專利名稱：壓電顯微切割系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電顯微切割系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
顯微切割技術(shù)是在顯微狀態(tài)或顯微鏡直視下通過顯微操作系統(tǒng)對欲選取的材料(組織、細(xì)胞群、細(xì)胞、細(xì)胞內(nèi)組分或染色 體區(qū)帶等)進(jìn)行切割分離并收集用于后續(xù)研究的技術(shù)。其特點是可從構(gòu)成復(fù)雜的組織中獲得某一特定的同類細(xì)胞或單個細(xì)胞。在分子生物學(xué)的特定細(xì)胞切割，細(xì)胞遺傳學(xué)的特定染色體切割，腫瘤疾病理學(xué)的基因檢測等方面具有廣泛的應(yīng)用。顯微切割分離技術(shù)拓寬了基因組學(xué)研究的領(lǐng)域和精度，更為分子腫瘤學(xué)的發(fā)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(shù)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。后來發(fā)展成在顯微操作儀引導(dǎo)下使用帶有黏附尖端的解剖針或吸管，進(jìn)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(xì)胞群，此種方式切割精度低，費時費力，可重復(fù)性差，而且不能避免污染，只適用于對較大塊組織中的局部區(qū)域或細(xì)胞群進(jìn)行分離，切割單個細(xì)胞十分困難。機(jī)械輔助顯微切割是利用普通光學(xué)顯微鏡的微調(diào)旋鈕控制切割針切割細(xì)胞，采用玻璃切割針，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(dá)到對較大的單個細(xì)胞的切割，切割精度仍然較低，且不能實現(xiàn)自動化。激光捕獲顯微切割使用紅外激光束切割在薄膜下的組織或細(xì)胞，產(chǎn)生的熱量少，不會損傷組織的DNA，RNA和蛋白質(zhì)，可以進(jìn)行單個細(xì)胞，甚至染色體的切割，實現(xiàn)了高度精確，無污染，快速和自動化切割。雖然激光捕獲顯微切割操作簡便，耗時少，取材準(zhǔn)確，但需特殊的設(shè)備，激光器造價昂貴。國內(nèi)也有一些壓電超聲顯微切割的裝置，但都不能實現(xiàn)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(nèi)容本實用新型解決的技術(shù)問題在于提供一種壓電顯微切割系統(tǒng)。本實用新型提供的壓電顯微切割系統(tǒng)，可以自動定位在所需切割生物組織深度方向任意位置，并可自動完成目標(biāo)生物組織的切割，還可實現(xiàn)目標(biāo)組織切片的分離。有鑒于此，本實用新型提供一種壓電顯微切割系統(tǒng)，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并帶動所述切割針進(jìn)行振動，使所述切割針對所述生物組織進(jìn)行切割動作；[0012]第一電動操作手，連接于所述振動切割部，并帶動所述切割針實現(xiàn)三自由度的運動；持針器，設(shè)于所述平臺的上方，用以在生物組織完成切割后取下切片組織；第二電動操作手，連接于所述持針器，并帶動所述持針器實現(xiàn)三自由度的運動；圖像采集系統(tǒng)，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采集所述顯微鏡所放大的物象；計算機(jī)系統(tǒng)，其一輸入端連接于所述CXD圖像傳感器的輸出端，其一輸出端連接于所述顯微鏡的輸入端，該計算機(jī)系統(tǒng)還分別連接于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(xiàn)三自由度的運動。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)中，所述平臺連接于所述計算機(jī)系統(tǒng)，該平臺 于一空間內(nèi)進(jìn)行至少一自由度的位移運動。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)中，所述顯微鏡為倒置顯微鏡。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)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(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)中，所述振動體的振動頻率為0 40KHz，振動幅值為0 7um。優(yōu)選的，在上述壓電顯微切割系統(tǒng)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(shè)有螺紋并與所述振動體固定。本實用新型提供一種壓電顯微切割系統(tǒng)。通過計算機(jī)系統(tǒng)控制生物組織的切割及切割后將切片組織取下，實現(xiàn)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(qiáng)度大、實現(xiàn)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，并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(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)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，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(yōu)選結(jié)構(gòu)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(jìn)行圖像處理后的電鏡照片；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(tǒng)進(jìn)行切割的實驗結(jié)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(tǒng)，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(qiáng)度大、實現(xiàn)困難、費時、易疲勞、人為誤差不可避免的缺陷。