專利名稱：用于對患者身體所選位置進(jìn)行成像的共焦顯微鏡的制作方法
要求2003年5月20日提交的編號為60/471,911的美國臨時(shí)申請的優(yōu)先權(quán)，在這里通過參考將該申請予以合并。
說明書本發(fā)明涉及用于對在患者身體上的所選位置進(jìn)行成像，尤其是用于對處在這個(gè)位置的皮膚進(jìn)行細(xì)胞成像及用于對其它活體組織和生物過程進(jìn)行成像的共焦顯微鏡。本發(fā)明提供了通過在成像頭內(nèi)包含共焦顯微鏡的光學(xué)構(gòu)件和電子構(gòu)件而在人體工程學(xué)方面適于提供容易的使用的共焦顯微鏡，該成像頭支撐為精確放置共焦物鏡，同時(shí)免除了對大幅度重新確定患者取向的需要，由此使患者在成像期間是舒適的。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)是在成像頭內(nèi)將共焦顯微鏡的光學(xué)構(gòu)件和電子構(gòu)件以緊湊的組成關(guān)系合并。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是在定位機(jī)構(gòu)上支撐頭，該定位機(jī)構(gòu)在不需要在成像進(jìn)程期間在不舒適的位置重新確定患者取向的情況下在將頭放置在精確的位置頂在患者皮膚上時(shí)提供改進(jìn)人體工程學(xué)。
本發(fā)明的又一個(gè)特點(diǎn)是在具有多個(gè)萬向連接裝置的臂機(jī)構(gòu)上支撐共焦成像頭，該萬向連接裝置提供了頭進(jìn)行位移和轉(zhuǎn)動的自由，從而以能夠?qū)ζ溥M(jìn)行精確定位。
本發(fā)明的又一個(gè)特點(diǎn)是提供斷開頭以進(jìn)行手動定向，這可以對為了研究和臨床應(yīng)用及在細(xì)胞水平上探索在皮膚和其它組織內(nèi)的細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞過程而進(jìn)行的成像有所幫助。
已經(jīng)提供了具有適合于對皮膚和其它細(xì)胞組織進(jìn)行成像的共焦成像系統(tǒng)的共焦激光掃描顯微鏡，并且可以參考Zavislan和Eastman的1988年8月4日授權(quán)的編號為5,788,639的關(guān)于可以手持的共焦顯微鏡的美國專利。Anderson等的1999年3月19日授權(quán)的編號為5,880,880的美國專利描述了在其中光學(xué)裝置的部分安裝在臂內(nèi)的共焦激光掃描顯微鏡。這樣的顯微鏡需要與光學(xué)裝置分開并且遠(yuǎn)離定位的電子設(shè)備，以對圖像信號進(jìn)行控制和處理。盡管用這樣的激光掃描共焦顯微鏡可得到令人滿意的圖像，但對于操作顯微鏡以在患者身上的所選位置得到圖像的臨床醫(yī)生，它們使用起來是困難的，并且它們在人體工程學(xué)方面可能是令人不滿意的。
本發(fā)明提供了在其中對光學(xué)構(gòu)件和機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行了整合和合并從而提供容易定位并且具有臨床醫(yī)生所想要的人體工程學(xué)的成像頭的共焦顯微鏡?？梢栽诓恍枰鄬τ陬^在使患者不舒適的位置重新確定患者取向的情況下使用頭。
簡要地進(jìn)行了描述，根據(jù)本發(fā)明的共焦顯微鏡成像頭能夠?qū)颊呱眢w的精確位置進(jìn)行掃描并且能夠得到皮膚和其它組織的圖像，同時(shí)將顯微鏡的成像和控制的電子裝置和光學(xué)構(gòu)件合并到了臨床醫(yī)生可以容易地移動的緊湊的成像頭內(nèi)。頭可以具有主底盤，顯微鏡最重要的光學(xué)構(gòu)件和電子構(gòu)件可以安裝在該主底盤的相對側(cè)。盤也為用于對顯微鏡的物鏡進(jìn)行精準(zhǔn)的對焦定位和側(cè)向定位的機(jī)構(gòu)提供了支撐裝置。頭的電子裝置可以安裝在其一側(cè)上與底盤鄰近接附的印刷電路板上。頭可以安裝在多軸線復(fù)合臂上，該多軸線復(fù)合臂在介于臂區(qū)段之間的關(guān)節(jié)處具有萬向節(jié)，并且臂連接到在其上可以安裝監(jiān)視器(顯示器)和計(jì)算機(jī)的直立的臺，用于對頭的電子裝置進(jìn)行編程和操作的鍵盤處在該計(jì)算機(jī)上。
通過結(jié)合附圖而閱讀接下來的描述使本發(fā)明的前述特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)及其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是更顯而易見的，附圖如下

圖1是根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)的激光掃描共焦顯微鏡的透視圖；圖2是從頂部看的圖1所示的顯微鏡的透視圖；圖3是接附到多軸線可位移和可轉(zhuǎn)動的臂機(jī)構(gòu)的一個(gè)部分上的成像頭的透視圖；圖4是圖示了頭和多軸線鉸接的臂機(jī)構(gòu)的正視圖，顯示了以位移和轉(zhuǎn)動對頭進(jìn)行定位；圖5是圖4所示的頭和臂機(jī)構(gòu)的平面圖；圖6是顯示了通過可拆卸的連接裝置而連接到臂機(jī)構(gòu)的頭的頭的透視側(cè)視圖；圖7是類似于圖6的顯示了從臂機(jī)構(gòu)上拆卸下來的頭的視圖；圖8是圖示了在前面附圖所示的共焦顯微鏡的頭內(nèi)的光束線路徑的平面圖；圖9是顯示了光學(xué)構(gòu)件和用于安裝電子構(gòu)件的PCB的簡化透視圖，去除了安裝底盤從而以更清楚地圖示PCB和光學(xué)構(gòu)件；
