专利名称：组织模块的制作方法
背景技术：
利用可见光和电子显微技术进行透射显微的有机组织样品和其它材料的制备一般是这样进行的，让样品经受一系列化学处理，最终成为一个放置有样品的固体块状制品。
在常规的组织制备工艺中，首先用福尔马林、戊二酸醛或其它能够防治样品自变质(自降解(self-degradation))的物质对组织进行化学固定，让样品变硬，并提高其的渗透性，这样就增强了随后浸出溶液过程中的渗透作用。化学固定后的渗透步骤是用提高溶剂例如乙醇、二甲苯的浓度逐步替换掉水而将所有的水分从样品中去除的。渗透后用熔化的石蜡进行处理，然后将样品冷却至室温使其固化。另外，也可将组织用塑料聚合物进行渗透，然后通过加热、紫外线和其它方式使其硬化。硬化的渗透后的组织放置在模具中并用石蜡或塑料包围之，制成组织块。
现行的组织制备工艺已被开发出用在标准光和电子显微技术中，在这种技术中，从块体上切下一个样品的薄的断面并将其放在玻璃载片或其它支承物上。将组织染色以改善其成像效果，然后在显微镜下观察得出二维图像。有关组织三维结构的数据是通过测试组织的逐次切片而获得的。
美国专利4960330描述了一种块体切片和图像获取系统，其中，断面被从块体上逐次去除，使用显微镜或激光扫描仪将暴露出的块体表面成像。该方法能够快速地记录和储存结构数据而不会耗时，也不会有由于组织断面逐个处理而带来的错误。但至今很少对用这种设备和方法观察并记录暴露块表面的可视数据的组织块的最佳几何造型进行研究。
发明内容
本发明的一个方面是一种模块，它用来保持要被切片和检测的样品。模块包括一个整体上向样品仓逐渐变细的柄部，样品就放置在样品仓中。样品仓具有断面的几何形状，并且其尺寸和形状基本上与用来使块体表面成像的成像设备的成像区相对应。柄部的形状适于与将模块固定到切片设备上的固定装置相接合。
本发明的另一方面是一种模具，它用来制备要被切片和检测的样品。模具限定了一个长形空腔，它包括位于近端的一个开口，用来将选定的材料从模具外部引入。近端限定了适于与固定装置相接合的形状。模具向远端逐渐变细，远端限定了多面体，其尺寸和形状适合于切片。模具远端也接近于可用来观察由该模具制备的组织块的暴露表面的成像设备的成像区的尺寸和形状。
在本发明的又一个方面，提供一种制备用来切片和检测的组织样品的方法。该方法包括将样品放置在长形块体的样品仓中，该块体包括一个整体上向样品仓逐渐变细的柄部，样品仓具有多边形截面的几何形状和接近于用来观察样品的成像设备的成像区的尺寸和形状的暴露表面。然后将长形块体的柄部与固定装置的相对的表面接合以将长形块体固定到切片设备上，其中，样品仓布置成使其平直表面对着切片设备的切割装置，组织块的一个断面切片被去除以将用于检测的表面暴露出来。
“基本上对应于或接近成像设备的成像区”的意思是，横截于块体长度方向的样品仓的截面，或者样品仓的暴露表面接近于用来观察该表面的成像设备的成像区，或者其尺寸和形状与用来观察该表面的成像设备的成像区相类似。成像区就是成像装置能记录与该表面有关的数据的一个区域。希望的是，要被观察的块体的暴露表面既不比成像区大很多也不比成像区小很多。成像装置提供表面的显微图像，也就是说，被成像区域的实际规格并不由扫描阵列决定而是由放大光学系统决定。因此，成像区的大小由放大光学系统决定，而成像区的形状由该阵列设计决定。
本发明的模具和模块在对放置的组织样品进行切片和成像时提供了最佳的性能。样品仓的规格能使其图像质量最好。通过使样品仓的暴露表面基本上与可由成像设备摄取的区域相对应，使样品不会延伸到观察区的外部(导致不完整的图像)，也不会使块表面不能填满成像区，从而导致空白区的无效成像。
另外，样品仓的几何形状与柄部的几何形状无关。因此，可以挑选柄部的几何形状以确定样品仓相对于刃具的位置，从而在块表面上产生高质量的暴露表面。
下面参考附图对本发明进行描述，附图仅用于阐述而不对本发明构成限制。其中图1是本发明模具的透视图；图2A-C是本发明三种模块的透视图；图3A-C是模块柄部的截面图，该模块具有与切片设备的固定装置接合的多种断面几何形状；图4是本发明模具的侧视图，该模具包括一个螺纹帽；以及图5是本发明模具的(a)顶视图以及(b)底视图。
具体实施例方式
