基于微操作机器人的数字切片扫描系统

  在国家自然科学基金、863计划的资助下,面向生物医学工程的微操作机器人系统,在系统设计与实现、显微图像处理与深度辨识、超微量定量注射等方面取得了数项原创性研究成果,获天津市技术发明一等奖和国家技术发明二等奖。该系统中的相关技术获得多项专利成果,ZL200510016296.7:基于显微图像处理的微操作工具深度信息提取方法及装置,Z1200410018840.7:微量注射自动控制统,ZL031299245:全数字细分型高精度步进电机控制器,zL97121702.5:用于生物医学工程的微操作机器人.

    在国家863计划重点项目资助下,该微操作机器人系统已经进入生命科学领域的示范性应用和产业化阶段,主要应用领域包括显微注射、显微切割、病理分析等。

    基于微操作机器人的数字切片扫描系统,是针对生物医学切片数字化这一应用目标所构建的自动化微操作系统。通过扫描拼接的方式,将物理切片扫描生成数字图像,可获得原始切片在各种倍数物镜下的所有信息,通过计算机进行显示和操作,模拟真实显微镜下的观察过程。数字切片突破了显微镜视野范围限制,使用户以更全面地观察切片而不丢失细节;易于检索和快速浏览;便于存储和网络信息交流,特别适合于医学的远程诊断和会诊,以及实验教学;可整合资源、节省资金,对于一些难以取得的切片,可通过数字化实现共享,而不用担心由于切片破碎、褪色造成的问题。

    该系统的主要技术特点包括:

    微米级运动精度的手自一体的电控显微镜载物平台;

    高度并行的数字切片扫描策略,20分钟内完成1厘米x1厘米大小的数字切片生成;

    海量影像数据存储和检索策略,可实现切片的平滑浏览、无级放缩;

    便捷、高效、友好的操作模式设计,系统具有很强的易用性

    该系统结构及性能指标:

    1.电动载物平台规格参数:

      行程:86mmx86mm

      重复定位精度:±2um

      最小步距:10um

      最大运动速度:2000um/s

      最小运动速度:1.4um/s

      平整度:5um

      测角精度:±2arc/s

   2.数字切片扫描软件性能及特点:

      采用连通区域优先的融合轨迹规划算法,图像融合效果佳;

      摄像参数灵活可控,白平衡、曝光、对焦,可采用软件托管的自动控制同时支持手动设置;

      支持预设摄像参数,并可按物镜倍数进行分组预设,更换物镜后,可直接调用相应的预设参数;

      精确控制微动平台运动定位,重复定位精度达到±2μm;

   3.数字切片浏览软件性能及特点:

      可对超大图像进行快速加载,并可流畅浏览数字切片。

      可拖动浏览,可使图像跟随鼠标移动;

      实时标记局部图像的相对位置,实现缩略图辅助定位;

      图像逐级放缩,不损失画质;

      可对自选的局部标定区域进行测量,测量精度±0.3μm;

    物理切片的数字化,开启了针对病理信息数字化处理的大门,借助于显微图蒙处理技术,可以广泛地应用在病理分析、远程医疗诊断、科研教学等诸多以切片为研究目标的在生物医学领域。

    我国,随着数字化切片在医学与生命科学领域的日益普及,显微切片自动扫描系统的需求量将逐年扩大。目前,该系统样机已经研制成功,正在进入市场营销阶段。国内外物医学领域同类产品,主要面向大型医疗机构和研究所,一般价格都在40万元人民币以上。基于微操作机器人的数字切片扫描系统,由于具有全部自主知识产权,可以大幅度降低成本,有效打开中低端市场的主导产品。

    本项目可极大地降低数字化切片技术的应用门槛，使此项技术在基层医疗单位得到更好的推广应用，促进我国病理切片数字化管理和共享利用水平的提高，有效提升医疗诊断的服务水平，可生产良好的经济效益和社会效益。