專利名稱：壓電顯微切割系統(tǒng)、切割深度定位方法及切割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電顯微切割系統(tǒng)、切割深度定位方法及切割方法。
背景技術(shù)：
顯微切割技術(shù)是在顯微狀態(tài)或顯微鏡直視下通過(guò)顯微操作系統(tǒng)對(duì)欲選取的材料 (組織、細(xì)胞群、細(xì)胞、細(xì)胞內(nèi)組分或染色體區(qū)帶等)進(jìn)行切割分離并收集用于后續(xù)研究的技術(shù)。其特點(diǎn)是可從構(gòu)成復(fù)雜的組織中獲得某一特定的同類細(xì)胞或單個(gè)細(xì)胞。在分子生物學(xué)的特定細(xì)胞切割，細(xì)胞遺傳學(xué)的特定染色體切割，腫瘤疾病理學(xué)的基因檢測(cè)等方面具有廣泛的應(yīng)用。顯微切割分離技術(shù)拓寬了基因組學(xué)研究的領(lǐng)域和精度，更為分子腫瘤學(xué)的發(fā)展提供了不可替代的幫助，已日漸成為不可替代的支柱技術(shù)之一。早期是從冰凍組織切片上直接在肉眼下用解剖刀刮去不需要的部分，剩下感興趣的組織。后來(lái)發(fā)展成在顯微操作儀引導(dǎo)下使用帶有黏附尖端的解剖針或吸管，進(jìn)行手動(dòng)切割或提取。手動(dòng)直接顯微切割直接在顯微鏡下手持切割用針分離組織或細(xì)胞群，此種方式切割精度低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可重復(fù)性差，而且不能避免污染，只適用于對(duì)較大塊組織中的局部區(qū)域或細(xì)胞群進(jìn)行分離，切割單個(gè)細(xì)胞十分困難。機(jī)械輔助顯微切割是利用普通光學(xué)顯微鏡的微調(diào)旋鈕控制切割針切割細(xì)胞，采用玻璃切割針，此方式切割精度較手動(dòng)直接顯微切割的精度有了提高，可以達(dá)到對(duì)較大的單個(gè)細(xì)胞的切割，切割精度仍然較低，且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。激光捕獲顯微切割使用紅外激光束切割在薄膜下的組織或細(xì)胞，產(chǎn)生的熱量少， 不會(huì)損傷組織的DNA，RNA和蛋白質(zhì)，可以進(jìn)行單個(gè)細(xì)胞，甚至染色體的切割，實(shí)現(xiàn)了高度精確，無(wú)污染，快速和自動(dòng)化切割。雖然激光捕獲顯微切割操作簡(jiǎn)便，耗時(shí)少，取材準(zhǔn)確，但需特殊的設(shè)備，激光器造價(jià)昂貴。國(guó)內(nèi)也有一些壓電超聲顯微切割的裝置，但都不能實(shí)現(xiàn)切割深度方向可控的全自動(dòng)切割，使用不方便，效率低，不能保證獲得最佳的切割效果，此外在組織切片深度切割方向上不可控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種壓電顯微切割系統(tǒng)、切割深度定位方法及切割方法。本發(fā)明提供的壓電顯微切割系統(tǒng)，可以自動(dòng)定位在所需切割生物組織深度方向任意位置，并可自動(dòng)完成目標(biāo)生物組織的切割，還可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組織切片的分離。有鑒于此，本發(fā)明提供一種壓電顯微切割系統(tǒng)，包括平臺(tái)，其可提供置放具有一生物組織的載物片； 振動(dòng)切割部，其還包括一切割針及一振動(dòng)體，該切割針與該振動(dòng)體相連接，該振動(dòng)體以一振動(dòng)頻率振動(dòng)并帶動(dòng)所述切割針進(jìn)行振動(dòng)，使所述切割針對(duì)所述生物組織進(jìn)行切割動(dòng)作；第一電動(dòng)操作手，連接于所述振動(dòng)切割部，并帶動(dòng)所述切割針實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)；持針器，設(shè)于所述平臺(tái)的上方，用以在生物組織完成切割后取下切片組織；第二電動(dòng)操作手，連接于所述持針器，并帶動(dòng)所述持針器實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)；圖像采集系統(tǒng)，其還包括一 CXD圖像傳感器和一顯微鏡，該CXD圖像傳感器和顯微鏡相連接以采集所述顯微鏡所放大的物象；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其一輸入端連接于所述CXD圖像傳感器的輸出端，其一輸出端連接于所述顯微鏡的輸入端，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還分別連接于所述第一電動(dòng)操作手和所述第二電動(dòng)操作手，以分別控制所述第一電動(dòng)操作手和所述第二電動(dòng)操作手實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)中，所述平臺(tái)連接于所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該平臺(tái)于一空間內(nèi)進(jìn)行至少一自由度的位移運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)中，所述顯微鏡為倒置顯微鏡。