一种生物样品的数字显微成像系统及镜检方法技术方案

本发明专利技术公开了一种生物样品的数字显微成像系统，包括：数字显微镜，照明模块，对焦机构，其特征在于还包括自动对焦计算单元，控制对焦机构，使得样品面与数字显微镜物方焦面之间的距离d调整到指定范围内后，数字显微镜获取样品的显微数字图像，其中n代表物方折射率，λ代表照明波长，NA代表所述数字显微镜的物镜的数值孔径。所述显微成像系统可以实现对不经过真实染色的透明或半透明样品的直接成像；可以解决传统镜检方法中样品染色带来的局限性，简化镜检步骤、缩短镜检时间。同时，系统操作简单，更符合病理学家、生物学家等的使用习惯。学家等的使用习惯。学家等的使用习惯。

【技术实现步骤摘要】
一种生物样品的数字显微成像系统及镜检方法


[0001]本专利技术属于显微成像领域，具体涉及一种生物样品的数字显微成像系统及镜检方法，生物样品包括例如血液、血液寄生虫、动植物组织切片、口腔上皮细胞等。

技术介绍

[0002]显微镜检查(镜检)是进行样本分析的常见方法，在疾病诊断中具有重要作用。由于多数生物样本，例如血细胞、宫颈细胞、脑脊液等，是透明或半透明样本，使用传统的显微成像方法无法观测。镜检中通常需要使用染料(化学染料、荧光染料等)染色样品，对样品结果进行标记。然后由专业领域人士在显微镜下对染色样品进行目视镜检。由此也带来以下几个局限性：
[0003]1、染色步骤繁琐，耗时长；
[0004]2、染色操作专业性较强，需要依赖经过训练的专业技术人员；
[0005]3、染料以及不同人员的技术水平差异都会导致染色差异，对样本的显微镜检查造成影响；
[0006]4、样本镜检由专业领域人士，通过显微镜目视的方式实现，十分耗时与耗费精力；且显微镜检查结果受专业领域人士的主观判断影响；
[0007]5、染色、人工镜检对专业人员的高度依赖限制了其在紧急救助场景以及医疗匮乏资源地区的应用。
[0008]目前主要有两类途径用于解决上述局限性。
[0009]1、为解决镜检依赖专业领域人士，且耗时、耗力的问题，现有公开技术通过发展基于机器学习的算法对染色样本图像进行智能检测与分析。CN106248559B提出一种基于深度学习的白细胞五分类方法、CN108257124A提出一种基于自适应模糊聚类计数的白细胞自动分割技术方法、CN112070772A提出一种基于UNet++和ResNet的白细胞自动分割方法。
[0010]但这类途径还是需要样本的染色步骤，没有解决染色耗时、耗力、染色结果受染料本身以及染色人员专业水平影响等问题；且样品染色风格差异也会导致基于样本染色图像的智能检测和分析结果产生错误。
[0011]2、为解决染色方法带来的局限性，现有公开技术通过发展了用于透明或半透明生物样本的无标记成像方法。CN1553166A提出了一种基于骨髓和外周血细胞显微多光谱图像的自动分析方法、另外，还有基于光学模型，计算重建样品三维折射率的方法。CN107958475B提出了一种基于亥姆霍兹方程等光学模型，重建样本的三维折射率分布的方法、CN109580457B提出一种基于LED编码照明调制，实现物体三维折射层析定量折射率反卷积重构的方法。
[0012]但现有公开的用于透明或半透明生物样本的无标记成像方法，需要通过采集或重建样本的三维特征参数，导致较长的数据采集时间。
[0013]此外，泽尼克显微镜和DIC显微镜是两种常见的可用于透明或者半透明生物样本成像的显微镜，但其光学系统结构精密，使用前需要进行光学系统的矫正，操作复杂。而对
于一些需要显微镜检查的场景，其对样本数据的获取时间和系统的操作复杂性均有较高的要求。例如临床血涂片镜检，通常由血液科医生在显微镜目镜下观察大范围的血细胞形态、数量，才给出最终的检测结果，对数据获取速度具有较高需求；且血液科医生通常习惯使用的是传统的显微成像系统，需要复杂光学系统矫正的系统不符合医生的使用习惯。
[0014]因此，需要一种符合大多数领域专业人士使用习惯且容易实现的成像方式，在不染色的条件下，直接对透明或半透明样本的成像，或者即使染色也不影响样本的成像。
[0015]同时，为解决人工镜检依赖专业领域人士，耗时、耗力，且镜检结果受专业领域人士主观判断影响等问题，该成像方法需要结合基于机器学习的智能算法，用于对该方法采集到的数字图像进行自动的数据处理与分析。
[0016]另外，为给专业领域人士提供其习惯阅读的样品染色之后的图像，还需要实现将该成像方式采集到的样本图像的颜色变换成经过真实染色之后的样本图像的颜色。

