一种荧光成像运动控制装置及图像拼接方法

技术领域

本发明涉及自动化光学显微计算成像技术领域，具体涉及一种荧光成像运动控制装置及图像拼接方法。

背景技术

荧光成像是一种利用荧光探针对待测物进行标记和检测的技术。通过与待测物(如核酸)特异性配对反应，使其发出荧光信号，荧光信号可以指示待测物的存在和分布情况，实现对待测物的成像和分析，在生物医学研究、基因表达分析、病原体检测等领域具有广泛应用。

荧光成像检测仪器中的成像面积和分辨率两项指标至关重要，成像面积的提升通常会降低分辨率，从而无法获得更低的检测限。为此，现有荧光成像检测方法中，通常采用在X,Y两个自由度上移动样品，从而通过机械扫描成像的方式来实现对大视场和高分辨率的兼容。

然而上述的方法，当被检测样品处于复杂的集成载物模块中，例如样品需要远距离加载，温度加热，气路进样等相关功能时，则难以采用现有兼容大视场和高分辨率的荧光成像检测方法，亟需新型的荧光成像检测装置，来适配复杂的集成载物模块。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中采用在X,Y两个自由度上移动样品，从而通过机械扫描成像的方式来实现对大视场和高分辨率的兼容的方法，当被检测样品处于复杂的集成载物模块中，例如样品需要远距离加载，温度加热，气路进样等相关功能时，则难以采用现有兼容大视场和高分辨率的荧光成像检测方法，亟需新型的荧光成像检测装置，来适配复杂的集成载物模块。

为此，本发明提供一种荧光成像运动控制装置，包括：

基架，其包括由若干支架构成的载物放置空间以及设于其上的物镜放置空间；

集成载物模块，设于所述载物放置空间内；所述集成载物模块顶侧适于放置被检测样品；

二维位移台、Z轴位移台，所述二维位移台与所述基架连接，且所述二维位移台驱动端与所述Z轴位移台连接，以带动所述Z轴位移台在所述集成载物模块上侧沿X、Y方向运动；

物镜组件，处于所述物镜放置空间内，所述物镜组件与所述Z轴位移台连接，所述Z轴位移台被配置为带动所述物镜组件在所述集成载物模块上侧沿Z轴方向运动；

其中，所述物镜组件被配置为在所述二维位移台、Z轴位移台带动下在所述被检测样品上侧的物镜放置空间内进行三维运动，以对所述检测样品连续扫描成像。

可选地，荧光成像运动控制装置还包括远距离加载组件，所述远距离加载组件包括：

远距离加载驱动件，其固定端与所述基架连接，所述远距离加载驱动件驱动端与所述集成载物模块连接；

远距离加载导轨件，连接在所述集成载物模块底部与所述基架之间，以使所述集成载物模块可相对所述基架滑动；

其中，所述集成载物模块被配置为受所述远距离加载驱动件驱动而伸出所述载物放置空间，以远距离加载样本。

可选地，所述远距离加载驱动件采用丝杠电机；所述集成载物模块上设有与所述丝杠电机适配的内螺纹通孔。

可选地，所述二维位移台包括：

Y轴固定板，与所述基架连接，所述Y轴固定板上设有Y轴驱动件以及Y轴导向组件；

X轴固定板，与所述Y轴导向组件连接，所述Y轴驱动件驱动端与所述X轴固定板连接，以驱动所述X轴固定板相对所述Y轴固定板沿Y轴方向移动；

所述X轴固定板上设有X轴驱动件以及X轴导向组件，所述X轴导向组件设于所述Z轴位移台与所述X轴固定板之间，且所述X轴驱动件驱动端与所述Z轴位移台连接，以驱动所述Z轴位移台相对所述X轴固定板沿X轴方向移动。

可选地，所述Y轴导向组件和所述X轴导向组件包括导向导轨和滑动设于所述导向导轨上的导向滑块。

可选地，所述Y轴固定板与所述X轴固定板叠合设置。

可选地，所述Y轴驱动件和所述X轴驱动件采用丝杠电机。

可选地，所述Z轴位移台包括：

位移台固定板，与所述X轴导向组件连接，所述位移台固定板被配置为受所述X轴驱动件驱动而沿X轴方向移动；

Z轴驱动件，其固定端与所述位移台固定板连接，所述Z轴驱动件驱动端连接物镜，以驱动所述物镜沿Z轴方向移动，以对所述被检测样品扫描。

一种图像拼接方法，用于上述所述的荧光成像运动控制装置，该方法包括：

步骤一：根据物镜组件拍摄区域尺寸计算出拼接图像每行、每列所需拼接图像数量row、col；

步骤二：对于每行从左到右依次两两拼接，将所有行拼接完成后对拼接完成的每行图像按列从上到下依次两两拼接，最终得到完整拼接图像。

可选地，拼接方法包括：

步骤一：对图像做gamma光源矫正，来获得光源较平均的图像；

步骤二：分别对两个需要拼接的图像计算Laplacian金字塔，然后计算拼接重合区域的高斯金字塔，将两个Laplacian金字塔分别与高斯金字塔对位相乘后相加，将得到的结果进行金字塔重构，最终得到拼接后图像。

