用于實驗動物圖像分區(qū)采集的可編程數(shù)控載物滑臺系統(tǒng)的研制

雷吳迪，鄭和平，吳劍威

福州總醫(yī)院 a.醫(yī)學工程科；b.比較醫(yī)學科，福建 福州 350025

引言

體視顯微鏡又稱“實體顯微鏡”或“解剖鏡”，光學放大倍數(shù)為20～100倍，是一種具有正像立體感的目視儀器，在醫(yī)療系統(tǒng)中得到廣泛應用。由于目前市場上現(xiàn)有的體視顯微鏡沒有可移動的載物臺系統(tǒng)，在對大目標樣本（如實驗動物）進行圖像采集時，需要研究人員手工移動大目標樣本進行分區(qū)段攝影，然后用分區(qū)段的圖像合成全景圖像，這在實際應用中存在諸多不便：① 當樣本量大時，會大量增加研究人員的工作量；② 由于手工移動的精確度有限，這給后期合成全景圖像帶來困難。

本文設計了一種簡易精密的可編程數(shù)控載物滑臺系統(tǒng)[1]，在體視顯微鏡基礎上加裝數(shù)碼相機[2-3]和可編程數(shù)控載物滑臺系統(tǒng)（x、y軸），可實現(xiàn)體視顯微鏡下的可編程精密分區(qū)段或動態(tài)觀察攝影[4]。

1 系統(tǒng)設計

整個實驗動物圖像分區(qū)采集系統(tǒng)包括3個組件：數(shù)碼相機（OLYMPUS SZ-16）[5]、體視顯微鏡（moticam 1300）和可編程數(shù)控載物滑臺系統(tǒng)[6-7]（以下簡稱：滑臺系統(tǒng)）。其中，滑臺系統(tǒng)由電源、數(shù)控兩軸運動控制器[8]、步進電機驅(qū)動器[9]、步進電機[10-11]和十字滑臺組成，見圖1。

圖1 可編程數(shù)控載物滑臺系統(tǒng)

2 滑臺系統(tǒng)硬件選配

2.1 數(shù)控兩軸運動控制器

運動控制器選用廣州匯程機電科技有限公司生產(chǎn)的HC130-2型兩軸運動可編程控制器，該控制器采用高性能32位CPU，配備液晶顯示器和全封閉觸摸式操作鍵盤，內(nèi)部存儲器可存儲48個運動程序，每個程序最大編程行數(shù)為420行，最高脈沖輸出頻率為150 kHz，配備電子齒輪，可實現(xiàn)復雜運動程序的編程（絕對運動、相對運動、增量運動、直線插補、順圓插補、逆圓插補等）。

2.2 步進電機驅(qū)動器

步進電機驅(qū)動器選用雷賽M542型驅(qū)動器，其具有低電機發(fā)熱、低運行噪聲和更高的平穩(wěn)性等特點;其微步細分數(shù)有15種，最大步數(shù)為25000 Pulse/rev;工作峰值電流范圍為1.0～4.2 A，輸出電流共有8檔，電流的分辨率約為0.45 A，具有自動半流，過壓和過流保護等功能；直流24 V供電。M542驅(qū)動器采用八位撥碼開關設定動態(tài)電流（sw1/sw2/sw3）、半流/全流（sw4）和細分精度（sw5/sw6/sw7）。

2.3 步進電機

步進電機選用雷賽兩相57步進電機（型號：HS8123-5040），其步距角度為1.8°，步距精度5%，保持轉(zhuǎn)距0.9 N·m，額定電流3.0 A。

2.4 十字滑臺

十字滑臺是指由兩組直線滑臺按照x軸方向和y軸方向組合而成的組合滑臺，結(jié)構(gòu)見圖2，其外觀上看起來是中文中的“十”字，通常也稱為坐標軸滑臺。本系統(tǒng)十字滑臺選用臺灣CPC數(shù)控十字滑臺，其由兩個獨立的單軸滑臺組合而成，鋁合金底座，可承重30 kg，滾珠絲桿直徑12 mm，螺距4 mm，雙滑塊導軌，軌道寬度9 mm，配合雷賽兩相57步進電機，其運動精度可達0.02 mm，見公式(1)。

圖2 十字滑臺

整個系統(tǒng)組成后，見圖3，由于十字滑臺不能直接置于物鏡下，因此，將一片有機玻璃板固定在滑臺上，作為動物承載臺，通過滑臺的運動,帶動承載臺運動。

圖3 實驗動物圖像分區(qū)采集系統(tǒng)

3 滑臺系統(tǒng)參數(shù)設定

3.1 步進電機驅(qū)動器參數(shù)設定

（1）輸出電流設置：因步進電機額定電流為3.0 A，因此在步進電機驅(qū)動器sw1/sw2/sw3設定為on/on/on，輸出驅(qū)動電流3.0 A。

（2）半流/全流設置：通過sw4來設定驅(qū)動器的自動半流功能。off表示靜態(tài)電流設為動態(tài)電流的50%，on表示靜態(tài)電流與動態(tài)電流相同。本系統(tǒng)中將sw4設成off，使得電機和驅(qū)動器的發(fā)熱減少，可靠性提高，脈沖串停止后約0.3 s左右電流自動減至50%，電機發(fā)熱量理論上可減少65%。

（3）微步細分精度設置：兩相步進電機的轉(zhuǎn)矩決定于兩相勵磁電流產(chǎn)生的合成矢量磁場，要使步進電機平穩(wěn)勻速、等距角轉(zhuǎn)動，關鍵是要使合成矢量磁場幅值穩(wěn)定、角度變化均勻，因此，為了控制電機勵磁繞組中的電流，在每個激勵脈沖中加入多個穩(wěn)定的中間態(tài)，即將每個脈沖再細分，按階梯遞增電流，從而實現(xiàn)合成矢量磁場幅值穩(wěn)定、角度變化均勻。驅(qū)動器微步細分精度的設定與運動控制器電子齒輪參數(shù)相對應，M542型驅(qū)動器微步細分精度為400～25000步數(shù)/轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)中，將微步細分精度設定為25000 步數(shù)/轉(zhuǎn)（sw5/sw6/sw7/sw8=off/off/off/off）。

3.2 數(shù)控兩軸運動控制器電子齒輪參數(shù)設定

HC130-2型兩軸運動可編程控制器通過電子齒輪來設定滑臺運動距離與步進電機脈沖的關聯(lián)。電子齒輪參數(shù)設置如公式(2)，在本系統(tǒng)中，電機單向轉(zhuǎn)動一周所需的細分脈沖數(shù)為25000步數(shù)/轉(zhuǎn)，電機單向轉(zhuǎn)動一周所移動的距離為4 mm（滑臺螺距），因此，電子齒輪比為25/4。

4 實驗驗證

本滑臺系統(tǒng)現(xiàn)已應用于南京軍區(qū)福州總醫(yī)院比較醫(yī)學科，在體視顯微鏡下對30只活體小鼠耳朵進行分區(qū)攝影[12]，然后用photoshop CS5/photomerge功能自動合成每只鼠耳的全景圖，觀察其耳朵血管形態(tài)在某種因素下隨時間（30 d）的形態(tài)學變化。

（1）實驗材料：可編程數(shù)控載物滑臺系統(tǒng)；30只清潔級ICR小鼠（雄性，體重25～30 g，鼠耳完整、無皮膚病變或外傷），由福建醫(yī)科大學動物中心[SYXK(閩)2012-0001]提供。

（2）實驗方法：小鼠耳朵進行分區(qū)攝影，將小鼠側(cè)臥置于可編程數(shù)控載物滑臺系統(tǒng)的動物承載臺上，調(diào)節(jié)體視顯微鏡物鏡并固定為25倍，編置程序（圖4），“弓”型路線漸次、局部采集0、1、2、3、5、7、10、14、21、30 d的時間點圖像。

圖4 滑臺系統(tǒng)小鼠耳朵分區(qū)攝影程序設計

（3）實驗結(jié)果：小鼠耳朵分區(qū)攝影12幅圖像，見圖5。12幅分區(qū)圖像經(jīng)photoshop CS5/photomerge功能自動合成鼠耳的全景圖[13-16]，經(jīng)背景修飾后，見圖6。

圖5 分區(qū)攝影圖像

5 結(jié)論

本系統(tǒng)利用現(xiàn)有技術和資源，設計簡單實用，可快速搭建實驗動物大目標樣本圖像采集平臺，并可根據(jù)大目標樣本的實際情況，編制圖像采集路徑，實現(xiàn)了精密分區(qū)自動采集圖像的目的，大大減少了工作人員的工作量，為后期合成圖像帶來了便利。本系統(tǒng)還可編制動態(tài)連續(xù)路徑，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤攝影的目的。

圖6 合成圖像

[1] 張宏波,曾立波,許賢澤,等.一種新型的顯微鏡載玻片自動裝載系統(tǒng)設計[J].應用基礎與工程科學學報,2005,13(2):185-193.

[2] 劉文愛,李麗鳳,范航清.改裝體視顯微鏡拍攝昆蟲圖像和CAD繪制昆蟲形態(tài)圖[J].應用昆蟲學報,2011,48(3):787-789.

[3] 肖文雅,王紅云.單反數(shù)碼相機在醫(yī)學攝影中的應用[J].福建電腦,2013,3:47-48.

[4] 李毅,問新民,茍大舉.顯微鏡載物臺自動控制及自動聚焦系統(tǒng)設計[J].計算機應用研究,2002,11:92-93.

[5] 金成玲.數(shù)碼相機在病理大體攝影中的應用及意義[J].中國社區(qū)醫(yī)師·醫(yī)學專業(yè),2012,5:224.

[6] 萬婧妍,何平.基于TMS320F2812的三軸運動控制器設計[J].DSP開發(fā)與應用,2010,26(6-2):116-118.

[7] 丁金華,孫秋花,李明穎.基于嵌入式微處理器的兩自由度數(shù)控滑臺的研制[J].實驗技術與管理,2008,25(6):43-45.

[8] 藍杰,張浩然.基于STM32的微型步進電機驅(qū)動控制器設計[J].微型機與應用,2015,34(1):43-46.

[9] 袁貴棟,李翠英.用于實驗教學的步進電機驅(qū)動器的設計[J].吉林化工學院學報,2011,28(9):49-51.

[10] 朱輝,吳根忠.基于單片機的步進電機虛擬細分技術的研究[J].計算機測量與控制,2014,22(11):3719-3720.

[11] 周云,陳興新,陳磊,等.步進電機在核素注射器中的應用[J].中國醫(yī)療設備,2008,23(2):36-38.

[12] 胡文華,顧達聰,彭瑞云,等.實驗動物和臟器標本的攝影方法[J].中國醫(yī)學教育技術,2006,20(2):162-163.

[13] 劉靜.Photoshop中的摳圖合成技術分析[J].福建電腦,2015,11:77-78.

[14] 馬月進.利用Photoshop混合顏色帶合成圖像的方法探索[J].電腦知識與技術,2009,5(33):9499-9500.

[15] 韓立龍,周吉.一種三維動畫與實拍影像合成技術的設計與實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程,2012,40(9):90-93.

[16] 王文勇,趙一齡,王伯.應用Photoshop軟件合成FISHHER_2多色熒光圖像[J].診斷病理學雜志,2013,20(2):117-118.