Автоматизированный комплекс для оцифровки изображений микропрепаратов

Предложенное решение относится к технической физике и может быть использовано в качестве привода или исполнительного механизма в различных приборах, например в растровых микроскопах, содержит средства автоматизированного поиска микрообъектов для их изучения и последующей классификации, в частности, относится к компьютизированным приводам для предметного столика микроскопа. Автоматизированный комплекс для оцифровки изображений микропрепаратов, включает микроскоп с предметным столом, механизм автоматизированного перемещения предметного стола в поле зрения объектива микроскопа по обеим координатным осям, видеокамеру, плату ввода изображений, управляющий компьютер, причем механизм автоматизированного перемещения предметного стола включает блок мотор-редукторов для автоматизации перемещения препарата, состоящий из шаговых двигателей с редукторами, при этом для сопряжения выходного вала редуктора шагового двигателя и соответствующего вала предметного стола дополнительно введены пластиковые сопрягаемые шестерни, конструкция дополнительно снабжена датчиками ограничения крайних положений предметного стола по обеим координатным осям. 6 з.п. ф-лы. 5 илл.

Предложенное решение относится к технической физике и может быть использовано в качестве привода или исполнительного механизма в различных приборах, например в растровых микроскопах, содержит средства автоматизированного поиска микрообъектов для их изучения и последующей классификации, в частности, относится к компьютизированным приводам для предметного столика микроскопа.

Известно техническое решение по патенту РФ 2150169

(13) Вид документа С1

(14) Дата публикации 2000.05.27

(19) Страна публикации RU

(21) Заявка 99106368/28

(22) Дата подачи заявки 1999.03.30

(45) Опубликовано 2000.05.27

Название УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Сущность решения, согласно реферату состоит в следующем: устройство для трехкоординатных перемещений содержит блок управления и электромеханический преобразователь, выполненный в виде многогранного угла, на внешних гранях которого выполнен общий сплошной электрод, а на внутренних гранях нанесены управляющие электроды, не менее одного на каждой грани.

Управляющие электроды могут быть нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла или каждый из управляющих электродов может быть нанесен симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла.

Однако, известное решении имеет недостаточную точность позиционирования, сложность обслуживания и ремонта, недостаточную помехозащищенность от воздействия внешних электромагнитных полей.

Также известно решение:

(21) Заявка 2000118192/09

Название КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОИСКА И КЛАССИФИКАЦИИ МИКРООБЪЕКТОВ.

Сущность решения состоит, согласно реферату, в следующем:

«Компьютеризированная система для поиска и классификации микрообъектов, содержащая ЭВМ, выход которой подключен к блоку управления приводами микроскопа, выходы которого подключены к приводам, перемещающим предметный столик микроскопа в трех измерениях, отличающаяся тем, что на микроскопе установлен оптический адаптер, на первом и втором выходах которого установлены одинаковые цифровые телекамеры, на которых формируются изображения с различными увеличениями и полями зрения в пространстве препарата, выходы которых подключены к ЭВМ.»

В известном решении также имеются недостатки: имеет недостаточную точность позиционирования, сложность обслуживания и ремонта, недостаточную помехозащищенность от воздействия внешних электромагнитных полей.

По мнению заявителя, указанное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному.

В предложенном решении обеспечиваются приемлемая точность позиционирования, относительная простота обслуживания и ремонта, оптимальная помехозащищенность от воздействия внешних электромагнитных полей.

Решение указанной выше комплексной технической задачи обеспечивается совокупностью существенных признаков предложенной полезной модели, а именно:

Автоматизированный комплекс для оцифровки изображений микропрепаратов, включающий микроскоп с предметным столом, механизм автоматизированного перемещения предметного стола в поле зрения объектива микроскопа по обеим координатным осям, видеокамеру, плату ввода изображений, управляющий компьютер, причем

механизм автоматизированного перемещения предметного стола

включает блок мотор-редукторов для автоматизации перемещения препарата, состоящий из шаговых двигателей с редукторами, при этом для сопряжения выходного вала редуктора шагового двигателя и соответствующего вала предметного стола дополнительно введены пластиковые сопрягаемые шестерни,

конструкция дополнительно снабжена датчиками ограничения крайних положений предметного стола по обеим координатным осям,

при этом для управления шаговым двигателем комплекс снабжен

силовым драйвером на дискретных элементах, управляемым от компьютера с использованием LPT-порта для выдачи команды на включение питания моторов и управляющие последовательности, а также для приема сигналов статуса блока питания и датчиков крайних положений,

при этом

в качестве микроскопа использован микроскоп МИКМЕД-2, в качестве предметного стола использован предметный стол координатный КС-30,

матрица видео камеры выполнена размером по диагонали 10-15 мм.,

Сменные объективы микроскопа имеют кратность 0,5÷100,

Параметры механической системы перемещения предметного стола микроскопа выбраны из соотношений:

а параметры редуктора для шагового двигателя подачи предметного стола выбраны из следующих соотношений для обеспечения перемещения предметного стола за один шаг на расстояние 0,11/10=0,011 мм.:

Краткое описание универсального автоматизированного комплекса для исследования микро-препаратов. Отдельные части пронумерованы как видно на фиг.1.

