壓電顯微切割系統的製作方法

2023-08-04 21:42:56 3

專利名稱：壓電顯微切割系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於生物醫學技術領域，具體涉及一種壓電顯微切割系統。
背景技術：
顯微切割技術是在顯微狀態或顯微鏡直視下通過顯微作業系統對欲選取的材料(組織、細胞群、細胞、細胞內組分或染色 體區帶等)進行切割分離並收集用於後續研究的技術。其特點是可從構成複雜的組織中獲得某一特定的同類細胞或單個細胞。在分子生物學的特定細胞切割，細胞遺傳學的特定染色體切割，腫瘤疾病理學的基因檢測等方面具有廣泛的應用。顯微切割分離技術拓寬了基因組學研究的領域和精度，更為分子腫瘤學的發展提供了不可替代的幫助，已日漸成為不可替代的支柱技術之一。早期是從冰凍組織切片上直接在肉眼下用解剖刀刮去不需要的部分，剩下感興趣的組織。後來發展成在顯微操作儀引導下使用帶有黏附尖端的解剖針或吸管，進行手動切割或提取。手動直接顯微切割直接在顯微鏡下手持切割用針分離組織或細胞群，此種方式切割精度低，費時費力，可重複性差，而且不能避免汙染，只適用於對較大塊組織中的局部區域或細胞群進行分離，切割單個細胞十分困難。機械輔助顯微切割是利用普通光學顯微鏡的微調旋鈕控制切割針切割細胞，採用玻璃切割針，此方式切割精度較手動直接顯微切割的精度有了提高，可以達到對較大的單個細胞的切割，切割精度仍然較低，且不能實現自動化。雷射捕獲顯微切割使用紅外雷射束切割在薄膜下的組織或細胞，產生的熱量少，不會損傷組織的DNA，RNA和蛋白質，可以進行單個細胞，甚至染色體的切割，實現了高度精確，無汙染，快速和自動化切割。雖然雷射捕獲顯微切割操作簡便，耗時少，取材準確，但需特殊的設備，雷射器造價昂貴。國內也有一些壓電超聲顯微切割的裝置，但都不能實現切割深度方向可控的全自動切割，使用不方便，效率低，不能保證獲得最佳的切割效果，此外在組織切片深度切割方向上不可控。

實用新型內容本實用新型解決的技術問題在於提供一種壓電顯微切割系統。本實用新型提供的壓電顯微切割系統，可以自動定位在所需切割生物組織深度方向任意位置，並可自動完成目標生物組織的切割，還可實現目標組織切片的分離。有鑑於此，本實用新型提供一種壓電顯微切割系統，包括平臺，其可提供置放具有一生物組織的載物片； 振動切割部，其還包括一切割針及一振動體，該切割針與該振動體相連接，該振動體以一振動頻率振動並帶動所述切割針進行振動，使所述切割針對所述生物組織進行切割動作；[0012]第一電動操作手，連接於所述振動切割部，並帶動所述切割針實現三自由度的運動；持針器，設於所述平臺的上方，用以在生物組織完成切割後取下切片組織；第二電動操作手，連接於所述持針器，並帶動所述持針器實現三自由度的運動；圖像採集系統，其還包括一 CXD圖像傳感器和一顯微鏡，該CXD圖像傳感器和顯微鏡相連接以採集所述顯微鏡所放大的物象；計算機系統，其一輸入端連接於所述CXD圖像傳感器的輸出端，其一輸出端連接於所述顯微鏡的輸入端，該計算機系統還分別連接於所述第一電動操作手和所述第二電動操作手，以分別控制所述第一電動操作手和所述第二電動操作手實現三自由度的運動。優選的，在上述壓電顯微切割系統中，所述平臺連接於所述計算機系統，該平臺 於一空間內進行至少一自由度的位移運動。優選的，在上述壓電顯微切割系統中，所述顯微鏡為倒置顯微鏡。優選的，在上述壓電顯微切割系統中，所述切割針為壓電超聲切割針，所述振動體為壓電疊堆陶瓷。優選的，在上述壓電顯微切割系統中，所述振動體的振動頻率為0 40KHz，振動幅值為0 7um。優選的，在上述壓電顯微切割系統中，所述振動切割部還包括一連接部，該連接部的一端與所述切割針固定，該連接部的另一端設有螺紋並與所述振動體固定。本實用新型提供一種壓電顯微切割系統。通過計算機系統控制生物組織的切割及切割後將切片組織取下，實現了自動化，克服了手工完成生物組織切片的切割、分離工作時操作者工作強度大、實現困難、費時、易疲勞、人為誤差不可避免的缺陷。