一种高速高通量生物样本形态检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高速高通量生物样本形态检测系统，该系统包括成像模块、透射照明模块、成像模块运动驱动机构、培养皿样本架运动驱动机构、光源同步驱动装置、位置编码器、计算机和运动控制器，光源同步驱动装置使透射照明模块发出的光同步照射在成像模块生物样本上；运动控制器接收计算机的指令，将该指令转换成驱动信号，以控制成像模块运动驱动机构带动成像模块对培养皿进行扫描成像；成像模块运动驱动机构的当前位置信号由位置编码器编码，并依据编码信号控制成像模块的曝光和帧转移动作，以使成像模块的成像和成像模块运动驱动机构输出的位移量匹配。本发明专利技术提供的高速高通量生物样本形态检测系统能够实现高速高通量长时间生物样本形态检测。

A high speed and high throughput biological sample shape detection system

The invention discloses a high-speed and high-throughput biological sample shape detection system, which comprises an imaging module, a transmission illumination module, an imaging module motion driving mechanism, a culture dish sample rack motion driving mechanism, a light source synchronous driving device, a position encoder, a computer and a motion controller, and a light source synchronous driving device. The light emitted by the transmission illumination module illuminates the biological samples of the imaging module synchronously; the motion controller receives instructions from the computer and converts the instructions into driving signals to control the motion driving mechanism of the imaging module to drive the imaging module to scan and image the Petri dish; the current position signal of the motion driving mechanism of the imaging module is obtained from the current position signal of the motion driving mechanism of the imaging module. The position encoder encodes and controls the exposure and frame transfer of the imaging module according to the encoded signal so as to match the displacement output of the imaging module and the motion driving mechanism of the imaging module. The high-speed and high-throughput biological sample morphology detection system provided by the invention can realize high-speed, high-throughput and long-time biological sample morphology detection.

【技术实现步骤摘要】
一种高速高通量生物样本形态检测系统
本专利技术涉及一种生物样本形态检测系统，特别是一种自动化高速高通量生物样本形态检测系统。
技术介绍
生物样本的形态检测广泛应用于药物筛选、疾病诊断及遗传发育的研究中。现阶段的生物样本形态检测主要由人工完成，通过人工逐一观察、辨别，从而完成生物样本形态的定性分析。随着对生物样本形态检测通量的需求骤增，国外科研工作者通过改造现有光学扫描仪来实现生物样本形态图像的数字化采集，然而由于扫描仪发热影响生物样本存活环境、扫描仪采集速度慢、扫描仪检测通量小等原因，上述方法无法实现高速、高通量、长时间(几十天)的生物样本形态检测。因此，亟待一种高通量生物样本形态检测设备来代替人工完成自动化检测，并满足生物样本生存条件从而实现长时间检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高速高通量生物样本形态检测系统来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。