1. Монитор.

2. Камера.

3. Адаптер.

4. Микроскоп лабораторный.

5. Моторизированный привод предметного стола.

6. Соединительный кабель (привода и модуля управления).

7. Модуль управления приводом.

8. Системный блок IBM совместимого компьютера.

9. Панель навигации (привода).

На схеме, фиг.2 представлено программно аппаратное взаимодействие компонентов комплекса. Позициями обозначены:

1 - Микроскоп с автоматизированным приводом.

2 - Модуль управления приводом.

3 - Элемент «ИЛИ».

4 - Панель навигации (привода).

5 - Вычислительная система

Описание функционального назначения и требований к определенным компонентам:

Моторизированный привод предметного стола предназначается для обеспечения управления приводом предметного стола базовой конструкции микроскопа с помощью шаговых двигателей под управлением модуля управления приводом. Изготавливается привод без изменения базовой конструкции предметного стола микроскопа поставляемого от производителя. Привод обеспечивает минимальное перемещение в пределах прецизионной точности механики предметного стола в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Модуль управления приводом предназначен для управления моторизованным приводом предметного стола в реальном времени по заданным программам. Программы подразумевают не только движение в направлении по осям Х (горизонтальное направление) и Y (вертикальное направление) привода микроскопа, но и движение по заданным программам (перемещение по кадрам, перемещение в заданную точку, перемещение с заданной скоростью движения). Кроме этого программы модуля управления учитывают инерционные особенности и допуски люфтов привода предметного стола. Управление модулем производиться с помощью панели навигации или через вычислительную систему по низкоскоростному коммутированному порту в дуплексном режиме. На вход модуля управления подаются команды управления (программы), а на выходе возвращается информация о текущем состоянии (положение, подтверждение выполнения программ, значения параметров настроек и т.д.)

Вычислительная система состоит из стандартного комплекта IBM совместимого компьютера - монитор, клавиатура, мышь, системный блок. Вычислительная система выполняет все вычислительные функции, включая обработку изображений, которые предусмотрены техническим заданием при исследовании микро - препарата. Производительность вычислительной системы определяется техническим заданием по исследованию препарата.

Панель навигации (привода) предназначена для управления модулем управления привода при перемещении по заданному направлению и по кадрам с учетом текущего установленного объектива увеличения. Панель навигации в комплексе с модулем управления и автоматизированным микроскопом позволяет работать без вычислительной системы.

Механика моторизованного стола.

За основу при конструировании моторизированного привода стола был взят «предметный стол координатный КС-30», устанавливаемый на микроскопы серии МИКМЕД. Особенности этого стандартного изделия позволили дополнить его блоком мотор-редукторов для автоматизации перемещения препарата в поле зрения объектива микроскопа.

Основные параметры стола КС-30 - диапазон перемещения по горизонтали х=75 мм, по вертикали у=30 мм, при повороте управляющих рукояток на Ny=2,75 и Nx=0,75 оборота соответственно. Размеры поля зрения микроскопы МИКМЕД-2 составляют по горизонтали х0=0,137 и по вертикали у0=0,11 мм при применении объектива 1:100. Для видеосъемки препаратов необходимо обеспечить позиционирования препарата в поле зрения объектива с точностью лучшей чем 1/10 линейны размеров поля зрения по соответствующим осям. В пересчете в угловые величины механизм привода должен был обеспечивать угловое разрешение

Фх=х0/10* Nx*360/x=0,18°

Фу=у0/10* Ny*360/y=0,099°.

Исходя из сказанного выше и принимая во внимание простоту сопряжения с цифровыми устройствами для привода стола, были выбраны шаговые двигатели. Однако в стандартной конфигурации они обеспечивают угловое разрешение в пределах 1,8°÷7,2°. Для получения необходимого углового разрешения необходимо применение редуктора, который так же позволит получить достаточный момент для привода предметного столика, при небольших габаритах и электрической мощности моторов.