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)中，所述切割針為壓電超聲切割針，所述振動(dòng)體為壓電疊堆陶瓷。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)中，所述振動(dòng)體的振動(dòng)頻率為O 40KHz，振動(dòng)幅值為O 7um。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)中，所述振動(dòng)切割部還包括一連接部，該連接部的一端與所述切割針固定，該連接部的另一端設(shè)有螺紋并與所述振動(dòng)體固定。本發(fā)明還提供了一種利用所述壓電顯微切割系統(tǒng)的切割深度定位方法，包括(I)控制切割針移動(dòng)并接近生物組織的表面；(2)切割針與生物組織恰好接觸，獲取生物組織表面的位置信息并存儲(chǔ)；(3)以所述位置信息為參考平面，自該參考平面向下移動(dòng)的距離即為切割深度。本發(fā)明還提供了一種利用所述壓電顯微切割系統(tǒng)的切割方法，包括(I)將顯微鏡中觀察到的生物組織的放大的物象通過(guò)CXD圖像傳感器傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在顯示器上顯示出來(lái)；(2)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)備，在所顯示的生物組織的放大的物象上確定需要切割的路線，并存儲(chǔ)該切割路線信息；(3)輸入切割深度信息；(4)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制第一電動(dòng)操作手運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行所述切割路線和切割深度指令對(duì)生物組織進(jìn)行切割； (5)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制第二電動(dòng)操作手運(yùn)動(dòng)，通過(guò)持針器將切割下的切片組織取下。本發(fā)明提供一種壓電顯微切割系統(tǒng)、切割深度定位方法及切割方法。通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制生物組織的切割及切割后將切片組織取下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，克服了手工完成生物組織切片的切割、分離工作時(shí)操作者工作強(qiáng)度大、實(shí)現(xiàn)困難、費(fèi)時(shí)、易疲勞、人為誤差不可避免的缺陷。通過(guò)切割針與生物組織恰好接觸，獲取生物組織表面的位置信息，并以該位置信息作為參考平面，可以定位切割針在生物組織深度方向的位置。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中壓電顯微切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a 2c所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中振動(dòng)切割部的三種優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a 3c所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中切割深度定位方法的原理示意圖；圖4所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中對(duì)振動(dòng)切割部的針尖進(jìn)行圖像處理后的電鏡照片;圖5所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中切割針針尖視覺跟蹤示意圖；圖6a 6g所示為利用本發(fā)明具體實(shí)施例中的壓電顯微切割系統(tǒng)進(jìn)行切割的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的是提供一種壓電顯微切割系統(tǒng)，以克服手工完成生物組織切片的切割、分離工作時(shí)操作者工作強(qiáng)度大、實(shí)現(xiàn)困難、費(fèi)時(shí)、易疲勞、人為誤差不可避免的缺陷。