成像系統、盒和使用其的方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及成像領域并且更特別地，涉及成像系統，載片盒以及處理載片上的生 物樣品的方法。
【背景技術】
[0002] 指示疾病的細胞結構中的變化的分子成像識別對于在醫學科學中更好地理解經 常是重要的。顯微術應用可以應用于微生物學(例如，革蘭氏染色法等)，植物組織培養，動 物細胞培養(例如，相襯顯微術等)，分子生物學，免疫學(例如，ELISA等)，細胞生物學(例 如，免疫熒光，染色體分析等)，共焦顯微術，時移和活細胞成像，逐幅成像，和三維成像。
[0003] 在手動的顯微術方法中，手動地將樣本承載載片加載到顯微鏡中并且通過顯微鏡 的目鏡進行查看。在醫療應用中，病理學家能夠察看細胞特性，被感染的細胞對比于未被感 染的細胞的計數或樣本的其它特性。由于每個載片的處置時間的原因，分析大量的樣本經 常是耗時的。長的處理時間可能耽誤精確的診斷和治療。附加地，常規的顯微鏡經常不能 捕獲合適用于存檔和稍后使用的高分辨率和高質量圖像。
[0004] 在自動的顯微術方法中，數字圖像經常被收集、在高分辨率監視器上查看、共享以 及針對稍后使用而被存檔。不幸的是，常規的自動載片處理系統經常出錯，包括載片誤處 置、顯微鏡載片與光學部件(例如，照相機，成像捕獲裝置等）的誤對準，以及顯微鏡載片的 破損。以舉例子的方式，常規的可靠設備經常夾持顯微鏡載片的標簽端部。在標簽處可能 存在被露出的殘留膠。如果夾持器接觸鄰近于標簽的載片的邊緣或標簽的邊緣，則露出的 殘留膠可能粘住或粘附于夾持器。這可能造成載片的誤處置。
【發明內容】
[0005] 在一些實施例中，保持盒的顯微鏡載片包括主體，多個架子以及多個支撐構件。主 體被配置成圍繞并保護顯微鏡載片并且包括第一側壁和第二側壁。架子能夠支撐顯微鏡載 片并且被定位在第一和第二側壁之間。當保持盒的顯微鏡載片在直立的取向中時，架子能 夠被垂直地彼此分隔開。支撐構件遠離相應的架子延伸并且包括伸長本體和卡件。卡件從 伸長本體向上突出并且能夠限制定位的顯微鏡載片沿著伸長本體移動。
[0006] 在一些其它實施例中，一種運送顯微鏡載片的方法，包括：使用拾取裝置在不接觸 顯微鏡載片上的標簽的邊緣的情況下并且不接觸顯微鏡載片的鄰近于標簽的邊緣的情況 下拾取顯微鏡載片。使用拾取裝置將顯微鏡載片運送到所需的位置。在一些實施例中，在 不接觸標簽的邊緣的情況下并且不接觸載片邊緣的情況下，在至少兩個處理站(例如著色 單元，蓋片機，成像系統，光學掃描儀，光學成像系統）之間運送顯微鏡載片。
[0007] 在一些實施例中，顯微鏡載片拾取裝置包括端部執行器，端部執行器包括具有上 表面和下表面的伸長平面平臺。在平臺的上側定位流體管路。頭元件包括連接器和吸頭。 連接器被定位在平臺的上側并且被耦接至流體管路。吸頭被定位在平臺的下側。
【附圖說明】
[0008] 參照下面的附圖描述非限定的并且非窮舉的實施例。貫穿各個視圖，除非另外指 明，相同的參考數字指的是同似的部分或者動作。
[0009] 圖1是根據在此描述的系統的各種實施例的掃描顯微鏡和/或其它掃描裝置的成 像系統的示意性圖解，掃描顯微鏡和/或其它掃描裝置可以包括與數字病理學樣品掃描和 成像相關地使用的各種部件裝置。
[0010] 圖2是示出根據在此描述的系統的實施例的包括聚焦系統的成像裝置的示意性 圖解。
[0011] 圖3A和3B是示出控制系統可以包括適當的電子器件的控制系統的實施例的示意 性圖解。
[0012] 圖4是更詳細地示出根據在此描述的系統的實施例的抖動聚焦臺的示意性圖解。
[0013] 圖5A-5E是示出根據在此描述的系統的聚焦操作的迭代的示意性圖解。
[0014] 圖6A是示出根據在此描述的系統的實施例的抖動聚焦光學器件的命令波形和銳 度確定的繪圖的示意性圖解。
[0015] 圖6B是示出用于抖動透鏡的正弦波運動的一部分的所計算的銳度（Zs)值的繪圖 的示意性圖解。