Из числа промышленных моторов наиболее подходящим для данного применения оказался мотор модели FL42PMGJB150 фирмы Changzhou Fulling Electronics. Основные параметры которого: шаг угловой - 0,05°, частота вращения - 450 (350) шагов в секунду, крутящий момент - 2 кг·см, погрешность шага - 5%, напряжение питания - 12 (6) В, потребляемый ток - 0,6 (0,3) А.

Для сопряжения выходного вала редуктора шагового мотора и валов предметного стола применены пластиковые (капроновые) шестерни, обеспечивающие демпфирование и беззазорную передачу вращающего момента.

Так как мотор с редуктором выдает момент превышающий предел прочности пластиковых шестерен, конструкция дополнена датчиками крайних положений стола по обеим координатным осям.

Система питания и управления.

Для управления шаговым мотором можно применить целый ряд аппаратных средств, среди которых:

специализированные управляющие и силовые драйверы в интегральном исполнении;

специализированные платы расширения устанавливаемые на системную шину компьютера со встроенными или внешними силовым драйверами;

силовой драйвер на дискретных элементах, управляемый от компьютера.

Для решения поставленной задачи был выбран последний вариант.

Разработанная схема обеспечивает гальваническую развязку управляющих цепей компьютера и контрольных цепей стола от силовых цепей питания моторов. Для управления драйвером используется LPT-порт, через который выдаются команды на включение питания моторов и управляющие последовательности, а также принимаются сигналы статуса блока питания и датчиков крайних положений.

Системный анализ

возможностей программного обеспечения АКМ.

Разработанный Автоматизированный комплекс на базе микроскопа ЛОМО Микмед-2 состоит из микроскопа с видеокамерой [1] (со специальным механизированным столом для препаратов), модуля и силового блока управления приводом [2], панели навигации [3] и ЭВМ [4] с платой видео ввода.

Специфика.

После модернизации привода управления предметным столом, у пользователя нет больше возможности управлять столом с помощью крутящихся механических ручек. Для удобства управления моторизованным приводом (без знания специального программного обеспечения), или тогда, когда персональный компьютер выключен, разработана специальная панель навигации. Таким образом, для управления приводом стола достаточно включить модуль и силовой блок. Программы управления шаговыми двигателями не должны прерываться - это приведет к вибрациям при движении или остановке двигателей привода. Следовательно, программы управления должны быть написаны и выполняться под операционной системой реального времени. Windows не является операционной системой реального времени, и мы приходим к необходимости разработки специального модуля управления моторизованным приводом. Операционная система пользователя.

В качестве операционной системы пользователя персонального компьютера выбрана Windows компании Microsoft, потому что на платформах Windows (XP, Me, 98) реализовано наибольшее число прикладных программ для работы пользователей и популярность этих систем самая большая в мире.

Возможности управления.

При исследовании препаратов с помощью персонального компьютера, пользователь системы устанавливает объектив на микроскопе, проводит фокусировку и анализирует изображение препарата на экране монитора. Размеры видимой области препарата для каждого объектива разные и определяются не только возможностями обзора камеры, но и характеристиками платы видео ввода компьютера.

При просмотре материала препарата в целом удобнее всего рассматривать препарат по кадрам, перемещаясь вправо, влево, вверх, вниз. Кроме этого, перемещаясь по рассматриваемой области можно записывать видеоролик на диск, и потом просматривать его по кадрам, уже не используя привод навигации для перемещения препарата.

Удаленный доступ к данным и управление.

Для проведения удаленного медицинского консультирования и участия квалифицированных специалистов из разных центров, - удобно использовать WWW сервисы для удаленного доступа к данным и даже удаленного управления комплексами.

Основные требования к программному обеспечению комплекса состоят в следующем:

Настройки:

- Размер кадра для всех объективов.

- Время остановки (для фиксации съемки).

- Скорость (передвижения) для объективов.

- Выбор и настройки видеоисточника.

Функции управления:

- Движение вправо, влево, вверх, вниз.

- Движение по кадрам вправо, влево, вверх, вниз.

- Программа сканирования области по кадрам.

- Программа просмотра области с записью видео.

Удаленный доступ к данным и управление:

- Просмотр изображения препарата;

- Движение по кадрам вправо, влево, вверх, вниз.

- Просмотр состояния комплекса.

Модуль управления моторизированным приводом.

Модуль управления моторизованным приводом предназначен для управления приводом в режиме реального времени.

Управление модулем производится через последовательный порт (СОМ) ИЛИ с помощью панели навигации.

Основные возможности

Настройки:

- Задание фазы движения по оси X,Y.

- Задание размера кадра по X, Y

- Задание максимальной скорости передвижения.