通過切割針與生物組織恰好接觸，獲取生物組織表面的位置信息，並以該位置信息作為參考平面，可以定位切割針在生物組織深度方向的位置。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I所示為本實用新型具體實施例中壓電顯微切割系統的結構示意圖；圖2a 2c所示為本實用新型具體實施例中振動切割部的三種優選結構示意圖；圖3a 3c所示為本實用新型具體實施例中切割深度定位方法的原理示意圖；圖4所示為本實用新型具體實施例中對振動切割部的針尖進行圖像處理後的電鏡照片；圖5所示為本實用新型具體實施例中切割針針尖視覺跟蹤示意圖；圖6a 6g所示為利用本實用新型具體實施例中的壓電顯微切割系統進行切割的實驗結果。
具體實施方式
[0030]本實用新型的目的是提供一種壓電顯微切割系統，以克服手工完成生物組織切片的切割、分離工作時操作者工作強度大、實現困難、費時、易疲勞、人為誤差不可避免的缺陷。與現有的壓電切割相比，本實用新型所設計的顯微切割系統，可以自動定位在所需切割組織切片深度方向任意位置，並可自動完成目標組織切片的切割，利用不同粗細的切割針可實現不同大小區域的切割，最小可完成小於IOum X IOum區域的特定組織切片的切割(能勝任細胞級的切割)，並可實現目標組織切片的分離。為了進一步理解本實用新型，下面結合實施例對本實用新型優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本實用新型的特徵和優點，而不是對本實用新型權利要求的限制。參圖I所示，壓電顯微切割系統10包括平臺11、振動切割部12、第一電動操作手13、持針器14、第二電動操作手15、圖像採集系統和計算機系統16。平臺11，其可提供置放具有一生物組織的載物片。平臺11連接於計算機系統16， 該平臺11於一空間內進行至少一自由度的位移運動。計算機系統16可以控制平臺11進行移動，平臺11優選為X/Y精密電動載物定位平臺，可實現X、Y兩自由度的運動。振動切割部12,包括一切割針及一振動體，該切割針與該振動體相連接，該振動體以一振動頻率振動並帶動所述切割針進行振動，使所述切割針對所述生物組織進行切割動作。切割針優選為壓電超聲切割針，振動體優選為壓電疊堆陶瓷，壓電疊堆陶瓷與自帶信號發生器寬頻帶壓電陶瓷電源127的一端連接。振動體的振動頻率優選為0 40KHz，振動幅值為0 7um。圖2a 2c所示為振動切割部的結構示意圖。由於在顯微切割中，如果切割針和振動體連接不緊，在超聲振動時會導致切割針不僅沿其軸向振動，還容易產生水平面內不可控的橫向擺動。這樣就可能會導致切口不平整、切口變寬、切割不徹底，甚至切割針在切割過程中脫落等。因此本實用新型實施例中，振動切割部12還包括一連接部，該連接部的一端與切割針固定，該連接部的另一端設有螺紋並與振動體固定。振動切割部12的結構優選自圖2a 2c所示的三種方式。圖2a中是直接把切割針124塞進一個圓柱形的螺栓(連接部)121上再把螺栓121擰入壓電疊堆陶瓷。圖2b中連接部122的一端是螺栓狀的圓柱體，另一端則是曾十字形的夾持結構，十字形的夾持結構外面用螺帽擰緊固定住切割針125。圖2c中連接部123的半圓柱狀的縱切面上開有一個半圓柱形的槽，把切割針126放入槽內，用金屬片蓋住然後用螺絲擰緊。第一電動操作手13連接于振動切割部12，並帶動切割針實現三自由度的運動。持針器14，設於平臺11的上方，用以在生物組織完成切割後取下切片組織。第二電動操作手15，連接於持針器14，可帶動持針器14實現三自由度的運動。第一電動操作手13和第二電動操作手15分別設置於載物片的兩偵U。圖像米集系統，包括一CO) (Charge-coupled Device)圖像傳感器161和一顯微鏡162，該CXD圖像傳感器161和顯微鏡162相連接以採集顯微鏡162所放大的物象。CXD圖像傳感器161優選為CXD攝像頭，顯微鏡162優選為倒置的顯微鏡，其設於平臺11的正上方。計算機系統16，其一輸入端連接於CXD圖像傳感器161的輸出端，其一輸出端連接於顯微鏡162的輸入端,該計算機系統16還分別連接於第一電動操作手13和第二電動操作手15，以分別控制該第一電動操作手13和第二電動操作15手實現三自由度的運動。計算機系統16通過開發的軟體實現對顯微鏡162的調焦、切換物鏡以及調節光線