[0016] 圖7A和7B是示出根據在此描述的系統的實施例的樣本(組織)的聚焦確定和調整 的示意性圖解。
[0017] 圖8是示出根據在此描述的系統的實施例的包括用于在由抖動聚焦光學器件采 樣的多個點處的每個銳度響應的銳度曲線和對比率的銳度輪廓的例子的示意性圖解。
[0018] 圖9示出圖解用以產生控制信號以控制緩慢聚焦臺的對比度功能的使用的功能 控制環框圖。
[0019] 圖10是示出根據在此描述的系統的實施例的與聚焦處理相關地被拆分成各區的 聚焦窗口的不意性圖解。
[0020] 圖11示出用于依照在此的技術的實施例的在各時間點可獲得的不同銳度值的圖 形圖解。
[0021] 圖12是示出根據在此描述的系統的實施例的在經受檢查的樣本的掃描期間的動 態即時聚焦處理的流程圖。
[0022] 圖13是示出根據在此描述的系統的實施例的在緩慢聚焦臺處進行處理的流程 圖。
[0023] 圖14是示出根據在此描述的系統的實施例的圖像捕獲處理的流程圖。
[0024] 圖15是示出根據在此描述的系統的實施例的用于聚焦處理的替換布置的示意性 圖解。
[0025]圖16是示出根據在此描述的系統的另一實施例的用于聚焦處理的替換布置的示 意性圖解。
[0026] 圖17是示出根據在此描述的系統的實施例的用以獲取載片上的組織的馬賽克圖 像的處理的流程圖。
[0027] 圖18是示出根據在此描述的系統的實施例的XY臺的精密臺（例如，Y臺部分）的 實施方式的示意性圖解。
[0028] 圖19A和19B是根據在此描述的系統的實施例的精密臺的移動臺塊的更詳細視 圖。
[0029] 圖20示出根據在此討論的精密臺特征的并且包括根據在此描述的系統的實施例 的Y臺、X臺和底板的整個XY混合臺的實施方式。
[0030] 圖21是示出根據在此描述的系統的實施例的載片緩存裝置的示意性圖解。
[0031] 圖22A是示出根據在此描述的系統的實施例的與第一載片相關的載片緩存處理 的流程圖。
[0032] 圖22B是示出根據在此描述的系統的實施例的與第二載片相關的載片緩存處理 的流程圖。
[0033] 圖23A和23B示出使用根據在此描述的系統的實施例的載片緩存技術的時序圖并 且圖示出根據在此描述的系統的各種實施例的時間節省。
[0034] 圖24是示出根據在此描述的系統的另一實施例的載片緩存裝置的示意性圖解。
[0035] 圖25A是示出根據針對具有用于載片處理的兩個XY混合臺的載片緩存裝置描述 的系統的實施例的與第一載片相關的載片緩存處理的流程圖。
[0036] 圖25B是示出根據針對具有用于載片處理的兩個XY混合臺的載片緩存裝置描述 的系統的實施例的與第二載片相關的載片緩存處理的流程圖。
[0037] 圖26是示出根據在此描述的系統的另一實施例的載片緩存裝置的示意性圖解。
[0038] 圖27是示出根據圖26的載片緩存裝置的另一視圖的示意性圖解。
[0039] 圖28A-28J是示出根據在此描述的系統的實施例的圖26和27的載片緩存裝置的 載片緩存操作的示意性圖解。
[0040] 圖29是示出根據在此描述的系統的實施例的用于使用發光二極管（LED)照明組 件來對載片進行照明的照明系統的示意性圖解。
[0041] 圖30是示出根據在此描述的系統的用于LED照明組件的實施例的更詳細的視圖 的示意性圖解。
[0042] 圖31是示出根據在此描述的系統的實施例的LED照明組件的特定實施方式的爆 炸視圖的示意性圖解。
[0043] 圖32是示出根據在此描述的系統的實施例的可以與數字病理成像相關地使用的 高速載片掃描裝置的示意性圖解。
[0044] 圖33是更詳細地示出根據在此描述的系統的實施例的高速載片掃描裝置的托盤 上的凹進處的示意性圖解。
[0045] 圖34是示出相對于載片而言起始于第一徑向位置以便對凹進處中的載片上的樣 本進行成像的成像路徑的示意性圖解。
[0046] 圖35A和35B是示出根據在此描述的系統的另一實施例的旋轉載片保持器上的載 片的替換布置的示意性圖解。
