一种显微镜数字化改造装置的制作方法

1.本实用新型属于生物医学仪器技术领域，具体涉及一种显微镜数字化改造装置。


背景技术：

2.显微镜作为一种专用的成像工具在生物医学以及工业检测等领域都发挥着不可替代的作用。传统目视显微镜通常包括目镜筒、物镜转轮、手动载物台、照明器、调焦轮几大主要部分，能够将被测物进行数百至数千倍光学放大，成像到人眼视网膜上，被用于镜下观察样品的微观形态特征。显微镜在工业划痕检测、金相检测、医学病理检测、细胞观测等领域应用广泛。但是传统的手动显微镜只提供了镜下观测的功能，无法对样品进行全局观察并留存数字图像，一人一镜的使用模式极大的限制了工业自动化检测以及医疗自动化检测的发展。
3.以医学病理检测为例，病理形态学的检查方法，通常需要切取一定大小的病变组织，用病理学方法制成病理切片，用显微镜进一步观察病变情况。病理检查已经大量应用于临床工作以及科学研究中。例如在手术病理检查中，病理切片可以明确诊断以及验证术前诊断，提高临床诊断水平，同时可以决定下一步的治疗方案以及估计预后，进而提高临床治疗水平。病理学检查不论在临床医学还是医学研究中都具有重要的意义。传统的病理检查，采用光学显微镜人眼镜检，严重依赖于单个医生的经验以及业务水平，而且，由于疲劳，经验不足等主观因素，病理诊断存在一定的误检概率，而降低误检对提高患者的生存机会具有重要意义。
4.随着图像处理以及人工智能技术的发展，计算机辅助诊断方案为提高病理诊断质量以及效率提供了一个可靠的数字病理发展方向。数字化切片数据在可存储性、共享性上比传统玻片具有巨大优势，同时在远程会诊、人工智能辅助诊断等方向具有不可替代性。病理切片的数字化对临床开展教学、远程诊断、会诊等都具有重要意义。当前的计算机辅助病理诊断通常利用数字化切片扫描仪将传统的玻片样品变成纯数字化的图像数据。而切片扫描仪作为专用的设备，通常价格在数十万元，价格昂贵，而且大部分扫描仪采用了箱式无目镜结构，无法提供真实的镜下图像。这对熟悉镜下图像诊断的临床医生来说，通常需要一定的经验过渡才能熟悉纯数字化的图像诊断，而且对于临床而言，纯数字化阅片相比与镜下阅片流程更加繁琐，效率更低。基于上述原因，临床上存在着大量的传统显微镜用于诊断，短时间被纯数字化切片扫描仪替代的可能性较低，病理行业的数字化推动进展缓慢。因此，如何在兼容传统检验医护人员所熟悉的技术方法内，并且有效的利用现有资源，低成本的进行切片数据的数字化是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本实用新型提供了一种显微镜数字化改造装置，不仅兼容传统显微镜的镜下目视功能，也可用于玻片样品的数字化扫描成像。
6.为实现上述目的，本实用新型提供一种显微镜数字化改造装置，包括用于带动物镜运动的调焦机构、电动二维平移台、电子手轮、光源、相机以及控制箱；并且，各部分均设计有与传统显微镜兼容的机械接口，能够接插至传统目视显微镜上；
7.所述调焦机构底部设有机械接口，用于安装物镜转轮，且所述调焦机构顶部通过机械接口与传统显微镜的显微镜三目镜筒连接；所述二维平移台对应设于所述物镜转轮下方，其底部设有与传统显微镜连接的机械接口以及电子手轮固定孔；所述电子手轮与该二维平移台连接，实现传统显微镜手轮交互的同样体验；所述相机通过机械接口与传统显微镜顶部的显微镜三目镜筒直接连接；所述光源通过机械接口与传统显微镜底部直接连接，使光源正对所述二维平移台上的镂空结构；
8.所述相机、调焦机构、二维平移台、电子手轮以及光源均与控制箱连接，同时该控制箱通过数据线与数据终端进行交互。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述光源可切换为固定亮度模式与可调亮度模式，所述固定亮度模式下，光源亮度不可调节，所述可调亮度模式下，光源亮度可通过旋钮进行亮度调节。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述二维平移台包括第一运动轴、第二运动轴以及中层板；所述第一运动轴与第二运动轴分别通过一对交叉滚子与中层板连接，并且一对交叉滚子与另一对交叉滚子在空间上垂直设置。