圖10是圖示了包括物鏡透鏡和將其安裝到底盤上的安裝裝置的成像頭的構(gòu)件的透視圖，圍繞物鏡透鏡用于相對于物鏡而對皮膚進(jìn)行精準(zhǔn)定位的管狀突出部分結(jié)構(gòu)被省略，以簡化圖示；圖11是類似于圖10但顯示了圍繞物鏡透鏡的管狀突出部分和用于定位突出部分從而確定成像皮膚的精確位置的鏡臺的透視圖，沿著在圖10中的線條11-11對安裝盤用于物鏡透鏡和其上安裝突出部分的鏡臺的部分進(jìn)行切割，以更清楚地圖示用于對鏡臺進(jìn)行調(diào)節(jié)且由此對突出部分進(jìn)行調(diào)節(jié)并且相對于物鏡而對皮膚進(jìn)行精確定位的機(jī)構(gòu)；圖12是沿著在圖6中的線條12-12而截取的截面圖；圖13是沿著在圖7中的線條13-13而截取的截面圖；和像圖16所示那樣連接起來的圖14和15是成像頭的電子裝置的方塊圖。
更具體地參考圖1、2和3，顯示了優(yōu)選地安裝在輪腳12上的直立的臺10，以通過用手抓住并且推動或拉動桿14的時(shí)候沿著地面發(fā)生移動。擱板16和18連接在臺10的直立部分之間，擱板之一16可以在抽屜20之上。平板監(jiān)視器和個(gè)人電腦(PC)26可以放置在下部擱板18上。顯示器22與計(jì)算機(jī)26一起工作，并且也提供了由共焦顯微鏡采集到的圖像。
成像頭28萬向地安裝在具有前臂32和后臂34的多軸線臂機(jī)構(gòu)30上。頭28在處于前臂32的自由端上的連結(jié)裝置36處是可拆卸的。頭28具有優(yōu)選地由透明塑料制造的突出部分38，該突出部分38接附到在頭28前部的圓錐形轂40。用手握住并且移動把手42，以允許頭進(jìn)行多軸線移動，以使突出部分與患者皮膚發(fā)生接觸或與其它要成像的組織發(fā)生接觸。多軸線移動是圍繞在后臂34的后端和在前臂32的前端的萬向關(guān)節(jié)44和46的垂直、水平和轉(zhuǎn)動移動。連結(jié)關(guān)節(jié)48能夠使臂32相對于臂34而發(fā)生轉(zhuǎn)動。通過圖4和5使臂和頭28的多軸線移動是更顯而易見的。有從頭28到PC 26的電纜和介于PC、監(jiān)視器和鍵盤24之間的電纜。為了簡化圖示，在圖片中沒有顯示這些電纜。
在頭28側(cè)面上的控制面板50具有兩套控制裝置52和54。控制裝置52對突出部分38在X和Y(正交的)方向上的運(yùn)動有所幫助，從而相對于皮膚而對頭進(jìn)行精準(zhǔn)定位或精確定位?？刂泼姘暹€具有捕獲圖像的構(gòu)造。
在操作時(shí)，突出部分在要成像的位置處與皮膚發(fā)生接觸。突出部分前端具有由可去除的雙側(cè)粘性材料制成的環(huán)，環(huán)在處于突出部分前端的圓形區(qū)域56內(nèi)。然后，與通過用手使頭移動而可得到的距離相比，通過使用多軸線、鉸接的臂機(jī)構(gòu)30，在更短的距離上，突出部分在正交的方向上進(jìn)行移動并且提供精準(zhǔn)的定位。在要成像的皮膚位置上的或在要成像的皮膚位置內(nèi)部的部分的位置是可以通過使物鏡透鏡沿著光軸移動進(jìn)出突出部分的控制裝置54而得以控制的。因此，對想要成像的身體組織的確切部分和確切位置進(jìn)行成像。
通過圖4和5使頭28的多軸線移動是更顯而易見的。萬向關(guān)節(jié)44和46能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)動移動及垂直移動。轉(zhuǎn)動移動通過在虛線圓圈60、62和64端部的箭頭而得以顯示，而上下移動或圍繞萬向裝置44和46的轉(zhuǎn)動通過在虛線線條66和68端部的箭頭而得以顯示。萬向裝置可以是用彈簧加載的或具有足夠的摩擦力，以能夠在確定了頭28的位置之后使臂停留在它們所移動到的位置內(nèi)。
頭28可以從臂30拆卸下來的性質(zhì)可以通過在處于把手42內(nèi)的接收裝置72內(nèi)的閂鎖機(jī)構(gòu)70而得到(也查看圖6)。當(dāng)閂鎖70松開的時(shí)候，由把手42所保持的頭28與臂機(jī)構(gòu)30分開而可以用手移動并且定向。在圖12和13中也圖示了該接收裝置和機(jī)構(gòu)。
圖12和13也顯示了共焦顯微鏡頭和兩部分殼或外殼80的內(nèi)部。該殼連接到主底盤82。T形托架橋接了多邊形裝置掃描器84，并且提供了后支撐盤86，其將殼80的后部和把手穩(wěn)固地并且結(jié)實(shí)地連接到頭28。通過角撐板90而連接到主底盤82的前支撐盤88也具有螺絲(未顯示)插入到其中從而接附殼80的部分的螺絲孔。
盤88也支撐了XY鏡臺92，突出部分38及其安裝轂40連接到該XY鏡臺92，并且為了精準(zhǔn)定位，盤88是可以經(jīng)由鏡臺92而在X方向和Y方向上進(jìn)行側(cè)向移動的。
如圖10和11所示，物鏡透鏡組件96通過盤88而得以支撐。如圖11所示，鏡臺92具有前盤100和后盤102。當(dāng)滑動裝置104通過線性步進(jìn)馬達(dá)105的軸經(jīng)由臂106而開動的時(shí)候，滑動裝置104允許前盤100在箭頭103所示的Y方向上進(jìn)行移動。鏡臺92的后盤102在垂直于前盤100移動的方向上是可以移動的。后盤102安裝在接附到支撐前盤88的滑動裝置(未顯示)上。線性步進(jìn)馬達(dá)106具有經(jīng)由臂108而連接的軸，以使盤102和物鏡38在箭頭103所示的X方向上進(jìn)行移動。