技术实现思路

[0017]针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本专利技术提供了一种生物样品的数字显微成像系统及镜检方法，镜检方法包括基于机器学习的显微数字图像模式识别的方法和基于机器学习的显微数字图像的数字染色方法。
[0018]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种生物样品的数字显微成像系统，包括：
[0019]数字显微镜，其包括物镜和数字相机，用于获取样品的显微数字图像；
[0020]照明模块，为样品成像提供透射照明条件；
[0021]对焦机构，用于调整样品面与数字显微镜物方对焦面之间的距离d；
[0022]其中还包括：
[0023]自动对焦计算单元，该自动对焦计算单元控制对焦机构，使得样品面与数字显微镜物方焦面之间的距离d调整到指定范围内后，数字显微镜获取样品的显微数字图像，其中n代表物方折射率，λ代表照明波长，NA代表所述数字显微镜的物镜的数值孔径。
[0024]优选地，该自动对焦计算单元控制对焦机构，使得样品面与数字显微镜物方焦面之间的距离d调整缩小到指定范围内。
[0025]优选地，所述生物样品是透明或半透明样本，进一步优选为不经过真实染色条件下的生物样品。当然，如果染色不影响样本的成像的生物样品也可以适用于此，比如如果是荧光染料，其实染色之后，在样品的颜色上也不会有所改变，也能用本系统成像；如果是化学染料，当染色比较浅的时候，也可以用本系统和方法来增加结构对比度。对于其他常规染色的样品，通过这种成像方式，也可以获得更多的图像细节或者额外的一些图像细节。
[0026]优选地，所述照明模块的照明波长范围为400～420nm；相比于其他可见光波段，基于此波长范围可以实现更高的空间分辨率。
[0027]优选地，所述照明模块使用小角度透射照明，所述小角度透射照明是指其所提供的照明归一化强度分布峰值的半高位置对应的照明角度的绝对值θ
ill
和所述物镜的孔径角
θ
obj
满足如下关系：θ
ill
<θ
obj
；所述小角度透射照明有利于提高采集到的样品的显微数字图像的对比度。
[0028]优选地，所述照明模块的照明是暗场照明。
[0029]优选地，生物样品为透明或者半透明样本，包括不经过真实染色的条件下，例如血液、血液寄生虫、动植物组织切片、口腔上皮细胞等。血液例如为不经过真实染色的人血涂片，所述样品面指的是所述不经过真实染色的人血涂片中红细胞的清晰的对焦面。
[0030]需要说明的是，所述红细胞中包含红色血红蛋白，属于强度型样本；其经染色后、在现有的普通明场显微镜下成像，具有唯一的一个清晰的对焦面，必须在d＝0、样品面与数字显微镜物方焦面重合时，才能有清晰成像。
[0031]本专利技术所述的显微成像系统，采用的是基于离焦的相衬成像方法，其原理在于：透明或者半透明样本属于相位型样本，使用传统的成像方式，难以采集到样品内部结构图像。其中当照明模块采用的是小角度照明时，经过透明或者半透明样品的光场波前可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物样品的数字显微成像系统，包括：数字显微镜，其包括物镜和数字相机，用于获取样品的显微数字图像；照明模块，为样品成像提供透射照明条件；对焦机构，用于调整样品面与数字显微镜物方对焦面之间的距离d；其特征在于还包括：自动对焦计算单元，该自动对焦计算单元控制对焦机构，使得样品面与数字显微镜物方焦面之间的距离d调整到指定范围内后，数字显微镜获取样品的显微数字图像，其中n代表物方折射率，λ代表照明波长，NA代表所述数字显微镜的物镜的数值孔径。2.如权利要求1所述的生物样品的数字显微成像系统，其特征在于：该自动对焦计算单元控制对焦机构，使得样品面与数字显微镜物方焦面之间的距离d调整缩小到指定范围内。3.如权利要求1所述的生物样品的数字显微成像系统，其特征在于：所述照明模块的照明波长范围为400～420nm。4.如权利要求1所述的生物样品的数字显微成像系统，其特征在于：所述照明模块使用小角度透射照明，所述小角度透射照明是指其所提供的照明归一化强度分布峰值的半高位置对应的照明角度的绝对值θ
ill
和所述物镜的孔径角θ
obj
满足如下关系：θ
ill
<θ
obj
。5.如权利要求1所述的生物样品的数字显微成像系统及镜检方法，其特征在于：所述照明模块的照明是暗场照明。6.一种基于机器学习的显微数字图像模式识别的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采集样品的数字显微图像；其中，采集样品的数字显微图像时，使得样品面与数字显微镜物方焦面之间的距离d调整到指定范围内，其中n代表物方折射率，λ代表照明波长，NA代表数字显微镜的物镜的数值孔径；S2、使用机器学习图像模式识别模块，检测步骤S1采集的数字显微图像中的预定目标。7.如权利要求6所述的基于机器学习的显微数字图像模式识别的方法，其特征在于：在步骤S1与步骤S2之间还包括步骤：训练机器学习图像模式识别模块；其中，用于训练机器学习图像模式识别模块的训练集包括样品面与显微物镜对焦面之间的距离d在指定范围内的数字显微图像。8.如权利要求7所述的基于机器学习的显微数字图像模式识别的方法，其特征在于：所述训练包括如下步骤：将步骤S1中...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡庆磊，陈端，吕晓华，曾绍群，
申请(专利权)人：肯维捷斯武汉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：