本发明的模块将用在切片设备例如薄片切片器上，它能从块体上逐次去除断面。切片设备通常包括一个支承着组织块固定架的往复棒和一个具有刀刃的刀架。往复棒使组织固定架(模块就固定在其上)上下运动并将模块朝着刀刃送进，以便切下块上的断面。当模块结合US4960330所描述的自动图像记录设备使用时，从块体上切下的组织断面被丢弃，并对块体的暴露表面进行检测，该文献US4960330全文为参考文献)。切片器位于一个基座上，该基座还支承着用来观察块体暴露表面的成像设备。
本发明的模块包括一个柄部，它整体上向一个样品仓逐渐变细，其中的各个特征专用于特定的目的。参考图1，模块10包括一个柄部12，其大小和形状适合与将块体固定到用来切片和/或测试的切片仪器上的固定装置(未示出)相接合。柄部12在过渡区14向样品仓16逐渐变细。样品仓的尺寸和规格适合将组织样品定位在其中并在切片仪器(未示出)上切片。样品仓的大小和形状也基本上与用于块体表面测试的成像设备(未示出)的成像区相对应。柄部12的尺寸和规格使其能被固定装置紧紧地保持并为块体提供机械强度和刚度。为防止在样品仓的切片期间的弯曲和振动，需要一定的机械强度。
能用于本发明模块的成像的典型成像设备包括区域阵列(areaarray)和线性电荷耦合装置(linear charge coupled devices)(CCDs)，CCD是一个提供数字图像的探测器。数字模式允许图像被计算机处理，该计算机能电子化地修改和复制它们。与普通的照像方法相比，图像的电子存储和编辑提供了很大的优势。
区域阵列扫描仪的观察区是一个由二维像素阵列限定的直线性区域。限定图像的像素数目越大，分辨率就越高。低分辨率区域阵列CCD的规格可以是300×600像素，而高分辨率CCDs的规格可到2000×2000的像素量级。线性CCD扫描仪只有一排像素。随着扫描仪横掠样品的宽度，通过线性CCD(或样品)的逐步推进就可获得完整的图像。在这两种情况中，成像区都限定一个直线性区域。很少使用非直线性的CCDs。
样品仓的尺寸和形状是根据用来从块体暴露面摄取图像的成像设备的类型来选择的。因此，应选择样品仓的形状以避免在成像区出现空白区或样品延伸到成像区外的情况。因为这样减少了与组织样品相对应的数字式数据(像素)的量，所以要尽量避免出现这种情况。限定样品的像素量越大(相比空白区)，分辨率越高。因此，通过最小化成像区的背景，能改善样品的成像分辨率。
在一个优选实施例中，样品仓为正方形断面。在另一个优选实施例中，样品仓为矩形或梯形断面。在切片时其长边对着刀具的梯形断面能形成特别高质量的表面。
在一个较差的实施例中，样品仓可以是圆形的或接近圆形的多边形。这样的样品仓适合用于圆形的组织样品，以使样品仓在大小和形状上与组织样品紧密配合。因此，可适应组织以在成像区内成像的任何形状都在本发明的范围内。
具有各种样品仓尺寸的模块显示在图3A-C中。对于多数目的而言，正方形截面或稍微为矩形截面的样品仓是适当的。根据组织样品尺寸和最佳的成像几何形状来选择合适的块体。例如，一个冲击出的表皮活体(punch biopsy of the skin)能制成一个直径约4mm的圆形表皮样品。一个4.5mm×4.5mm的正方形样品仓能够轻易地容纳该样品，同时还基本上与CCD扫描仪的成像区相对应。
当样品为不规则形状时，样品仓的形状可以根据情况选择。例如，一个前列腺针形活体(prostate needle biopsy)制成一个直径约1mm而长度约17mm的样品。用于该组织样品的优选样品仓也应能很好地持有该形状，例如使用具有宽约2mm而长约20mm的尺寸的矩形断面。在这种情况下，为产生一个矩形成像区可以使用线性CCD扫描仪。
尽管从这种细长块的面上切下的断面的质量可能不是最适合用普通显微技术测试，但暴露的切面的质量并不受影响。因此，当该模块结合US4960330中所述的自动图像记录设备使用时，为获得高质量的成像区，可以使用以前认为不适于组织成像的多种形状的样品仓。
在优选实施例中，当安装在切片设备上时，样品仓的平直边平行于刀、刃或其它切割装置。因此样品仓的布置应避免让角(两个表面的汇合处)对着刀刃，因为这样的几何形状和方向不能使平直边对着刀刃。也可以理解，不希望表面是不规则或不整齐的，因为在使用模块时，它们妨碍了平直边对着刀刃就位。
因此，希望限定样品仓的多边形具有一个在切片时可以平行于刀或刀刃的边。然而需注意的是，限定样品仓体积的多面体的表面不需具有相对的平行表面。这在图4所示的用于制备模块的模具中很清楚地显示出来。可以选择这种不平行的锥形表面使块体可更容易地从所铸的模具中取出。