[0047] 圖36是示出根據在此描述的系統的實施例的包括被設置成檢查載片上的樣本的 物鏡的成像系統的示意性圖解。
[0048] 圖37是示出根據在此描述的系統的實施例的使用可旋轉的托盤的高速載片掃描 的流程圖。
[0049] 圖38是示出根據在此描述的系統的實施例的光學雙重圖像系統的示意性圖解。
[0050] 圖39A和39B是示出根據在此描述的系統的實施例的在圖像傳感器的前面的第一 鏡筒透鏡和第二鏡筒透鏡的往復運動的光學雙重圖像系統的示意性圖解。
[0051] 圖40是依照一個實施例的成像系統的前部、頂部和左側等角視圖。
[0052] 圖41是圖40的成像系統的前部、頂部和左側等角視圖。外部保護外殼示出為被 移除。
[0053] 圖42是圖40的成像系統的后部、頂部和右側等角視圖，其中保護外殼示出為被移 除。
[0054] 圖43是圖40的成像系統的頂部平面視圖。
[0055] 圖44是依照一個實施例的拾取裝置的等角視圖。
[0056] 圖45是圖44的拾取裝置的頂部平面視圖。
[0057] 圖46是沿著圖45的線46-46取得的拾取裝置的截面視圖。
[0058] 圖47是圖44的拾取裝置的等角視圖。
[0059] 圖48是圖46的拾取裝置的詳細視圖。
[0060] 圖49是載片保持器裝置的前部、頂部、右側等角視圖。
[0061] 圖50是圖49的載片保持器裝置的后部、頂部、左側等角視圖。
[0062] 圖51是圖49的載片保持器裝置的前部立視圖。
[0063] 圖52是沿著圖51的線52-52取得的載片保持器裝置的截面視圖。拾取裝置被定 位成將載片插入到載片保持器裝置中。
[0064] 圖53是圖52的載片保持器裝置的詳細的視圖。
[0065] 圖54是上架子的端部的詳細的視圖。
[0066] 圖55是沿著圖51的線53-53取得的載片保持器裝置的截面視圖。
[0067] 圖56A是被定位在載片保持器裝置的上架子上方的載片的前部立視圖。
[0068] 圖56B是放到圖56A的上架子上的載片的前部立視圖。
【具體實施方式】
[0069]圖1是根據在此描述的系統的各種實施例的掃描顯微鏡和/或其它掃描裝置的成 像系統5的示意性圖解，掃描顯微鏡和/或其它掃描裝置可以包括與數字病理學樣品掃描 和成像相關地使用的各種部件裝置。除了其它部件系統50以外，成像系統5可以包括具有 聚焦系統10的成像裝置，載片臺系統20、載片緩存系統30和照明系統40,如在此于別處進 一步詳細討論那樣。還應注意，可以與如在Dietz等人的題為"DigitalMicroscopeSlide ScanningSystemandMethods(數字顯微鏡載片掃描系統和方法)"的美國專利申請公開 號2008/0240613A1 (通過引用將其合并于此）中描述的用于圖像捕獲、縫合以及放大的顯 微鏡載片掃描儀器架構和技術相關地使用在此描述的系統，其包括在沒有相當大的精確度 損失的情況下與用放大重構圖像并顯示或存儲被重構的圖像相關聯的特征。
[0070]圖2是示出根據在此描述的系統的實施例的光學掃描顯微鏡和/或其它適當成像 系統的成像裝置100的示意性圖解，其包括用于取得被設置在載片上的組織樣品101和/ 或其它對象的聚焦圖像的聚焦系統的部件。在此描述的聚焦系統提供隨著快照被捕獲而針 對每個快照確定最佳聚焦，可以將其稱為"動態即時聚焦"。在此提供的裝置和技術導致形 成病理載片中的區域的數字圖像所需的時間的明顯減少。在此描述的系統將常規系統的兩 步方法的步驟集成并本質上消除了預聚焦所需的時間。在此描述的系統提供使用用于捕獲 快照的動態即時處理來創建顯微鏡載片上的樣本的數字圖像，其中用于捕獲所有快照的總 時間小于在捕獲快照之前使用針對每個快照的預確聚焦點的步驟的方法所需的時間。
[0071] 成像裝置100可以包括成像傳感器110,諸如電荷耦合器件（CXD)和/或互補金屬 氧化物半導體（CMOS)圖像傳感器，其可以是捕獲數字病理圖像的照相機111的一部分。成 像傳感器110可以從顯微鏡物鏡120接收經由鏡筒透鏡112、束分離器114以及包括諸如聚 光器116和光源118和/或其它適當光學部件119的被傳輸光顯微鏡的其它部件傳輸的被 傳輸光。可以對顯微鏡物鏡120進行無限遠修正。在一個實施例中，束分離器114可以提 供分配近似70%的光束源指向圖像傳感器110以及約30%的其余部分沿著路徑指向抖動聚 焦臺150和聚焦傳感器160。可以將被成像的組織樣品101設置在可以沿著X和Y方向移 動并且可以被如在此于別處進一步討論的那樣進行控制的XY移動臺130上。聚焦臺140 可以控制顯微鏡物鏡120沿Z方向的移動以使由圖像傳感器110捕獲的組織101的圖像聚 焦。聚焦臺140可以包括用于使顯微鏡物鏡120移動的電動機和/或其它合適的裝置。抖 動聚焦臺150和聚焦傳感器160被用于根據在此描述的系統提供用于動態即時聚焦的細聚 焦控制。在各種實施例中，聚焦傳感器160可以是C⑶和/或CMOS傳感器。
[0072] 抖動聚焦臺150和聚焦傳感器160根據在成像處理期間快速地計算的銳度值和/ 或其它度量來提供動態即時聚焦以隨著每個圖像快照被捕獲而獲得用于每個圖像快照的 最佳聚焦。如在此于別處進一步詳細地討論的，可以使抖動聚焦臺150以一定的頻率，例如 以正弦運動來進行移動，其獨立于并且超過對于顯微鏡物鏡120的更緩慢運動而言可行的 移動頻率。由聚焦傳感器160進行用于在抖動聚焦臺150的運動范圍內的組織查看的聚焦 信息的多個測量。聚焦電子器件和控制系統170可以包括用于控制聚焦傳感器和抖動聚焦 臺150的電子器件、主時鐘、用于控制緩慢聚焦臺140 (Z方向）的電子器件、XY移動臺130 以及依照在此的技術的系統的實施例的其它部件。聚焦電子器件和控制系統170可以被用 于使用來自抖動聚焦臺150和聚焦傳感器160的信息來執行銳度計算。可以在由抖動移動 定義的正弦曲線的至少一部分內計算銳度值。聚焦電子器件和控制系統170然后可以使 用該信息來確定用于組織的最佳聚焦圖像的位置并命令緩慢聚焦臺140使顯微鏡物鏡120 移動到所需的位置(沿著Z軸，如所示那樣）以便在成像處理期間獲得最佳聚焦圖像。控制 系統170還可以使用該信息來控制XY移動臺130的速度，例如，臺130沿Y方向的移動的 速度。在實施例中，可以通過對相鄰像素的對比度值進行差分化，對其求平方并將那些值加 在一起以形成一個分數來計算銳度值。在此于別處進一步討論了用于確定銳度值的各種算 法。
[0073] 在根據在此描述的系統的各種實施例中，并且依照在此于別處討論的部件，一種 用于創建顯微鏡載片上的樣本的數字圖像的裝置包括：被無窮遠修正的顯微鏡物鏡；束分 離器；照相機聚焦透鏡；高分辨率照相機；傳感器聚焦透鏡組；抖動聚焦臺；聚焦傳感器； 聚焦粗(緩慢）臺；以及聚焦電子器件。該裝置可以允許在不需要在捕獲快照之前預定用于 所有快照的聚焦點的情況下使物鏡聚焦并通過照相機來捕獲每個快照，并且其中用于捕獲 所有快照的總時間小于要求在捕獲快照之前預定用于每個快照的聚焦點的步驟的系統所 需的時間。該系統可以包括計算機控制，用于：i)在組織上確定第一聚焦點以通過使粗聚 焦臺移動通過整個z范圍并監視銳度值來建立標稱聚焦面；ii)以在所關心區域的一角處 開始的X和y來對組織進行定位；iii)將抖動細聚焦臺設定為運動，其中抖動聚焦臺被同 步到主時鐘，該主時鐘也控制xy臺的速度；iv)命令臺從幀移動到鄰近幀，和/或v)產生 觸發信號以獲取圖像傳感器上的幀并觸發光源以創建光脈沖。
[0074] 進一步地，根據另一實施例，在此描述的系統可以提供用于創建在顯微鏡載片上 的樣本的數字圖像的計算機實施方法。該方法可以包括確定包括顯微鏡載片的區域(該區 域包括樣本的至少一部分）的掃描區域。可以將該掃描區域劃分成多個快照。可以使用顯 微鏡物鏡和照相機來捕獲快照，其中可以在不需要在捕獲快照之前預定用于所有快照的聚 焦點的情況下針對每個快照進行使物鏡和顯微鏡聚焦并通過照相機來捕獲每個快照。用于 捕獲所有快照的總時間可以小于要求在捕獲快照之前預定用于每個快照的聚焦點的步驟 的方法所需的時間。
