲孔所在延伸线上的任一点交汇；显微相机，其与所述至少三个多倍复合物镜通讯连接，且至少三个多倍复合物镜与所述物镜盘同步升降，并通过显微相机同步采集插设在盲孔上的任一毛细流通管内的浮游生物多维图像集；在实际应用中，以上装置均可集成设置在一个壳体内，避免样品污染等；驱动组件，其用于分别驱动蠕动泵、xy轴移动平台、机械臂、显微相机和物镜盘。
40.在本方案中，整个浮游生物多维成像鉴定仪包括样品收集单元(采样组件)、样品制备单元(样品制备组件)、光学成像单元(至少三个多倍复合物镜和显微相机)。经本技术装置获取的全方位高清图像集并存储后，可配置相应的分析处理单元(分析模块)和核心控制单元(控制中心和驱动组件)来合理配合，以完成对图像集中的浮游生物进行精准鉴定。样品制备单元里预先放置一个可满足一个维护周期使用的多个毛细流通管(比如一个维护周期为一个季度，或者一个月，每间隔一个季度或一个月采样一次，每次采样后，每个样品检测两管(采用两根毛细流通管)，两管结果取平均值，若误差大于15％，则该样品再多检测一管；若采样品数量为10，则每个维护周期至少设置30个毛细流通管)；驱动组件驱动xy轴移动平台运行，带动机械臂移动至合适位置后，机械臂的前端伸至一个毛细流通管上端并通过夹具夹持后抬起，并将该毛细流通管的下端伸入样品池的样品中，暂停一定时间，使得毛细流通管自动吸取样品后，机械臂升高，xy轴移动平台运行带动机械臂移动至正对载物台处，机械臂将毛细流通管的下端插入盲孔中固定，之后，驱动组件驱动物镜盘缓缓上升或下降，以通过至少三个多倍复合物镜对毛细流通管内样品进行360度多维度观测，通过显微相机获取的每个生物粒子的全景图片；显微相机接收并存储浮游生物多维图像集(全景图片)，用于分析模块分析比对或分类，计算密度等；光学成像单元中的多倍复合物镜对毛细流通管中的样品进行无线传输至现有的分析处理单元，鉴定分析软件对每张图片进行自动分类，并统计每种浮游植物的数量或密度。所有单元均由控制中心集成控制，数据结果通过物联网传输至用户指定的数据平台。鉴定完毕的毛细流通管被机械臂和xy轴移动平台移至回收台中，以备核验。
41.综上，由于样品是相互独立的储存入毛细流通管中，解决了现在流式影像仪法在应用中也面临的容易造成流通池的堵塞和不同样品之间的交叉污染的技术问题，获得了意想不到的技术效果。
42.一个优选方案中，所述载物台和物镜盘均为透明材质，比如：有机玻璃或石英玻璃等，多个毛细流通管为石英材。在本方案中，载物台和物镜盘均为透明材质，即便是插入盲孔的毛细流通管下端内的样品也可进行显微观察及拍摄，保证检测精准。
43.一个优选方案中，盲孔的深度小于等于任一毛细流通管的长度的1/8，比如为1/8、1/9或1/11；任一毛细流通管的容积为≥0.1ml，比如为0.1ml、0.5ml、1ml或2ml。在本方案中，不同容积的毛细流通管可满足不同样品的检测需求，适用于各种实际检测应用场景。
44.一个优选方案中，所述盲孔的深度等于任一毛细流通管的长度的1/8；任一毛细流通管的容积为0.1ml、0.5ml、1.5ml、或2ml。
45.如图1所示，一个优选方案中，所述物镜盘包括两环状体，其至少三个多倍复合物镜夹设在两环状体之间；立柱404，其竖直固定在基座上；滑块405，其一端固定至两环状体上，另一端可滑动的设置在立柱上。在本方案中，滑块由驱动组件驱动，以同步带动两环状体之间夹设的至少三个多倍复合物镜向上或向下缓慢且平稳的移动。
46.一个优选方案中，任一毛细流通管的两端分别标刻编号；显微相机采集任一毛细流通管内的浮游生物多维图像集时，同步采集对应毛细流通管上的编号并存储。在本方案中，浮游生物多维图像集包括针对同一浮游生物进行多角度拍摄获取的多张全景图片，针对不同目标进行多角度拍摄获取的多张全景图片，以及对应的毛细流通管的编号；在实际分析过程中，分析结果为所述编号对应的浮游生物分类结果，每种浮游生物的数量或密度。
因此，可根据编号将不同管的毛细流通管的样品进行编号和自动分类分析，精准且有效的进行数量或密度统计计算，在提高检测精度同时有效保证检测效率。如图2所示，一个优选方案中，还包括：出废液管1011，其一端连通至样品池的底部，另一端向外延伸设置；进样管包括分设在蠕动泵进水口侧的第一进样管1012和蠕动泵出口侧的第二进样管1013；三通104，其设置在第一进样管和蠕动泵之间，三通的第一进水口连通至第一进样管的出样口，三通的出水口连通至蠕动泵的进水口；清洗器，其包括储存腔105，储存腔内预存储纯净水，所述储存腔的出水口通过出水管连通三通的第二进水口，所述驱动部驱动清洗器定时清洗。在本方案中，设置三通连接样品池、蠕动泵和清洗器，当需要进样品时，清洗器的出水管关闭，仅进样品(样品瓶106)，当一个样品检测结束后，经出废液管排出废液；之后，再启动清洗器，将储存腔内的纯净水经蠕动泵泵入样品池内，进行样品管及样品池的清洗，可有效避免样品之间的污染。
