一种显微运动跟踪系统的制作方法

本发明涉及显微成像技术领域，具体涉及一种显微运动跟踪系统，其为能够对显微镜下大范围运动样本实现跟踪的系统。

背景技术：

对于能够在培养液中大范围运动的微小生物体而言，如斑马鱼、线虫、浮游生物、精子等，由于显微镜的物镜处于放大状态，成像范围较小，很容易游出观察范围。常规要在显微镜下实现持续观察，必须移动载物台。但是载物台移动的加减速会导致培养液的晃动，在显微观察条件下，这种晃动通常是不可接受的。

目前解决上述液体晃动的办法是，在倒置显微镜上，使用一种特制容器，该容器具有双层玻璃的观察室，把样本注入到双层玻璃之间，即可放置在镜下进行观察，该方法的缺陷是不能对样本进行操作，如捕捉、注射等。

另外，常规显微镜在调节成像焦距时，通常会设计粗调和细调两个旋钮，分别用于目标搜寻和焦平面的精细调节，在对显微镜系统进行自动化设计或改装时，焦距的调节通常采用丝杆和电机来完成。为了保证微调的精细度，对丝杆的螺距、电机的步距角有较高的要求，或者采用压电陶瓷驱动以获得更高的精度。上述方案制造成本高，用于改装时，存在改装难度大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是，对于悬液环境下的微小生物体，如斑马鱼、线虫、浮游生物、精子等，能够实现稳定的跟踪观察和操作，并避免液体环境因加速度变化而产生的晃动。本发明通过固定载物台，移动光学成像机构，可以避免培养液的晃动；通过图像清晰度识别，实现自动聚焦；设计差动齿轮减速器，代替手动调焦机构，同时作为自动聚焦的执行器。通过图像处理及分析技术识别和跟踪特定微小生物体，使之稳定成像，并始终置于观察范围之内，便于进行特定目标的长时间生理状态观察及操作。

本发明提供的技术方案是：一种显微运动跟踪系统，包括设备基座，前立板，后立板，样本固定装置和横板，设备基座、前立板、后立板与横板通过螺栓紧固连接形成一个稳固的整体，样本固定装置固定在横板的开孔内并保持稳固不动，y向移动基座通过2根y向直线导轨和y向驱动电机及滚珠丝杆与设备底座连接在一起，同时x向移动基座通过2个三角支架和y向移动基座固定在一起，上、下光路安装支撑板通过2根x向直线导轨和x向驱动电机及滚珠丝杆与x向移动基座连接在一起，上光路系统安装在上、下光路安装支撑板的前方，下光路系统安装在上、下光路安装支撑板的上方，两个微操安装架和微操装置也安装在上、下光路安装支撑板的上方；上光路系统包括明场照明的光源、反射镜、聚光镜组件等部件，下光路系统包括镜头、物镜转盘、滤光镜转盘、物镜调焦机构、光路切换机构、成像ccd等部件。

其中，这样整个上下光路系统及微操装置就连成一体并可在x、y向电机的带动下在平面内做任意方向的运动。

其中，物镜调焦机构可以是手动调焦机构、丝杆导轨形式的电动调焦机构，或者是基于差动齿轮减速器的电动调焦机构。

其中，差动齿轮减速器的电动调焦机构体积小，适应性强，适合于在手动调焦机构的基础上进行自动化改装。有利于科研人员用较低的成本实现高级显微镜才具有的功能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明可以大大降低对活体微小生物体进行操作的难度，提高工作效率，减少实验人员的工作量，使专业操作人员摆脱了长期培训和生理挑战，减少对专业实验人员的依赖，实现人工难以企及的高难度显微操作，为生物医学工程提供了新的辅助研究工具。本发明提出的技术方案可以通过对常规显微镜的改装实现。