與現(xiàn)有的壓電切割相比，本實用新型所設(shè)計的顯微切割系統(tǒng)，可以自動定位在所需切割組織切片深度方向任意位置，并可自動完成目標(biāo)組織切片的切割，利用不同粗細(xì)的切割針可實現(xiàn)不同大小區(qū)域的切割，最小可完成小于IOum X IOum區(qū)域的特定組織切片的切割(能勝任細(xì)胞級的切割)，并可實現(xiàn)目標(biāo)組織切片的分離。為了進(jìn)一步理解本實用新型，下面結(jié)合實施例對本實用新型優(yōu)選實施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本實用新型的特征和優(yōu)點，而不是對本實用新型權(quán)利要求的限制。參圖I所示，壓電顯微切割系統(tǒng)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、圖像采集系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)16。平臺11，其可提供置放具有一生物組織的載物片。平臺11連接于計算機(jī)系統(tǒng)16， 該平臺11于一空間內(nèi)進(jìn)行至少一自由度的位移運動。計算機(jī)系統(tǒng)16可以控制平臺11進(jìn)行移動，平臺11優(yōu)選為X/Y精密電動載物定位平臺，可實現(xiàn)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并帶動所述切割針進(jìn)行振動，使所述切割針對所述生物組織進(jìn)行切割動作。切割針優(yōu)選為壓電超聲切割針，振動體優(yōu)選為壓電疊堆陶瓷，壓電疊堆陶瓷與自帶信號發(fā)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(yōu)選為0 40KHz，振動幅值為0 7um。圖2a 2c所示為振動切割部的結(jié)構(gòu)示意圖。由于在顯微切割中，如果切割針和振動體連接不緊，在超聲振動時會導(dǎo)致切割針不僅沿其軸向振動，還容易產(chǎn)生水平面內(nèi)不可控的橫向擺動。這樣就可能會導(dǎo)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(shè)有螺紋并與振動體固定。振動切割部12的結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jìn)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(jié)構(gòu)，十字形的夾持結(jié)構(gòu)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(nèi)，用金屬片蓋住然后用螺絲擰緊。第一電動操作手13連接于振動切割部12，并帶動切割針實現(xiàn)三自由度的運動。持針器14，設(shè)于平臺11的上方，用以在生物組織完成切割后取下切片組織。第二電動操作手15，連接于持針器14，可帶動持針器14實現(xiàn)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(shè)置于載物片的兩偵U。圖像米集系統(tǒng)，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相連接以采集顯微鏡162所放大的物象。CXD圖像傳感器161優(yōu)選為CXD攝像頭，顯微鏡162優(yōu)選為倒置的顯微鏡，其設(shè)于平臺11的正上方。計算機(jī)系統(tǒng)16，其一輸入端連接于CXD圖像傳感器161的輸出端，其一輸出端連接于顯微鏡162的輸入端,該計算機(jī)系統(tǒng)16還分別連接于第一電動操作手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(xiàn)三自由度的運動。計算機(jī)系統(tǒng)16通過開發(fā)的軟件實現(xiàn)對顯微鏡162的調(diào)焦、切換物鏡以及調(diào)節(jié)光線
亮度等操作。CXD圖像傳感器161的輸出端優(yōu)選通過USB數(shù)據(jù)線連接至計算機(jī)系統(tǒng)16。計算機(jī)系統(tǒng)16的一個信號輸出端連接控制器111以實現(xiàn)對平臺在X-Y方向的驅(qū)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(tǒng)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(jī)系統(tǒng)，并在顯示器上顯示出來；(2)利用計算機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)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，并存儲該切割路線信息；(3)輸入切割深度信息；(4)計算機(jī)系統(tǒng)控制第一電動操作手運動，執(zhí)行所述切割路線和切割深度指令對生物組織進(jìn)行切割；(5)計算機(jī)系統(tǒng)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(tǒng)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(jī)系統(tǒng)16向控制器131發(fā)送運動控制信號，并由第一電動操作手13帶動切割針實現(xiàn)在空間三個坐標(biāo)方向位置調(diào)整的控制，進(jìn)而實現(xiàn)不同方向上的切割。同時，通過自帶信號發(fā)生器寬頻帶壓電陶瓷電源127可實現(xiàn)對切割針沿其長度方向高頻伸縮振動參數(shù)的調(diào)整，使其實現(xiàn)不同頻率和振幅的振動狀態(tài)，滿足不同切割條件下的振動狀態(tài)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(dá)到15. 28g。CXD圖像傳感器161實現(xiàn)組織切片切割圖像信息的采集，送入計算機(jī)后，可以實現(xiàn)事實觀察顯微切割全過程，可以根據(jù)需要及時調(diào)整控制參數(shù)，且可以隨時保存圖像或錄制視頻。