與現(xiàn)有的壓電切割相比，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的顯微切割系統(tǒng)，可以自動(dòng)定位在所需切割組織切片深度方向任意位置，并可自動(dòng)完成目標(biāo)組織切片的切割，利用不同粗細(xì)的切割針可實(shí)現(xiàn)不同大小區(qū)域的切割，最小可完成小于IOumX IOum區(qū)域的特定組織切片的切割(能勝任細(xì)胞級(jí)的切割)，并可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組織切片的分離。為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。參圖I所示，壓電顯微切割系統(tǒng)10包括平臺(tái)11、振動(dòng)切割部12、第一電動(dòng)操作手 13、持針器14、第二電動(dòng)操作手15、圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16。平臺(tái)11，其可提供置放具有一生物組織的載物片。平臺(tái)11連接于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16， 該平臺(tái)11于一空間內(nèi)進(jìn)行至少一自由度的位移運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16可以控制平臺(tái)11進(jìn)行移動(dòng)，平臺(tái)11優(yōu)選為X/Y精密電動(dòng)載物定位平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)X、Y兩自由度的運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)切割部12，包括一切割針及一振動(dòng)體，該切割針與該振動(dòng)體相連接，該振動(dòng)體以一振動(dòng)頻率振動(dòng)并帶動(dòng)所述切割針進(jìn)行振動(dòng)，使所述切割針對(duì)所述生物組織進(jìn)行切割動(dòng)作。切割針優(yōu)選為壓電超聲切割針，振動(dòng)體優(yōu)選為壓電疊堆陶瓷，壓電疊堆陶瓷與自帶信號(hào)發(fā)生器寬頻帶壓電陶瓷電源127的一端連接。振動(dòng)體的振動(dòng)頻率優(yōu)選為O 40KHz，振動(dòng)幅值為O 7um。圖2a 2c所示為振動(dòng)切割部的結(jié)構(gòu)示意圖。由于在顯微切割中，如果切割針和振動(dòng)體連接不緊，在超聲振動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致切割針不僅沿其軸向振動(dòng)，還容易產(chǎn)生水平面內(nèi)不可控的橫向擺動(dòng)。這樣就可能會(huì)導(dǎo)致切口不平整、切口變寬、切割不徹底，甚至切割針在切割過(guò)程中脫落等。因此本發(fā)明實(shí)施例中，振動(dòng)切割部12還包括一連接部，該連接部的一端與切割針固定，該連接部的另一端設(shè)有螺紋并與振動(dòng)體固定。
振動(dòng)切割部12的結(jié)構(gòu)優(yōu)選自圖2a 2c所示的三種方式。圖2a中是直接把切割針124塞進(jìn)一個(gè)圓柱形的螺栓(連接部)121上再把螺栓121擰入壓電疊堆陶瓷。圖2b中連接部122的一端是螺栓狀的圓柱體，另一端則是曾十字形的夾持結(jié)構(gòu)，十字形的夾持結(jié)構(gòu)外面用螺帽擰緊固定住切割針125。圖2C中連接部123的半圓柱狀的縱切面上開有一個(gè)半圓柱形的槽，把切割針126放入槽內(nèi)，用金屬片蓋住然后用螺絲擰緊。第一電動(dòng)操作手13連接于振動(dòng)切割部12，并帶動(dòng)切割針實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)。持針器14，設(shè)于平臺(tái)11的上方，用以在生物組織完成切割后取下切片組織。第二電動(dòng)操作手15，連接于持針器14，可帶動(dòng)持針器14實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)。第一電動(dòng)操作手13和第二電動(dòng)操作手15分別設(shè)置于載物片的兩側(cè)。圖像米集系統(tǒng)，包括一CO) (Charge-coupled Device)圖像傳感器161和一顯微鏡 162，該CXD圖像傳感器161和顯微鏡162相連接以采集顯微鏡162所放大的物象。CXD圖像傳感器161優(yōu)選為CXD攝像頭，顯微鏡162優(yōu)選為倒置的顯微鏡，其設(shè)于平臺(tái)11的正上方。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16，其一輸入端連接于CXD圖像傳感器161的輸出端，其一輸出端連接于顯微鏡162的輸入端,該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16還分別連接于第一電動(dòng)操作手13和第二電動(dòng)操作手15，以分別控制該第一電動(dòng)操作手13和第二電動(dòng)操作15手實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16通過(guò)開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微鏡162的調(diào)焦、切換物鏡以及調(diào)節(jié)光線
