一种基于光谱三角测距反馈的病理切片扫描Z轴稳焦方法及系统与流程

本发明涉及数字病理切片扫描，特别涉及一种基于光谱三角测距反馈的病理切片扫描z轴稳焦方法及系统。

背景技术：

1、数字病理切片扫描仪通过对承载病理组织样本的玻片进行逐视野高速扫描与图像拼接，获取全视野高分辨率数字病理图像，是临床病理诊断、科研教学与智慧医疗的核心设备之一。在扫描成像过程中，物镜与样品组织之间的工作距离必须稳定保持在景深范围内，否则会导致图像离焦模糊，直接影响诊断与分析的准确性。

2、实际扫描过程中，多种因素会造成物镜与玻片之间的实际距离发生波动：载物台自身的平面度误差会导致不同xy位置的玻片高度存在微观差异；不同玻片的厚度公差、放置倾斜与放置高度差会引入整体的距离偏差；扫描运动过程中的机械振动、运动冲击则会带来动态的距离波动。因此，仅依靠z轴的定位精度无法保证持续的成像清晰度，需要依靠实时的高度检测与z轴补偿机制来维持焦面稳定。

3、现有病理扫描的焦面控制技术主要分为以下几类：

4、第一类为预扫描焦面拟合方案，即在正式扫描前在玻片上选取若干个对焦采样点，通过图像清晰度评价完成各点的自动对焦，再根据多点对焦位置拟合出玻片的整体焦面平面，扫描过程中z轴按照拟合的焦面轨迹运动。该方案仅能修正玻片整体倾斜、大尺寸曲率等宏观形貌偏差，无法补偿载物台微观不平、运动振动、玻片放置随机偏差等动态、微观的距离变化，在高速扫描过程中易出现局部离焦，且无法应对扫描过程中的突发距离波动，难以保证较高的对焦精度。

5、第二类为单色激光三角测距反馈方案，通过在成像头旁外挂点式激光位移传感器，向玻片表面投射单色激光束，利用反射光斑在接收传感器上的位置偏移计算表面高度，进而实时修正z轴位置。然而，现有的病理玻片为典型的多层透明结构，包含载玻片、封固剂层、组织样本、盖玻片等多个光学界面，单色激光会在各界面分别产生反射光斑；普通单色三角测距仅依据反射光斑的强度与几何位置进行识别，无法有效区分不同界面的反射，常将盖玻片上表面、下表面或组织界面的反射误判为目标测量面，导致高度计算错误与对焦偏差；同时，玻片表面的染色、镀膜、组织覆盖及污渍会改变反射光强度，仅以最强反射点作为测量目标的策略可靠性差，易受杂散反射干扰，难以稳定跟踪目标界面。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中的不足之处，在于提供一种基于光谱三角测距反馈的病理切片扫描z轴稳焦方法及系统。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于光谱三角测距反馈的病理切片扫描z轴稳焦方法，包括以下步骤：

3、s1：由设置于成像物镜一侧的发射组件向样品玻片表面斜向投射检测光，由设置于物镜另一侧的接收组件接收样品玻片的反射光；接收组件检测反射光光斑的几何位置以及对应的波长信息，将反射光光斑的几何位置以及波长信息对应储存得到位置-光谱联合数据；

4、s2：基于位置-光谱联合数据提取样品玻片多个反射界面对应的候选光谱谱带；

5、s3：提取各候选光谱谱带的特征参数，将各候选光谱谱带的特征参数与当前样品玻片对应的层级配置的目标反射界面光谱模板进行比对，匹配确定当前样品玻片的目标反射界面对应的目标光谱谱带；基于该目标光谱谱带计算目标反射界面对应的反射光斑空间中心位置；

6、s4：基于目标反射界面对应的反射光斑空间中心位置以及预先标定的发射-接收空间位置参数，计算成像物镜侧参考位置至目标反射界面的当前距离；

7、s5：在成像物镜处于正确对焦状态下，记录成像物镜侧参考位置至目标反射界面的距离作为基准距离；在xy扫描过程中，实时计算当前距离与基准距离的距离偏差，基于距离偏差计算z轴补偿量，基于z轴补偿量调节成像物镜的对焦高度。

8、作为优选，步骤s2中，具体包括：

9、基于二维光谱数据中提取样品玻片多个反射界面对应的候选光谱谱带的具体方法如下：接收组件预先采集发射组件呈关闭状态时的暗场背景数据；基于暗场背景数据对位置-光谱联合数据进行暗场校正，得到校正位置-光谱联合数据；对位置-波长平面内呈空间连续分布的像素区域进行连通域提取，每个连通域作为一条候选光谱谱带。

10、作为优选，步骤s3中，所述候选光谱谱带的特征参数至少包括谱宽、中心波长、峰强及相邻峰间距；目标反射界面光谱模板包括与目标反射界面相对应的目标谱宽、目标中心波长、目标峰强及目标相邻峰间距；通过将候选光谱谱带的特征参数与目标反射界面光谱模板进行比对，以匹配度最高的候选光谱谱带作为当前样品玻片的目标反射界面对应的目标光谱谱带。