为实现上述目的，本专利技术提供一种高速高通量生物样本形态检测系统，所述高速高通量生物样本形态检测系统包括成像模块、透射照明模块、培养皿样本架、生物储存培养模块、成像模块运动驱动机构、培养皿样本架运动驱动机构、光源同步驱动装置、位置编码器、计算机和运动控制器，其中：所述培养皿样本架上固定设置有多个以阵列的方式的方式排布的培养皿，每一个所述培养皿中设有一种或多种生物样本；所述培养皿样本架暂存于适于生物样本长时间存活的所述生物储存培养模块中；所述成像模块和所述透射照明模块分别隔开设置在所述培养皿样本架的两侧，所述透射照明模块设于所述光源同步驱动装置，所述光源同步驱动装置用于使所述透射照明模块发出的光同步照射在所述成像模块将要成像的生物样本上；所述计算机通过所述运动控制器连接所述成像模块运动驱动机构和培养皿样本架运动驱动机构；所述成像模块运动驱动机构驱动连接所述成像模块；所述培养皿样本架运动驱动机构驱动连接所述培养皿样本架；所述运动控制器用于接收所述计算机的指令，并将该指令转换成驱动信号，以控制所述成像模块运动驱动机构带动所述成像模块对所述培养皿进行扫描成像，并在一行扫描成像结束后控制培养皿样本架运动驱动机构切换至并对准下一列所述培养皿；所述成像模块获得的生物样本图像输送给所述计算机，所述计算机用于根据输入的生物样本图像检测生物形态；所述成像模块运动驱动机构的当前位置信号由所述位置编码器编码，并依据所述位置编码器输出的编码信号控制所述成像模块的曝光和帧转移动作，以使所述成像模块的成像和所述成像模块运动驱动机构输出的位移量匹配。进一步地，所述计算机包括图像采集卡和在线生物形态检测模块，所述图像采集卡用于接收所述成像模块获得的生物样本图像，所述在线生物形态检测模块用于对图像中的生物个体进行分割和定位，并对分割和定位的生物个体进行分析和分类，所述在线生物形态检测模块与所述成像模块并行工作。进一步地，所述在线生物形态检测模块用于对特定类型的生物样本的图像中的生物个体进行分割和定位包括：首先，通过阈值分割算法对图像中的连通区域进行初步定位和分割，然后采用区域分裂合并算法对图像中的生物个体进行精确分割和定位，得到生物个体在图像中的精确轮廓及其在图像中的精确位置xi；然后，获取图像在物理空间中的基准位置x0；最后，通过如下公式获取生物个体物理空间中的绝对位置x′i：x′i＝xi+x0。进一步地，所述位置编码器为光栅尺编码器时，所述在线生物形态检测模块选取图像拍摄位置的光栅尺编码器读数作为基准位置x0。进一步地，所述位置编码器为伺服电机编码器时，所述在线生物形态检测模块根据不动实体在图像中的定位位置来确定基准位置x0，具体包括：选取所述培养皿的边缘为图像中的不动实体，采用主动轮廓方法搜寻所述培养皿的边缘，并结合卡尔曼滤波器调整主动轮廓算法的参数，最终计算出所述培养皿在图像中的精确位置xs；然后按照x0＝xref-xs计算得出基准位置x0，其中xref为参照基准位置。进一步地，所述成像模块包括集成为一体的线阵相机和成像镜头，所述线阵相机的线阵宽度范围为1k至16k，所述成像镜头的像方视场覆盖整个线阵幅宽，所述成像模块的扫描成像的物方扫描宽度范围为10mm至150mm，成像分辨率范围为5μm/pixel至100μm/pixel，扫描速度范围为10000lines/s至70000lines/s。进一步地，所述透射照明模块包括与所述成像模块的当前位置保持同步运动的一个线状或带状LED，所述线状或带状LED的长度方向沿所述线阵相机的宽度方向设置，且其照明区域完全覆盖所述线阵相机在静止状态下对应的物方成像区域。进一步地，所述透射照明模块包括与所述成像模块的当前位置保持同步开启的线状或带状LED阵列，所述线状或带状LED阵列包括平行并排隔开布置的若干线状或带状LED，与所述成像模块将要成像的生物样本相对应的所述线状或带状LED依据所述位置编码器输出的编码信号而开启，所述线状或带状LED的长度方向沿所述线阵相机的宽度方向设置，且长度不小于所述线阵相机的物方成像宽度。进一步地，所述线状或带状LED的亮度大小由可调恒流电源根据所述成像模块在所述成像模块驱动机构的驱动下相对于所述培养皿样本架的扫描速度进行调节。本专利技术提供的高速高通量生物样本形态检测系统能够实现高速高通量长时间生物样本形态检测。而且，上述扫描成像系统由位置编码驱动完成生物样本形态的高质量图像采集，并由并行在线处理系统完成生物样本形态检测。本专利技术可检测的生物样本种类包括并不仅限于线虫、斑马鱼、果蝇等小尺寸模式动物，还适合检测爬行或游动小型动物以及微生物菌落等。附图说明图1是本专利技术所提供的高速高通量生物样本形态检测系统一实施例的结构示意图；图2是图1所示的高速高通量生物样本形态检测系统的原理性示意图；图3是图2所示的计算机的原理性示意图；图4是图2所示的成像模块一实施例的扫描成像过程示意图；图5是图1所示的透射照明模块第一种实现方式示意图；图6是图1所示的透射照明模块第二种实现方式示意图。具体实施方式在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。在本专利技术的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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专利技术和简化描述，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专利技术保护范围的限制。本实施例所提供的高速高通量生物样本形态检测系统中，“高通量”的范围是100～300生物目标/秒，“高速”的范围是100mm～1000mm/秒。