壓電顯微切割系統(tǒng)10用于切割特定需要的組織切片，并實現(xiàn)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固定于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(qū)動下，在水平面內(nèi)進(jìn)給運動，從而切割分離出生物組織切片，在進(jìn)給運動的過程中，振動切割部12始終在自帶信號發(fā)生器寬頻帶壓電陶瓷電源127的驅(qū)動下沿其自身長度方向進(jìn)行超聲振動，振動頻率為20khz 30khz。壓電顯微切割系統(tǒng)10在切割時，振動切割部12在高精度、高分辨率的第一電動操作手13驅(qū)動下沿設(shè)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。切割后組織可以直接通過持針器14取下并放到指定的位置進(jìn)行下一步分析，不需要做后續(xù)處理。[0056]振動切割部12具沿其軸向振動會產(chǎn)生兩個方向上的分量，即水平面內(nèi)的振動和縱坐標(biāo)平面內(nèi)的振動。壓電陶瓷可帶動切割針沿著固定桿軸線振動，驅(qū)動信號為y (t) =Asin(Cot)(I)其中Co -頻率(Co = 2 f) ;A_振動幅值。這里切割組織切片選為石蠟包埋切片。 那么切割針在水平面內(nèi)X軸的振動分量為X (t) = Asin (Co t) *cos ( 0 )(2)切割針在縱坐標(biāo)平面內(nèi)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(dāng)振動幅值達(dá)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(guān)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)控制切割針移動并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并存儲；(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(jié)合圖3a 3c對上述切割深度定位方法的原理進(jìn)行詳細(xì)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于實驗過程中觀察的現(xiàn)象，如圖3a所示，當(dāng)振動切割部12在第一電動操作手13的驅(qū)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后在表面滑動，I'、2，、3'、4'則是對應(yīng)的切割針前端的平面圖像。可以看出，當(dāng)振動切割部12在下降過程中圖像坐標(biāo)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(dāng)與生物組織17表面接觸時，針尖將會沿著水平方向運動，然后快速回撤。根據(jù)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，并以表面為參考平面，實現(xiàn)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(shè)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。水平間距在接觸之后改變，設(shè)為X。在建立接觸之前，三角相似關(guān)系
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(fā)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(biāo)值，且變化趨勢相反。[0076]類似地，根據(jù)圖3a和圖3b，振動切割部12的針尖與生物組織17表面發(fā)生接觸之后，滿足
權(quán)利要求1.一種壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，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并帶動所述切割針進(jìn)行振動， 使所述切割針對所述生物組織進(jìn)行切割動作； 第一電動操作手，連接于所述振動切割部，并帶動所述切割針實現(xiàn)三自由度的運動； 持針器，設(shè)于所述平臺的上方，用以在生物組織完成切割后取下切片組織； 第二電動操作手，連接于所述持針器，并帶動所述持針器實現(xiàn)三自由度的運動； 圖像采集系統(tǒng)，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采集所述顯微鏡所放大的物象； 計算機(jī)系統(tǒng)，其一輸入端連接于所述C⑶圖像傳感器的輸出端，其一輸出端連接于所述顯微鏡的輸入端，該計算機(jī)系統(tǒng)還分別連接于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(xiàn)三自由度的運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，所述平臺連接于所述計算機(jī)系統(tǒng)，該平臺于一空間內(nèi)進(jìn)行至少一自由度的位移運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，所述顯微鏡為倒置顯微鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求4所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，所述振動體的振動頻率為O 40KHz，振動幅值為O 7um。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電顯微切割系統(tǒng)，其特征在于，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(shè)有螺紋并與所述振動體固定。
專利摘要本實用新型提供了一種壓電顯微切割系統(tǒng)，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、圖像采集系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)。本實用新型提供的壓電顯微切割系統(tǒng)，可以自動定位在所需切割生物組織深度方向任意位置，并可自動完成目標(biāo)生物組織的切割，還可實現(xiàn)目標(biāo)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(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者朱猛, 汝長海 申請人:蘇州大學(xué)