Функции управления:

- Переключение управления (терминал или панель навигации).

- Движение вправо, влево, вверх, вниз по одному или двум направлениям одновременно.

- Движение по кадрам вправо, влево, вверх, вниз по одному или двум направлениям одновременно.

- Движение на заданное число шагов по двум направлениям.

Протокол управления модулем через последовательный порт, а также параметры соединения устанавливаются, для конкретных задач.

5. Программный комплекс «Навигатор».

Консоль управления.

Консоль управления предназначена для управления приводом стола препаратов, а также для просмотра изображения материала препарата.

Основные возможности.

Настройки:

- Задание размера кадра для всех объективов.

- Задание размера рабочей области и ее расположения в зоне навигации стола препарата.

- Время остановки (для фиксации съемки) во время сканирования области.

- Выбор и настройки видеоисточника.

Функции управления:

- Движение вправо, влево, вверх, вниз.

- Движение по кадрам вправо, влево, вверх, вниз.

- Программа сканирования области по кадрам.

- Программа просмотра области с записью видео.

- Переключение управления на панель навигации.

WWW интерфейс пользователя.

Для обеспечения гибкости при построении интерфейсов пользователей для удаленного управления не только одной или несколькими АКМ, в программный комплекс встроена поддержка WWW интерфейса пользователя. То есть, ПК "Навигатор" изображает из себя WWW сервер с возможностью обработки (заполнения) шаблонов и может выполнять команды, передаваемые как параметры запросов в стандарте HTTP 1.0/1.1.

Форматы ключевых слов шаблонов и команд задаются. Таким образом, возможности создания интерфейса пользователя для удаленного управления описываются версиями HTML и поддерживаются Интернет навигаторами на всех платформах операционных систем (Windows, Mac, Unix).

Удаленное управление может производиться не только через консоль управления, но и с помощью обычного Интернет - навигатора. Сценарий работы и интерфейс пользователя при этом определяется html-шаблонами.

Содержание и количество шаблонов может изменяться пользователем в произвольном порядке,

это позволяет не только создавать произвольные интерфейсы пользователей,

но и встраивать управление системой в произвольную информационную систему.

Для автоматического наполнения информационного содержания WWW сервера как архива данных по исследуемым препаратам, предусмотрена процедура выполнения команд во время следующих событий:

- Обновление списка препаратов;

- Создания нового препарата;

- Сканирование новой области;

Таким образом, задавая команды публикации страниц по ранее созданным шаблонам по указанным событиям, - можно пополнять WWW архив данных по препаратам.

Заключение.

В результате опытно-конструкторской разработки был изготовлен моторизованный привод к предметному столу «КС-30» микроскопа ЛОМО Микмед-2, а также программный комплекс «Навигатор» для удаленного консультирования.

Программное обеспечение автоматизированного комплекса предназначено не только для управления навигацией препарата и просмотра изображения, но и содержит интерфейс удаленного доступа к данным (изображения препаратов) на основе WWW сервиса для вычислительных сетей на основе TCP-IP и Интернета. Доступ к данным осуществляется на основе системы авторизации доступа с поддержкой SSL (системы шифрования с открытым публичным ключом RSA).

Кроме этого при доступной возможности конференц - связи как программной по TCP-IP, так и по выделенным каналам связи возможно использование данного автоматизированного комплекса с просмотром видео - изображения препарата в режиме online, когда производится навигация по заданной области.

На основе аппаратно-программного комплекса разработана и создана «Система для удаленных медицинских консультаций по биопсии».

Как было отмечено, для предотвращения механических поломок в моторизированном приводе перемещения предметного стола установлены оптические датчики крайних положений. Сигналы вырабатываемые этими датчиками поступают на логическую схему, которая запрещает движение привода в том же направлении и разрешает в обратном.

На фиг.3 представлена схема расположения датчиков крайних положений моторизированного привода предметного стола микроскопа Olimpus СХ3хх.

При перемещении препарата по Y из одного крайнего положения в другое вал ручки привода совершает поворот на 320°. Таким образом, для получения сигналов о крайних положениях достаточно двух пар приемник-передатчик и шторы на валу ручки привода. Угловое расстояние между датчиками - 30°, угловой размер прорези в шторе датчика крайнего положения - 10°. Сумма этих величин - дополняющий угол для 320°.

При перемещении препарата по Х из одного крайнего положения в другое вал ручки привода совершает поворот на 990° (иначе на 2 оборота и 270°). В этом случае для получения сигналов о крайних положениях используется три пары приемник-передатчик. Две из них со шторой на валу ручки привода и одна - на валу шагового двигателя. С учетом передаточного отношения зубчатой пары, вал двигателя совершает поворот на 707° (иначе на 1 оборот и 347°). Установленный около него оптодатчик разрешает появление сигналов крайних положений.