亮度等操作。CXD圖像傳感器161的輸出端優(yōu)選通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16的一個(gè)信號(hào)輸出端連接控制器111以實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)在X-Y方向的驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明實(shí)施例還提供了利用上述壓電顯微切割系統(tǒng)的切割方法，包括如下步驟(I)將顯微鏡中觀察到的生物組織的放大的物象通過(guò)CXD圖像傳感器傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在顯示器上顯示出來(lái)；(2)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)備，在所顯示的生物組織的放大的物象上確定需要切割的路線，并存儲(chǔ)該切割路線信息；(3)輸入切割深度信息；(4)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制第一電動(dòng)操作手運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行所述切割路線和切割深度指令對(duì)生物組織進(jìn)行切割；(5)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制第二電動(dòng)操作手運(yùn)動(dòng)，通過(guò)持針器將切割下的切片組織取下。壓電顯微切割系統(tǒng)10的工作過(guò)程如下生物組織切片17通過(guò)載物片固定在平臺(tái) 11上表面的開孔處，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)16向控制器131發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，并由第一電動(dòng)操作手 13帶動(dòng)切割針實(shí)現(xiàn)在空間三個(gè)坐標(biāo)方向位置調(diào)整的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同方向上的切割。同時(shí)，通過(guò)自帶信號(hào)發(fā)生器寬頻帶壓電陶瓷電源127可實(shí)現(xiàn)對(duì)切割針沿其長(zhǎng)度方向高頻伸縮振動(dòng)參數(shù)的調(diào)整，使其實(shí)現(xiàn)不同頻率和振幅的振動(dòng)狀態(tài)，滿足不同切割條件下的振動(dòng)狀態(tài)要求。振動(dòng)切割部12的振動(dòng)頻率O 40khz，振動(dòng)幅值O 7um，最大振動(dòng)加速度可達(dá)到 15. 28g。CXD圖像傳感器161實(shí)現(xiàn)組織切片切割圖像信息的采集，送入計(jì)算機(jī)后，可以實(shí)現(xiàn)事實(shí)觀察顯微切割全過(guò)程，可以根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，且可以隨時(shí)保存圖像或錄制視頻。
壓電顯微切割系統(tǒng)10用于切割特定需要的組織切片，并實(shí)現(xiàn)感興趣組織切片的分離，具體實(shí)施步驟如下將振動(dòng)切割部12固定于精密三自由度第一電動(dòng)操作手13上，前端的切割針尖貼近生物組織17的表面，振動(dòng)切割部12與生物組織17的上表面成角度Θ ； 在生物組織17上沒有組織的地方提取切割針的深度信息，使切割針停在載玻片上方20um 處，移動(dòng)平臺(tái)11或者水平移動(dòng)振動(dòng)切割部12找到需要切割的位置。通過(guò)控制第一電動(dòng)操作手13降低振動(dòng)切割部12到一定位置使其切入生物組織17，切入深度為2 6um ;使振動(dòng)切割部12在第一電動(dòng)操作手13的驅(qū)動(dòng)下，在水平面內(nèi)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而切割分離出生物組織切片，在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，振動(dòng)切割部12始終在自帶信號(hào)發(fā)生器寬頻帶壓電陶瓷電源 127的驅(qū)動(dòng)下沿其自身長(zhǎng)度方向進(jìn)行超聲振動(dòng)，振動(dòng)頻率為20khz 30khz。壓電顯微切割系統(tǒng)10在切割時(shí)，振動(dòng)切割部12在高精度、高分辨率的第一電動(dòng)操作手13驅(qū)動(dòng)下沿設(shè)定切割軌跡運(yùn)動(dòng)，壓電超聲切割刀不斷作超聲振動(dòng)，在超聲的作用下， 切割更容易、更徹底，生物組織切片的邊緣更平滑。切割后組織可以直接通過(guò)持針器14取下并放到指定的位置進(jìn)行下一步分析，不需要做后續(xù)處理。振動(dòng)切割部12具沿其軸向振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向上的分量，即水平面內(nèi)的振動(dòng)和縱坐標(biāo)平面內(nèi)的振動(dòng)。壓電陶瓷可帶動(dòng)切割針沿著固定桿軸線振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為y (t) =Asin(Cot)(I)其中ω -頻率(ω = 2 π f) ;A-振動(dòng)幅值。這里切割組織切片選為石蠟包埋切片。那么切割針在水平面內(nèi)X軸的振動(dòng)分量為X (t) = Asin (ω t) *cos ( Θ ) (2)切割針在縱坐標(biāo)平面內(nèi)的振動(dòng)分量為z (t) = Asin (ω t) *sin ( Θ ) (3)其中Θ為切割針的傾角。而切割組織切片主要依靠的是縱向分量，當(dāng)振動(dòng)幅值達(dá)到一定值時(shí)便可切開組織，所以獲取切割針尖的深度信息很關(guān)鍵。本發(fā)明實(shí)施例還公開了一種切割深度定位方法，包括如下步驟(I)控制切割針移動(dòng)并接近生物組織的表面；(2)切割針與生物組織恰好接觸，獲取生物組織表面的位置信息并存儲(chǔ)；(3)以所述位置信息為參考平面，自該參考平面向下移動(dòng)的距離即為切割深度。以下結(jié)合圖3a 3c對(duì)上述切割深度定位方法的原理進(jìn)行詳細(xì)描述，其中圖3c為圖3b中A的局部放大圖。上述獲取深度信息的操作原理是基于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察的現(xiàn)象，如圖3a所示，當(dāng)振動(dòng)切割部12在第一電動(dòng)操作手13的驅(qū)動(dòng)下沿Z方向向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，位置1，2，3，4分別表示振動(dòng)切割部12的初始位置、接觸樣品表面之前、與樣品表面剛剛接觸以及接觸后在表面滑動(dòng)，I'、2，、3'、4'則是對(duì)應(yīng)的切割針前端的平面圖像?？梢钥闯?，當(dāng)振動(dòng)切割部12在下降過(guò)程中圖像坐標(biāo)平面上沿某一方向緩慢運(yùn)動(dòng)，且切割針的針尖在水平方向上幾乎沒有位移，當(dāng)與生物組織17表面接觸時(shí)，針尖將會(huì)沿著水平方向運(yùn)動(dòng)，然后快速回撤。根據(jù)這一原理，通過(guò)視覺識(shí)別與表面接觸點(diǎn)3'，即可獲得深度方向的高度信息，并以表面為參考平面，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作工具的Z方向的控制。圖3b 3c是組成圖像平面的示意圖，我們?cè)O(shè)定在最初的位置I時(shí)，振動(dòng)切割部12的針尖與生物組織17表面的距離為h，振動(dòng)切割部12的針尖和顯微鏡162之間的距離為U，圖像平面和顯微鏡162之間的距離為V。在接觸之前，頂端和視軸的水平距離始終為X0。水平間距在接觸之后改變，設(shè)為X。在建立接觸之前，三角相似關(guān)系
X V(4)由式(5)可以看出，振動(dòng)切割部12的針尖與生物組織17表面發(fā)生接觸之前，振動(dòng)切割部12沿Z軸方向下降的距離正比于振動(dòng)切割部12的針尖在顯微鏡162反饋圖像平面中X坐標(biāo)值,且變化趨勢(shì)相反。
后，滿足
Xq U Λ- Z
兩邊微分
dx = -^^dZ⑴
類似地，根據(jù)圖3a和圖3b，振動(dòng)切割部12的針尖與生物組織17表面發(fā)生接觸之 x v (6)兩邊微分
, V · tg(0 / 2)(7)dx =--—--dZ