样品仓可以有与所测试样品相适应的任何规格。样品仓的规格范围可以从毫米量级例如2mm×2mm大到数十厘米例如60cm×60cm，而最常用的是一个边为0.5mm-2cm的范围。限制因素仅仅是，合适的切片和成像设备应能得到以与本发明的模块结合使用。
模块的柄部用来将块体牢固地固定在切片设备上，并将块体保持在适于样品切割和成像的方向上。切片设备的固定装置通常具有相对表面，它们能运动以接合和离开模块的柄部。固定装置是用来固定一个物体到表面上的任何常规元件，例如虎钳、夹钳、卡扣、紧固件、爪夹、卡盘、固定器等。固定装置的相对的表面可以是平的或槽形的表面，或者以其它方式改进以接合模块柄部。
在一个实施例中，如图3A的柄部的断面图中所示的，柄部具有平行的平直表面20、20’，它们与固定装置的相对的平直表面22、22’接合。在另一个实施例中，如图3B和3C分别所示，柄部设计成与一个或两个槽形表面24、24’接合。在这种情况下，柄部的形状允许与固定装置相接合以便牢牢地将块体固定在设备上。例如，如图3B所示，槽形表面可与模块的角26相接合。槽口可以比柄部小一些，使在固定装置的上下表面之间有一定的间隔或缝隙。柄部可以是任何形状，只要具有平直的表面以便能牢固地固定在切片设备上。图3C显示了另一个实施例，它使用两个相对的槽形表面来接合八角形的轴。然而，本发明不要求所有的表面都是平的。例如，不与固定装置接合的表面26可以是曲面。
在优选实施例中，柄部为八角形断面的几何形状。更有甚者，柄部为非正则八角形断面的几何形状。“非正则几何形状”是指限定块体断面的多边形的边长度不等。例如，非正则八角形包括具有交替的短和长边即4个短边和4个长边的八角形。通过选择非正则多边形作为柄部的断面几何形状，我们能在其它相当的表面之间进行区别。其它的非正则几何形状，例如非正则六角形或十角形等全都考虑在本发明的范围内。
图2A-C是本发明三种模块的透视图。每个模块30包括一个非正则八面体柄部32，它在过渡区34处逐渐变细，之后成为正方形或矩形的样品仓36。如图3A-C所示，样品仓的尺寸可以在大范围内变化，并且最好是选择该尺寸以基本上与用于观测样品的成像区的尺寸和形状相对应。
过渡区中锥体的长度和锥度可以变化，如图2所示。锥体可以或者朝着使柄部大于样品仓的方向或者反之。可以选择锥体使样品仓和柄部的截面的比值在约4/1-1/20的范围内。在优选实施例中，样品仓与柄部的比值小于1，并且优选约1∶10。
在优选实施例中，锥体逐渐有利于组织样品插入样品仓的尖端。锥角由柄部和过渡区的表面限定。锥角θ在图4中显示。锥角θ最好小于60°并且最好小于45°以及可以小至10°。组织样品通常是通过重力沉淀或离心作用使该样品进入模具底部而沉积在模块的样品仓中。当锥角较小时，锥体较缓，并且其能减小在放置操作中组织样品贴在模具的壁上的趋势。
当使用非正则几何形状时，例如是图2中所示的非正则八面体，当将模块放置在切片设备中时应保证样品仓的直边总是对着刀刃，并保证块体表面处在用于成像的合适方向。解释如下，在轴端有八个可能的块体方向，但是只有样品仓的四个最佳方向(对于正方形块体表面)。矩形的块表面只有两个最佳方向，并且柄部的几何形状可做相应的调整。不希望采用这样的轴部方向，其使样品仓成为倾斜方向，其中角对着刀刃，并且块体表面不与成像区重合。相反，一个非正则八面体只具有4个与样品仓的4个方向对应的相当的方向。因此，当将模块固定在切片设备中使直边对着用于切片的刀刃时，可以容易地选定柄部的合适方向。很显然，非正则多面体的应用并不限于图2所示的八面体模块。非正则多面体可以用在任何形状的样品仓上。例如。非正则十面体轴部可与五面体样品仓结合使用。
模块的长度没有严格限制。一般来说，柄部的长度应使得它在夹具或夹钳中能够牢固地接合。在优选实施例中，柄部没有从夹具中过多地延伸出来，因为该长度会使模块在切割时弯曲和断裂。最好但不是必须的情况是，延伸在夹具之上的柄部的长度不大于样品仓长度的3-5倍。通常模块的总长的范围是2-5厘米。实际长度将取决于模块的厚度和用来制作模块的材料。
通过将放置材料引入适当形状的模具中来制备模块。模块可由通常用来制备放置的组织样品的任何材料制成。例如，石蜡、甘醇甲基丙烯酸脂(glycol methacrylate)、环氧树脂。模具可还包括识别装置，例如标签或与模具成整体的识别物。