物鏡透鏡組件96包括在透鏡筒內(nèi)的物鏡透鏡116。管112具有凸輪槽114。在這些槽內(nèi)的銷118經(jīng)由連結(jié)裝置120而連接到物鏡透鏡116。當(dāng)管96通過馬達(dá)122經(jīng)由小齒輪124和圍繞管96外圍的環(huán)齒輪(未顯示)而進(jìn)行轉(zhuǎn)動的時(shí)候，凸輪槽基于馬達(dá)122的轉(zhuǎn)動方向而使銷前后平移，由此使物鏡116沿著光軸而進(jìn)行前后移動，從而使物鏡聚焦于要成像的組織的部分。
轉(zhuǎn)動管112內(nèi)的筒包含了一對形成前望遠(yuǎn)鏡透鏡134的部分的復(fù)合透鏡131和132。前望遠(yuǎn)鏡134組裝在物鏡透鏡聚焦機(jī)構(gòu)的可轉(zhuǎn)動管112內(nèi)。在圖10和11中顯示了后者機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)動管112上的指針127可以與光傳感器(未顯示)一起使用，以將物鏡116在箭頭129(圖10)方向上的位置指示給電子裝置。
圖8顯示了共焦顯微鏡頭28的光學(xué)構(gòu)件。通過圖8和9并且也通過在圖10和11中的這些構(gòu)件的位置，該構(gòu)件主要處在安裝盤82上側(cè)并且與其連接到安裝盤82是顯而易見的。圖9、10和11也顯示了以平行間隔關(guān)系接附到安裝盤82下側(cè)的印刷電路板(PCB)130；間隔由間隔器132給予。所有電子構(gòu)件大致上都安裝在PCB 130上。將就電路圖(圖14和15)而對這些構(gòu)件進(jìn)行討論。
共焦顯微鏡的光學(xué)構(gòu)件是已經(jīng)提及的望遠(yuǎn)鏡134的復(fù)合透鏡131和132、物鏡116和多邊形裝置84。其它構(gòu)件是具有折疊式反射鏡142的激光器140。分束器148處在光到多邊形裝置84反射面的路徑內(nèi)。多邊形裝置可以具有多個(gè)面(比方說36個(gè))。面為正在形成的圖像提供了連續(xù)的掃描線。
兩個(gè)復(fù)合透鏡150和152形成了第二望遠(yuǎn)鏡，其限制光束并且彎曲于望遠(yuǎn)鏡折疊式反射鏡內(nèi)。檢流計(jì)156在交叉掃描方向上使光束發(fā)生偏斜，從而使圖像的掃描線發(fā)生位移。然后，光束穿過望遠(yuǎn)鏡134和物鏡116。光束由物鏡透鏡聚焦，然后從正在進(jìn)行成像的組織部分(患者身體位置)反射回來而穿過物鏡116、望遠(yuǎn)鏡134、檢流計(jì)156反射鏡、折疊式反射鏡155、第二望遠(yuǎn)鏡154和多邊形裝置面，然后對線條進(jìn)行去掃描，到達(dá)分束器148。分束器148指引光束到達(dá)針孔檢測器組件162的共焦針孔光圈160。該組件包括可以是雪崩光電二極管的檢測器和安裝在板上用于對相應(yīng)于圖像的視頻信號進(jìn)行顯影的電子裝置。該視頻信號通過沒有顯示的電纜經(jīng)由在檢測器模塊162上的連接器164和在PC板130上的連接器166而得以傳送，用于經(jīng)由在板130上的電子裝置處理成形成圖像的信號。該信號通過在PCB 130上的連接器168經(jīng)由電纜(未顯示)而得以傳送到PC，用于在顯示器22上提供圖像。可以進(jìn)行信號傳輸用于在遠(yuǎn)距離的點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程病理觀察或使用高分辨率(兆像素)打印機(jī)打印出來圖像。
從分束器148返回的光束通過針孔透鏡170和折疊式反射鏡172而得以在針孔光圈160上聚焦。
本發(fā)明的特點(diǎn)是在主底盤支撐盤的上表面上的基本上相同的平面內(nèi)提供了緊湊的光學(xué)裝置及其位置。通過對光學(xué)構(gòu)件進(jìn)行布置，從而使在介于檢流計(jì)和多邊形裝置84之間的光路的部分內(nèi)(主要在第二望遠(yuǎn)鏡透154的界限內(nèi))的光束與在從分束器148到針孔光圈160的返回路徑內(nèi)的光束交叉，得到了該結(jié)果。光束部分以超過最小角度的角度發(fā)生交叉，由此在交叉光束內(nèi)避免了光的任何顯著干涉。要注意的是，所有光學(xué)構(gòu)件都安裝在主底盤82上，并且?guī)缀跛泄鈱W(xué)構(gòu)件都安裝在盤的上表面上。
光電檢測器162包括將光電檢測器安裝到盤82的上表面上的桿180。檢流計(jì)安裝在接附到前支撐盤88上的托架143上，從而使檢流計(jì)反射鏡在主底盤88的上表面之上的光線的平面內(nèi)。多邊形裝置84處在盤88之上。用于轉(zhuǎn)動多邊形裝置84的多邊形裝置驅(qū)動軸(未顯示)延伸穿過了盤82。連接到多邊形裝置驅(qū)動軸的驅(qū)動馬達(dá)182可以安裝在PCB 130上。
在PCB 130上的電路包括用于為激光器140提供電力的成像激光器驅(qū)動器電路145。該驅(qū)動器電路包括激光器數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)202和激光器電流調(diào)整器204。有三個(gè)驅(qū)動X方向鏡臺驅(qū)動馬達(dá)105、Y方向鏡臺驅(qū)動馬達(dá)106和在Z方向上移動物鏡透鏡116的馬達(dá)108的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動器206、208和210。有包括振蕩器218和鎖相回路(PLL)頻率合成器電路220的像素時(shí)鐘發(fā)生器電路211。在板130上的微處理器CPU 222連接到DAC 202并且連接到驅(qū)動器206、208和210。CPU 222經(jīng)由接口線而連接到現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)集成電路224。