Угловой размер прорези в шторе этого датчика - 13°. Угловое расстояние между датчиками на валу ручки привода - 100°, угловой размер прорези в шторе этого датчика - 10°.

На фиг.3 позициями обозначены:

1 - Ведомое зубчатое колесо привода Y

2 - Штора датчика крайнего положения Х-координаты

3, 4 - Две пары приемник - излучатель датчика крайнего положения Х-координаты

5 - Плата оптодатчиков крайних положений привода Х

6 - Пара приемник - излучатель датчика крайнего положения Х-координаты

7 - Штора датчика крайнего положения Y-координаты

8 - Ведущая шестерня привода Х

указанные размеры:

1=50

h=82,l

угол а=10 град.

угол в=100 град.

угол d=13 град.

На фиг.4 позициями обозначены:

9 - Штора датчика крайнего положения Y-координаты

10, 11 - Две пары приемник - излучатель датчика крайнего положения Y-координаты

12 - Ведущая шестерня привода Y

13 - Плата оптодатчиков крайних положений привода Y

14 - Ведомое зубчатое колесо привода Y

указанные размеры:

n=92,5

m=50

угол с=10 град.

угол f=30 град.

На Фиг.5 представлена Схема расположения элементов моторизированного привода предметного стола микроскопа (Olimpus СХ3хх.)

Позициями на Фиг.5 обозначены:

1 - Валы штатных ручек перемещения препарата

2 - Элементы крепления редуктора к предметному столу

3 - Понижающая (90/40) зубчатая пара привода Y

4 - Штора датчика крайнего положения Y-координаты

5 - Пара приемник - излучатель датчика крайнего положения Y-координаты

6 - Шаговый двигатель Y-координаты с редуктором FL42PMGJB150

7 - Шаговый двигатель Х-координаты с редуктором FL42PMGJB150

8 - Пара приемник - излучатель датчика крайнего положения Х-координаты

9 - Повышающая (56/40) зубчатая пара привода Х

10 - Штора датчика крайнего положения Х-координаты

11 - Элементы каркаса и кожуха моторизированного привода

указанные размеры:

а=95

в=124

1. Автоматизированный комплекс для оцифровки изображений микропрепаратов, включающий микроскоп с предметным столом, механизм автоматизированного перемещения предметного стола в поле зрения объектива микроскопа по обеим координатным осям, видеокамеру, плату ввода изображений, управляющий компьютер, отличающийся тем, что механизм автоматизированного перемещения предметного стола включает блок мотор-редукторов для автоматизации перемещения препарата, состоящий из шаговых двигателей с редукторами, при этом для сопряжения выходного вала редуктора шагового двигателя и соответствующего вала предметного стола дополнительно введены пластиковые сопрягаемые шестерни, конструкция дополнительно снабжена датчиками ограничения крайних положений предметного стола по обеим координатным осям.

2. Автоматизированный комплекс по п.1, отличающийся тем, что для управления шаговым двигателем комплекс снабжен силовым драйвером на дискретных элементах, управляемым от компьютера с использованием LPT-порта для выдачи команды на включение питания моторов и управляющие последовательности, а также для приема сигналов статуса блока питания и датчиков крайних положений.

3. Автоматизированный комплекс по п.1, отличающийся тем, что в качестве микроскопа использован микроскоп МИКМЕД-2, в качестве предметного стола использован предметный стол координатный КС-30.

4. Автоматизированный комплекс по п.1, отличающийся тем, что матрица видеокамеры выполнена размером по диагонали 10-15 мм.

5. Автоматизированный комплекс по п.1, отличающийся тем, что сменные объективы микроскопа имеют кратность 0,5÷100.

6. Автоматизированный комплекс по п.1, отличающийся тем, что параметры механической системы перемещения предметного стола микроскопа выбраны из соотношений:

Ось"х" 0,05 град-1
Шаг подачи 26,5 мм/оборот 0,0736 мм/град	0,00368 мм-1N2,7
Максимальный ход подачи 80 мм
Ось "у"
Шаг подачи 53,3 мм/оборот 0,148 мм/град	0,0074 мм-1N0,5
Максимальный ход подачи 40 мм

7. Автоматизированный комплекс по п.1, отличающийся тем, что параметры редуктора для шагового двигателя подачи предметного стола выбраны из следующих соотношений для обеспечения перемещения предметного стола за один шаг на расстояние 0,11/10=0,011 мм.: