[發(fā)明專利]一種結(jié)核桿菌檢測儀的高質(zhì)量圖像獲取裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710153435.3
• 申請(qǐng)日: 2017-03-15
• 公開（公告）號(hào): CN106873142B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張從鵬;曹文政;宋來軍;李小龍;馬巖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北方工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B21/24
• 分類號(hào): G02B21/24
• 代理公司: 北京辰權(quán)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11619
• 代理人: 董李欣

一種結(jié)核桿菌檢測儀的高質(zhì)量圖像獲取裝置和方法，該裝置包括XYZz平臺(tái)、顯微鏡、工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)，該方法包括初始設(shè)置、動(dòng)態(tài)曝光策略、XYZz平臺(tái)運(yùn)動(dòng)復(fù)位、初次聚焦、掃描聚焦。本發(fā)明的方法通過圖像采集動(dòng)態(tài)曝光策略，降低結(jié)核桿菌痰涂片或其他樣本涂抹不均勻?qū)D像獲取和成像使用的影響；通過動(dòng)態(tài)聚焦，提高自動(dòng)聚焦過程的速度和魯棒性；通過連續(xù)聚焦，極大提高自動(dòng)聚焦速度和自動(dòng)化程度，可實(shí)現(xiàn)多視野連續(xù)自動(dòng)聚焦；利用S型曲線和PID算法運(yùn)動(dòng)模型降低運(yùn)動(dòng)誤差，提高焦平面定位的準(zhǔn)確性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)，特別涉及一種結(jié)核桿菌檢測儀的顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)。

背景技術(shù)

結(jié)核分枝桿菌，俗稱結(jié)核桿菌，是引起慢性傳染疾病結(jié)核病的病原菌。在全球范圍內(nèi)，結(jié)核病仍是主要傳染病之一，每年有約900萬例新發(fā)患者和200萬例死亡患者。研究表明，早期診斷、早期治療是防治結(jié)核病、提高結(jié)核病患者生存率的最有效手段。

從病理學(xué)角度來講，最可靠也是目前確診結(jié)核病最重要的方法是結(jié)核桿菌鏡檢法。人工鏡檢法存在一些不可無視的問題。首先，人工鏡檢法需要病理專家或經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的醫(yī)師進(jìn)行操作。其次，人工鏡檢法工作量巨大，要完整判讀一個(gè)載玻片(標(biāo)本)需在顯微鏡下觀察至少300個(gè)視野。再次，人工檢測無法給出準(zhǔn)確的定量信息，例如結(jié)核桿菌濃度、形態(tài)特征分布等，且無法有效記錄和復(fù)查。結(jié)核桿菌檢測儀通過機(jī)器視覺系統(tǒng)有效克服人工鏡檢法存在的問題和不足之處，實(shí)現(xiàn)結(jié)核桿菌檢測的自動(dòng)化和智能化，將徹底顛覆現(xiàn)有的結(jié)核病診斷模式。

高質(zhì)量顯微圖像的獲取是結(jié)核桿菌檢測儀乃至顯微鏡自動(dòng)化檢測系統(tǒng)中最為關(guān)鍵技術(shù)之一。顯微圖像獲取系統(tǒng)主要包括顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)聚焦運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和圖像采集系統(tǒng)三部分組成。其中，顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)是高質(zhì)量圖像獲取的基礎(chǔ)和核心技術(shù)。現(xiàn)有的顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)分主要分為兩類：主動(dòng)聚焦和被動(dòng)聚焦。主動(dòng)聚焦通過激光或紅外線等方式測量顯微鏡物鏡與目標(biāo)(樣本焦平面)之間的距離并進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到聚焦位置即完成聚焦。被動(dòng)聚焦基于當(dāng)前圖像信息，利用聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)當(dāng)前圖像信息進(jìn)行聚焦?fàn)顟B(tài)評(píng)價(jià)，利用評(píng)價(jià)結(jié)果和焦平面搜索策略(聚焦策略)控制電機(jī)調(diào)整顯微鏡物鏡與目標(biāo)間距離準(zhǔn)確定位到焦平面位置，即完成聚焦。主動(dòng)聚焦一般需要添加激光或紅外線測距元件，實(shí)用性較低和成本較高，在顯微鏡自動(dòng)聚焦領(lǐng)域并不適用，故通常采用被動(dòng)聚焦方式進(jìn)行聚焦。

基于被動(dòng)聚焦的顯微鏡聚焦技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包括三個(gè)方面：聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)、焦平面搜索策略和精度控制。

在聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)方面：現(xiàn)有聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)研究比較成熟，但針對(duì)結(jié)核桿菌檢測方面均表現(xiàn)較差。結(jié)核桿菌檢測樣本為痰涂片，實(shí)際樣本中往往含有涂抹不均勻區(qū)域，這些區(qū)域涂抹薄厚不一導(dǎo)致在顯微鏡成像中圖像有效信息量波動(dòng)很大。樣本(結(jié)核桿菌痰涂片)涂抹厚的區(qū)域顏色極深，不改變曝光參數(shù)往往導(dǎo)致成像不理想，對(duì)后續(xù)聚焦完成圖像的使用產(chǎn)生較大影響。樣本涂抹薄的區(qū)域顏色較淺，在圖像噪聲和過曝光的影響下聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)準(zhǔn)確性降低，進(jìn)而影響聚焦策略導(dǎo)致聚焦不準(zhǔn)確或聚焦失敗。

在焦平面搜索策略方面：現(xiàn)有的聚焦策略技術(shù)包括盲人爬山法和曲線擬合法兩類。盲人爬山法首先隨意選取一個(gè)聚焦方向，按照設(shè)定的步進(jìn)距離計(jì)算這個(gè)區(qū)間內(nèi)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的變化情況判斷下一步步進(jìn)方向。由于聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的具有單峰性，故在焦平面(波峰)處左側(cè)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)單調(diào)遞增，右側(cè)單調(diào)遞減。當(dāng)運(yùn)動(dòng)過波峰時(shí)斷定找到焦平面，反向移動(dòng)至波峰即完成聚焦。此方法較為通用，但由于步進(jìn)距離固定，在景深很小、精度要求較高的結(jié)核桿菌自動(dòng)聚焦中會(huì)造成小步長、多次步進(jìn)的情況，效率較低。曲線擬合法在距離焦平面較遠(yuǎn)時(shí)由于評(píng)價(jià)函數(shù)曲線波動(dòng)很小其擬合準(zhǔn)確性很差。

在聚焦精度控制方面：實(shí)際聚焦中往往存在運(yùn)動(dòng)誤差，如電機(jī)運(yùn)動(dòng)丟步、通訊延時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)并沒有涉及或給出相關(guān)解決方案。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種結(jié)核桿菌檢測儀的高質(zhì)量圖像獲取裝置，包括XYZz平臺(tái)、顯微鏡、工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)，其特征在于，