有圖像數(shù)據(jù)處理電路226及同步串行器邏輯電路228，該同步化串行器邏輯電路228主要使在成像頭28和PC 26之間的物理連結(jié)的數(shù)目得以減小，從而允許在這二者之間使用非大量的電纜。解串器邏輯電路230也對在PC內(nèi)格式化的圖像進(jìn)行處理。多邊形裝置馬達(dá)84通過多邊形裝置控制器電路232而進(jìn)行速度調(diào)整，該多邊形裝置控制器電路232通過在FPGA上的可編程除法器234從像素時(shí)鐘接收頻率形式的基準(zhǔn)速度信號。串行器邏輯電路也通過除法器236接收像素時(shí)鐘，用于傳輸?shù)絇C 26來復(fù)原圖像。通過以光柵方式對輸出到組織樣品上的激光束進(jìn)行掃描，提供了圖像形成?？燧S通過轉(zhuǎn)動多邊形裝置84而得以產(chǎn)生，而慢軸通過檢流計(jì)156而得以產(chǎn)生。組織的反射率性質(zhì)通過由光電檢測器162將如由在隨后幾頁中所描述的光學(xué)裝置調(diào)節(jié)的折射光轉(zhuǎn)換成時(shí)變電信號電壓而得以測量。該信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器280轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。包括線計(jì)數(shù)器和回掃邏輯電路238的同步電路驅(qū)動包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器240的檢流計(jì)控制器。檢流計(jì)伺服系統(tǒng)242連接到檢流計(jì)156。多邊形裝置位置通過多邊形裝置位置(掃描起始-SOS)檢測器而得以檢測，當(dāng)每個(gè)連貫的多邊形裝置面對穿越組織樣品的輸出激光束進(jìn)行掃描的時(shí)候該多邊形裝置位置檢測器產(chǎn)生了數(shù)字脈沖。線計(jì)數(shù)器和回掃邏輯電路238對這些SOS邊緣進(jìn)行計(jì)數(shù)，以對檢流計(jì)156的位置進(jìn)行控制。數(shù)模電路240將線計(jì)數(shù)器數(shù)值轉(zhuǎn)換成最終對檢流計(jì)156的角度位置進(jìn)行控制的模擬電壓。有用于觸發(fā)監(jiān)視器22的電路(未顯示)，也有在FPGA接口上的寄存器電路246，該寄存器電路246允許CPU 222對各種FPGA掃描參數(shù)進(jìn)行編程。
CPU 222也經(jīng)由固件解碼器252接收來自在成像頭28的殼上的頭控制鍵盤24的指令，從而以經(jīng)由X馬達(dá)104、Y馬達(dá)106和Z馬達(dá)108的驅(qū)動器而對這些馬達(dá)進(jìn)行操作。
在操作期間，固件使用配備了串行器/解串器接口241的FPGA 224而對微處理器進(jìn)行指導(dǎo)，以經(jīng)由PC主機(jī)的串口(RS-232)而接受來自PC主機(jī)的指令并且接受來自板上鍵盤24的指令。這些指令指導(dǎo)板上微處理器222，以開始進(jìn)行掃描，對激光器電流、步進(jìn)馬達(dá)位置、多邊形裝置轉(zhuǎn)動進(jìn)行控制?？删幊痰某ㄆ?34獨(dú)立于像素時(shí)鐘而提供了對多邊形裝置基準(zhǔn)頻率FPOLY的控制。在這么做的時(shí)候，以像素確立了圖像的寬度。同樣地，到線計(jì)數(shù)器塊238的HPER和VSPER輸入確立了所顯示的圖像的高度。
除了在上面提及的功能外，微處理器222周期性地對它的鍵盤進(jìn)行掃描，以檢測控制裝置觸發(fā)。若干前面板鍵具有預(yù)定的功能，這些預(yù)定的功能包括開始和停止成像(掃描)模式、移動三個(gè)步進(jìn)馬達(dá)中的每個(gè)、控制激光器運(yùn)行電流(由此控制激光器運(yùn)行功率)、圖像捕捉、圖像堆疊、堆疊或截取成像，這取決于當(dāng)前哪個(gè)功能是激活的?？梢园~外的按鈕，以對激活成像功能做出選擇。也可以將該特點(diǎn)整合到PC的應(yīng)用程序內(nèi)。接下來對每個(gè)鍵功能進(jìn)行了簡要的描述。
指令結(jié)構(gòu)允許PC主機(jī)優(yōu)先于局部控制裝置，和/或使PC主機(jī)以其判斷力而得到局部控制裝置的狀態(tài)。
掃描/停止掃描掃描/停止掃描按鈕通過執(zhí)行若干相關(guān)任務(wù)指導(dǎo)微處理器222開始掃描或終止掃描(基于掃描的當(dāng)前狀態(tài))。這些任務(wù)包括根據(jù)預(yù)定的成像參數(shù)(例如圖像寬度、高度、幀頻)而對像素時(shí)鐘產(chǎn)生PLL 220和各種FPGA寄存器246(查看微處理器/FPGA接口)進(jìn)行編程和將激光器電流DAC設(shè)置到初始數(shù)值。
激光器電流控制像在隨后段落內(nèi)所描述的那樣，通過激光器運(yùn)行電流而對成像激光器功率進(jìn)行間接控制(參見成像激光器驅(qū)動器)。
按動增加激光器電流控制裝置使微處理器增加激光器DAC 202設(shè)置，而按動減小激光器電流控制裝置使微處理器222減小激光器DAC設(shè)置。
在非掃描時(shí)段期間，激光器電流通過微處理器而設(shè)置成其最小數(shù)值。
X、Y、Z馬達(dá)移動三個(gè)鏡臺定位步進(jìn)馬達(dá)對成像深度(Z)和樣本位置(X、Y)進(jìn)行控制。微處理器響應(yīng)于馬達(dá)移動控制裝置X+、X-、Y+、Y-、Z+和Z-而對這些步進(jìn)馬達(dá)104、106、108進(jìn)行控制。根據(jù)當(dāng)前移動模式(精準(zhǔn)的或粗略的)，每次鍵觸發(fā)移動一步的精準(zhǔn)模式和每次鍵觸發(fā)移動多步的粗略模式是可分別得到的。