如图1和图2所示，本实施例所提供的高速高通量生物样本形态检测系统包括成像模块1、透射照明模块2、培养皿样本架3、生物储存培养模块4、成像模块运动驱动机构5、培养皿样本架运动驱动机构6、光源同步驱动装置7、位置编码器8、计算机9和运动控制器10，其中：培养皿样本架3上固定设置有多个以阵列的方式的方式排布的培养皿31，为方便对培养皿31的定位及方便开展分组实验，培养皿样本架3分为多个子块，每个子块可放置2*2～5*5个培养皿31。生物样本通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速高通量生物样本形态检测系统，其特征在于，包括成像模块(1)、透射照明模块(2)、培养皿样本架(3)、生物储存培养模块(4)、成像模块运动驱动机构(5)、培养皿样本架运动驱动机构(6)、光源同步驱动装置(7)、位置编码器(8)、计算机(9)和运动控制器(10)，其中：所述培养皿样本架(3)上固定设置有多个以阵列的方式的方式排布的培养皿(31)，每一个所述培养皿(31)中设有一种或多种生物样本；所述培养皿样本架(3)暂存于适于生物样本长时间存活的所述生物储存培养模块(4)中；所述成像模块(1)和所述透射照明模块(2)分别隔开设置在所述培养皿样本架(3)的两侧，所述透射照明模块(2)设于所述光源同步驱动装置(7)，所述光源同步驱动装置(7)用于使所述透射照明模块(2)发出的光同步照射在所述成像模块(1)将要成像的生物样本上；所述计算机(9)通过所述运动控制器(10)连接所述成像模块运动驱动机构(5)和培养皿样本架运动驱动机构(6)；所述成像模块运动驱动机构(5)驱动连接所述成像模块(1)；所述培养皿样本架运动驱动机构(6)驱动连接所述培养皿样本架(3)；所述运动控制器(10)用于接收所述计算机(9)的指令，并将该指令转换成驱动信号，以控制所述成像模块运动驱动机构(5)带动所述成像模块(1)对所述培养皿(31)进行扫描成像，并在一行扫描成像结束后控制培养皿样本架运动驱动机构(6)切换至并对准下一列所述培养皿(31)；所述成像模块(1)获得的生物样本图像输送给所述计算机(9)，所述计算机(9)用于根据输入的生物样本图像检测生物形态；所述成像模块运动驱动机构(5)的当前位置信号由所述位置编码器(8)编码，并依据所述位置编码器(8)输出的编码信号控制所述成像模块(1)的曝光和帧转移动作，以使所述成像模块(1)的成像和所述成像模块运动驱动机构(5)输出的位移量匹配。...

【技术特征摘要】
1.一种高速高通量生物样本形态检测系统，其特征在于，包括成像模块(1)、透射照明模块(2)、培养皿样本架(3)、生物储存培养模块(4)、成像模块运动驱动机构(5)、培养皿样本架运动驱动机构(6)、光源同步驱动装置(7)、位置编码器(8)、计算机(9)和运动控制器(10)，其中：所述培养皿样本架(3)上固定设置有多个以阵列的方式的方式排布的培养皿(31)，每一个所述培养皿(31)中设有一种或多种生物样本；所述培养皿样本架(3)暂存于适于生物样本长时间存活的所述生物储存培养模块(4)中；所述成像模块(1)和所述透射照明模块(2)分别隔开设置在所述培养皿样本架(3)的两侧，所述透射照明模块(2)设于所述光源同步驱动装置(7)，所述光源同步驱动装置(7)用于使所述透射照明模块(2)发出的光同步照射在所述成像模块(1)将要成像的生物样本上；所述计算机(9)通过所述运动控制器(10)连接所述成像模块运动驱动机构(5)和培养皿样本架运动驱动机构(6)；所述成像模块运动驱动机构(5)驱动连接所述成像模块(1)；所述培养皿样本架运动驱动机构(6)驱动连接所述培养皿样本架(3)；所述运动控制器(10)用于接收所述计算机(9)的指令，并将该指令转换成驱动信号，以控制所述成像模块运动驱动机构(5)带动所述成像模块(1)对所述培养皿(31)进行扫描成像，并在一行扫描成像结束后控制培养皿样本架运动驱动机构(6)切换至并对准下一列所述培养皿(31)；所述成像模块(1)获得的生物样本图像输送给所述计算机(9)，所述计算机(9)用于根据输入的生物样本图像检测生物形态；所述成像模块运动驱动机构(5)的当前位置信号由所述位置编码器(8)编码，并依据所述位置编码器(8)输出的编码信号控制所述成像模块(1)的曝光和帧转移动作，以使所述成像模块(1)的成像和所述成像模块运动驱动机构(5)输出的位移量匹配。2.如权利要求1所述的高速高通量生物样本形态检测系统，其特征在于，所述计算机(9)包括图像采集卡(91)和在线生物形态检测模块(92)，所述图像采集卡(91)用于接收所述成像模块(1)获得的生物样本图像，所述在线生物形态检测模块(92)用于对图像中的生物个体进行分割和定位，并对分割和定位的生物个体进行分析和分类，所述在线生物形态检测模块(92)与所述成像模块(1)并行工作。3.如权利要求2所述的高速高通量生物样本形态检测系统，其特征在于，所述在线生物形态检测模块(92)用于对特定类型的生物样本的图像中的生物个体进行分割和定位包括：首先，通过阈值分割算法对图像中的连通区域进行初步定位和分割，然后采用区域分裂合并算法对图像中的生物个体进行精确分割和定位，得到生物个体在...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛珩，陶乐天，翟慕岳，张家治，单俍，李海文，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11