自动显微（共6篇）
自动显微 篇1
摘要：针对快速、大批量自动图像采集的问题,对一种硬件聚焦方法进行了研究。结合光学原理,通过光电位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)进行了位置检测,将测量位置量转换为电量。对PSD的转换电路进行了设计,根据聚焦提出的精度,对所用电子元器件进行了选型,达到了控制要求。然后由MCU对实验数据进行了线性化处理,从而得到了位移变化量和PSD转换电路的输出数据之间较好的对应关系,最终获得了精准的焦点位置。研究结果表明,该硬件自动聚焦系统在聚焦精度和聚焦速度方面都有明显的优势。
关键词：硬件自动聚焦,PSD传感器,PSD转换电路,线性化处理
0引言
近年来,随着病理切片远程诊断、信息共享的需求日益增加,病理切片数字化采集成为了研究热点。病理切片数字化采集,即利用自定义倍数显微镜搭载可控微动平台,结合自动化技术将传统病理切片进行全自动扫描,扫描后得到一组分散的高倍数字化图片,将其拼接后得到全视野高分辨率的数字图像。为了满足病理切片数字化的需求,本研究对其关键技术———快速和高精度的显微镜自动聚焦系统进行研究。
显微镜自动聚焦分为软件自动聚焦和硬件自动聚焦两种方法。软件聚焦是采用图像清晰度评价函数来实现自动聚焦的一种方法。用40X物镜拍摄一张15 mm × 15 mm大小的病理切片需要拍摄2 000 多张图片,软件聚焦存在以下不足: ①若对每张图片都进行软件自动聚焦,会耗费大量的时间,检测速度降低。②由于软件聚焦采用评价函数来进行判别,其对图像成像质量比较敏感,即对图像亮度的一致性有要求。因此需要对成像环境的光强进行调节,经试验验证耗时严重。③无法完全克服因玻片厚度不均和载物台无法绝对水平运动等缺陷带来的聚焦平面误差。
为了提高聚焦速度和精度,有人提出采用线性CCD作为位置检测的硬件自动聚焦方案,但由于线性CCD像素点尺寸在5μm左右,要做到 μm级的分辨率很困难,大倍率物镜硬件自动聚焦很难实现。因此,本研究提出一种基于一维光电位置探测器( position sensitive detector,PSD) 的硬件自动聚焦方案。
1PSD工作原理
PSD是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。PSD由P衬底、PIN光电二极管及表面电阻组成[1,2]。与CCD探测器相比,PSD有诸多优点,如位置分辨率高,响应速度快和处理电路简单,光敏面无需分割,消除了死区,可连续测量光斑位置等。一维PSD器件位置分辨率最高可以达到0. 1 μm,完全满足显微镜自动聚焦系统的需要。PSD器件的等效电路如图1 所示。
图1 PSD器件的等效电路
一维PSD器件的结构如图2 所示。
①、②—信号电极;③—公共电极
当光束入射到PSD器件距中心点距离为XA的光敏层上时,在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷,该电荷形成的光电流通过电阻P层分别由电极①和②输出。设P层的电阻是均匀的,两电极间的距离为2L,流过两电极的电流分别为I1和I2,则流过n层上电极的电流I0为I1、I2之和。I0、I1、I2和XA之间的数学关系如下式所示:
由式( 1 ~ 3) 可推出式( 4) :
由公式( 4) 可知,XA只和I1和I2有关,而与I0的大小无关,验证了位置信号对光的强度和聚焦无关,只与光的能量中心位置有关。这也为PSD的处理电路提供了理论依据和可行性[3,4]。
PSD器件分为一维PSD器件和二维PSD器件,一维PSD主要是用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置。该聚焦系统主要任务是检测并实时控制自动显微镜系统Z轴方向的位移,因此一维PSD完全可以满足实验要求。
2基于PSD的硬件聚焦系统
2. 1 硬件聚焦系统组成
基于PSD的硬件聚焦系统如图3 所示。该系统主要组成部分包括: 波长在940 nm的近红外半导体激光器、一维PSD器件、二向色镜、无限远光路系统、玻片、反光镜、电动载物台等[5]。
图3基于PSD的硬件聚焦采集系统
2. 2 硬件聚焦系统选型以及工作原理
激光发生器选择波长为940 nm( 属于不可见光范围) 的半导体激光器; PSD选择为感光面为1 mm ×3 mm的一维PSD器件,二向色镜的选择为可见光全部通过,940 nm全反射[6]。
光学系统采用无限远光学系统: 由于该系统需要在光路中插入附件,而有限远光学系统不是平行光路,不能随意在光路中插入附件,否则会影响成像,无限远光路没有这个限制,可以随意在光路中插入光学附件,并且不会产生不良影响。
硬件聚焦系统的工作原理是利用光路,通过PSD的位置定位来确定物镜焦点的位置。硬件聚焦系统检测光路为图3 中虚线所示的部分,波长为940 nm的激光通过二向色镜的反射,到达物镜,经过物镜的折射,到达玻片上某一点,反射后经光路入射到PSD上,PSD接收到信号后,通过转换电路,MCU停止步进电机的运动,这样便获得了物镜焦点的位置。系统中CCD相机的功能是采集图像,加入的硬件聚焦模块不会对原CCD图像采集光路系统有影响。这是因为二向色镜只对波长为940 nm的光反射,其他波长的光一律通过,所以系统中CCD相机经显微镜采集病理切片图像这条光路( 图3 中实线所示) 不会受到影响。