精準(zhǔn)/粗略模式選擇精準(zhǔn)/粗略模式控制裝置可選地對精準(zhǔn)或粗略移動模式做出選擇。當(dāng)馬達(dá)的相關(guān)馬達(dá)移動控制裝置觸發(fā)的時(shí)候，微處理器固件分別通過將一步或多步指令發(fā)到相關(guān)馬達(dá)而實(shí)施這些模式。
圖像功能選擇有三種成像模式圖像捕捉、VivaStack和VivaBlock。圖像捕捉是簡單地從實(shí)況視頻供給捕捉單幀。截取是一系列在處于相同X、Y位置的各種預(yù)定深度采集到的圖像。堆疊是一系列在相同深度采集到的縫合在一起以形成大區(qū)域圖像的圖像。
圖像模式控制裝置可選地在這些模式之間做出選擇。該控制裝置的狀態(tài)轉(zhuǎn)遞到PC應(yīng)用程序，用于處理。實(shí)施和組織這些功能的是PC26應(yīng)用程序。
成像激光器驅(qū)動器成像激光器140以恒定電流模式運(yùn)行。在該模式內(nèi)，激光器功率實(shí)際上是恒定的。然而，溫度對激光器功率有輕微的影響，激光器的熱質(zhì)量是大的并且內(nèi)部運(yùn)行溫度相當(dāng)恒定，因而實(shí)際運(yùn)行功率改變是小的，通常僅為1％或2％，這樣實(shí)際上就維持了恒定的目標(biāo)信號反射率(例如圖像亮度)。
激光器電流通過恒流負(fù)載型電路204而得以調(diào)整。恒流負(fù)載電路通過DAC 202而得以驅(qū)動，該DAC 202的輸出通過板上微處理器222而得以控制。
步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動器三個(gè)PWM模式電流調(diào)整馬達(dá)驅(qū)動器為樣本鏡臺92提供了三軸運(yùn)動，即X、Y和聚焦深度Z。板上微處理器222響應(yīng)于前面板控制裝置24而對這些鏡臺進(jìn)行定位，這使操作者可以直接對樣本位置進(jìn)行控制。
馬達(dá)供給電壓選擇成大大高于馬達(dá)額定值，從而產(chǎn)生顯著高于其它情況下的旋轉(zhuǎn)速率的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速率，這提供了改善的步響應(yīng)。驅(qū)動器電路206、208和210對馬達(dá)電流進(jìn)行調(diào)整，這確保了馬達(dá)不會過熱。若干電流水平可以通過微處理器選擇，這允許馬達(dá)以較低的電流水平運(yùn)行，以在減小的馬達(dá)功率消耗水平維持位置。
鍵盤多路器鍵盤24觸發(fā)鍵特征部和運(yùn)行模式及控制馬達(dá)位置和成像激光器功率(經(jīng)由其運(yùn)行電流)。鍵盤狀況通過串行接口而多路輸送到在PC 26上運(yùn)行的控制應(yīng)用程序。
鍵盤24是標(biāo)準(zhǔn)的4行×4列多路設(shè)計(jì)，并且通過板上微處理器222而得以控制，以允許簡單的鍵代碼分配。解碼器252是裝備有提供為實(shí)現(xiàn)該功能的最小外部電路的固件。
像素時(shí)鐘產(chǎn)生PLL可編程的鎖相回路頻率合成器產(chǎn)生了像素時(shí)鐘(用于在每個(gè)像素的一個(gè)周期對成像數(shù)字轉(zhuǎn)換器(或多個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行采樣的時(shí)鐘)。PLL可以產(chǎn)生精確的并且穩(wěn)定的從5MHz到100MHz的時(shí)鐘頻率。
PLL 220通過微處理器222編程，以基于操作者指定的圖像參數(shù)(例如寬度和高度)而產(chǎn)生合適的時(shí)鐘頻率。
雙重成像數(shù)字轉(zhuǎn)換器在視頻圖像信號數(shù)字轉(zhuǎn)換器220內(nèi)，有兩個(gè)高速10位A/D轉(zhuǎn)換器280和282，以轉(zhuǎn)換來自達(dá)到兩個(gè)模擬信號源的模擬反射率信號。第一源是與即時(shí)的目標(biāo)反射率和激光器功率乘積成比例的正常反射率通道。第二檢測器通道可以是敏感于輔助照明光波長的或是敏感于像熒光那樣的光性質(zhì)的。
數(shù)字反射率數(shù)據(jù)在FPGA 227內(nèi)得以處理，并且多路輸送到輸出數(shù)據(jù)流內(nèi)，用于隨后顯示或由PC進(jìn)一步處理。
微處理器/FPGA接口若干功能在FPGA 227內(nèi)得以實(shí)施。由于FPGA的可編程性質(zhì)，F(xiàn)PGA可以重新設(shè)定，以實(shí)施額外的操作。
微處理器以傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)總線作為與FPGA的接口。FPGA被組織成可直接由微處理器222訪問的一系列八個(gè)8位控制寄存器246。三個(gè)來自微處理器的地址信號對要訪問哪個(gè)FPGA寄存器做出選擇。兩個(gè)額外的控制信號，即R_/W和XFR，使接口變得完整。R_/W的電平對輸送方向(例如數(shù)據(jù)總線方向)進(jìn)行控制，而XFR作為數(shù)據(jù)輸送選通。該接口可以通過在FPGA邏輯電路內(nèi)限定寄存器選擇位而得以幾乎無限地?cái)U(kuò)大。也就是說，限定了其數(shù)值對訪問寄存器的可選組(或多個(gè)組)做出選擇的寄存器。