h式(7)表明在接觸之后，在振動(dòng)切割部12的針尖成像平面X軸坐標(biāo)值正比于沿Z 軸方向下降的距離。根據(jù)以上的分析，我們發(fā)現(xiàn)在接觸之前，振動(dòng)切割部12的針尖成像X 軸坐標(biāo)值先減小，當(dāng)發(fā)生接觸之后迅速增加，表現(xiàn)為突然改變運(yùn)動(dòng)方向。為了獲得切割針的準(zhǔn)確位置，首先需要對(duì)針尖進(jìn)行識(shí)別與跟蹤。其操作流程包括 首先指定Region of Interest (ROI)，在20倍的物鏡下，ROI被設(shè)為60X60 ;第二步，運(yùn)用高斯平滑濾波，自適應(yīng)閾值，腐蝕等在ROI內(nèi)對(duì)切割針的針尖進(jìn)行圖像處理，結(jié)果如圖4所示；第三步，獲得針尖前端輪廓，定位在針尖輪廓的最右邊，準(zhǔn)備沿著Z軸移動(dòng)振動(dòng)切割部 12來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸檢測(cè)。在切割針向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)視覺跟蹤實(shí)時(shí)檢測(cè)切割針針尖輪廓最右邊像素位置的跟蹤曲線如圖5所示。在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中(Γ -3’ -4’)，振動(dòng)切割部12以lum/st印的速度接近目標(biāo)表面，與表面發(fā)生機(jī)械接觸，點(diǎn)(3’)是第一次穩(wěn)定的接觸點(diǎn)(過(guò)程；進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)，切割針尖端會(huì)在目標(biāo)表面上滑動(dòng)(過(guò)程3’ -4’ )然后回撤；振動(dòng)切割部12 停止向下運(yùn)動(dòng)開始快速地回撤(4’ _3”-5’)，切割針尖端在目標(biāo)表面滑動(dòng)(過(guò)程4’ -3”)， 但是運(yùn)動(dòng)方向與下降過(guò)程中的滑動(dòng)是相反的，與目標(biāo)表面脫離，獲得了第二次接觸點(diǎn)(3”)； 切割針尖端離開目標(biāo)表面升高到目標(biāo)物上方任意指定位置(本文的設(shè)定值為20um)，至此整個(gè)接觸檢測(cè)過(guò)程結(jié)束。因此通過(guò)獲得接觸點(diǎn)3’之后，以獲得的目標(biāo)表面接觸點(diǎn)3’為參考點(diǎn)，就可以判斷出在深度方向位置。切割針尖端在沿深度Z方向運(yùn)動(dòng)與生物組織17表面接觸后，會(huì)在表面發(fā)生快速滑動(dòng)，然后振動(dòng)切割部12向上回撤，在整個(gè)過(guò)程中振動(dòng)切割部12與生物組織17表面在一次接觸探測(cè)實(shí)驗(yàn)中能夠獲取與生物組織17表面接觸兩次(接近和離開)，本發(fā)明用分辨率為
O.4um的三自由度操作手在20倍物鏡下，獲得一個(gè)像素的重復(fù)定位精度，大約O. 4um。在所有的實(shí)驗(yàn)中，接觸檢測(cè)都在沒有破壞切割針尖端的條件下實(shí)現(xiàn)。圖6a 6g是在供給信號(hào)頻率15khz、供電電壓30V、振動(dòng)切割部12移動(dòng)速度25um/
S、切割針傾斜45度的條件下的(經(jīng)實(shí)驗(yàn)此條件為最佳條件)切割效果圖。其中，圖6a所示為在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上設(shè)定的切割路線(直線)；圖6b所示為執(zhí)行圖6a中的切割路線并實(shí)現(xiàn)切割完成，切割方向從左向右；圖6c所示為切割針插入生物組織不同深度的切割效果， 切割方向從右向左；圖6d所示為在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上設(shè)定的切割路線(四邊形)；圖66所示為執(zhí)行圖6d中的切割路線并實(shí)現(xiàn)切割完成，切割方向?yàn)轫槙r(shí)針；圖6f所示為將圖6e中切下的組織取走；圖6g所示為組織取走后的效果圖。綜上所述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制生物組織的切割及切割后將切片組織取下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，克服了手工完成生物組織切片的切割、分離工作時(shí)操作者工作強(qiáng)度大、實(shí)現(xiàn)困難、費(fèi)時(shí)、易疲勞、人為誤差不可避免的缺陷。通過(guò)切割針與生物組織恰好接觸，獲取生物組織表面的位置信息，并以該位置信息作為參考平面，可以定位切割針在生物組織深度方向的位置。