11.作为本实用新型的进一步改进，其中一对交叉滚子通过丝杆传动机构控制移动，丝杆电机通过丝杆连接件与所述第一运动轴相连接；另一对交叉滚子通过皮带传动机构控制移动，采用皮带连接件将皮带与所述第二运动轴连接，并由步进电机带动皮带运动。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述电子手轮包括同轴转动结构，所述同轴转动结构包括轴心、中间套及外套，所述轴心和外套顶端均固定有编码器码盘，所述轴心底端穿过中间套的内孔，同时所述中间套穿过所述外套的内孔，并由外套限位环和轴心限位环限制其上下移动空间。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述同轴转动结构上设有角度传感器，能够实时测量手指拨动的角度，所述角度传感器选择电阻式角度传感器、光栅式角度传感器、磁栅式传感器中的一种。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述调焦机构包括接入板、运动轴及箱体；所述箱体与接入板连接，并且接入板通过其端部竖向设置的导轨滑块与运动轴可滑动地连接。
15.作为本实用新型的进一步改进，电机通过固定件固定于所述箱体上，且所述电机上固定有蜗杆，所述箱体外部设有与该蜗杆相匹配的蜗轮，内部设有齿轮组；
16.所述运动轴的末端齿轮通过光轴与所述箱体连接，所述末端齿轮与箱体内的齿轮组联动，并且与所述运动轴端部的齿条啮合。
17.作为本实用新型的进一步改进，所述二维平移台底部设有与显微镜环形燕尾形榫头匹配的环形燕尾形榫槽。
18.作为本实用新型的进一步改进，所述调焦机构顶部设有与显微镜机架第一轴向燕尾形榫槽相匹配的轴向燕尾形榫头，底部设有与物镜转轮接口相匹配的第二轴向燕尾形榫槽。
19.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有
益效果：
20.(1)本实用新型的显微镜数字化改造装置，能够在传统显微镜的基础上，通过增加电动模块、电子手轮、相机、光源快速实现传统显微镜的数字化改造。不仅兼容传统显微镜的镜下目视功能，也可用于玻片样品的数字化扫描成像。本实用新型将传统的显微镜直接改装成用于数字化扫描成像的全玻片扫描仪，能够在保证医生传统镜下阅片使用习惯的情况下，还提供全玻片样品的数字化存档功能。模块化的改装设计保留了每个临床一线医生所熟悉的显微镜工具，不仅节省了玻片扫描仪的昂贵开销，还吻合了临床医生所熟悉的镜下诊断环境，最大程度的减少了误诊率。
21.(2)本实用新型的显微镜数字化改造装置，将调焦机构设于传统显微镜的物镜转轮处，物镜转轮固定于调焦机构的底部，调焦机构只需要带动物镜转轮移动，减少了传统显微镜调焦机构的负载，对自动扫描过程中焦面跟踪速度有显著提升作用。
22.(3)本实用新型的显微镜数字化改造装置，光源、相机、调焦机构上均设计有与显微镜相匹配的接口，可实现对传统显微镜的无损化快速改造。
23.(4)本实用新型的显微镜数字化改造装置，光源设计为两种工作模式，既能够满足实现固定亮度的数字扫描成像，也能够兼容不同使用者对镜下目视亮度的调节。
附图说明
24.图1为传统显微镜示意图；
25.图2为传统显微镜拆卸后改装前的示意图；
26.图3为本实用新型实施例的显微镜数字化改造装置改造效果结构示意图；
27.图4为本实用新型实施例的显微镜数字化改造装置原理图；
28.图5为本实用新型实施例的显微镜数字化改造装置涉及的二维平移台结构示意图；
29.图6为本实用新型实施例的显微镜数字化改造装置涉及的电子手轮结构示意图；
30.图7为本实用新型实施例的显微镜数字化改造装置涉及的调焦机构装配结构示意图；
31.图8为本实用新型实施例的显微镜数字化改造装置涉及的调焦机构结构示意图。
32.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-相机、2-调焦机构、3-二维平移台、4-电子手轮、5-控制箱、6-光源、7-显微镜三目镜筒、8-物镜转轮、9-显微镜机架、10-第一运动轴、11-第二运动轴、12-中层板、13-丝杆连接件、14-丝杆电机、15-皮带连接件、16-皮带、17-步进电机、18-交叉滚子、19-轴心、20-中间套、21-外套、22-外套限位环、23-轴心限位环、24-电机、25-蜗杆、26-齿轮、27-导轨滑块、28
‑ꢀ
齿条，29-运动轴、30-接入板、31-第一轴向燕尾形榫槽、32-环形燕尾形榫头、33-环形燕尾形榫槽33、34-轴向燕尾形榫头、35-第二轴向燕尾形榫槽、36-编码器码盘、37-箱体、38-蜗轮、39-固定件、40-末端齿轮。
具体实施方式
33.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本