本发明提供的一种荧光成像运动控制装置及图像拼接方法，具有如下优点：

1.本发明提供一种荧光成像运动控制装置，包括基架、集成载物模块、二维位移台、Z轴位移台以及物镜组件，基架包括由若干支架构成的载物放置空间以及设于其上的物镜放置空间；集成载物模块设于所述载物放置空间内；所述集成载物模块顶侧适于放置被检测样品；所述二维位移台与所述基架连接，且所述二维位移台驱动端与所述Z轴位移台连接，以带动所述Z轴位移台在所述集成载物模块上侧沿X、Y方向运动；物镜组件处于所述物镜放置空间内，所述物镜组件与所述Z轴位移台连接，所述Z轴位移台被配置为带动所述物镜组件在所述集成载物模块上侧沿Z轴方向运动；其中，所述物镜组件被配置为在所述二维位移台、Z轴位移台带动下在所述被检测样品上侧的物镜放置空间内进行三维运动，以对所述检测样品连续扫描成像。

此结构的荧光成像运动控制装置，物镜组件被配置为在二维位移台、Z轴位移台带动下在被检测样品上侧的物镜放置空间内进行三维运动，以对检测样品连续扫描成像，其无需在X,Y两个自由度上移动样品，当被检测样品处于复杂的集成载物模块中时，例如样品需要远距离加载，温度加热，气路进样等相关功能，由于无需移动样品，故而其可以兼容大视场和高分辨率。

2.本发明提供一种荧光成像运动控制装置，远距离加载组件包括远距离加载驱动件和远距离加载导轨件，远距离加载驱动件固定端与基架固定连接，远距离加载驱动件驱动端与集成载物模块连接；远距离加载导轨件连接在集成载物模块底部与基架之间，以使集成载物模块可相对基架滑动，故而能够通过远距离加载驱动件驱动集成载物模块伸出载物放置空间，以远距离加载样本。

3.本发明提供一种荧光成像运动控制装置，通过滑块和滑轨为二维位移台提供了导向和支撑作用，实现二维位移台在同一轨迹上的高精度往复直线运动，避免了因二维位移台的移动误差导致的图像拼接误差，也提高了二维位移台在移动过程中的平稳性。

4.本发明提供一种荧光成像运动控制装置，通过使用远距离加载组件实现远距离样本加载以及复杂的集成载物模块的调试，同时通过使用物镜组件中搭载小型CMOS相机和多倍物镜的光学模块，配合二维位移台在X轴和Y轴两个方向上实现连续机械扫描，在连续扫描成像的过程中，每移动到一个子图像获取点，都通过Z轴位移台实现自动对焦以解决因为集成载物模块的温度变化而随之出现的焦距变化的情况，最后通过图像拼接算法将子图像拼接在一起获得完整视场的图像，这种方法可以既提高图像的分辨率和视场，使得观察到的图像更加清晰、详细，并且能够捕捉到更大范围的景物，同时又满足样本能够处在复杂的集成载物模块中的需求。为了保证二维位移台在移动过程中的平稳性，本装置通过滑块和滑轨为二维电动位移台提供了导向和支撑作用，实现位移台在同一轨迹上的高精度往复直线运动，避免了因二维位移台的移动误差导致的图像拼接误差。其次本装置可以通过更换不同倍数的物镜，实现各种分辨率的组合切换，以满足不同的实验需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例中提供的荧光成像运动控制装置的三维结构示意视图；