亮度等操作。CXD圖像傳感器161的輸出端優選通過USB數據線連接至計算機系統16。計算機系統16的一個信號輸出端連接控制器111以實現對平臺在X-Y方向的驅動。本實用新型實施例還提供了利用上述壓電顯微切割系統的切割方法，包括如下步驟(I)將顯微鏡中觀察到的生物組織的放大的物象通過CXD圖像傳感器傳送到計算機系統，並在顯示器上顯示出來；(2)利用計算機系統的輸入設備，在所顯示的生物組織的放大的物象上確定需要切割的路線，並存儲該切割路線信息；(3)輸入切割深度信息；(4)計算機系統控制第一電動操作手運動，執行所述切割路線和切割深度指令對生物組織進行切割；(5)計算機系統控制第二電動操作手運動，通過持針器將切割下的切片組織取下。壓電顯微切割系統10的工作過程如下生物組織切片17通過載物片固定在平臺11上表面的開孔處，計算機系統16向控制器131發送運動控制信號，並由第一電動操作手13帶動切割針實現在空間三個坐標方向位置調整的控制，進而實現不同方向上的切割。同時，通過自帶信號發生器寬頻帶壓電陶瓷電源127可實現對切割針沿其長度方向高頻伸縮振動參數的調整，使其實現不同頻率和振幅的振動狀態，滿足不同切割條件下的振動狀態要求。振動切割部12的振動頻率0 40khz，振動幅值0 7um，最大振動加速度可達到15. 28g。CXD圖像傳感器161實現組織切片切割圖像信息的採集，送入計算機後，可以實現事實觀察顯微切割全過程，可以根據需要及時調整控制參數，且可以隨時保存圖像或錄製視頻。壓電顯微切割系統10用於切割特定需要的組織切片，並實現感興趣組織切片的分離，具體實施步驟如下將振動切割部12固定於精密三自由度第一電動操作手13上，前端的切割針尖貼近生物組織17的表面，振動切割部12與生物組織17的上表面成角度e ；在生物組織17上沒有組織的地方提取切割針的深度信息，使切割針停在載玻片上方20um處，移動平臺11或者水平移動振動切割部12找到需要切割的位置。通過控制第一電動操作手13降低振動切割部12到一定位置使其切入生物組織17，切入深度為2 6um ;使振動切割部12在第一電動操作手13的驅動下，在水平面內進給運動，從而切割分離出生物組織切片，在進給運動的過程中，振動切割部12始終在自帶信號發生器寬頻帶壓電陶瓷電源127的驅動下沿其自身長度方向進行超聲振動，振動頻率為20khz 30khz。壓電顯微切割系統10在切割時，振動切割部12在高精度、高解析度的第一電動操作手13驅動下沿設定切割軌跡運動，壓電超聲切割刀不斷作超聲振動，在超聲的作用下，切割更容易、更徹底，生物組織切片的邊緣更平滑。切割後組織可以直接通過持針器14取下並放到指定的位置進行下一步分析，不需要做後續處理。[0056]振動切割部12具沿其軸向振動會產生兩個方向上的分量，即水平面內的振動和縱坐標平面內的振動。壓電陶瓷可帶動切割針沿著固定杆軸線振動，驅動信號為y (t) =Asin(Cot)(I)其中Co -頻率(Co = 2 f) ;A_振動幅值。這裡切割組織切片選為石蠟包埋切片。 那麼切割針在水平面內X軸的振動分量為X (t) = Asin (Co t) *cos ( 0 )(2)切割針在縱坐標平面內的振動分量為z (t) = Asin (Co t) *sin ( 0 )(3)其中0為切割針的傾角。而切割組織切片主要依靠的是縱向分量，當振動幅值達到一定值時便可切開組織，所以獲取切割針尖的深度信息很關鍵。本實用新型實施例還公開了一種切割深度定位方法，包括如下步驟(I)控制切割針移動並接近生物組織的表面；(2)切割針與生物組織恰好接觸，獲取生物組織表面的位置信息並存儲；(3)以所述位置信息為參考平面，自該參考平面向下移動的距離即為切割深度。以下結合圖3a 3c對上述切割深度定位方法的原理進行詳細描述，其中圖3c為圖3b中A的局部放大圖。上述獲取深度信息的操作原理是基於實驗過程中觀察的現象，如圖3a所示，當振動切割部12在第一電動操作手13的驅動下沿Z方向向下運動時，位置1，2，3，4分別表示振動切割部12的初始位置、接觸樣品表面之前、與樣品表面剛剛接觸以及接觸後在表面滑動，I'、2，、3'、4'則是對應的切割針前端的平面圖像。可以看出，當振動切割部12在下降過程中圖像坐標平面上沿某一方向緩慢運動，且切割針的針尖在水平方向上幾乎沒有位移，當與生物組織17表面接觸時，針尖將會沿著水平方向運動，然後快速回撤。根據這一原理，通過視覺識別與表面接觸點3'，即可獲得深度方向的高度信息，並以表面為參考平面，實現對操作工具的Z方向的控制。圖3b 3c是組成圖像平面的示意圖，我們設定在最初的位置I時，振動切割部12的針尖與生物組織17表面的距離為h，振動切割部12的針尖和顯微鏡162之間的距離為U，圖像平面和顯微鏡162之間的距離為V。在接觸之前，頂端和視軸的水平距離始終為X0。水平間距在接觸之後改變，設為X。在建立接觸之前，三角相似關係
X V(4)—-=——
X0 u + Z兩邊微分dx = -^4^dZ(5)
U由式(5)可以看出，振動切割部12的針尖與生物組織17表面發生接觸之前，振動切割部12沿Z軸方向下降的距離正比于振動切割部12的針尖在顯微鏡162反饋圖像平面中X坐標值，且變化趨勢相反。[0076]類似地，根據圖3a和圖3b，振動切割部12的針尖與生物組織17表面發生接觸之後，滿足
權利要求1.一種壓電顯微切割系統，其特徵在於，包括 平臺，其可提供置放具有一生物組織的載物片； 振動切割部，其還包括一切割針及一振動體，該切割針與該振動體相連接，該振動體以一振動頻率振動並帶動所述切割針進行振動， 使所述切割針對所述生物組織進行切割動作； 第一電動操作手，連接於所述振動切割部，並帶動所述切割針實現三自由度的運動； 持針器，設於所述平臺的上方，用以在生物組織完成切割後取下切片組織； 第二電動操作手，連接於所述持針器，並帶動所述持針器實現三自由度的運動； 圖像採集系統，其還包括一 CXD圖像傳感器和一顯微鏡，該CXD圖像傳感器和顯微鏡相連接以採集所述顯微鏡所放大的物象； 計算機系統，其一輸入端連接於所述C⑶圖像傳感器的輸出端，其一輸出端連接於所述顯微鏡的輸入端，該計算機系統還分別連接於所述第一電動操作手和所述第二電動操作手，以分別控制所述第一電動操作手和所述第二電動操作手實現三自由度的運動。
2.根據權利要求I所述的壓電顯微切割系統，其特徵在於，所述平臺連接於所述計算機系統，該平臺於一空間內進行至少一自由度的位移運動。
3.根據權利要求I所述的壓電顯微切割系統，其特徵在於，所述顯微鏡為倒置顯微鏡。
4.根據權利要求I所述的壓電顯微切割系統，其特徵在於，所述切割針為壓電超聲切割針，所述振動體為壓電疊堆陶瓷。
5.根據權利要求4所述的壓電顯微切割系統，其特徵在於，所述振動體的振動頻率為O 40KHz，振動幅值為O 7um。
6.根據權利要求4所述的壓電顯微切割系統，其特徵在於，所述振動切割部還包括一連接部，該連接部的一端與所述切割針固定，該連接部的另一端設有螺紋並與所述振動體固定。
專利摘要本實用新型提供了一種壓電顯微切割系統，包括平臺、振動切割部、第一電動操作手、持針器、第二電動操作手、圖像採集系統和計算機系統。本實用新型提供的壓電顯微切割系統，可以自動定位在所需切割生物組織深度方向任意位置，並可自動完成目標生物組織的切割，還可實現目標組織切片的分離。
文檔編號G01N1/04GK202485924SQ20122011457
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者朱猛, 汝長海 申請人:蘇州大學