用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物圖像分區(qū)采集的可編程數(shù)控載物滑臺(tái)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(xué)工程科；b.比較醫(yī)學(xué)科，福建 福州 350025

引言

體視顯微鏡又稱(chēng)“實(shí)體顯微鏡”或“解剖鏡”，光學(xué)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(yīng)用。由于目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的體視顯微鏡沒(méi)有可移動(dòng)的載物臺(tái)系統(tǒng)，在對(duì)大目標(biāo)樣本（如實(shí)驗(yàn)動(dòng)物）進(jìn)行圖像采集時(shí)，需要研究人員手工移動(dòng)大目標(biāo)樣本進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中存在諸多不便：① 當(dāng)樣本量大時(shí)，會(huì)大量增加研究人員的工作量；② 由于手工移動(dòng)的精確度有限，這給后期合成全景圖像帶來(lái)困難。

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易精密的可編程數(shù)控載物滑臺(tái)系統(tǒng)[1]，在體視顯微鏡基礎(chǔ)上加裝數(shù)碼相機(jī)[2-3]和可編程數(shù)控載物滑臺(tái)系統(tǒng)（x、y軸），可實(shí)現(xiàn)體視顯微鏡下的可編程精密分區(qū)段或動(dòng)態(tài)觀察攝影[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物圖像分區(qū)采集系統(tǒng)包括3個(gè)組件：數(shù)碼相機(jī)（OLYMPUS SZ-16）[5]、體視顯微鏡（moticam 1300）和可編程數(shù)控載物滑臺(tái)系統(tǒng)[6-7]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：滑臺(tái)系統(tǒng)）。其中，滑臺(tái)系統(tǒng)由電源、數(shù)控兩軸運(yùn)動(dòng)控制器[8]、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[9]、步進(jìn)電機(jī)[10-11]和十字滑臺(tái)組成，見(jiàn)圖1。

圖1 可編程數(shù)控載物滑臺(tái)系統(tǒng)

2 滑臺(tái)系統(tǒng)硬件選配

2.1 數(shù)控兩軸運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器選用廣州匯程機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的HC130-2型兩軸運(yùn)動(dòng)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(pán)，內(nèi)部存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)48個(gè)運(yùn)動(dòng)程序，每個(gè)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)程序的編程（絕對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、增量運(yùn)動(dòng)、直線(xiàn)插補(bǔ)、順圓插補(bǔ)、逆圓插補(bǔ)等）。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用雷賽M542型驅(qū)動(dòng)器，其具有低電機(jī)發(fā)熱、低運(yùn)行噪聲和更高的平穩(wěn)性等特點(diǎn);其微步細(xì)分?jǐn)?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(dòng)半流，過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)等功能；直流24 V供電。M542驅(qū)動(dòng)器采用八位撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定動(dòng)態(tài)電流（sw1/sw2/sw3）、半流/全流（sw4）和細(xì)分精度（sw5/sw6/sw7）。

2.3 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)選用雷賽兩相57步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)：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(tái)

十字滑臺(tái)是指由兩組直線(xiàn)滑臺(tái)按照x軸方向和y軸方向組合而成的組合滑臺(tái)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其外觀上看起來(lái)是中文中的“十”字，通常也稱(chēng)為坐標(biāo)軸滑臺(tái)。本系統(tǒng)十字滑臺(tái)選用臺(tái)灣CPC數(shù)控十字滑臺(tái)，其由兩個(gè)獨(dú)立的單軸滑臺(tái)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(dǎo)軌，軌道寬度9 mm，配合雷賽兩相57步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)動(dòng)精度可達(dá)0.02 mm，見(jiàn)公式(1)。

圖2 十字滑臺(tái)

整個(gè)系統(tǒng)組成后，見(jiàn)圖3，由于十字滑臺(tái)不能直接置于物鏡下，因此，將一片有機(jī)玻璃板固定在滑臺(tái)上，作為動(dòng)物承載臺(tái)，通過(guò)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)承載臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

圖3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物圖像分區(qū)采集系統(tǒng)

3 滑臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)定

（1）輸出電流設(shè)置：因步進(jìn)電機(jī)額定電流為3.0 A，因此在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器sw1/sw2/sw3設(shè)定為on/on/on，輸出驅(qū)動(dòng)電流3.0 A。