一个示例性的模具显示在图4中，图4是模具40的侧视图，它包括一个防漏的帽42。尽管帽不是必须的，但如果模具还作为一种运送在固定液体中的样品的容器时，还是需要的。图5A和5B分别是模具和帽的顶视图和底视图。模具结合有上面描述的模块的特征。模具40限定一个长形的空腔44，它包括位于近端46的一个开口，其用来将所选的材料从所述模具外部引入。近端46还限定了尺寸和形状适于与固定装置相接合的形状。模具向远端48逐渐变细，并且远端限定了一个大小和形状适合用于切片的多面体。在优选实施例中，模具被攻丝以使帽42能用于盖住模具。另外，也可使用卡扣式帽或其它防漏的帽。
模具可由任何常规材料制备，例如聚丙烯、硅酮和聚苯乙烯。材料的选择部分地受到模具用途的影响。模具可重复使用或一次性使用。可重复使用的模具由柔性材料制备，例如硅酮。一次性模具包括在切片时保留在模块上的模具和从模块上破坏性地去除的模具。在模具需要去除的情况下，一次性模具最好用容易破裂或撕破的材料制备。适合的材料包括聚丙烯。在切片过程中需要保留模具的情况下，模具最好由刚性的或坚固的适于切割的材料制备。适合的材料包括聚苯乙烯。
使用标准的放置方法将组织样品放置到模块中去。因此，例如，首先用标准固定液将组织用化学方法固定以防样品自变质(自降解)，使样品变硬，并提高其的渗透性，由此增强后来的溶液的渗透作用。然后，通过以提高溶剂例如乙醇和二甲苯的浓度以逐步替换掉水而将水分从样品中去除。渗透作用之后用融化的石蜡或塑料聚合物进行处理，以制造出硬化的渗透后的组织。前述步骤可在模具或其它适当的容器中进行。接着将硬化的渗透后的组织放在模具的样品仓中并用石蜡或塑料包围以制成组织块。
本发明的组织块可与任何现行的显微组织制备技术结合使用。例如，本发明可与名为“组织和其它物质的有机组织工艺”的共同待决申请U.S.S.N.09/154430中所述的染色剂和放置聚合物结合使用，该文献的全文结合在此作为参考。
为使模块成像，将块体固定到切片设备上，例如薄片切片器上，并将块体进行逐次切片。切片设备通常包括一个支承着组织块固定架的往复棒和一个具有刀刃的刀架。往复棒使组织固定架(模块就固定在其上)上下运动并将模块朝着刀刃送进，以便切下块上的断面。当模块结合US4960330所描述的自动图像记录设备使用时，从块体上切下的组织断面被丢弃，并对块体的暴露表面进行检测，该文献US4960330全文均为参考文献。可根据常规装置获得图像，例如使用数字阵列照相机或其中有线型传感器掠过块表面进行扫描的线性CCD。
权利要求
1.一种模块，用来保持要被切片和检测的样品，其包括一个柄部，该柄部整体上向一个样品仓逐渐变细，所述样品就放置在该样品仓中；样品仓具有断面的几何形状，并且其尺寸和形状基本上与成像设备的成像区相对应，而该柄部具有适合与用于将模块固定到切片设备上的固定装置相接合的形状，并使得样品仓处于适合成像的方向。
2.如权利要求1所述的模块，其特征在于，样品仓为多边形截面的几何形状，并且其尺寸和形状适于切片。
3.如权利要求1所述的模块，其特征在于，样品仓的尺寸和形状与区域阵列扫描仪的成像区相对应。
4.如权利要求1所述的模块，其特征在于，样品仓的尺寸和形状与线性电荷耦合装置(CCD)扫描仪的成像区相对应。
5.如权利要求1所述的模块，其特征在于，样品仓和柄部的形状不同。
6.如权利要求1所述的模块，其特征在于，样品仓的截面的几何形状是矩形。
7.如权利要求1所述的模块，其特征在于，样品仓的截面的几何形状是正方形。
8.如权利要求1所述的模块，其特征在于，柄部的形状能与相对的平行表面接合。
9.如权利要求1所述的模块，其特征在于，柄部的形状能与一平直表面和一相对的槽形表面接合。
10.如权利要求1所述的模块，其特征在于，柄部的形状能与相对的槽形表面接合。
11.如权利要求1所述的模块，其特征在于，柄部具有八角形截面的几何形状。
12.如权利要求1所述的模块，其特征在于，样品仓直径与柄部直径的比值在约4∶1到约1∶20之间的范围内。
13.如权利要求1所述的模块，其特征在于，八角形截面的八角形为非正则八角形。
14.如权利要求1所述的模块，其特征在于，选择样品仓和柄部的相对方向，使得柄部固定在切片设备上时，样品仓将平直边对着刀刃。
15.如权利要求1所述的模块，其特征在于，模块具有小于约60度的锥角。
16.如权利要求1所述的模块，其特征在于，模块具有小于约45度的锥角。