实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
36.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
37.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.本实用新型提供了一种套用于传统显微镜的改造装置，图3为本实用新型实施例的显微镜数字化改造装置改造效果结构示意图；图4为本实用新型实施例的显微镜数字化改造装置原理图。结合图3和图4，本实用新型的显微镜数字化改造装置，包括显微镜机架9和设于该机架上的相机 1、调焦机构2、二维平移台3、电子手轮4、光源6、显微镜三目镜筒7 和物镜转轮8；相机1固定于显微镜三目镜筒7的顶部，显微镜三目镜筒 7底部固定有调焦机构2，且物镜转轮8设于调焦机构2的底部，物镜转轮 8的下方设有二维平移台3，二维平移台3对应设有电子手轮4，用于控制二维平移台3水平方向上的移动，光源6设于显微镜机架9的下方，使光源正对二维平移台3上的镂空结构；相机1、调焦机构2、二维平移台3、电子手轮4以及光源6均与控制箱5连接，同时控制箱通过数据线与数据终端进行交互。
39.具体地，如图5所示，二维平移台3由两组直线运动平移台组合而成，其包括第一运动轴10、第二运动轴11以及中层板12；第一运动轴10 与第二运动轴11分别通过一对平行的交叉滚子18与中层板12连接，并且一对交叉滚子与另一对交叉滚子在空间上垂直设置。其中一对交叉滚子通过丝杆传动机构控制移动，丝杆电机14通过丝杆连接件13与第一运动轴 10相连接，另一对交叉滚子通过皮带传动机控制移动，采用皮带连接件 15将皮带16与第二运动轴11连接，皮带连接件15优选为l型，其一端与第二运动轴11固定，另一端设置于皮带16上，并由步进电机17带动皮带16运动。二维平移台3与控制箱5连接，由控制箱驱动丝杆电机14和步进电机17实现二维平移定位操作。
40.第一运动轴10和第二运动轴11上分别设有光栅尺，中层板12上固定有与第一运动轴10和第二运动轴11对应的光栅读数头和光电限位开关，通过光栅读数头检测光栅尺上信息来实时反馈运动轴的位置信息，光电限位开关用于电子限位以及零点调试。
41.二维平移台3中间设有镂空结构，即第一运动轴10、第二运动轴11 以及中层板12中间均设有对应的镂空结构，用于耦合透射式照明机构 (光源6)；二维平移台3底部，即图5中对应的第一运动轴10上，设有符合显微镜环形燕尾形榫头32安装标准的环形燕尾形榫槽33，能够在不打孔的情况下，将本实用新型的二维平移台3无损地安装于原始显微镜上，直接替换原有的手动平移台。结合图2所示的将拆卸后待改装的显微镜示意图，二维平移台3底部的环形燕尾形榫槽33与原始显微镜的形燕尾形榫头32相匹配，在手动平移台拆卸后，直接安装二维平移台3即可。
42.电子手轮4优选固定于二维平移台3底部，其包括角度传感器和同轴转动结构，其细节结构示意图如图6所示。同轴转动结构主要包括轴心 19、中间套20、外套21、外套限位环22、轴心限位环23以及编码器码盘 36，其中轴心19和外套21顶端均固定有编码器码盘36，轴心19底端穿过中间套20的内孔，同时中间套20穿过外套21的内孔，并由外套限位环 22和轴心限位环23限制其上下移动空间，只保留转动空间间隙。中间套 20与外部壳体固定，该壳体通过连接件与二维平移台2的底部固定，在中间套20固定后，轴心19与外套21形成同轴转动形式。
43.同轴转动结构上设有角度传感器，角度传感器可选择电阻式角度传感器、光栅式角度传感器、磁栅式传感器中的一种。优选实施例中，电子手轮4采用电阻式角度传感器，角分辨率0.1
°
，输出为两路ttl电平信号，用于检测轴转动结构转动角度大小与旋转方向。电子手轮4与控制箱连接，其转动角度信息可以为数字脉冲或者模拟信号传输至控制箱上，将转动角度信息变换为数字信号，进而驱动二维平移台随着手轮的角度变化而运动，实现模拟纯机械式手轮平移台的功能，达到与显微镜原装纯手动平移台相同的样品交互操作。
44.调焦机构2设于显微镜三目镜筒7和物镜转轮8之间，如图7和图8 所示，调焦机构2包括接入板30、运动轴29、箱体37等，电机24通过固定件39固定于箱体37上，电机24上固定有蜗杆25；箱体37外部设有与蜗杆25相匹配的蜗轮38，内部设有齿轮组26；运动轴29的末端齿轮40 通过光轴与箱体37连接，末端齿轮40与箱体内的齿轮组26联动，并且与运动轴29端部的齿条28啮合。箱体37与接入板30连接，并且接入板30 通过其端部竖向设置的导轨滑块27与运动轴29可滑动地连接。当电机24 转动时，带动蜗轮蜗杆转动，从而带动齿轮组26和末端齿轮40转动，由于末端齿轮40与齿条28啮合，进一步带动运动轴29上下运动，实现调焦功能。