基于PSD的硬件聚焦系统流程图如图4 所示。
3系统电路设计
3. 1 PSD位置检测转换电路
PSD位置检测转换电路原理图如图5 所示。
一维PSD的输出信号I1和I2是以光电流的形式输出,激光经过光路的反射、折射后入射到PSD受光面的光能量较小,致使PSD输出的光电流十分微弱,因此设计PSD转换电路对于提取输出信号是必不可少的[7,8,9,10]。
该系统选用LM124 运算放大器,设计为四运放集成电路,具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点。四运放在转换电路中的作用如下所述: 光电流I1经反向放大器U1A电流电压转换放大后分别送给放大器U1C和U1D,光电流I2经反向放大器U1B电流电压转换放大后也分别送给放大器U1C与U1D,放大器U1D用作加法电路,完成光电流I1与I2相加运算; 放大器U1D用作减法电路,完成光电流I1与I2相减运算,最后将两路模拟量输入到单片机的AD口,进行模拟量的采集和除法操作,得到与光能大小无关的位置信号。
3. 2 单片机最小系统及步进电机驱动器
本研究选用自带10 位ADC转换的单片机芯片,并采用外置晶振的方式完成单片机最小系统的搭建;步进电机驱动器主芯片采用高细分、大功率的两项混合式步进电机驱动芯片THB7128。
上述PSD转换电路中根据公式的要求应该有除法器完成( V2- V1) /( V2+ V1) 数据处理,本研究的方法是通过单片机软件完成除法操作,这样电路不需使用硬件除法器,可以简化电路,降低成本。两路电压量分别输送到单片机的两个AD口,然后根据公式需要,进行除法操作。单片机自带ADC位数为10 位,参考电压为5 V,即分辨率为5 × ( 1 /2)10V,即可以分辨5 m V的输入。40 倍显微系统的焦深为5 μm左右,电机每次可以移动的最小分辨率为0. 5 μm,系统每移动10 μm时输出电压变化量为20 m V,因此单片机的ADC完全可以满足系统的需要。
4PSD输出线性化处理
为了满足系统需求,需验证PSD的线性度情况,所以本研究进行了一个PSD线性度实验,根据要求采集的3 组实验数据如图6 所示。
横坐标表示显微镜相机系统Z轴到聚焦焦点的距离,单位为μm;纵坐标表示PSD转换电路输出结果,单位为mV;横坐标数值0处表示该聚焦系统的焦点位置,每次移动10μm采集相对应的电压值
由图6 可知,该硬件聚焦系统的输入-输出的线性度并不是很好。
由于该聚焦系统并非线性系统,要想得到每一个点的电压V对应的系统位移量S就需对实验数据进行线性化处理。
在测控系统中常用的线性化处理方法主要有: 硬件补偿法和软件修正法。硬件补偿分为模拟电路和数字电路,成本较高,也使得电路更加复杂,并且有些情况下使用硬件补偿是很难完成的,因此该系统考虑采用查表式线性插值软件编程的方法实现非线性补偿。
所谓查表式线性插值方法,主要是指首先采集一定量的输入S—输出V的实验数据,将实验数据的输入作为横轴S,输出作为纵轴V,根据聚焦系统的聚焦精度要求将横轴S分成若干小段,然后将分段的基点Vi、Si值排列成表格。在图上标出分的段数越多,精度就越高。这样就可以方便的求出各Vi值对应的Si值。假设V位于Vi和Vi + 1区间之内,根据直线的点斜式方程,线性插值公式可表示为:
整理可得位移量S关于电压量V之间的关系式:
斜率和截距都已知。
当MCU通过ADC采集到PSD经过电路转换之后输出电压V,然后求其对应的PSD位置传感器的输入量S值[11,12]。
5实验及结果分析
对于笔者所研究的显微镜硬件聚焦系统,涉及到20 倍和40 倍两种镜头,考虑到由于光在其中折射的角度不同,导致本PSD接收到电信号位置的不同,可能会产生误差,不同倍率透镜光路情况如图7 所示。故笔者进行20 倍和40 倍镜头的两组实验。该系统中两种镜头从原点到硬件聚焦点的距离如表1 所示( 单位是步进电机所发的脉冲数) 。
(单位:脉冲数)
已知20 倍透镜焦深为5 μm ~ 6 μm( 1 200 个脉冲) ,而40 倍透镜焦深为2 μm ~ 3 μm( 600 个脉冲) ,根据表1 分析,无论是20 倍或者40 倍物镜的最大误差值均为0. 7 μm( 140 个脉冲) ,所以实验结论如下:不同镜头的不同折射角度不会造成PSD系统的误差不同; 硬件聚焦的误差( 0. 7 μm) 在允许范围之内( 2 μm ~ 3 μm) 。
6结束语
经过多次试验对比验证,该硬件聚焦系统可以应用到数字病理切片全景扫描仪系统之中,硬件聚焦无需加入上文提到的环境光强自动调节模块,节约了光强调节环节的时间; 并且无需在整体扫描之前建立聚焦平面,消除了因玻片厚度不均或者载物台无法绝对水平运动等缺陷带来的系统误差。因此,在满足聚焦精度要求前提之下,研究者可以使用基于PSD的硬件聚焦方法代替通常所使用的软件自动聚焦的方法,为显微镜聚焦提供了一种有效的自动聚焦方法。