图2为本发明的实施例中提供的荧光成像运动控制装置的主视图；

图3为本发明的实施例中提供的荧光成像运动控制装置中集成载物模块远距离加载样本时的结构示意视图；

图4为本发明的实施例中提供的荧光成像运动控制装置中基架、二维位移台以及Z轴位移台的结构示意视图；

图5为本发明的实施例中提供的荧光成像运动控制装置中二维位移台的结构示意视图；

图6为本发明的实施例中提供的荧光成像运动控制装置中二维位移台的另一方向结构示意视图；

图7为本发明的实施例中提供的荧光成像运动控制装置中二维位移台中Y轴固定板以及X轴固定板的结构示意图；

图8为本发明实的施例中提供的荧光成像运动控制装置中Z轴位移台的结构示意图；

图9为本发明实的施例中提供的图像拼接方法的整体流程图；

图10为本发明实的施例中提供的图像拼接方法的具体流程图；

图11为本发明实的施例中提供的图像拼接方法采用FAM通道成像拼接显示图；

图12为本发明实的施例中提供的图像拼接方法采用ROX通道成像拼接显示图；

附图标记说明：

1-基架；

2-集成载物模块；

3-被检测样品；

4-二维位移台；41-Y轴固定板；42-Y轴驱动件；43-Y轴导向组件；44-X轴固定板；45-X轴驱动件；46-X轴导向组件；

5-Z轴位移台；51-位移台固定板；52-Z轴驱动件；

6-物镜组件；

7-远距离加载组件；71-远距离加载驱动件；72-远距离加载导轨件；

8-光源。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种荧光成像运动控制装置，用以解决现有技术中采用在X,Y两个自由度上移动样品，从而通过机械扫描成像的方式来实现对大视场和高分辨率的兼容的方法，当被检测样品处于复杂的集成载物模块中，例如样品需要远距离加载，温度加热，气路进样等相关功能时，则难以采用现有兼容大视场和高分辨率的荧光成像检测方法，亟需新型的荧光成像检测装置，来适配复杂的集成载物模块的技术问题。

在本实施例中，如图1至图9所示，荧光成像运动控制装置包括基架1、集成载物模块2、二维位移台4、Z轴位移台5、物镜组件6、远距离加载组件7以及光源8。其中，基架1包括由若干支架构成的载物放置空间以及设于其上的物镜放置空间，集成载物模块2设于载物放置空间内，集成载物模块2顶侧适于放置被检测样品3；二维位移台4与基架1连接，且二维位移台4驱动端与Z轴位移台5连接，以带动Z轴位移台5在集成载物模块2上侧沿X、Y方向运动；物镜组件6处于物镜放置空间内，物镜组件6与Z轴位移台5连接，Z轴位移台5被配置为带动物镜组件6在集成载物模块2上侧沿Z轴方向运动。

此荧光成像运动控制装置中物镜组件6被配置为在二维位移台4、Z轴位移台5带动下在被检测样品3上侧的物镜放置空间内进行三维运动，以对检测样品连续扫描成像，其无需在X,Y两个自由度上移动样品，当被检测样品3处于复杂的集成载物模块2中时，例如样品需要远距离加载，温度加热，气路进样等相关功能，由于无需移动样品，故而其可以兼容大视场和高分辨率。

在本实施例中，如图1至图4所示，基架1整体由一底板和固定在底板上侧的多个支架构成，支架设置在底板的相对两侧处，以在底板上侧、支架之间形成有载物放置空间；支架上侧用于固定二维位移台4、Z轴位移台5以及物镜组件6，物镜组件6处于载物放置空间内集成载物模块2上侧，以对集成载物模块2上方的被检测样品3连续扫描成像，此放置物镜组件6的空间为物镜放置空间。

在本实施例中，如图1至图3所示，远距离加载组件7包括远距离加载驱动件71和远距离加载导轨件72，远距离加载驱动件71固定端与基架1固定连接，远距离加载驱动件71驱动端与集成载物模块2连接；远距离加载导轨件72连接在集成载物模块2底部与基架1之间，以使集成载物模块2可相对基架1滑动，故而能够通过远距离加载驱动件71驱动集成载物模块2伸出载物放置空间，以远距离加载样本。其中，图1中为集成载物模块2处于载物放置空间内，图3为载物放置空间伸出载物放置空间。以实现远距离加载样本。

优选的，远距离加载驱动件71采用丝杠电机，相应的集成载物模块2上设有与丝杠电机适配的内螺纹通孔；远距离加载导轨件72采用现有技术中的滑块滑轨，滑轨与基架1固定连接，滑块滑动设置在滑轨上且滑块与集成载物模块2固定连接，故而可通过丝杠电机控制集成载物模块2进入或伸出载物放置空间。当然，也可以在滑块设有与丝杠电机适配的内螺纹通孔，具体设置位置可根据需求确定。

在本实施例中，如图5至图7所示，二维位移台4包括Y轴固定板41以及X轴固定板44，Y轴固定板41与基架1中支架上侧固定连接，Y轴固定板41上设有Y轴驱动件42以及Y轴导向组件43。X轴固定板44与Y轴导向组件43连接，Y轴驱动件42驱动端与X轴固定板44连接，以驱动X轴固定板44相对Y轴固定板41沿Y轴方向移动。同样，X轴固定板44上设有X轴驱动件45以及X轴导向组件46，X轴导向组件46设于Z轴位移台5与X轴固定板44之间，且X轴驱动件45驱动端与Z轴位移台5连接，以驱动Z轴位移台5相对X轴固定板44沿X轴方向移动。