成像數(shù)據(jù)和同步串行器邏輯電路串行器減少了在成像頭28和PC 26之間的信號連接，由此免除了對大量電纜的需要。對并行數(shù)據(jù)信號及水平同步周期和垂直同步周期進(jìn)行分時(shí)多路輸送。兩個(gè)數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)鐘信號使接口變得完整，并且允許解串器230可以進(jìn)行容易的并且可靠的信號提取。許多數(shù)據(jù)信號可以根據(jù)需要擴(kuò)大接口帶寬，當(dāng)然這要耗費(fèi)電纜傳導(dǎo)器的數(shù)量。
解串器電路230可以安置在PC 26內(nèi)，并且將串行數(shù)據(jù)和控制信號轉(zhuǎn)換回它們原來的形式，用于提供給在PC內(nèi)的視頻捕捉板和串口接口。
無刷DC馬達(dá)控制器轉(zhuǎn)動的多邊形裝置84實(shí)現(xiàn)高速(水平的)掃描軸線。輸出的激光束通過移動面而得以在水平方向上掃過樣本。
多邊形裝置馬達(dá)可以是三相、120°、無刷DC馬達(dá)。電流調(diào)整、PWM開關(guān)控制IC提供了基本的相換向和電流調(diào)整。該IC是輔助速度調(diào)整電路的部分。
在FPGA內(nèi)產(chǎn)生(源自像素時(shí)鐘)的稱為FPOLY的基準(zhǔn)頻率確立了多邊形裝置馬達(dá)的基本轉(zhuǎn)動速度，從而確立了線掃描頻率。由于該頻率是基于像素時(shí)鐘(該像素時(shí)鐘對采樣進(jìn)行控制)的，所以這些頻率的比率控制了圖像寬度。多邊形裝置速度控制器是通過對一個(gè)霍耳效應(yīng)傳感器相(其輸出是每個(gè)馬達(dá)回轉(zhuǎn)兩個(gè)周期)的頻率和命名為Fpoly的基準(zhǔn)頻率做出比較而調(diào)整馬達(dá)速度的閉環(huán)反饋伺服系統(tǒng)。頻率在速度控制器電路內(nèi)得以轉(zhuǎn)換成與馬達(dá)速度成比例的DC、以地為基準(zhǔn)的電壓。這些電壓輸入到傳統(tǒng)的模擬減法器。減法器輸出應(yīng)用到在上面提及的PWM開關(guān)控制IC的電流輸入控制，這樣就形成了成比例的閉環(huán)控制器。
在前面對電路進(jìn)行了描述，通過該方程式給出了線掃描速率方程式1線掃描速率 檢流計(jì)控制器檢流計(jì)提供了慢掃描軸線定位機(jī)構(gòu)。維持在FPGA內(nèi)的線計(jì)數(shù)器增加到可編程的偏移數(shù)值。該偏移數(shù)值允許系統(tǒng)通過操作者和PC鍵盤而得以機(jī)械地校準(zhǔn)，而不是通過用手移動光學(xué)裝置和反射鏡，以彌補(bǔ)制造偏差。結(jié)果饋給給其輸出電壓作為到位置控制閉環(huán)伺服系統(tǒng)的輸入的垂直控制DAC。檢流計(jì)提供了光學(xué)位置測量機(jī)構(gòu)，該光學(xué)位置測量機(jī)構(gòu)提供了與角度位置成比例的以地為基準(zhǔn)的雙極輸出電壓。伺服系統(tǒng)240以在垂直位置DAC和所測量的角度位置之間的差驅(qū)動檢流計(jì)線圈，這樣就形成了閉環(huán)成比例的位置控制伺服系統(tǒng)。
多邊形位置(SOS)檢測器輔助的激光器244掃過雙光電檢測器245。其輸出狀態(tài)通過對兩個(gè)檢測器電流進(jìn)行比較而得以確定的比較器電路247作為物理掃描起始(或縮寫為SOS)基準(zhǔn)信號。當(dāng)光電檢測器A的電流大于B的電流的時(shí)候比較器是高的，而當(dāng)光電檢測器B的電流大于A的電流的時(shí)候比較器是低的。此外，確切的極性(A＞B、B＞A)只是代表數(shù)字信號倒置，因此是無關(guān)緊要的。該信號在FPGA內(nèi)得以數(shù)字地延遲，以變成水平同步(縮寫為HSYNC)。視頻捕捉板使用該信號而使數(shù)據(jù)采集同步，這確保了對于每條掃描線而在相同的物理位置確定成像激光器的位置。
現(xiàn)場可升級固件/FPGA代碼微處理器222具有通過將特殊的監(jiān)視器進(jìn)入電壓應(yīng)用到其IRQ管腳并且同時(shí)對復(fù)位管腳施以脈沖而得以觸發(fā)的診斷監(jiān)視器模式。提供了允許FPGA 227執(zhí)行該功能由此允許PC主機(jī)可以觸發(fā)該微處理器模式的電路。在該模式期間，外部系統(tǒng)訪問在微處理器的存儲器分配圖中的所有寄存器和存儲器位置。該模式用于對存儲在板上(在CPU內(nèi))的閃存ROM內(nèi)的微處理器內(nèi)部運(yùn)行程序(例如固件)進(jìn)行升級。
此外，F(xiàn)PGA運(yùn)行代碼存儲在非易失的串行EEPROM內(nèi)。微處理器的I/O信號直接連接到在前面提及的EEPROM的復(fù)位信號、時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)信號。通過在信號的三狀態(tài)模式內(nèi)運(yùn)行這些信號(例如通過對信號進(jìn)行編程以輸入到CPU)，這些信號不會與FPGA負(fù)載運(yùn)行發(fā)生沖突。相反地，通過將FPGA置于其復(fù)位狀態(tài)內(nèi)，這些信號用于將來自微處理器儲存器的新程序加載到FPGA串行EEPROM內(nèi)。在此之后，可以復(fù)位FPGA，這使得它從串行EEPROM加載新的程序數(shù)據(jù)。
