Способ автофокусировки при оцифровке микроскопического препарата в условиях задержки получения координат Российский патент 2024 года по МПК G03B13/36 G02B21/00 

Изобретение относится к области цифровой микроскопии, а именно к области автофокусировки цифровых фото- и видеосистем, а также может найти применение в области медицины и материаловедения.

Системы цифровой микроскопии проводят фокусировку каждого поля зрения для получения наиболее четкого изображения. Количество сканируемых полей зрения на каждом микропрепарате исчисляется сотнями, поэтому время автофокусировки напрямую влияет на длительность процедуры оцифровки. Сокращение времени автофокусировки является одним из основных способов сокращения времени оцифровки микропрепарата. При разработке бюджетных устройств автофокусировки, их вычислительная мощность может быть ограничена, поэтому способ должен обладать устойчивостью к задержкам получения координат микропрепарата.

Известен способ автофокусировки (RU 2528582, опубл. 20.09.2014 г.), заключающийся в следующем:

- пошаговое сканирование зоны фокусировки, с сохранением значения резкости изображения;

- перемещение в точку наилучшей резкости.

Недостатками способа являются:

- необходимость сканирования всей зоны фокусировки (увеличение времени фокусировки);

- пошаговый процесс сканирования (увеличение времени фокусировки);

- высокая чувствительность к шумам изображения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ автофокусировки (RU 2794050, опубл. 11.04.2023 г.) заключающийся в следующем:

- непрерывное сканирование зоны фокусировки, с сохранением значения резкости изображения;

- остановка сканирования при выполнении условия, при котором на трех изображениях подряд резкость снижается перед «пиком» резкости и после «пика» резкости;

- если условие остановки не выполнено, то выполняется второй этап с увеличенным диапазоном фокусировки.

Недостатками способа являются:

- высокая чувствительность к шумам изображения;

- неустойчивость к задержке получения координат предметного столика.

При разработке бюджетных устройств автофокусировки, вычислительная мощность контроллера предметного столика ограничена, что приводит к задержкам получения актуальных координат. Кроме этого, в случае использования беспроводного канала передачи данных (Bluetooth, Wi-Fi) от контроллера до вычислительного устройства, появляется дополнительная задержка передачи данных.

Технический результат - повышение скорости и устойчивости автофокусировки в условиях задержки получения актуальных координат предметного столика.

Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.

Фиг. 1. Схематичное изображение «пика» резкости Q и направлении движения предметного столика.

Фиг. 2. Схематическое представление дискретного получения данных о координатах предметного столика.

Фиг 3. График резкости получаемых изображений в зависимости от времени при проведении фокусировки.

Технический результат достигается тем, что автофокусировка осуществляется в три этапа.

Первый этап - приближение к области фокуса, заключается в перемещении предметного столика с образцом по оси Z на максимальной скорости в направлении к объективу микроскопа с непрерывным расчетом уровня резкости Q, получаемых изображений и сохранением текущих координат (Фиг.1).

Так как контроллер предметного столика ограничен по производительности и передает координаты дискретно с определенной периодичностью, то для вычисления актуальных координат по каждой из осей используется следующий алгоритм:

- определяется время (dT) с последнего обновления координат контроллером до текущего момента (Фиг.2);

- рассчитывается скорость движения (V) предметного столика на основе 3-х последних точек, полученных от контроллера;

- вычисляется реальное положение столика, путем добавки к координате контроллера пройденного расстояния (V*dT).

Формула для оси Z:

Z_real = Z_controller + V*dT, где:

Z_real - расчетное положение предметного столика;

Z_controller - координата, полученная от контроллера;

V - скорость перемещения столика;

dT - время с последнего обновления координат контроллером до текущего момента.

Скорость V рассчитывается на основе 3-х последних точек по формуле:

V = [Z(i) - Z(i-2)] / [T(i) - T(i-2)], где:

Z(i) - значение координаты Z, полученное от контроллера в момент i;

T(i) - время контроллера, в момент передачи данных i;

При превышении уровня резкости Q выше порогового (приблизились к области фокуса), столик проезжает еще расстояние X и останавливается. Устройство переходит во второй этап автофокусировки - переход к максимуму резкости. Выполняется шаг к координате, на которой значение резкости было максимально. Так как позиция максимума определяется с погрешностью (время отклика системы ненулевое), то для надежной автофокусировки может потребоваться третий этап - установка в наилучший фокус. Устройство сохраняет в память текущий уровень резкости и делает небольшой шаг по оси Z в направлении к объективу. Если, по завершению шага, уровень резкости снизился (проехали точку наилучшего фокуса), то размер следующего шага уменьшается в 2 раза и направление инвертируется. В противном случае (не доехали до точки наилучшего фокуса), размер и направление шага не меняется. Далее, цикл 3-го этапа повторяется, до достижения размера шага ниже заданного. После этого устройство считается сфокусированным.