优选的，Y轴驱动件42和X轴驱动件45采用丝杠电机，Y轴导向组件43和X轴导向组件46结构相同，其均包括导向导轨和滑动设于导向导轨上的导向滑块，其原理与远距离加载组件7相同，故在此处不再过多赘述。当然，在其他的一些实施方式中，Y轴驱动件42和X轴驱动件45也可以采用气缸等能实现往复运动的元件。

本实施例中通过滑块和滑轨为二维位移台4提供了导向和支撑作用，实现二维位移台4在同一轨迹上的高精度往复直线运动，避免了因二维位移台4的移动误差导致的图像拼接误差，也提高了二维位移台4在移动过程中的平稳性。

在本实施例中，如图6和图7所示，Y轴固定板41与X轴固定板44叠合设置，以减小整体体积。

在本实施例中，如图1、图3和图8所示，Z轴位移台5包括位移台固定板51和Z轴驱动件52；如图3和图5所示，X轴固定板44上侧设置有一板件，X轴导向组件46设置在此板件与X轴固定板44之间，且X轴驱动件45驱动端与此板件连接一驱动此板件沿X轴方向移动。进一步，如图2所示，Z轴位移台5下侧也设置有支架抵接，且Z轴位移台5下侧与支架之间也设置有滑轨滑块结构，以方便Z轴位移台5沿X轴方向移动。

如图4和图8所示，位移台固定板51固定在板件下侧，Z轴驱动件52固定端与位移台固定板51连接，Z轴驱动件52驱动端连接物镜连接板，物镜连接板右侧连接物镜组件6，以驱动物镜组件6沿Z轴方向移动，以对被检测样品3扫描。其中，Z轴驱动件52也可采用丝杠电机，物镜连接板与位移台固定板51之间设置滑块滑轨结构，进而可通过Z轴驱动件52驱动物镜连接板、物镜组件6沿Z轴方向移动，以对被检测样品3扫描。

在本实施例中，物镜组件6包括现有技术中的Z轴对焦功能的光学成像模块，同时可以更换不同倍数的物镜，用于满足不同需求的实验场景。

本实施例中提供的荧光成像运动控制装置，通过使用远距离加载组件7实现远距离样本加载以及复杂的集成载物模块2的调试，同时通过使用物镜组件6中搭载小型CMOS相机和多倍物镜的光学模块，配合二维位移台4在X轴和Y轴两个方向上实现连续机械扫描，在连续扫描成像的过程中，每移动到一个子图像获取点，都通过Z轴位移台5实现自动对焦以解决因为集成载物模块2的温度变化而随之出现的焦距变化的情况，最后通过图像拼接算法将子图像拼接在一起获得完整视场的图像，这种方法可以既提高图像的分辨率和视场，使得观察到的图像更加清晰、详细，并且能够捕捉到更大范围的景物，同时又满足样本能够处在复杂的集成载物模块2中的需求。为了保证二维位移台4在移动过程中的平稳性，本装置通过滑块和滑轨为二维电动位移台提供了导向和支撑作用，实现位移台在同一轨迹上的高精度往复直线运动，避免了因二维位移台4的移动误差导致的图像拼接误差。其次本装置可以通过更换不同倍数的物镜，实现各种分辨率的组合切换，以满足不同的实验需求。

实施例2

本实施例提供一种图像拼接方法，用于实施例1中的荧光成像运动控制装置，该方法包括：

步骤一：根据物镜组件6拍摄区域尺寸计算出拼接图像每行、每列所需拼接图像数量row、col；

步骤二：对于每行从左到右依次两两拼接，将所有行拼接完成后对拼接完成的每行图像按列从上到下依次两两拼接，最终得到完整拼接图像。

在本实施例中，拼接方法包括：

步骤一：对图像做gamma光源矫正，来获得光源较平均的图像；

步骤二：分别对两个需要拼接的图像计算Laplacian金字塔，然后计算拼接重合区域的高斯金字塔，将两个Laplacian金字塔分别与高斯金字塔对位相乘后相加，将得到的结果进行金字塔重构，最终得到拼接后图像。

其中，图9为本施例中提供的图像拼接方法的整体流程图，图10为本施例中提供的图像拼接方法的具体流程图。

图11为本施例中提供的图像拼接方法采用FAM通道成像拼接显示图，图12为本施例中提供的图像拼接方法采用ROX通道成像拼接显示图，由图11和图12所示，实施例1中搭建的Z轴位移台和二维位移台配合可更换的高分辨率物镜，实现待测物荧光成像检测系统在X、Y、Z轴三个自由度的运动，实现图像的对焦和拼接成像，能够满足待测物荧光成像检测实验对视场和分辨率的要求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。