通過以上描述，顯而易見的是，已經(jīng)提供了改善的共焦成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括共焦成像頭和相關(guān)設(shè)備。在本發(fā)明的范圍內(nèi)對系統(tǒng)、頭和設(shè)備進(jìn)行改造，這對于本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員是顯而易見的。因此，以上描述應(yīng)該被視為是說明性的，而不應(yīng)該被視為是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于對患者身體所選位置進(jìn)行成像的設(shè)備，其包括具有共焦顯微鏡的成像頭；直立的支撐臺；和將所述的頭接附到所述的支撐臺上并且為所述的頭提供了多種水平和垂直位移移動和轉(zhuǎn)動移動以在所述的所選位置對所述的頭進(jìn)行精確定位的臂機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述的頭具有包括物鏡透鏡的突出的突出部分，將所述的突出部分接附到所述的頭上以在多個(gè)方向上進(jìn)行移動以精確地在所述的所選位置對所述的頭進(jìn)行精準(zhǔn)定位的機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括手動可訪問的控制面板，該控制面板安裝在所述的頭上并且具有用于使所述的突出部分和所述的物鏡透鏡分別在X、Y和Z方向上進(jìn)行移動的控制裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括從所述的頭延伸出來以手動將所述的頭與所述的臂一起移動到所述的位置的把手。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述的臂機(jī)構(gòu)包括多個(gè)鉸接的臂部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述的臂機(jī)構(gòu)還包括將所述的臂部分連接到所述的支撐臺上以及連接到所述的頭上的萬向關(guān)節(jié)和能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)動移動使所述的臂部分彼此連接的關(guān)節(jié)，由此提供了所述的多種移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述的頭是可以從所述的臂機(jī)構(gòu)上拆卸下來的，用于進(jìn)行獨(dú)立的移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述的頭具有外殼并且在所述的外殼的一端具有把手，提供了接收裝置，用于在所述接收裝置內(nèi)以可松開的閉鎖關(guān)系接收在所述的臂機(jī)構(gòu)的端部的連接裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述的支撐臺提供了用于安裝顯示器以對由所述的共焦顯微鏡產(chǎn)生的圖像進(jìn)行監(jiān)控的平臺。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，還包括電子可控制的設(shè)備，用于與所述的顯示器和所述的頭接口，以產(chǎn)生在所述的位置的所述的身體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的共焦顯微鏡圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述的支撐臺安裝在輪腳上，用于與所述的臂機(jī)構(gòu)和頭一起移動過輪腳在其上滾動的地面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述的頭包括光學(xué)構(gòu)件和電子構(gòu)件的整合的機(jī)械組件，用于提供所述的共焦顯微鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，所述的組件包括PC板和以大體平行的關(guān)系接附的底盤，所述的底盤為所述的光學(xué)構(gòu)件提供了安裝裝置，而所述的PC板為所述的電子構(gòu)件提供了安裝裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述的PC板被布置成面對所述的底盤的與其所述的一個(gè)側(cè)面相對的側(cè)面。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述的PC板具有安裝在其上的多個(gè)電路，用于為所述的頭提供編程運(yùn)行和控制并且用于產(chǎn)生提供在所述的所選位置的所述的身體的圖像的信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，所述的組件包括盤，其提供了支撐包括物鏡、檢測器和經(jīng)由所述的物鏡而對所述的所選位置進(jìn)行照明的源的所述的光學(xué)構(gòu)件的主底盤，用于經(jīng)由所述物鏡而從所述源對在所述的身體上的所述的位置進(jìn)行所述照明的光學(xué)路徑，所述的路徑返回到所述的物鏡并且到達(dá)所述的檢測器，所述的路徑在所述的盤的一側(cè)之上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，所述的路徑處在大體上平行于所述的盤的所述的一個(gè)側(cè)面的相同平面內(nèi)，并且在所述的平面內(nèi)到達(dá)所述的物鏡的所述的路徑和到達(dá)所述的檢測器的所述的路徑彼此交叉。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述的光學(xué)構(gòu)件包括可轉(zhuǎn)動的多邊形裝置掃描器和分束器，該多邊形裝置掃描器限定了從所述的多邊形裝置延伸到所述的物鏡的所述的路徑的第一部分，該分束器在所述的分束器和所述的檢測器之間的所述的路徑的第二部分內(nèi)，所述的交叉為由所述的路徑的所述的第一和第二部分交叉。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述的路徑的所述的部分以足夠的角度發(fā)生交叉，以在所述的交叉處使光的光學(xué)干涉最小化。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述的角度大于大約為避免發(fā)生干涉而所需要的最小角度。