[0075] 圖3A是包括聚焦電子器件161、主時鐘163和臺控制電子器件165的聚焦電子器 件和控制系統170的實施例的示意性圖解。圖3B是聚焦電子器件161的實施例的示意性 圖解。在所圖解的實施例中，聚焦電子器件161可以包括諸如合適地快速的A/D轉換器171 和具有可以用于作出銳度計算的微處理器173的現場可編程門陣列（FPGA)172的適當的電 子器件。A/D轉換器171可以從被耦合到FPGA 172和微處理器173并被用于輸出銳度信息 的聚焦傳感器160接收信息。包括在系統170中的主時鐘可以向聚焦電子器件161、臺控制 電子器件165以及系統的其它部件供給主時鐘信號。臺控制電子器件165可以生成被用于 控制緩慢聚焦臺140、XY移動臺130、抖動聚焦臺150的控制信號和/或其它控制信號和信 息，如在此于別處進一步討論的那樣。除了其它信息以外，FPGA 172可以向聚焦傳感器160 供給時鐘信號。實驗室中的測量示出可以在18微秒內作出640X32像素幀上的銳度計算， 容易地快到足以用于在此描述的系統的合適的操作。在實施例中，聚焦傳感器160可以包 括被窗口化成640 X 32條的單色(XD照相機，如在此于別處進一步討論的那樣。
[0076] 掃描顯微鏡可以獲取包括RGB或某個其它色彩空間中的對比度信息和/或強度信 息的1D或2D像素陣列，如在此于別處進一步討論的那樣。系統在例如25mmX50mm玻璃 載片上的大的視野內找到最佳聚焦點。許多商用系統對由具有CCD陣列的20x、0. 75NA顯 微鏡物鏡產生的場景進行米樣。給定物鏡和聚光器的0.75的NA和500nm的波長，光學系 統的橫向分辨率為大約〇. 5微米。為了以尼奎斯特頻率對該分辨率元素進行采樣，對象處 的像素大小為大約0.25微米。對于具有7. 4微米的像素大小、以30fps運行的4M像素 照相機(例如DalsaFalcon4M30/60)而言，從對象到成像照相機的放大是7. 4/0. 25=30x。 因此，2352X1728下的一個幀可以覆蓋對象處的0.588mmXO. 432mm的區域，其對于在面 積上被定義為15_X15 _的典型組織切片而言等同大約910個幀。在聚焦尺寸的組織 空間改變比對象處的幀大小更低得多的情況下理想地使用在此描述的系統。實際上聚焦的 改變在更大的距離內發生并且作出大部分的聚焦調整以修正偏斜。這些偏斜在對象處一般 地在每幀尺寸0. 5-1微米的范圍內。
[0077] 對于當前掃描系統(例如BiolmageneiScanCoreo系統）而言所得到的時間對于 20x15mmX15mm場的預掃描和掃描而言為大約3. 5分鐘并且對于15mmX15mm場的 40x掃描而言為大約15分鐘。通過在26個道次中運行35個幀來掃描15mmX15mm場。 可以用1秒的回掃描時間單向地進行掃描。使用根據在此描述的系統的技術來進行掃描的 時間可以為大約5秒以找到標稱聚焦面，每道次1. 17秒（25道次)，總共5+25X(1. 17+1) =59. 25秒(大約1分鐘)。相比于常規方法而言這是相當大的時間節省。在此描述的系統的 其它實施例可以允許甚至更快的聚焦時間，但是可能發生對用以避免連續掃描上的運動模 糊的短照明時間所需的光量的限制。允許高峰值照明的脈沖調制或選通光源118可以緩解 該問題，該光源118可以如在此于別處進一步討論的那樣為LED光源。在實施例中，可以由 聚焦電子器件和控制系統170來控制光源118的脈沖調制。另外，雙向地運行系統將消除 回描時間，對于20x掃描節省大約25秒，導致35秒的掃描時間。
[0078] 應當注意到，與聚焦電子器件和控制系統170相關地使用的部件還可以更一般地 被稱為用于與在此描述的技術的實施例相關地執行多種不同功能的電部件。
[0079] 圖4是根據在此描述的系統的實施例的更詳細地示出抖動聚焦臺150的示意性圖 解。抖動聚焦臺150可以包括可以被諸如聲音線圈致動器的一個或多個致動器152a、b移 動并且可以被安裝到剛性外殼15