На Фиг.3 схематично представлен график изменения резкости при осуществлении вышеуказанного способа.

К преимуществам предлагаемого способа можно отнести то, что для его реализации не требуются высокопроизводительные контроллеры, а также высокоточные механизмы перемещения, он позволяет использовать недорогие механизмы с люфтом.

Пример осуществления способа.

Для реализации способа был использован коммерчески доступный микроскоп Olympus CX-23, оснащенный автоматизированным предметным столиком компании Celly, объективом с увеличением 100х и подключенным к окуляру смартфоном iPhone SE2 с установленным программным обеспечением Celly.

Мазок периферической крови был установлен на автоматизированный предметный столик. Далее была запущена процедура автофокусировки.

В рамках первого этапа предметный столик начал перемещение к объективу со скоростью V1=10мм/сек непрерывно рассчитывая резкость получаемых изображений. При достижении уровня резкости Q выше заданного, сработало условие останова по порогу резкости и столик проехал еще X = 300 мкм до остановки, определяя максимальное значения резкости. Максимальное значение резкости оказалось в момент прохождения координаты X1 = 100 мкм (нулевой координатой считаем точку срабатывания порога резкости).

В рамках второго этапа выполняется шаг в направлении от объектива для установки столика на координату X1. После чего сохраняем текущий уровень резкости Q1.

В рамках третьего этапа выполняется шаг в направлении от объектива. Размер шага предустановлен заранее и равен 30 мкм. Столик устанавливается в координату X2 = 70 мкм. Рассчитывается текущий уровень резкости Q2. Он оказывается ниже, чем Q1.

Для последующего шага направление инвертируется, а размер снижается в 2 раза, становится равным 15 мкм.

Столик переходит на позицию X3 = 85 мкм. Рассчитывается текущий уровень резкости Q3. Q3 оказывается выше, чем Q2. Направление и размер шага остаются прежними.

Столик переходит на позицию X4 = 100 мкм. Q4 < Q3. Направление шага инвертируется, а размер снижается в 2 раза и составляет 7.5 мкм. Размер шага стал ниже заданного предела (10 мкм), перемещение останавливается.

Конечная координата максимума X4 = 100 мкм.

Изобретение относится к области цифровой микроскопии. Способ автофокусировки при оцифровке микроскопического препарата в условиях задержки получения координат содержит непрерывное сканирование зоны фокусировки, при этом сканирование выполняется в 3 этапа. Первый этап включает перемещение предметного столика с образцом по оси Z на максимальной скорости в направлении к объективу микроскопа с непрерывным расчетом уровня резкости Q получаемых изображений с определением его максимального значения и сохранением текущих координат, при достижении уровня резкости Q выше заданного срабатывает условие остановки по порогу резкости и предметный столик, проехав еще расстояние, останавливается. После этого выполняется переход на второй этап, включающий перемещение предметного столика в направлении от объектива для установки предметного столика на расстояние, соответствующее максимальному значению резкости, определенному на первом этапе, и сохранение текущего уровня резкости Q1. Затем выполняется переход на третий этап, включающий перемещение предметного столика в направлении к объективу для установки предметного столика на расстояние, соответствующее точке наилучшего фокуса, при этом данный этап повторяется путем повторных перемещений предметного столика с одновременным расчетом уровня резкости Q до достижения точки наилучшего фокуса, после чего устройство считается сфокусированным. Технический результат - повышение скорости и устойчивости автофокусировки в условиях задержки получения актуальных координат фокусирующего устройства. 3 ил.

Способ автофокусировки при оцифровке микроскопического препарата в условиях задержки получения координат, содержащий непрерывное сканирование зоны фокусировки, отличающийся тем, что сканирование выполняется в 3 этапа, при этом

- первый этап включает перемещение предметного столика с образцом по оси Z на максимальной скорости в направлении к объективу микроскопа с непрерывным расчетом уровня резкости Q получаемых изображений с определением его максимального значения и сохранением текущих координат, при достижении уровня резкости Q выше заданного срабатывает условие остановки по порогу резкости и предметный столик, проехав еще расстояние, останавливается, после чего выполняется переход

- на второй этап, включающий перемещение предметного столика в направлении от объектива для установки предметного столика на расстояние, соответствующее максимальному значению резкости, определенному на первом этапе, и сохранение текущего уровня резкости Q1, затем выполняется переход

- на третий этап, включающий перемещение предметного столика в направлении к объективу для установки предметного столика на расстояние, соответствующее точке наилучшего фокуса, при этом данный этап повторяется путем повторных перемещений предметного столика с одновременным расчетом уровня резкости Q до достижения точки наилучшего фокуса, после чего устройство считается сфокусированным.