17.一种模具，用来制备要被切片和检测的样品，其包括限定了长形空腔的模具，其包括位于近端的一个开口，用来将选定的材料从所述模具外部引入，其中，近端限定了适合与固定装置相接合的形状，其中，模具向远端逐渐变细，该远端限定一多边形，其尺寸和形状基本上与成像设备的成像区相对应，空腔与多边形布置成使得远端处于适合成像的方向。
18.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具是一次性的。
19.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具是可重复使用的。
20.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具还包括一个位于近端的帽。
21.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具的近端和帽加工有螺纹。
22.如权利要求17所述的模具，其特征在于，由模具的远端和近端限定的形状不同。
23.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具还包括识别装置。
24.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具的远端限定了矩形的多面体。
25.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具的远端限定了立方体。
26.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具的近端限定了能与相对的平行表面相接合的形状。
27.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具的近端限定了能与一平直表面和一相对的槽形表面相接合的形状。
28.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具的近端限定了能与相对的槽形表面相接合的形状。
29.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具的近端具有八角形截面的几何形状。
30.如权利要求17所述的模具，其特征在于，八角形截面的八角形为非正则八角形。
31.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具具有小于约60度的锥角。
32.如权利要求17所述的模具，其特征在于，模具具有小于约45度的锥角。
33.一种制备用于切片和检测的组织样品的方法，其包括将样品放置在长形块体的样品仓中，所述块体包括一个柄部，其整体上向该样品仓逐渐变细，样品仓具有多边形截面的几何形状，并且其尺寸和形状基本上与成像设备的成像区相对应；使长形块体的柄部与固定装置的相对的表面接合以将长形块体固定到切片设备上，其中，样品仓布置成使平直表面对着切片设备的切割装置，并使其方向适合成像；以及去掉组织块的切片，以将表面暴露用来检测。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，组织块被包在一个模具中。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，组织块作为一个模具包围的块被切片。
36.如权利要求33所述的方法，其还包括使组织块的暴露表面成像。
全文摘要
一种模块(10),用来保持要被切片和检测的样品,其包括一个柄部(12),它整体上向样品仓(16)逐渐变细(14),样品就放置在样品仓中。样品仓(16)基本上与成像设备的成像区的截面的尺寸和形状相对应,并且可以是一个多边形,例如直线性截面区域。柄部(12)的形状适于与将模块固定到切片设备上的固定装置相接合,并使块体表面处于最佳的成像方向。提供一种用于制备模块的模具。该模具限定了一个长形的空腔,它包括位于近端的一个开口,用来将选定的材料从模具外部引入。近端限定了尺寸和形状适于与固定装置相接合的形状,而模具向远端逐渐变细,远端限定了多面体,其尺寸和形状适合于切片。
文档编号G01N21/03GK1346437SQ00805975
公开日2002年4月24日 申请日期2000年4月3日 优先权日1999年4月6日
发明者R·L·凯施曼 申请人:分析科学公司