经过实验分析,与软件聚焦相比,采用基于PSD的硬件聚焦方法,其效率提高了50% 。由此可见,本研究提出的方法具有很广阔的应用前景。
参考文献
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自动显微 篇2
关键词：连续变倍视频显微镜,自动调焦,电控变倍,嵌入式系统
在20世纪70年代起出现了国产的连续变倍体视显微镜,由于明显优于间隔变倍类型的体视显微镜,从此在体视显微镜领域占据了主导地位。连续变倍体视显微镜有两种基本形式:一是有一组主物镜中间像平面平行于物镜的平面;二是由格里诺发明的机型,其是由两支完全相同的成对物镜,其光轴夹角在11°～14°间,特点是容易校正像差且成本低。因此后者仍是连续变倍体视显微镜的主流机型。
体视显微镜广泛应用于生物解剖、微生物观察、显微外科、矿物结构观察和工业生产。工业主要应用于电子制造业、半导体以及钟表等精细零部件生产、装配、质量检验方面,对于有些工序是必备的工艺装备。尽管体视显微镜是双目观察且连续变倍,立体感强,仍然容易使操作人员产生疲劳感。随着CCD和CMOS图像传感器的出现且成本不断降低,出现了单筒连续变倍视频显微镜。视频单筒显微镜具有视野宽广、直观真实、操作简单且操作人员不易产生疲劳感的优点而发展迅速。在生产线已有取代双目观察的体视显微镜之趋势。
1 连续变倍视频显微镜及智能化
1.1 连续变倍视频显微镜的工作原理
连续变倍视频显微镜(下称视频显微镜),始于双目观察式体视显微镜。其光学系统主要由连续变倍物镜、目镜和附加前置物镜3部分组成,如图1所示。其中连续变倍物镜属于低倍物镜范围,是视频显微镜的关键部件。观测物经过光学系统成像于CCD(或CMOS)的光敏面上,图像传感器把光信号转换成电信号(视频信号),该信号通过电视系统在屏幕CRT屏显或LCD上显示出物体的像。图2为桂电光机电一体化研究所与梧州市澳特光电仪器公司产学合作研发的DT-10单筒连续变倍视频显微镜。在无前置物镜和1×目镜的条件下,变倍比M=1∶6.3,0.7～4.5×连续变倍。通过C 接口与1/3 inch CCD连接后,显微图像在 CLD 上显示。光学系统还要使用光强可调的LED同轴光照明或环形LED阵列外照明。
1.2 视频显微镜的自动化、智能化改造
(1)问题的提出。
机器视觉被工业生产过程在线自动检测广泛应用,连续变倍视频显微镜的“手动调节+视频观察”模式不能适应在线自动检测的要求。
(2)总体设计方案。
智能型连续变倍视频显微镜实质是在连续变倍系统中应用嵌入式技术,取代传统计算机来自动控制显微镜动作的自动系统,在降低了成本的同时能快速实现自动变倍、调焦和检测功能,其简洁而实用的技术让取代人工变倍以及电脑变倍的视频显微镜成为可能。从需求看,要具有自动调焦和电控变倍两大功能。1)从文献[2]可知,设计的自动调焦方案思路是光学系统采集到的显微图像经“CCD+PC”检测,步进电机驱动实施。2)电控变倍方案适用于替代手动在变倍手轮上实现不同角度的转动,而达到光学系统连续变倍的目的。3)综合上述思路,形成了文中总体设计方案,如图3所示。
2 自动视频显微镜机械结构设计
出于成本考虑,系统结构框架采用桂电光机电一体化研究所与梧州市澳特光电仪器公司合作研发的DT-10单筒连续变倍视频显微镜的主体部分,在调焦和变倍上改造而成。
物镜的移动一般使用步进电机驱动,传动机构有齿轮传动、精密丝杠传动和压电陶瓷等。齿轮传动结构较为简单,传动比可调,传动速度快;缺点是:受啮合精度影响,由磨损间隙可造成一定空回失步,传动精度较低。精密丝杠容易实现高精度位移,缺点是移动速度较慢、影响调节速度。压电陶瓷利用压电效应原理,位移精度较高,可用电路控制位移大小;缺点是移动范围较小,只能用作小位移高精度微调。基于连续变倍视频显微镜的景深较大,调焦、变倍的精度要求较低,因此采用齿轮传动机构。
连续变倍视频显微镜的电控变倍采用齿轮传动,两齿轮分别安装在连续变倍视频显微镜的变倍手轮和步进电机轴上,结构简单,使变倍手轮转动角度可控,实现电控变倍。传动比为1∶4,传动齿轮模数为0.5。通过齿轮齿条传动,将电机的转动转化为物镜的移动,实现快速调焦。图4为自动单筒连续变倍视频显微镜结构图。
3 自动视频显微镜伺服控制系统
3.1 电控变倍
3.1.1 连续变倍光学系统
变倍系统指焦距在一定范围内连续改变而像面位置保持不变的光学系统。目前变倍镜头均是用改变透镜组之间的间隔来改变整个物镜的焦距,在移动透镜改变焦距时,总是伴随着像面的移动,固此要对像面的移动给予补偿,主要有光学补偿和机械补偿两种方式。目前后者是主流的方法。变倍镜头要根据变倍组与补偿组位移间的数值关系计算出补偿曲线,从而设计出补偿像面移动的凸轮机构。通过旋转加工了凸轮曲线槽的镜筒,实现了连续变倍且又保证像面位置不变的目标。
3.1.2 变倍自动化改造
连续变倍视频显微镜的变倍自动化改造,是控制步进电机通过传动装置使变倍手轮精确地转动不同角度,实现自动调节不同放大倍数。电路控制部分的设计主要包括:硬件电路的设计、单片机控制程序的编写和串口数据传送部分的设计。硬件电路主要完成对脉冲进行整形倍频以及对单片机发送的指令进行有效传递。单片机控制程序主要实现对变倍手轮特定转动角度的控制。串口数据传送部分主要完成上位机指令和数据的发送以及有效的反馈,以确保数据正确发送。图5为自动视频显微镜电控变倍原理框图。
3.2 自动调焦
调焦是指沿光轴方向改变物面与物镜的相对位置,使物像关系满足高斯关系,以获得清晰的物镜初次像的工作过程。
基于PC机的自动调焦实验平台,已搭建有JX4自动正置金相显微镜及多媒体互动实验平台等较成熟的仪器,并基于此类实验平台做了一系列调焦实验。文中设计了基于嵌入式自动调焦处理系统,并将基于PC机电自动调焦搜索算法进行了嵌入式移植,依赖于体积小、功耗低、方便系统集成的嵌入式处理系统来实现。自动调焦系统是一个集成光机电等环节的闭环控制系统,设计的自动调焦试验系统框图如图6所示。
在自动连续变倍视频显微镜中,载物台上物体经物镜和光学接口成像于CCD上,由一路Cameralink接口数字视频采集。由嵌入式快速自动调焦单元进行图像的清晰度计算,并分析图像的离焦状态,然后通过RS-232接口发送命令和数据给单片机系统来控制调焦步进电动机的步距和转向进行调焦。该工作过程实质上是一个闭环控制过程,不断地重复循环,直到找到最清晰图像时停止。整个系统由自动调焦算法系统取代PC 机处理环节,自动调焦的实现只需将原PC机中开发的应用程序移植到自动调焦算法处理系统即可。
自动调焦系统的软件由两部分组成:自动调焦的图像算法处理和嵌入式系统与微控制器系统的通信处理。在自动调焦的图像算法处理中,采用深度与对比度相比较的面扫描图像处理算法。
由于CCD 采集到的图像是全彩色图像,图像的大小为320 ×320,若对其进行全部处理,则整个自动调焦过程的速度会变慢,为提高自动调焦的速度,取其图像的一部分来进行处理。在实验过程中,选取图像中央的60 ×60的图像作为自动调焦的对象。首先将全彩色图像转化为0～255 级的灰度图像,利用自动调焦的图像处理算法计算出当前图像的灰度值R1,并与上次取得的图像灰度值R0进行比较,若R1>R0,则嵌入式系统发出聚焦命令,并传送给微控制器系统,使图像的清晰度更换一次;然后再通过嵌入式系统取得当前图像,并进行比较,直至找到最清晰的图像为止。自动调焦的程序框图如图7所示。
4 结束语
自动连续变倍视频显微镜是光学技术、光电技术、计算机图像处理技术、自动控制与传动技术的集成,也是光学显微镜智能化、自动化要求的结果,其具有效率高、响应快、成本低等优点,基本满足某些工业生产过程在线自动检测的要求。为视频显微镜的智能化、自动化提供了可行方案。
参考文献
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自动显微 篇3
1 系统硬件电路设计
1.1 系统整体框图
温度控制系统硬件部分由单片机最小系统、数据采样电路、TEC应用电路、键盘、液晶显示屏以及看门狗电路组成。通过键盘输入载物台设定温度值, 设定温度值和载物台实时温度值同时显示在液晶屏上。温度传感器采用高精度三线制PT100。数据采样电路采集实时温度值, 经由A/D模数转换器, 将实时温度数据送入单片机。将实时温度与设定温度之间的差值作为输入变量, 利用在线自整定模糊PID算法进行计算并产生控制量。控制量控制数字PWM功率驱动电路产生相应电流来控制TEC加热或制冷。同时, 载物台实时温度被数据采样电路送回单片机, 形成闭环控制, 使载物台温度达到并稳定在设定值, 从而实现显微镜载物台温度的自动控制。系统原理图 (见图1) 。
1.2 数据采样部分
本系统选用PT100三线制接法, 该接法能将PT100两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上, 使得导线电阻得以消除[4], 提高测量精度;采用桥式测温电路实现PT100电阻阻值的测量, 并且对PT100电阻阻值与温度值之间的关系进行非线性校正。数据采样电路 (见图2) 。
图2中R13为调零电阻, Vs为电桥电路参考电压值, Vd为A/D转换器输入模拟电压值。R30为PT100的电阻值。桥臂电阻R6、R7阻值相等。电桥电阻均需采用高精度电阻。
Vs由稳压芯片TL431和电位器R5组成的调压电路得到。设放大电路的放大倍数为P (本系统中P=20) 。可得到电阻值与模拟电压值之间的关系为:
Vd经A/D转换器后输出的数字电压值为Vd。A/D转换基准电压值为Vref (本系统用LM336提供2.5V基准电压) 。Va与Vd的关系式如下:
由 (1) 、 (2) 式可得铂电阻阻值R30与数字电压值Vd之间的关系式如下:
1.2.1 铂电阻的非线性校正
铂电阻因其稳定的性能、较宽的测温范围、标定简单及互换性好等特点, 在温度测量中有着非常广泛地应用。但是跟其它热电测温元件一样, 铂电阻的热电阻与温度之间也存在非线性关系, 因此对检测数据需要进行非线性校正。通常, 利用硬件电路来实现两者之间的非线性校正比较麻烦, 而且难以达到较高的精度。本系统采用软件算法来实现铂电阻的非线性校正。对PT100进行非线性校正通常有牛顿法、迭代法、插值法、查表法等[4~6]。本文采用“分段直接拟合法”, 系统要求控温范围为-10~40℃, 测温范围为-20~50℃。将测温温度值分成两段 (-20~0℃, 0~50℃) 拟合, 根据PT100其电阻值与温度值的对应关系, 对每一段内的数据, 分别用一阶拟合、二阶拟合和三阶拟合算法计算电阻R与温度T之间的关系。
为验证拟合所得结果, 将分度表上对应的电阻值代入拟合方程, 计算温度值与标准温度值的差值, 可知二阶拟合误差最小, 误差范围±10-2~10-3℃。二阶拟合结果如下:
-20~0℃拟合结果:T=0.0008R2+2.3880R-247.2657
0~50℃拟合结果:T=0.0011R2+2.3464R-245.1544
1.2.2 H桥驱动电路
半导体制冷片在通电后, 一端吸热, 一端放热, 温度降低的表面为冷端, 温度升高的表面为热端, 颠倒两根导线的接法, 冷热端也会颠倒, 通过改变电流方向即可实现制冷和加热[7,8]。考虑到半导体制冷片电流大, 本系统采用2片L298N并联使用, 每片L298N的两个桥也并联, 使得驱动能力大大增强, 最大驱动负载电压为46V, 最大负载电流约8A。输入IN1 (IN4) 和IN2 (IN3) 通过光耦隔离后接到主控器 (C8051F021) 的I/O端, ENA与ENB都与单片机的I/O连接, 通过交叉开关配置该I/O为16位PWM波控制端口。在温控模块和半导体制冷片驱动模块之间采取隔离和保护措施, 降低模块间的相互影响, 提高系统抗干扰性能。
2 模糊自整定PID算法
温度控制的被控对象常常具有时变、非线性、不确定等因素, 常规PID控制算法难以满足控制要求。仅仅利用模糊算法又很难达到控制精度的要求。所以, 采用模糊算法和PID算法相结合, 即在线自整定模糊PID算法。该算法通过当前系统误差e和误差变化率ec, 利用模糊控制规则进行模糊推理, 查询模糊矩阵表进行参数调整。
(1) 开始时, e较大, 取较大的Kp来提高响应速度, Ki=0以防止积分饱和, 适当的Kd来减小超调; (2) 在调节中期, 取适中的Kp, Ki, Kd以保证一定的响应速度、避免超调; (3) 在调节后期, 增大Kp, 以减小静差, 适当增大Ki, 提高稳定性, 适当减小Kd, 防止产生振荡[7~9]。
对输入变量误差e, 误差变化率ec及控制量Ki, Kd的模糊集为:{NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}, 模糊论域为{-3 3}。Kp模糊集为{ZE, PS, PM, PB}, 模糊论域为{0 3}。e, ec, Kp, Ki, Kd的隶属度函数都采用高斯函数, 量化因子系数根据实际控温曲线确定。e, ec, Kp, Ki, Kd的控制规则表 (见表1) 。
系统传递函数具体用科恩一库恩 (Colin-Coon) 公式确定近似传递函数[10]。给定温度值为-10.0℃和40.0℃时, 所对应的仿真曲线 (见图3~4) 。
适时调节PID参数, Kp, Ki, Kd初始值如下:Kp=30.0, Ki=0, Kd=0, 模糊自整定PID算法流程图 (见图5) 。
3 实验结论与分析
在该系统中调试和运行, 实验时环境温度为20.0℃, 设定温度分别为40.0℃和-10.0℃时, 系统运行结果曲线 (见图6~7) 。
从控温曲线可以看出, 本系统响应快, 超调量较小, 控温精度达到系统要求的±0.3℃, 取得较为理想的效果。对于具有大惯性、大延迟环节、难以建立准确数学模型的被控对象, PID与模糊控制的复合控制能够满足系统要求, 具有良好的快速性和稳态精度。
参考文献
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自动显微 篇4
关键词：图像处理技术,显微镜,自动控制系统
当前, 显微镜作为常用仪器, 已经被社会各界运用到企业生产、科学研究、各类检测及专业教学等方面, 特别是在生物领域的应用。但是, 由于长久以来显微镜操作当中的图像信息的存储、处理与打印等受到很大限制, 使用起来极为不便。同时, 部分物品不适宜于开展近距离的观测, 导致显微镜的使用范围具有较大的局限性。为解决这一问题, 部分国内显微镜生产企业在产品中增加了CCD, 让成像能够显示在与之相连的电视机上。然而, 这种模式还是存在颇多不便之处, 特别是图像的清晰度不高。
1 显微镜自动控制系统的基本特点
根据以上情况, 近期, 一种利用计算机来控制显微镜载物台的显微镜自动控制系统正式研制成功, 使计算机能够对图像实施收集、存储及处理。与此同时, 对显微镜的调焦系统进行了精细化设计, 使观察的便利性和准确性得到充分提高。这样, 在计算机显示器中所观察到的物品图像, 与直接运用显微镜观测到的图像相比较, 不但图像显得十分清楚、分辨率得到提高, 而且在调整观察位置时能够变得更加随意而且方便。
2 显微镜自动控制系统的组成
这一系统主要由操纵杆和计算机接口、电动机和计算机接口、CCD和计算机接口等3个部分组成。其操作过程主要如下:使用者可结合计算机中的图像情况, 通过调节操纵杆手柄, 让计算机运行操纵杆传递的信息, 并根据这些信息来带动电动机, 接着由电动机来控制载物台, 最终实现随时调整焦距的控制目的。显微镜中的摄像头将图像采集回到计算机中。这样, 就将原来的操作人员和显微镜之间的直接式交互, 转化为间接式交互, 从而让人能够离开显微镜进行较远距离的观测。如果用来观测有害物质, 这是非常必要的, 同时, 由于采取了计算机采集图像的模式, 图像的保存、处理和打印等各个环节变得更为顺畅。
2.1 操纵杆和计算机接口的组成
这一显微镜自动控制系统采用的是应用已经十分广泛的标准操纵杆。操纵杆的位置信息采取Windows标准形式加以发送。当一个操纵杆直接连接上计算机时, 它的ID是JOYSTICKID 1, 其后, 由于使用了oy Set Capture () API函数, 就可以在设置的程序中更加便捷地接收操纵杆传递来的消息。如此一来, 当使用人员在调节手柄之后, 其发生的消息就会立即被发送到这一窗口函数之中, 随即就能获得操纵杆状态信息。当然, 使用者还可以根据具体操作的需要来进行合理的选择处理。现以MM_JOYIMOVE为例子加以说明。当调节手柄时, Windows系统就会自动发送出MM_JJOYIMOVE消息。这个消息一般都有两个参数:其中之一是w Param, 它有4.个取值, 分别对应于与之有关的按钮。另一参数就是Iparam, 这是一个32位的数值, 高、低16位分别表示目前手柄上的Y坐标以及X坐标。 (x Pos, y Pos) 就是手柄的所在位置, 之所以会向右移动8位, 完全是为了和之后的D/A转换相互之间进行匹配。
2.2 电动机和计算机接口的组成
电动机和计算机之间的接口是这一套显微镜自动控制系统的关键性环节, 可利用步进电机来调节载物台, 使其向着Z方向运动, 以实现调焦之目的。在载物台的水平方向运动上, 则应由直流电机进行驱动, 这样就有利于最大限度地调节好载物台的速度, 让使用人员的手感更加舒适。首先是用直流电机进行控制。操作者在确认了操纵杆的位置信息之后, 先要作出换算, 并及时输出, 从而控制着载物台向水平方向运动。具体来说, 可运用8位D/A转换器DAC0832, 把位置信号换算到0256这个范围以内。因为载物台可作出往复运动, 所以D/A一定是双极性输出。其次是用步进电机进行控制。随着载物台向Z方向运动, 这时完全可以采取步进电机驱动的方式, 这种控制也相对比较简单。要结合显微镜的放大倍数进行认真计算, 从而得到所需要的调焦精度, 下一步, 再计算出步进电机更加精确的步距角, 随后再依据步距角来选择对其相对应的驱动器, 再把计算机当中的脉冲信号转换到步进电机驱动器之中。最后是限位保护。从安全的角度来观察, 载物台向各方向的作出运动都要进行限位式保护。在Z方向上可以安装机械开关或者是霍尔器件, 在水平方向则因为载物台比较小, 不便进行走线或者再安装另外的器件, 那么就可以进行限流保护, 也就是在载物台运动到某一个具体位置后, 假如遇到了直流电机的堵转, 电流就会马上开始增加, 电路立即就会知道这一突然变化, 并作出反应, 在第一时间反馈到计算机系统当中, 而计算机也会马上停止输出。
2.3 CCD和计算机接口的组成
CCD的视频信号一旦输入到计算机系统的图像采集卡以后, 就能够立即在计算机中成像了。使用者可以根据自身需要, 选择分别具有不同照度的CCD和采集卡。在采集卡上, 一般都会有亮度、对比度和饱和度等相应的调节功能, 这些采集卡同时还具备了图像的采集和存储功能, 能够较为方便地对图像加以处理, 再进行打印。与现在国内同类在显微镜上安装数码相机的自动控制系统进行比较, 该方法不仅更加便捷, 而且成本也更加低。
3 结论
目前, 这一显微镜自动控制系统已在医院中进行了实践, 使用效果十分理想。这一系统所具有的灵活性能够让它十分方便地应用到其它各类系统当中, 例如, 一旦在医院的检验科里使用, 完全可以与负责诊断的医生加以连接, 通过资源共享来提高工作效率, 并建立起患者数据库, 而将图像信息作为病历的一部分加以存储, 还可作为对患者进行后续诊断的参考资料。可以说, 运用图像识别技术, 并建立专家系统, 还能实现智能诊断或者半智能诊断。总之, 本系统具有十分广阔的应用前景。
参考文献
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自动显微 篇5
1 材料与方法
1.1 标本来源
采集我院2012年5月—10月门诊及住院患者的新鲜中段晨尿618份, 男311份, 女307份。
1.2 仪器与试剂
所用仪器为日本希森美康公司生产的UF-1000i全自动尿沉渣分析仪, 所用试剂与质控物均为与其配套的原厂家生产;Olympus显微镜和离心机。
1.3 检测方法
1.3.1 UF-1000i全自动尿沉渣分析仪检测。
严格按仪器使用要求进行常规质控、室内质控, 合格后按照操作要求及时对尿液标本进行检测。用一次性尿杯留取中段晨尿约10 m L, 充分混匀后倒入试管进行检测。
1.3.2 显微镜镜检。
将尿沉渣分析仪检测过的尿标本用于镜检, 用离心机1 500转/min离心5 min, 弃上清液留沉渣0.2 m L, 取0.02 m L置于载玻片, 用18 mm×18 mm盖玻片加盖后进行镜检[1]。所有标本均在取样后2 h完成检测。
1.4 结果判定标准
尿沉渣分析仪阳性标准:管型>0.89个/μL为阳性;显微镜镜检阳性标准:全片镜检看见1个以上管型即为阳性。
1.5 统计学方法
计数资料采用χ2检验, P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果见表1。
由表1可以看出, 在618份尿液中, 显微镜检测的阳性标本有37份, 阴性有581份, 阳性率是6.0%;UF-1000i尿沉渣分析仪检测的标本阳性有102例份, 阴性516份, 阳性率是16.5%。其中UF-1000i尿沉渣分析仪检测为阳性而镜检为阴性的有67份, 占10.8%, 尿沉渣分析仪阴性而镜检阳性的有2份, 占0.3%。两种方法所测管型不符的共有69份, 占11.2%, 二者比较差异有显著性 (χ2=174.1, P<0.01) 。
3 讨论
尿液管型是一些有机物或无机物, 如蛋白质、细胞及其崩解产物在肾小管集合管内凝固而成的蛋白凝聚体, 形成管型要具备如下条件:原尿液中有白蛋白、T-H蛋白, 其中T-H蛋白石最易形成管型的核心。肾小管具有浓缩和酸化尿液的能力, 肾脏具有可供交替使用的肾单位, 正常人尿液中一般情况无管型出现, 在特殊情况下偶见透明管型和细颗粒管型。如:心力衰竭、发热、剧烈运动后可见少量透明管型;在肾实质病变, 如肾小球或肾小管病变, 或肾脏感染性病变时, 可出现病理管型, 如细胞管型、颗粒管型、蜡样管型等[2]。故尿液中管型的数量及类型有极其重要的临床意义, 尿液中出现管型常常提示有肾实质损害。故准确而严谨的检验结果才能给临床提供可靠的诊断依据。
UF-1000i全自动尿沉渣分析仪将流式细胞术和电阻抗原理相结合, 采用菲啶与羧花氰对有形成分进行染色后, 进入鞘液流动池, 有形成分以单个形式沿中心竖轴线依次通过流动池检测区, 每个有形成分被氩激光光束照射后, 产生不同程度的荧光强度。仪器对各种信号进行综合识别、分析及计算后得到细胞的大小、长度、体积等信息, 从而形成各种有形成分的定量报告。
我们在日常工作中发现, 由于患者尤其是女性患者尿液中有形成分不确定, 形态各样, 成分各不相同, 以致产生与管型相似的脉冲信号, 从而被仪器误认为是管型假阳性[3], 从而导致尿液管型的阳性率大大增高, 给临床的诊断及治疗造成一定干扰。
UF-1000i全自动尿沉渣分析仪检测管型的假阳性结果大致有以下几个原因: (1) 本组有34份尿标本中存在黏液丝及纤维等类管型异物, 黏附细菌或细胞等被荧光染色后, 在大小和外形上和管型相似被仪器误认。 (2) 本组有25份尿标本中存在上皮细胞, 上皮细胞的形态大小不一, 有些形态和染色性与管型极为相似, 尤其是孕妇的尿液多见。 (3) 本组有5份尿标本中存在大量白细胞, 尤其是存在大量脓球时, 脓球极易聚集成串, 甚至成团, 而被仪器误认为管型。 (4) 其他, 尿液中存在非晶形盐类结晶、真菌等也能造成假阳性[4]。UF-1000i全自动尿沉渣分析仪检测管型假阴性主要见于蛋白尿的检测, 蛋白尿中形成的管型短而小, 易被漏检, 造成假阴性。
本文检测618份尿标本, 尿液沉渣分析仪单独检测管型阳性率为16.5%, 联合显微镜镜检后阳性率为6.0%, 大大降低了假阳性率。
综上所述, 全自动尿沉渣分析仪虽然具有操作规范化, 检测自动化, 速度快, 重复性好等优点, 但由于尿液成分复杂, 干扰因素较多, 以致造成很多结果的假阳性, 应当引起相关人员的高度重视。为了保证检验质量, 为临床提供可靠依据, 当尿沉渣分析仪提示有管型阳性时, 必须进行显微镜复检后才可发出报告, 以免引起临床误判。
参考文献
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自动显微 篇6
关键词：尿液自动分析仪,显微镜,尿液常规
尿液常规化验是临床三大常规检查项目之一, 尿液成分变化不仅能反映泌尿生殖系统病变, 且其他系统疾病均可引起尿液成分或理化性质的变化[1,2]。所以, 尿液常规检验作为一种最常见而又重要的手段普遍应用于临床。尿液自动分析仪的应用较大程度上提高了检验工作效率, 但尿液自动分析仪能否完全取代镜检, 一直是临床检验关注的热点问题。为此, 我科自2010年1月1日-12月30日采用尿液自动分析仪 (半定量) 和奥林巴斯光学显微镜对慢性肾小球肾炎、肾病综合征、泌尿系感染、糖尿病、高血压病患者500例作尿液常规检查, 现报道如下。
1仪器和方法
1.1 仪器
MA-4210型尿液自动分析仪 (日本京都科学株式会社, 半定量) 及配套用尿液分析干化学试纸 (长春迪瑞公司) , 奥林巴斯光学显微镜。
1.2 方法
对我院门诊或住院临床确诊为慢性肾小球肾炎、肾病综合征、泌尿系统感染、糖尿病、高血压病患者500例 (男357例, 女143例) 。用一次性无菌塑料杯收集晨起新鲜中段尿500份。将尿液充分混匀后分为2管, 一管采用MA-4210型尿液自动分析仪测定, 作为分析仪组;一管采用光学显微镜镜检, 作为镱检组。
1.2.1 尿液自动分析:
将尿试纸条浸入充分混匀的尿中1s后取出, 用吸水纸黏干多余尿液, 置尿分析仪传送盘中, 按操作规程自动检测打印结果。
1.2.2 显微镜检查:
参照《全国临床检验操作规程》第3版[3], 取刻度离心管, 倒入混匀的新鲜尿液10ml, 以1500r/min转速离心5min, 弃去上清液, 留下0.2ml沉渣, 充分混匀, 取0.02ml滴入载玻片, 用18mm×18mm盖玻片覆盖, 用10×40倍镜头镜检, 镜检结果正常范围:红细胞 (RBC) :0～3/HP、白细胞 (WBC) :0～5/HP。
1.3 统计学方法
应用SPSS 17.0软件进行数据处理。计数资料以率 (%) 表示, 组间比较采用χ2检验, P<0.05为差异有统计学意义。
2结果
2.1 RBC检出情况
500份尿液标本中, 尿液分析仪RBC阳性率为61.4%高于镜检组的47.6%, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见表1。
注:与镜检组比较, *P<0.05;指标:微量表示4/HP, +表示5～10/HP, ++表示11～25/HP, +++～++++表示>26/HP
2.2 WBC检出情况
尿液分析仪组WBC阳性率为48.4%低于镜检组的70.8%, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。镜检发现颗粒管型、红细胞管型、白细胞管型分别为56例、73例、67例, 尿液分析仪未检查到管型及滴虫, 2组比较, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见表2。尿液分析仪能分析尿液的pH值、比重、蛋白、维生素C、酮体、葡萄糖等物质, 而显微镜则不能检查到, 2组比较差异有统计学意义 (P<0.05) 。
注:与镜检组比较, *P<0.05;指标:微量表示6/HP, +表示7～10/HP, ++表示11～25/HP, +++～++++表示>26/HP
3讨论
3.1 RBC检测
尿液分析仪检测RBC, 是利用RBC血红蛋白中的亚铁血红素具有过氧化物酶样活性, 能使试纸条中过氧化氢活化, 释放出新生态的氧, 氧化色素原使其呈色, 既可与完整RBC起反应, 也可对破损RBC及游离血红蛋白起反应, 其所测定的是三者之和, 而显微镜检查只能检测形态完整的RBC, 破损的RBC不能检出[4]。
从表1中可看出, 500份尿液标本, 显微镜检RBC阳性率明显低于尿液分析仪结果。分析原因如下[5]: (1) 尿液标本放置过久、低渗尿、碱性尿等各种情况所致的尿中RBC过度破坏; (2) 溶血性贫血与一些药物引起血红蛋白尿; (3) 尿中含有的易热酶、肌红蛋白尿、菌尿引起的假阳性等均可引起尿液分析仪阳性而镜检呈阴性反应。有些特殊情况如尿中大量维生素C干扰, 或尿中过量的蛋白, 以及尿pH、比重及尿中共存物能等, 能降低潜血反应的灵敏度, 会出现分析仪结果偏低或阴性, 镜检呈阳性。
3.2 WBC检测
尿液分析仪检查WBC是利用中性粒细胞中的酯酶分解吲哚酚酶, 释放出的吲哚酚与重氮盐发生反应产生紫色, 而WBC中的淋巴细胞、单核细胞不含此酶, 所以不发生反应。在肾结核、肾排斥反应等疾病中, 大量淋巴细胞在尿中出现时, 其检出率较低, 而显微镜能检查到各种形态完整的WBC[6]。从表2显示, 显微镜镜检WBC阳性率明显高于尿液分析仪结果。对尿液分析仪检查WBC的性能评价:敏感性、特异性较显微镜低。
3.3 细胞形态学观察
尿液分析仪不能进行细胞形态学观察, 而镜检能观察到细胞形态, 配合测微尺可测定细胞大小, 有助于鉴别尿中RBC、WBC来源 (肾小球、肾小管或下泌尿道) , 提高肾脏疾病的诊断水平。尿液分析仪也不能检查各类管型、肿瘤细胞、结晶、滴虫、精子、脱落上皮细胞等, 而这些检查均需显微镜的帮助。
综上所述, 尿分析仪对RBC、WBC的检测, 是基于化学反应原理进行的, 干扰因素颇多, 特异性不理想, 对管型、脱落细胞、结晶、滴虫等均无法测定。而显微镜检查是直接计数细胞, 并可进行形态观察, 有“确诊”意义。因此, 尿液分析仪不能完全取代沉渣显微镜镜检, 对于每一份尿液标本, 在分析仪检查基础上做尿沉渣镜检, 可得出准确结果, 为临床治疗提供依据。
参考文献
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