（2）半流/全流設(shè)置：通過(guò)sw4來(lái)設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)半流功能。off表示靜態(tài)電流設(shè)為動(dòng)態(tài)電流的50%，on表示靜態(tài)電流與動(dòng)態(tài)電流相同。本系統(tǒng)中將sw4設(shè)成off，使得電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(dòng)減至50%，電機(jī)發(fā)熱量理論上可減少65%。

（3）微步細(xì)分精度設(shè)置：兩相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩決定于兩相勵(lì)磁電流產(chǎn)生的合成矢量磁場(chǎng)，要使步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)勻速、等距角轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)鍵是要使合成矢量磁場(chǎng)幅值穩(wěn)定、角度變化均勻，因此，為了控制電機(jī)勵(lì)磁繞組中的電流，在每個(gè)激勵(lì)脈沖中加入多個(gè)穩(wěn)定的中間態(tài)，即將每個(gè)脈沖再細(xì)分，按階梯遞增電流，從而實(shí)現(xiàn)合成矢量磁場(chǎng)幅值穩(wěn)定、角度變化均勻。驅(qū)動(dòng)器微步細(xì)分精度的設(shè)定與運(yùn)動(dòng)控制器電子齒輪參數(shù)相對(duì)應(yīng)，M542型驅(qū)動(dòng)器微步細(xì)分精度為400～25000步數(shù)/轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)中，將微步細(xì)分精度設(shè)定為25000 步數(shù)/轉(zhuǎn)（sw5/sw6/sw7/sw8=off/off/off/off）。

3.2 數(shù)控兩軸運(yùn)動(dòng)控制器電子齒輪參數(shù)設(shè)定

HC130-2型兩軸運(yùn)動(dòng)可編程控制器通過(guò)電子齒輪來(lái)設(shè)定滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)距離與步進(jìn)電機(jī)脈沖的關(guān)聯(lián)。電子齒輪參數(shù)設(shè)置如公式(2)，在本系統(tǒng)中，電機(jī)單向轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需的細(xì)分脈沖數(shù)為25000步數(shù)/轉(zhuǎn)，電機(jī)單向轉(zhuǎn)動(dòng)一周所移動(dòng)的距離為4 mm（滑臺(tái)螺距），因此，電子齒輪比為25/4。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本滑臺(tái)系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于南京軍區(qū)福州總醫(yī)院比較醫(yī)學(xué)科，在體視顯微鏡下對(duì)30只活體小鼠耳朵進(jìn)行分區(qū)攝影[12]，然后用photoshop CS5/photomerge功能自動(dòng)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(shí)間（30 d）的形態(tài)學(xué)變化。

（1）實(shí)驗(yàn)材料：可編程數(shù)控載物滑臺(tái)系統(tǒng)；30只清潔級(jí)ICR小鼠（雄性，體重25～30 g，鼠耳完整、無(wú)皮膚病變或外傷），由福建醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物中心[SYXK(閩)2012-0001]提供。

（2）實(shí)驗(yàn)方法：小鼠耳朵進(jìn)行分區(qū)攝影，將小鼠側(cè)臥置于可編程數(shù)控載物滑臺(tái)系統(tǒng)的動(dòng)物承載臺(tái)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(xiàn)漸次、局部采集0、1、2、3、5、7、10、14、21、30 d的時(shí)間點(diǎn)圖像。

圖4 滑臺(tái)系統(tǒng)小鼠耳朵分區(qū)攝影程序設(shè)計(jì)

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：小鼠耳朵分區(qū)攝影12幅圖像，見(jiàn)圖5。12幅分區(qū)圖像經(jīng)photoshop CS5/photomerge功能自動(dòng)合成鼠耳的全景圖[13-16]，經(jīng)背景修飾后，見(jiàn)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(shù)和資源，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，可快速搭建實(shí)驗(yàn)動(dòng)物大目標(biāo)樣本圖像采集平臺(tái)，并可根據(jù)大目標(biāo)樣本的實(shí)際情況，編制圖像采集路徑，實(shí)現(xiàn)了精密分區(qū)自動(dòng)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(lái)了便利。本系統(tǒng)還可編制動(dòng)態(tài)連續(xù)路徑，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤攝影的目的。

圖6 合成圖像

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