47.如图1所示，一个优选方案中，所述xy轴移动平台包括：一横梁3011，所述机械臂通过驱动滑块可上下滑动的设置在横梁上；一对纵梁3012，一横梁的两端通过驱动滑块滑动设置在一对纵梁上；至少两支撑柱3013，其下端固定在基座上，至少两支撑柱的上端固定在一对纵梁上。在本方案中，一对纵梁支撑一横梁，实现一横梁在水平面的前后移动(平面内的y轴上的移动)，机械臂的上端通过滑块卡置在一横梁上，以实现在一横梁上的滑动(平面内的x轴上的移动)，满足机械臂定位及移动需要。
48.如图1所示，一个优选方案中，所述样品台上和所述回收台均为上方均匀分布多个插孔的板体，多个毛细流通管一一对应插设在样品台上的多个插孔内；带有检测过的样品的多个毛细流通管一一对应插设在回收台上的多个插孔内。在本方案中，样品台上和所述回收台能够对毛细流通管进行有效分隔和固定，避免样品交叉感染，保证检测结果的准确性；多个插孔的深度小于毛细流通管的长度，以方便机械臂前端的夹具夹持。
49.实施例1
50.实际应用中，可对本技术提供的浮游生物多维成像鉴定仪与分析软件等配套组件进行浮游生物的自动鉴定作业，如图3、4所示，(1)样品收集单元，样品收集单元的功能是对水样进行收集和前处理，是实现浮游植物自动化鉴定的基础环节。它采用蠕动泵技术，最小进水量可低至0.01ml，通过核心控制单元实现了微量水样的自动化采集功能。
51.样品收集单元包含蠕动泵、管路、过滤器、样品池、清洗器、传感器。蠕动泵经过管路将水样采集至过滤器，经过过滤的水样被采集到样品池中供样品制备单元进行制备。系统可以设定一定的时间周期对样品池进行清洗，通过清洗器可以实现自动清洗样品池，同时传感器可以对样品池的水温等一个或多个参数进行检测，这些参数将会与最终的测试结果一并保存，为分析工作提供帮助。为了更好的保证浮游生物的生存环境，样品采集单元还可以配备恒温器来平衡样品池的水温。
52.(2)样品制备单元，样品制备单元是体现样品自动化定量制备的主要单元，将样品制成为可用于视觉观测的状态，其核心元件是固定容积的柱状毛细流通管，由透明的石英材料制成。每个流通管的两端已标刻上编号，以对应样品编号。样品制单元里预先放置可满足一个维护周期使用的毛细流通管，其装载的样品量为固定体积(如0.1ml、0.5ml、1ml等)，每次监测使用一根毛细流通管。机械传送装置抓取毛细流通管并将样品吸入毛细流通管内，吸入完成后将毛细流通管放置于支撑板进行视觉观测。观测完成后毛细流通管将进入
回收板密封并回收至回收箱内。
53.本技术创新采用毛细流通管装载样品，是配合环状物镜盘观测的最佳方案，也适合360度多维观测的光学角度，同时可以无损地展现粒子的立体姿态。观测时由物镜盘带动至少三个多倍复合物镜在毛细流通管周围均匀地平移，水样在管内是相对静止的，既可完整地观测全部样品，又避免了流通池堵塞的问题。
54.(3)光学成像单元(至少三个多倍复合物镜和显微相机)，样品制备单元是体现样品自动化定量制备的主要单元，将样品制成为可用于视觉观测的状态，其核心元件是固定容积的柱状毛细流通管，由透明的石英材料制成。每个流通管的两端已标刻上编号，以对应样品编号。样品制单元里预先放置可满足一个维护周期使用的毛细流通管，其装载的样品量为固定体积(如0.1ml、0.5ml、1ml等)，每次监测使用一根毛细流通管。机械传送装置抓取毛细流通管并将样品吸入毛细流通管内，吸入完成后将毛细流通管放置于支撑板(载物台)进行视觉观测。观测完成后毛细流通管将进入回收板密封并回收至回收箱内。
55.(4)分析处理单元(采用现有分析模块进行分析)，分析处理单元是指鉴定软件和生物种类库。种类库的建立是通过采集、购买不同水体的浮游生物样品，由鉴定仪和传统显微镜的双重鉴定，将确定好的物种图像输入鉴定软件中，从而实现观测样品的自动分类。浮游生物各类库的建立不仅可以快速实现对样品的鉴定，对全国不同水体的水生生物分类工作也具有深远的意义。
56.鉴定软件包含仪器控制功能、图像采集功能、图像分析功能、数据存储功能、结果报告功能、网络传输功能。仪器控制功能实现对仪器各个模块的控制，采用以太网、rs-232、rs-485等总线进行通信和传输。通讯协议依据各模块而制定。图像采集功能是通过高清显微相机提供的采集接口实时采集图像，采集到的图像将会显示到软件主界面上。图像分析功能是通过各种算法对采集的图像进行实时或选择性分析，可以根据用户设定的条件进行筛选和数据库比对等操作。数据存储功能是将采集的图像和分析结果保存至数据库中。结果报告功能可以生成专业的报告模版，可以自由设定报告内容和格式，可以导出excel或word文档格式。网络传输功能提供对云平台的接口，可以实现检测结果“一键上云”对接各种云平台。
57.(5)核心控制单元(控制中心和驱动组件)。核心控制单元对上述单元进行系统化控制，是实现逻辑运行和自动化的保障。单元包含嵌入式系统、电机驱动器、信号采集器、开关量控制器。嵌入式系统运行核心控制软件对整个仪器进行控制。电机驱动器负责控制机械传送装置(xy轴移动平台和机械臂)的动作，信号采集器负责采集各种信号，包含：光电开关、霍尔元件、温度等，开关量控制器负责控制各种通断。这些模块组成了核心控制单元。
58.尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。