附图说明

图1是本发明系统的结构爆炸图；

图2本发明样本固定装置的构造图；

图3是本发明y向运动机构的正面安装示意图；

图4是本发明y向运动机构的背面安装示意图；

图5是本发明x向运动机构的正面安装示意图；

图6是本发明x向运动机构的背面安装示意图；

图7是本发明z向对焦机构的安装示意图；

图8是本发明整个运动机构结构示意图；

图9是本发明装置的整体结构示意图；

图10是差动变速齿轮组爆炸示意图；

图11是差动变速齿轮组装配示意图；

图12是差动变速齿轮组局部装配示意图一；

图13是差动变速齿轮组局部装配示意图二。

图中：1设备基座，2前立板，3后立板，4样本固定装置，5横板，6y向驱动电机和滚珠丝杆，7y向直线导轨，8y向移动基座，9下光路系统，9.1显微镜对焦变速箱，9.2显微镜对焦输出齿轮，9.3显微镜对焦齿条，9.4显微镜，10上、下光路安装支撑板，11微操安装架，12微操装置，13上光路系统，14x向移动基座，15x向驱动电机和滚珠丝杆，16x向直线导轨，101输出双联齿轮，102小传动齿轮，103传动支架盖板，104输出传动轴，105大传动轴，106传动支架，107主体框架，108行星架，109太阳齿，110行星齿轮轴，111主动小齿轮，112双联行星齿轮，113行星架齿轮，114差动大齿轮，115电机连接板，116主动步进电机，117差动步进电机。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明一种显微运动跟踪系统，设计一个稳固的设备底座，在设备底座的前后周边安装有前、后立板或者立柱，在前、后立板或立柱的上方固定安装一块上面板。将上面板开孔，样本固定装置(样品夹)就嵌合安装在上面板的开孔内，这样就可以保持样本稳定不动。

另一方面，在设备底座的上方和前、后立板及上面板围成的空间内部，设置x、y操纵台。显微镜的整个光路系统和用于显微操作的微操安装平台及微操装置安装在x、y操纵台上。通过x、y向电机和滚珠丝杆带动光路系统和微操安装平台在平面内做任意方向的运动，可以在样本保持不动的情况下，把光路系统及微操装置移动到样品所在的位置。样本固定装置(样品夹)采用与现有显微镜样品夹配件通用的尺寸，以利于互换。微操安装平台上设计有安装孔阵列，尺寸符合通用标准。

通过数据采集摄像头，对视野下的样本图像进行特征识别和位置识别，并把每一个微小生物活体的特征进行标识。特征包括但不限于运动速度、形状、大小、颜色、内容物等。根据用户设定的条件，可以触发对某一个微小生物体的跟踪。

某一个微小生物体样本被跟踪后，会保持在相对静止状态，并可自动置于微操的操作范围之内。从而易于进入下一步的操作。如吸取、夹持、损伤、注射等。

为了实现显微镜的光路系统能够实时地跟踪样本的运动轨迹，并使显微图像始终对准样本，本发明提供了一套运动机构，通过这套机构可以实现在x和y方向内让光路系统自动追踪细胞的运动轨迹。在z向自动实现显微镜的对焦。使聚焦点始终对准，便于摄像机提供清晰的影像，并方便微操装置对细胞的抓取。

细胞在培养皿中的运动是随机的，要实现显微镜的光路系统始终能跟踪到细胞的运动。就要使整个光学系统和用以抓取细胞的微操装置能够随着细胞的运动而运动。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在设备的底座上安装有y向直线导轨两套和y向驱动电机一只。将整个运动系统的y向运动基座通过直线导轨和滚珠丝杆与y向电机相连，以带动整个系统的y方向的运动。在这个基座的后部安装有竖直的x向运动基座，其上安装有x向直线导轨两套和x向驱动电机一只。将上、下光路安装支撑板通过直线导轨和滚珠丝杆与x向电机相连，以带动整个光路系统的x方向的运动。在上、下光路安装支撑板的前方安装有下光路系统；在其上方安装有上光路系统和微操安装架及微操装置。其中下光路系统中装有z向对焦运动装置，可以实现自动对焦。并实时拍摄培养皿中细胞的清晰影像，通过系统的图像处理功能下发指令驱动x向和y向电机，从而带动整个上、下光路和微操装置随着细胞的移动而运动。以达到实时跟踪和抓取的目的。