以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，包括平臺(tái)，其可提供置放具有一生物組織的載物片；振動(dòng)切割部，其還包括一切割針及一振動(dòng)體，該切割針與該振動(dòng)體相連接，該振動(dòng)體以一振動(dòng)頻率振動(dòng)并帶動(dòng)所述切割針進(jìn)行振動(dòng)，使所述切割針對(duì)所述生物組織進(jìn)行切割動(dòng)作；第一電動(dòng)操作手，連接于所述振動(dòng)切割部，并帶動(dòng)所述切割針實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)；持針器，設(shè)于所述平臺(tái)的上方，用以在生物組織完成切割后取下切片組織；第二電動(dòng)操作手，連接于所述持針器，并帶動(dòng)所述持針器實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)；圖像采集系統(tǒng)，其還包括一 CXD圖像傳感器和一顯微鏡，該CXD圖像傳感器和顯微鏡相連接以采集所述顯微鏡所放大的物象；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其一輸入端連接于所述C⑶圖像傳感器的輸出端，其一輸出端連接于所述顯微鏡的輸入端，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還分別連接于所述第一電動(dòng)操作手和所述第二電動(dòng)操作手，以分別控制所述第一電動(dòng)操作手和所述第二電動(dòng)操作手實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，所述平臺(tái)連接于所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該平臺(tái)于一空間內(nèi)進(jìn)行至少一自由度的位移運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，所述顯微鏡為倒置顯微鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，所述切割針為壓電超聲切割針，所述振動(dòng)體為壓電疊堆陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，所述振動(dòng)體的振動(dòng)頻率為 O 40KHz，振動(dòng)幅值為O 7um。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，所述振動(dòng)切割部還包括一連接部，該連接部的一端與所述切割針固定，該連接部的另一端設(shè)有螺紋并與所述振動(dòng)體固定。
7.一種利用權(quán)利要求I 6任意一項(xiàng)所述壓電顯微切割系統(tǒng)的切割深度定位方法，其特征在于，包括(1)控制切割針移動(dòng)并接近生物組織的表面；(2)切割針與生物組織恰好接觸，獲取生物組織表面的位置信息并存儲(chǔ)；(3)以所述位置信息為參考平面，自該參考平面向下移動(dòng)的距離即為切割深度。
8.—種利用權(quán)利要求I 6任意一項(xiàng)所述壓電顯微切割系統(tǒng)的切割方法，其特征在于， 包括(1)將顯微鏡中觀察到的生物組織的放大的物象通過(guò)CCD圖像傳感器傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在顯示器上顯示出來(lái)；(2)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)備，在所顯示的生物組織的放大的物象上確定需要切割的路線，并存儲(chǔ)該切割路線信息；(3)輸入切割深度信息；(4)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制第一電動(dòng)操作手運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行所述切割路線和切割深度指令對(duì)生物組織進(jìn)行切割；(5)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制第二電動(dòng)操作手運(yùn)動(dòng)，通過(guò)持針器將切割下的切片組織取下。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種壓電顯微切割系統(tǒng)，包括平臺(tái)、振動(dòng)切割部、第一電動(dòng)操作手、持針器、第二電動(dòng)操作手、圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種切割深度定位方法及切割方法。本發(fā)明提供的壓電顯微切割系統(tǒng)，可以自動(dòng)定位在所需切割生物組織深度方向任意位置，并可自動(dòng)完成目標(biāo)生物組織的切割，還可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組織切片的分離。
文檔編號(hào)G01N1/04GK102607880SQ20121008029
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者朱猛, 汝長(zhǎng)海 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)