21.一種共焦顯微鏡成像頭，其包括在共同的外殼內(nèi)的光學(xué)構(gòu)件和電子構(gòu)件的整合的機(jī)械組件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，所述的組件包括PC板和以大體平行的關(guān)系接附的底盤，所述的底盤為所述的光學(xué)構(gòu)件提供了安裝裝置，而所述的PC板為所述的電子構(gòu)件提供了安裝裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其特征在于，所述的PC板被布置成面對所述的底盤的與其所述的一個(gè)側(cè)面相對的側(cè)面。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其特征在于，所述的PC板具有安裝在其上的多個(gè)電路，用于為所述的頭提供編程運(yùn)行和控制并且用于產(chǎn)生提供患者的所述的身體的所選位置的圖像的信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其特征在于，所述的編程運(yùn)行具有提供在軟件控制下為固件和FPGA程序代碼進(jìn)行升級的能力的手段。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，所述的組件包括盤，其提供了支撐包括物鏡、檢測器和經(jīng)由所述的物鏡而對所述的所選位置進(jìn)行照明的源的所述的光學(xué)構(gòu)件的主底盤，用于經(jīng)由所述物鏡而從所述源入射在所述的身體上的所述的位置上的所述照明的光學(xué)路徑，所述的路徑穿過所述的物鏡而返回到所述的檢測器，所述的入射和返回路徑在所述的盤的一側(cè)之上。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其特征在于，所述的路徑處在大體上平行于所述的盤的所述的一個(gè)側(cè)面的相同平面內(nèi)，在所述的平面內(nèi)所述的入射和返回路徑彼此交叉。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其特征在于，所述的光學(xué)構(gòu)件包括可轉(zhuǎn)動的多邊形裝置掃描器，該多邊形裝置掃描器限定了從所述的多邊形裝置延伸到所述的物鏡的所述的路徑的第一部分，所述的構(gòu)件包括分束器，其在所述的分束器和所述的檢測器之間的所述的路徑的第二部分內(nèi)，所述的路徑的所述的第一和第二部分彼此交叉。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其特征在于，所述的路徑的所述的部分以足夠的角度發(fā)生交叉，以在所述的交叉處使光的光學(xué)干涉最小化。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其特征在于，所述的角度大于大約15度。
全文摘要
共焦成像顯微鏡，尤其是用于對處在所選位置的皮膚進(jìn)行細(xì)胞成像的共焦成像顯微鏡，在使用時(shí)是符合人體工程學(xué)的，緊湊的，且可以在所選位置進(jìn)行定位的，由此使患者在成像期間是舒適的。成像頭(28)萬向地安裝在多軸線復(fù)合臂(34)上，以允許在所選位置精確放置從頭延伸出來的共焦物鏡(116)，頂在患者皮膚上，同時(shí)使患者是舒適的。臂(34)將頭接附到直立的臺(10)上，該臺(10)是可以沿著臺放在其上的地面而進(jìn)行移動的。臺(10)具有在其上支撐了鍵盤(24)和用于對圖像進(jìn)行監(jiān)控的顯示器(22)的平臺(16)。臺(10)也支撐了用于對在顯示器上提供了圖像的信號進(jìn)行處理并且用于對顯微鏡進(jìn)行控制的個(gè)人電腦(PC)(26)。頭(28)包含顯微鏡的光學(xué)構(gòu)件和機(jī)械構(gòu)件的整合組件。組件包括主底盤(82)。光學(xué)構(gòu)件主要安裝在盤的一個(gè)側(cè)面上，而PC板(130)安裝在盤的相對側(cè)上。板(130)安裝了包括接口、微處理器(222)和用于馬達(dá)(105、106、108)的驅(qū)動器(206、208、210)的電子構(gòu)件，該馬達(dá)(105、106、108)對掃描進(jìn)行控制并且也可以對精準(zhǔn)定位成像的位置進(jìn)行控制。用于精準(zhǔn)定位和聚焦的控制裝置(50)處在頭(28)上，以容易地使用。頭(28)是可以從臂上拆卸下來的以用手部署，當(dāng)不但對皮膚進(jìn)行成像而且對其它組織進(jìn)行成像尤其是用于在細(xì)胞水平上研究活體過程的時(shí)候這是有用的。
文檔編號G02B21/00GK1791822SQ200480013754
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
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