45.运动轴29上设有光栅尺，箱体37上固定有光栅读数头和光电限位开关，通过光栅读数头检测光栅尺上信息来实时反馈运动轴29的位置信息，光电限位开关用于电子限位以及零点调试。
46.本实用新型的改造后的显微镜，调焦机构2安装于传统显微镜的物镜转轮处，并接入显微镜无限远光路中，其顶部(接入板30上)设有与显微镜机架第一轴向燕尾形榫槽31相匹配的轴向燕尾形榫头34；调焦机构 2底部(运动轴29上)设有与物镜转轮接口相匹配的第二轴向燕尾形榫槽 35，从而将物镜转轮8与显微镜机架进行同轴连接，带动物镜转轮8移动调焦。本实用新型物镜转轮8安装于调焦机构2上，调焦机构2与控制箱连接，在控制箱作用
下带动物镜转轮8产生轴向移动从而实现成像系统焦平面位置的调节。
47.本实用新型的调焦机构，为高精度的一维电动平移台，独立于显微镜原装的调焦结构，能够自动化带动物镜产生轴向位移，并结合相机和图像处理器构成自动调焦模块，利用显微镜无限远成像系统的特点，将调焦机构设计在物镜转轮上，避免了使用传统显微镜上调焦轮结构。另外由于传统显微镜调焦机构和平移台为一体结构，传统显微镜自带的调焦机构所带负载为样品以及整个二维平移台，质量较大，因此在进行竖向移动调焦时，负载较大，本实用新型改造后的显微镜，调焦机构只需要带动物镜转轮移动，减少了调焦机构的负载，对自动扫描过程中焦面跟踪速度有显著提升作用。
48.光源6可选择汞灯、氙灯、led等光源，优选为led等光源。光源6 与控制箱5连接，其工作模式可以在控制箱控制下调节为亮度可调模式与亮度恒定模式，能够兼容目视亮度可调与扫描成像亮度恒定的不同需求。
49.光源6包括灯芯，机械散热结构以及非球面准直透镜，筒状的结构设计能够直接替换原有的显微镜光源。led光源能够通过继电器切换为高亮模式和常亮模式，其中高亮模式用于快速扫描成像，常亮模式用于目视状态调节亮度。光源的灯芯优选采用5000k的led灯芯。
50.控制箱5内包括电源部分、一路压电陶瓷驱动器，二路步进电机驱动器led驱动器以及与电脑通讯的网口、通用输入输出接口。
51.控制箱5的工作模式设计有手动模式与扫描成像模式，在手动模式下，显微镜的电子手轮4、光源6亮度调节均处于使能状态，其操作与传统显微镜手动模式一致；在扫描模式下，显微镜将处于全自动扫描成像模式，手轮、光源调节等将处于非使能状态，平移台、光源、调焦机构均由程序自动化控制运行。
52.优选地，相机1为全局快门高帧率usb3.0接口的彩色相机，通过燕尾结构固定于显微镜三目镜筒7上，相机在控制箱的控制下，用于对玻片进行扫描成像。
53.本实用新型的显微镜数字化改造装置，能够在传统显微镜的基础上，通过增加电动模块，快速实现传统显微镜的数字化改造。不仅兼容传统显微镜的镜下目视功能，也可用于玻片样品的数字化扫描成像。
54.本实用新型将传统的显微镜直接改装成用于数字化扫描成像的全玻片扫描仪，能够在保证医生传统镜下阅片使用习惯的情况下，还提供全玻片样品的数字化存档功能。模块化的改装设计保留了每个临床一线医生所熟悉的显微镜工具，不仅节省了玻片扫描仪的昂贵开销，还吻合了临床医生所熟悉的镜下诊断环境，最大程度的减少了误诊率。
55.本实用新型的显微镜数字化改造装置，其改造方法包括如下步骤：
56.(1)拆卸显微镜物镜转轮；
57.(2)拆卸显微镜手动平移台；
58.(3)安装调焦机构至原物镜转轮处；
59.(4)安装物镜转轮至调焦机构上；
60.(5)安装二维平移台至原手动平移台处；
61.(6)拆卸原显微镜光源；
62.(7)安装光源至原显微镜光源处；
63.(8)在显微镜三目镜筒上安装相机；
64.(9)将控制箱与相机、调焦机构、二维平移台、电子手轮、以及光源相连接；
65.(10)开机调试，完成改装。
66.本实用新型的显微镜数字化改造方法，光源、相机、调焦机构上均设计有与显微镜相匹配的接口，可实现对传统显微镜的无损化快速改造。是一种简单可靠的用于传统显微镜自动化改装方法，解决了临床医生在使用全切片扫描仪时，需要改变使用习惯、重塑诊断经验、使用资金门槛高等一系列问题。对提高诊断效率、降低误诊率、加速数字化病理的发展具有重要意义。
67.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。