專利名稱：采樣處理和成像系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及到組織結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。
用于可見光和電子顯微鏡檢查等透射顯微鏡檢查的有機組織采樣和其它材料的處理通常是這樣執(zhí)行的，讓采樣經(jīng)歷一系列化學處理最終制成將采樣埋入其中的固體塊。
按照常規(guī)的處理，首先用能夠防止采樣自變質(zhì)(自身變劣)的福爾馬林，戊二酸醛或其它材料將組織采樣化學定形，使采樣呈現(xiàn)剛性，并且增加其滲透性，從而提高后續(xù)溶液的滲透作用。隨化學定形之后的滲入步驟是隨著諸如酒精和二甲苯等溶劑濃度的增加而逐漸替代水分從采樣中去掉所有的水。在滲透之后可以用熔化的石蠟進行處理，然后將采樣冷卻到室溫使其固化?；蛘呤怯盟芰暇酆衔餄B入組織后通過加熱，紫外線光或其它手段使其硬化。然后將硬化，滲透的組織放置在一個模子中用石蠟或塑料包裝成一個組織塊。
按照標準光和電子顯微技術(shù)的常規(guī)組織處理方法，從塊上切下采樣的薄片段并且傳送到玻璃滑動片或其它支撐體上。給組織染色以改善成像對比度，然后在顯微鏡下觀察獲得一個二維(XY)影像。關(guān)于組織中三維構(gòu)造的信息是通過觀察組織的連續(xù)切片而獲得的。
可供本文參考的美國專利4,960,330描述了一種塊截取和圖像采集系統(tǒng)，它所從塊上除去連續(xù)的片段，并且用顯微鏡或者是激光掃描儀使露出的塊面成像。該方法可以快速記錄并儲存構(gòu)造信息，不耗費時間，并且在處理單個的組織片段時不易出錯。表面成像所提供的優(yōu)點是很容易實現(xiàn)三維重組，并且能產(chǎn)生XZ和YZ二維圖像。
發(fā)明概述本發(fā)明可以強化并簡化對組織采樣的處理和成像。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，臨床醫(yī)師和科學家(顧客)將組織采樣傳送到一個處理中心，然后接收切片采樣的硬拷貝或數(shù)字圖像。在這一系統(tǒng)中，顧客可以修改數(shù)字圖像，甚至能根據(jù)處理中心提供的數(shù)據(jù)(也就是數(shù)字圖像的總和)產(chǎn)生新的數(shù)字圖像。
按照第一方面，本發(fā)明的特征是一種采樣處理系統(tǒng)，它包括(a)用于儲存和輸送采樣的一個儲存器；(b)滲透和嵌入采樣而在儲存器中形成塊的裝置；(c)對成塊的采樣切片的裝置；(d)使成塊的采樣成像的裝置；以及(e)在采樣處理過程中用于識別采樣的裝置。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括用于產(chǎn)生和儲存采樣的數(shù)字圖像的裝置，以及用于觀察數(shù)字圖像的計算機程序。該系統(tǒng)還可以包括在滲透和嵌入之前使采樣化學定形的裝置。
按照第二方面，本發(fā)明的特征是一種采樣成像方法。該方法包括(a)提供一個適合保存采樣的儲存器；(b)使儲存器中的采樣化學定形；(c)滲透和嵌入采樣而在儲存器中形成一個塊；(d)對成塊的采樣切片；以及(e)產(chǎn)生成決采樣的一個圖像。
該方法最好是包括步驟(f)，以數(shù)字圖像的形式儲存圖像，以及步驟(g)觀察數(shù)字圖像。
“采樣”的意思是需要染色和嵌入的一種組織或其它材料。采樣的厚度可以大于200微米，一毫米，一厘米，甚至更厚。
“固化”的意思是用一種化學溶液來處理采樣標本，用來保存，硬化，和滲透采樣。
“滲入”的意思是用一種液體或一系列液體處理采樣，使浸透遍及采樣的分子級，然后轉(zhuǎn)變成固體使采樣呈現(xiàn)剛性。
“嵌入”的意思是將滲透的采樣放置在一個模子中并且用一種物質(zhì)(通常是和滲入物質(zhì)相同的物質(zhì))包裝，然后硬化形成一個包裝塊。嵌入物質(zhì)的作用是提供剛性支撐并且便于切割處理。
“切片”的意思是從塊上切下薄的切片。
“染色”的意思是用一種在分子級上和一種材料結(jié)合的染色或螢光物質(zhì)處理這種材料。
“螢光”或“暗視場”染色是用非共軛染料(也就是在受到適當波長的光激勵時會發(fā)出螢光的染料)或共軛軛染料(即分子與采樣結(jié)合，并且直接或間接地附著在一種螢光染料上)實現(xiàn)的。共軛染料的例子包括但是并非僅限于(i)與抗原結(jié)合的初級抗體以及和初級抗體結(jié)合的包含一種螢光染料的二級抗體；以及(ii)一種分子，它具有與其共價結(jié)合的一種螢光染料。螢光染色形成的圖像具有黑色背景，而“標準”或“亮視場”染色是用通常不發(fā)螢光的染料實現(xiàn)的，并且使圖像具有明亮或白色的背景。螢光和標準的顯微技術(shù)顯然都可以采用同樣的染料。
表面成像的優(yōu)點是截取和成像在很大程度上可以自動化。減少人力，配合著還能節(jié)省安裝材料，降低成本，或者是按同樣的成本提供更多的數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的方法可以積累更多的數(shù)據(jù)(以數(shù)字圖像的形式)而不會增加材料和人力成本。
從以下對最佳實施例的描述及權(quán)利要求書中可以看出本發(fā)明的其它優(yōu)點。
發(fā)明的詳細說明我們開發(fā)出了一種組織采樣的處理和成像系統(tǒng)。該方法使用(i)一個儲存器，為了識別要貼上標簽，并且可兼容采樣處理的每一個步驟；以及(ii)一個塊截取和圖像獲取系統(tǒng)，本發(fā)明可以高度自動化地完成組織處理和成像。
本發(fā)明的系統(tǒng)包括以下主要部件用于儲存和輸送采樣的一個儲存器；滲透和嵌入采樣而在儲存器中形成塊的裝置；用于截取成塊采樣的裝置；使成塊的采樣成像的裝置；以及在采樣處理過程中用于識別采樣的裝置。該系統(tǒng)還包括在滲透和嵌入之前使采樣化學定形的裝置，盡管它不是必要的。在一個最佳實施例中，系統(tǒng)還包括用于產(chǎn)生和儲存采樣的數(shù)字圖像的裝置，以及用于觀察數(shù)字圖像的計算機程序。
本發(fā)明的系統(tǒng)及其使用方法特別適用于塊面顯微技術(shù)。塊面顯微技術(shù)與標準的亮視場顯微技術(shù)相比的優(yōu)越性在于塊面方法能產(chǎn)生生物組織和其它材料的高質(zhì)量顯微圖像，不需要制造玻璃組織學滑動片。無需這些要求就能完全自動化地完成組織病理學處理，減少為每產(chǎn)生一個新的片段而增加的成本，并因而能從每一個采樣上收集到大量的信息。另外還便于按數(shù)字格式儲存圖像，便于對圖像進行計算機輔助分析，例如是測量面積或體積，或者是三維的重組。
按照決面顯微技術(shù)，從塊面上捕捉到的未經(jīng)修改的數(shù)字“虛像”片段是由螢光染色的采樣發(fā)出的有色光產(chǎn)生的一種暗視場圖像，它相對于采樣所滲入和嵌入的不透明的聚合物黑色背景顯現(xiàn)出來。與此相反，包括在大部分外科病理學實驗室中和其他與醫(yī)學有關(guān)的建立在顯微技術(shù)基礎(chǔ)上的診斷設(shè)備中采用的那種常規(guī)光學透視顯微技術(shù)之所以產(chǎn)生亮視場的圖像是因為組織和其他材料的切片是用標準的非熒光染料來染色的，然后用白色或接近白色的光源透射，產(chǎn)生的背景比較亮，而不會比組織圖像暗淡。與亮視場顯微技術(shù)相比，從塊的面上捕獲的未經(jīng)加工的暗視場圖像可以轉(zhuǎn)換并顯示成更加習慣的圖像。這種圖像轉(zhuǎn)換方法例如可以參見U.S.S.N.09/311,789。
部件的說明儲存器將被研究的組織采樣放置在一個儲存器中，它最好能兼容組織處理的所有步驟，包括儲存，運輸，化學定形，滲入，嵌入，切片和成像。例如，儲存器應該能用做一個模子來制備需要切片和檢查的采樣。這樣的模子會限定在其中嵌入了組織采樣的塊的形狀。在最佳實施例中，由模子限定一個細長的空腔，在從模子外面?zhèn)魅虢M織采樣的一個近端處包括一個開口。這一近端限定了適合與一個固定裝置嚙合的形狀。模子向限定了適合切片的多面體尺寸和形狀的遠端呈錐形；這一多面體被稱為標本室。模子的形狀應該與成像場和組織采樣雙方的尺寸和形狀一致。這樣，模子的遠端就應該接近可以用來觀察用模子制備的組織塊的一個暴露面的成像裝置的成像場的尺寸和形狀，使標本室的截面橫切塊的長度，或者是采樣室的暴露面接近或類似于用來觀察該表面的成像裝置的成像場的尺寸和形狀。成像場是一個成像設(shè)備可以在上面記錄與該表面有關(guān)的數(shù)據(jù)的那一區(qū)域。應該使有待觀察的塊的暴露面不要明顯地大于或小于成像場。成像設(shè)備提供該表面的顯微圖像，也就是說，成像區(qū)域的實際比例不是由掃描陣列所決定的，而是由放大鏡片來決定。因此，成像場的尺寸是由放大鏡片所確定的，而成像場的形狀是由陣列設(shè)計來決定的。
可以理解，合適的儲存器形狀是根據(jù)組織采樣尺寸和理想的成像幾何學來選擇的。例如，皮膚的穿孔活組織檢查可以產(chǎn)生一個直徑大約為4mm的圓形皮膚采樣。具有4.5mm×4.5mm見方的標本室的一個儲存器就能獲取這樣的采樣，并且用基本上對應著成像場的成像形成一塊。
如果采樣是不規(guī)則形狀，也可以相應地選擇標本室的形狀。例如，前列腺針頭活組織檢查能產(chǎn)生一個直徑大約為1mm長度為17mm的采樣。用于這種組織采樣的最佳儲存器應該擁有的標本室形狀例如是具有矩形截面，其寬度尺寸大約為2mm，而長度為20mm。在這種情況下，可以用一個線性CCD掃描儀產(chǎn)生一個規(guī)則的成像場。
盡管從這樣長的薄塊面上切下的片段的質(zhì)量可能會比用常規(guī)顯微技術(shù)檢查所要求的最佳暴露質(zhì)量要差，但切面不會受影響。因此，如果配合著美國專利US4,960,330的自動成像記錄裝置來使用這種模制的塊，也可以使用迄今為止沒有考慮到的適合組織成像的各種形狀的儲存器來獲得高質(zhì)量的成像區(qū)。
儲存器可以用任何常規(guī)的材料制作，例如有聚丙烯，硅樹脂或聚苯乙烯。材料的選擇會受到儲存器用途的一定影響。儲存器可以回收或銷毀?？苫厥諆Υ嫫魇怯霉铇渲热彳洸牧现瞥傻摹？射N毀儲存器包括在切片手術(shù)中殘留在模制塊上的儲存器，以及從模制塊上被破壞性清除的儲存器。如果想要除去儲存器理想的可銷毀儲存器就應該用易破碎或易撕破的材料制成。合適的材料包括聚丙烯。如果想要按最佳方法在執(zhí)行切割過程時帶著模子，儲存器就應該用本身能經(jīng)受切割的剛性或堅硬材料來制作。合適的材料包括聚苯乙烯。
在最佳實施例中，儲存器是帶螺紋的，可以用一個帽蓋住儲存器?；蛘呤强梢圆捎靡Ш厦被蚱渌佬孤┑拿?。
在處理過程中用于識別采樣的裝置儲存器應該貼上標簽以供清楚地識別。有許多手段可以用來清楚地識別儲存器和所有其他儲存器；本發(fā)明可以采用這些手段中的任何一種。在一個例子中，每個儲存器標有一個唯一的條形碼。在大批量處理采樣的過程中可以用儲存器的這種標簽來識別采樣。
用于化學定形，滲入以及嵌入一個采樣的裝置用標準的嵌入方法將一個組織采樣嵌入一個模制的塊。例如，首先用標準的定形液體將組織化學定形以免采樣自變質(zhì)(自身變劣)，為采樣賦予剛性，并且提高其滲透性，以便提高后續(xù)溶液的滲入性。然后隨著諸如酒精和二甲苯等溶劑濃度的增加而逐漸替代水分從采樣中去掉水。在滲透之后用熔化的石蠟或者是塑料聚合物進行處理，產(chǎn)生硬化的滲透采樣。這些處理步驟在儲存器中執(zhí)行。然后將硬化，滲透的組織放置在儲存器的標本室中用石蠟或塑料包裝成一個組織塊。
用于采樣切片的裝置典型的切片裝置包括支撐著組織塊支架的一個往復棒和一個帶刀片的刀具支架。往復棒上下移動組織支架(及固定在其上的模制塊)并且將模制塊推向刀片從塊上截取一個片段。如果配合著全文可供本文參考的美國專利US4,960,330的自動成像記錄裝置來使用這種模制的塊，如本文所參考的美國專利US5,746,855中所述，從塊上切下的組織片段被放棄或留做以后使用并且檢查塊的暴露面。將顯微鏡用薄片切片機固定在一個基座上，基座還支撐著一個用來觀察塊的暴露面的成像裝置。
用于采樣成像的裝置可以用于將本發(fā)明的模制塊成像的典型的成像裝置包括面陣列和線性電荷耦合器件(CCD)。CCD是一種提供數(shù)字圖像的檢測器。數(shù)字格式允許用計算機來處理圖像，可以用電子技術(shù)來修改或復制圖像。圖像的電子存儲和編輯比常規(guī)的照相術(shù)方法具有明顯的優(yōu)越性。
面陣列掃描儀的視場是由象素的二維陣列所限定的一個直線區(qū)域。確定圖像的象素數(shù)量越多，分辨率就越高。一個低分辨率面陣列CCD可以具有300×600象素的尺寸，而較高分辨率的CCD的尺寸等級可達到2000×2000象素。線性CCD掃描儀僅有一或少數(shù)幾行象素。完整的圖像是通過隨著掃描儀橫越采樣的寬度移動而逐步推進線性CCD(或采樣)來獲得的。無論在哪一種情況下，成像場都限定了一個直線區(qū)域。偶爾也可以采用非直線的CCD。
對標本室尺寸和形狀的選擇要考慮到用來從塊的暴露面上捕捉圖像的成像裝置的類型。這樣來選擇標本室形狀以避免在成像區(qū)內(nèi)出現(xiàn)空白或者是成像區(qū)延伸到采樣以外。之所以要避免可能出現(xiàn)這些情況是因為它們會減少對應著組織采樣的數(shù)字數(shù)據(jù)(象素)量。用來限定采樣的象素數(shù)量(與空白相比較)越多，分辨率就越高。這樣，通過盡量減少成像場中的背景，就能改善采樣的成像分辨率。
用于產(chǎn)生和存儲采樣的數(shù)字圖像的裝置獲獲取的圖像可以用任何適當?shù)拇鎯γ襟w以數(shù)字格式存儲。最佳的媒體是那種能夠便于運輸例如是通過郵件運輸?shù)拿襟w，或者是可以通過電子手段(例如是通過國際互聯(lián)網(wǎng))傳送給顧客的媒體。
采樣本發(fā)明的系統(tǒng)可以用來處理任何類型的采樣，無論是生物還是非生物。生物采樣的例子有來自紙工業(yè)品(例如是紙巾)的采樣，來自采礦工業(yè)的礦物采樣，以及在制造業(yè)(例如是汽車工業(yè))中使用的聚合物和塑料采樣。
以下的例子可以用來解釋本發(fā)明，但并不意味著對本發(fā)明有任何限制。
實施例顧客從病人或動物的皮膚上收集穿孔活組織并且將其放置在標有條形碼并包含化學定形劑的儲存器中。最好由操作人員(截取和成像采樣的人員或公司)分別提供儲存器和定形劑。操作人員還要提供化學定形劑，它可以裝在儲存器中，或者是裝在第二個儲存器中(并且由顧客傳送到第一儲存器)。在儲存器中放置好采樣之后，顧客要將一個螺紋帽放在儲存器上。顧客記錄條形碼號碼和采樣內(nèi)容供以后識別，然后用適當?shù)难b置將采樣傳送給操作人員。
操作人員將條形碼掃描到計算機中，由計算機收集截取采樣的數(shù)字圖像。儲存器被放置在一個自動采樣處理機器(例如是Wetzlar，Germany的Leica LYNX自動組織處理器)中，并且通過一系列處理溶液來處理采樣(例如是染色劑，高級酒精，和/或二甲苯或者是其他有機溶劑)，然后用包含光學添加劑(例如是一種遮光劑)的液體聚合物進行處理。
在聚合物硬化成固體塊之前，將采樣放置在儲存器頂部的標本室中。例如可以借助于離心力來實現(xiàn)。采樣相對于截取面的排列并不重要，因為數(shù)字圖像的排列可以在觀察過程中由計算機來執(zhí)行。可以用任何適當?shù)姆椒ㄊ咕酆衔镉不?例如是加熱，UV，時間等等)。
一旦硬化，就將采樣和塊安裝到一個用于截取的顯微鏡用薄片切片機上。在一個實施例中，塊被留在儲存器中，而將儲存器和嵌入的采樣一起進行截取?；蛘呤强梢栽诮厝≈罢麄€或是局部(例如是鄰接標本室的儲存器)地去掉儲存器。然后截取采樣并且成像。將采樣的數(shù)字圖像存儲在計算機中。在截取之后可以將塊放棄，或者是，如果將未截取的采樣留在塊中儲存以備使用。切片本身也可以放棄或是保存(例如是用于備案)。在美國專利US5,746,855中描述了一種收集切片的方法。
在所有處理步驟中都需要為采樣的切片或圖像加上條形碼標簽條形碼號對應著采樣儲存器上的編號。帶有適當標記的數(shù)字圖像用合適的存儲媒體(例如是磁盤，CD等等)傳送給顧客。按照一種最佳的方法，是用電子手段(例如是通過國際互聯(lián)網(wǎng))將數(shù)字圖像傳送給顧客。如果能壓縮計算機文件就能大大便利數(shù)字圖像的傳送。很顯然，只要顧客具有觀看圖像的手段，數(shù)字圖像的格式并不重要。這樣就要求操作人員還要提供顧客計算機軟件以便觀看圖像。這種軟件還可以用于進一步修改(例如是三維重組，XZ或YZ平面的成像等等)。
其他實施例本發(fā)明的系統(tǒng)可以配合任何常規(guī)的顯微鏡組織制備技術(shù)來使用。例如，本發(fā)明例如可以和全文可作為參考資料的未決申請U.S.S.N.09/154,430中所描述的染色劑和嵌入的聚合物使用。
盡管本發(fā)明是參照其最佳實施例來表示和描述的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以對其形式和細節(jié)做出各種各樣的修改，都不會脫離附帶的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都能認識到如何確定采用除了本文中所述的本發(fā)明具體實施例以外的許多等效的程序?qū)嶒?。這些等效物也應該被認為是屬于權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種采樣處理系統(tǒng)包括(a)用于儲存和輸送上述采樣的一個儲存器；(b)滲透和嵌入上述采樣而在上述儲存器中形成塊的裝置；(c)對成塊的上述采樣切片的裝置；(d)使成塊的上述采樣成像的裝置；以及(e)在上述采樣處理過程中用于識別上述采樣的裝置。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是，當上述采樣和上述塊被切片時，上述塊處在上述儲存器中。
3.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述系統(tǒng)進一步包括用于產(chǎn)生和存儲上述采樣的數(shù)字圖像的裝置。
4.按照權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征是上述系統(tǒng)進一步包括用于觀察上述數(shù)字圖像的計算機程序。
5.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述系統(tǒng)進一步包括在滲透和嵌入之前使上述采樣化學定形的裝置。
6.一種采樣成像方法，所述方法包括(a)提供一個適合保存采樣的儲存器；(b)使上述儲存器中的上述采樣化學定形；(c)滲透和嵌入上述采樣而在上述儲存器中形成一個塊；(d)對成塊的上述采樣切片；以及(e)產(chǎn)生上述成塊采樣的一個圖像。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其特征是當上述采樣和上述塊被切片時，上述塊處在上述儲存器中。
8.按照權(quán)利要求6的方法，其特征是上述方法進一步包括步驟(f)用數(shù)字圖像存儲上述圖像。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其特征是上述方法進一步包括步驟(g)觀察上述數(shù)字圖像。
全文摘要
本發(fā)明的特征是一種采樣處理系統(tǒng),它包括:(a)用于儲存和輸送采樣的一個儲存器;(b)滲透和嵌入采樣而在儲存器中形成塊的裝置;(c)對成塊的采樣切片的裝置;(d)使成塊的采樣成像的裝置;以及(e)在采樣處理過程中用于識別采樣的裝置。
文檔編號G06K9/00GK1372638SQ00811944
公開日2002年10月2日 申請日期2000年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月25日
發(fā)明者R·L·凱爾施曼 申請人:分析科學公司