如图1所示，本发明一种样本固定的显微成像装置，包括设备基座1，前立板2，后立板3，样本固定装置4和横板5。

如图2所示，设备基座1、前立板2、后立板3与横板5通过螺栓紧固连接形成一个稳固的整体。样本固定装置4固定在横板5的开孔内并保持稳固不动。

如图3和图4所示，y向移动基座8通过2根y向直线导轨7和y向驱动电机及滚珠丝杆6与设备基座1连接在一起。同时x向移动基座14通过2个三角支架和y向移动基座8固定在一起。

如图5和图6所示，上、下光路安装支撑板10通过2根x向直线导轨16和x向驱动电机及滚珠丝杆15与x向移动基座14连接在一起。上光路系统13安装在上、下光路安装支撑板10的上方。下光路系统9安装在上、下光路安装支撑板10的前方。两个微操安装架11和微操装置12也安装在上、下光路安装支撑板10的上方。

在图7中，通过显微对焦变速箱9.1和显微对焦输出齿轮9.2带动显微对焦齿条9.3可以实现显微镜9.4在z轴上的精准移动。从而实现显微镜9.4的精准对焦。

在图8中，整个上下光路系统及微操装置连成一体，并可在x、y向电机的带动下在平面内做任意方向的运动。

如图10所示，差动齿轮减速器，用于代替手动调焦机构，同时作为自动聚焦的执行器。差动齿轮减速器，包括输出双联齿轮101，小传动齿轮102，传动支架盖板103，输出传动轴104，大传动轴105，传动支架106，主体框架107，行星架108，太阳齿109，行星齿轮轴110，主动小齿轮111，双联行星齿轮112，行星架齿轮113，差动大齿轮114，电机连接板115，主动步进电机116和差动步进电机117。

如图11所示，将传动支架106安装在主体框架107上，将输出传动轴104和大传动轴105分别装入内有轴承的传动支架106的轴孔内，并将传动支架盖板103安装在传动支架106上固定两轴。并将输出双联齿轮101和小传动齿轮102分别与输出传动轴104和大传动轴105进行紧密安装。将主动步进电机116和差动步进电机117分别与电机连接板115紧固安装后再与主体框架107进行紧固连接。再将差动大齿轮114与差动步进电机117的电机轴进行紧密连接，将行星架齿轮113与主动步进电机116的电机轴通过轴承进行滚动连接。将主动小齿轮111与主动步进电机116的电机轴进行紧密连接。主动小齿轮111需装在行星架齿轮113的上方。再将两个双联行星齿轮112分别与两个行星齿轮轴110紧密装配后，作为两个整体分组件再通过轴承与行星架齿轮113上对应的安装孔进行滚动装配，如图12所示。将太阳齿109与穿过行星架108中心孔的大传动轴105的另一端进行紧密装配后，将行星架108与主体框架107通过轴承进行连接的同时，也通过行星架108上的安装孔与装配双联行星齿轮112后的行星齿轮轴110进行滚动装配，将各部分连接成一个既有独立运动又有相互配合运动的整体，如图13所示。装配完成。

在图11所示的实际运动中，让差动步进电机117在力矩模式下保持固定不动，从而也让行星架齿轮113固定不动并限制了两个双联行星齿轮112的公转，只允许双联行星齿轮112自转进行运动传递。同时让主动步进电机116转动，此时即为一组固定传动比的定轴轮系减速齿轮组。在需要的情况下，取消差动步进电机117的力矩模式，给定其相应的相对于主动步进电机116的同向转速，则其将带动差动大齿轮14和与其配合的行星架齿轮113转动，而行星架齿轮113则又带动双联行星齿轮112围绕太阳齿109公转，由于两电机转向相同，则双联行星齿轮112的公转转向与主动步进电机116转向相反，因此根据差动行星齿轮传动比计算，将极大的改变放大了原有的定轴传动比数值。具体数值需根据差动步进电机117和主动电机116的转速比来调节计算。两电机之间的转速比越大，则终端输出的传动比也越大。同理，如果差动步进电机117转向与主动步进电机116相反，则原有的定轴轮系的减速比会变小，具体数据同样取决于两电机之间的转速比值。通过以上对差动步进电机117的转动和停止或者转动方向，来实现最终输出端的传动比值的调节变化，从而实现无极变速的目的。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。