11、作为优选，步骤s3中，预存对应不同样品玻片类型的层级配置，层级配置至少包括有盖玻片样品配置、无盖玻片样品配置，每个层级配置记录对应样品玻片的透明层数量、目标反射界面、各层厚度范围、各层折射率及目标峰允许位置范围；扫描前根据样品玻片类型加载对应层级配置，并基于层级配置确定对应的目标反射界面光谱模板。

12、作为优选，步骤s3中，计算反射光斑空间中心位置的方法为：

13、对目标反射界面对应的目标光谱谱带，沿波长维度进行波长加权积分，得到光斑位置维度的一维强度分布；通过质心计算法或高斯拟合法对所述一维强度分布进行求解，得到反射光斑空间中心位置。

14、作为优选，步骤s3中，基于目标光谱谱带计算目标反射界面对应的反射光斑空间中心位置后，对反射光斑空间中心位置进行折射修正，得到修正后的反射光斑空间中心位置。

15、作为优选，对当前距离初始值进行折射修正的具体方法如下：

16、据样品玻片各透明介质层的折射率与厚度参数，基于斯涅尔定律逐层计算入射光与反射光在各介质层内的折射角，得到光线在各透明介质层内的横向传播量；将各透明介质层的横向传播量换算为位置修正量，将修正前的反射光斑空间中心位置扣除各个透明介质层的位置修正量之和，得到修正后的反射光斑空间中心位置。

17、作为优选，步骤s3还包括测量置信度判定：

18、当目标反射界面的候选谱带位于目标峰允许位置范围内、峰值强度不低于设定阈值且接收信号未饱和时，判定本次距离测量有效；

19、当目标反射界面的候选谱带超出目标峰允许位置范围内、峰值强度低于设定阈值或接收信号饱时，判定本次距离测量无效；当本次距离测量判定为无效时，则重新执行步骤s1至步骤s3。

20、一种基于光谱三角测距反馈的病理切片扫描z轴稳焦系统，包括xy载物台、z轴驱动机构、安装在z轴驱动机构上的成像物镜，还包括：

21、发射组件，固定设置于成像物镜的一侧，用于向样品玻片斜向投射宽谱检测光；

22、接收组件，固定设置于成像物镜的另一侧，用于接收样品玻片的反射光，并输出包含反射光光斑几何位置信息以及波长信息的位置-光谱联合数据；

23、界面选择与距离解算单元，用于从位置-光谱联合数据中提取样品玻片多个反射界面对应的候选光谱谱带，将各候选光谱谱带的特征参数与对应层级配置的目标反射界面光谱模板进行比对，匹配确定当前样品玻片的目标反射界面对应的目标光谱谱带；根据目标光谱谱带计算目标反射界面对应的反射光斑空间中心位置；根据目标反射界面对应的反射光斑空间中心位置以及预先标定的发射接收基线、角度标定关系，计算成像物镜侧参考位置至目标反射界面的当前距离；

24、基准距离记录单元，用于在成像物镜正确对焦状态下记录成像物镜侧参考位置至目标反射界面的距离，将该距离作为基准距离进行储存；

25、z轴稳焦控制单元，用于计算实时测得的当前距离与基准距离的偏差，基于当前距离与基准距离的偏差计算z轴补偿量。

26、作为优选，所述界面选择与距离解算单元包括暗场校正模块、谱带提取模块、界面匹配模块、光斑定位模块和高度换算模块；所述暗场校正模块用于利用预采集的暗场背景数据对位置-光谱联合数据进行暗场校正；

27、所述谱带提取模块用于通过连通域分析提取多个候选光谱谱带，并计算各候选光谱谱带的特征参数；

28、所述界面匹配模块用于根据各候选光谱谱带的特征参数以及当前样品玻片对应层级配置的目标反射界面光谱模板，匹配筛选出目标反射界面对应的目标光谱谱带；

29、所述光斑定位模块用于根据目标光谱谱带计算目标反射界面对应的反射光斑空间中心位置；

30、所述高度换算模块用于根据预先标定的发射接收基线、角度标定关系，将目标反射界面对应的反射光斑空间中心位置换算为成像物镜侧参考位置至目标反射界面的当前距离。

31、本发明的有益效果是：

32、1、本发明通过位置-光谱联合数据提取各反射界面的候选光谱谱带，结合谱宽、中心波长、峰间距等特征参数，与预配置的样品层级光谱模板进行匹配，可精准锁定指定的目标反射界面（如盖玻片上/下表面、载玻片表面），即使组织区域、污渍产生的反射强度高于目标界面，也能依据多层结构的光谱特征关系实现目标反射界面的正确匹配，降低了多层透明玻片的目标界面误选概率，保证了高度测量的准确性。

33、2、本发明以反射光斑的空间位置作为高度计算的核心依据，通过三角几何关系换算高度距离，本质是几何量测量，不受反射光强波动的直接影响；光谱维度承担目标反射界面筛选、透明层折射修正等作用，通过两者结合，大幅提升了复杂玻片表面下高度测量的稳定性与复现性。