專利名稱：生物組織微陣列芯片自動制備儀及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)療領域使用的實驗材料制備儀器，特別涉及一種生物組織微陣列芯片的自動制備儀及其控制方法。
背景技術：
“組織芯片”來自于名詞“tissue chip”，是指在基質(載玻片)表面固定大量的、可尋址的微小組織樣本，用于高通量檢測不同組織中DNA、RNA和蛋白質等分子的變化情況，一般稱為組織微陣列(tissue microarray，TMA)，由于具有微型化和自動化等特點，并且每個組織微陣列都能得到大量數據，所以又被稱為組織芯片。
生物組織微陣列芯片是將不同來源的生物組織分別整齊地按照行列植入空白的基體(如石蠟塊)中，形成組織微陣列，然后經切片機切片而得到可用于顯微觀察分析的生物組織陣列薄片。芯片分析的實質是對生物微組織陣列芯片在相同條件下進行結合或反應，反應結果用同位素法，化學熒光法，化學發(fā)光法或酶標法顯示，然后用精密的掃描儀或CCD攝像技術記錄，通過計算機軟件進行分析，綜合成可讀的IC總信息。
生物組織微陣列芯片制備儀用于完成基體陣列孔的產生，生物組織的采樣和陣列填埋。目前比較常用的是美國Beecher公司生產的手動組織芯片制備儀，型號為Manual Tissue Arrayer I或Manual Tissue Arrayer II，該類儀器采用完全手工操作。該儀器的結構主要有機座、供體和受體蠟塊卡緊定位裝置、水平X-Y移動工作臺、針具轉換裝置、垂直方向運動導軌。該裝置由于采用完全手工操作，所以工作效率比較低，操作人員的工作量大而繁瑣；采用手動調節(jié)來控制芯片制作精度，易受操作員的生理心理狀態(tài)及熟練程度的影響，廢片率較高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效提高工作效率，減少重復工作量，提高系統定位和芯片加工精度，降低廢片比例的生物組織微陣列芯片自動制備儀及其控制方法。
為達到上述目的，本發(fā)明的制備儀包括由X軸滑臺和Y軸滑臺組成的X-Y工作臺系統，在Y軸滑臺的上端面固定有受體蠟塊架和供體蠟塊架，X軸滑臺的一側設置有轉臺、轉臺上固定有Z軸滑臺，Z軸滑臺上固定有T型架，X軸滑臺、Y軸滑臺、Z軸滑臺和轉臺分別連接用于控制各滑臺的X軸交流伺服電機、Y軸交流伺服電機、Z軸交流伺服電機和轉臺交流伺服電機，X軸、Y軸、Z軸滑臺均安置光柵尺，各交流伺服電機和光柵尺通訊接口通過四軸聯動運動控制卡與計算機控制器相連接，T型架上分別固定有空白蠟塊打孔器、與計算機的圖像采集卡相連接的CCD圖像采集器以及組織蠟塊填埋器和電磁鐵。
本發(fā)明的控制方法為首先根據X軸滑臺的原始零點，將X軸滑臺的正中心和Y軸滑臺的正中心確定為X-Y滑臺的基準點，Z軸滑臺的中心作為Z軸的基準點，將受體蠟塊和供體蠟塊放置在受體蠟塊架和供體蠟塊架上；設定需要制備的受體蠟塊的行、列、行間距陣列孔的參數、起始孔的X-Y坐標，通過控制系統控制X軸滑臺交流伺服電機和Y軸滑臺交流伺服電機驅動X-Y滑臺系統，使受體蠟塊進入作業(yè)區(qū)；然后通過控制系統控制轉臺交流伺服電機驅動轉臺，使空白蠟塊打孔器進入作業(yè)區(qū)，保證第一個起始打孔點位于基準點處；然后驅動Z軸滑臺下移通過空白蠟塊打孔器受體蠟塊上打孔，每打完一個孔，控制系統將控制X軸平臺交流伺服電機和Y軸平臺交流伺服電機使X-Y平臺移動一個行間距或列間距，如此循環(huán)，直至所有的受體蠟塊打孔全部完成；再通過控制系統控制轉臺交流伺服電機驅動轉臺，使CCD圖像采集器進入作業(yè)區(qū)；同時控制系統將控制X軸交流伺服電機和Y軸交流伺服電機驅動X-Y滑臺系統，使供體蠟塊進入CCD圖像采集器的識場區(qū)；CCD圖像采集器自動識別供體蠟塊中包埋的組織，確定所要挖取的組織點，然后通過控制系統控制X軸交流伺服電機和Y軸交流伺服電機驅動X-Y滑臺系統，使供體組織的采樣點位于基準點處；驅動轉臺轉動，使組織蠟塊填埋器進入作業(yè)區(qū)，驅動Z軸滑臺下移，采集供體組織；此時根據需要確認填埋孔的位置即列和行，否則系統將默認為從第一行第一列開始填埋，控制系統發(fā)出指令通過X軸交流伺服電機和Y軸交流伺服電機驅動X-Y平臺系統，使空白陣列孔蠟塊進入作業(yè)區(qū)并選定某一空白孔移動到基準點；所需要填埋的空白孔移至基準點后，控制系統控制Z軸滑臺下移使組織蠟塊填埋器開始作業(yè)，此作業(yè)過程是通過四軸聯動運動控制卡的IO口的開斷控制電磁鐵開斷，將組織蠟柱填入空白孔；轉到步驟4，進行下一個組織蠟柱的識別、采集、填埋，整個陣列填埋完畢之后，取下填埋有組織陣列的蠟塊，即完成制備作業(yè)，本系統中X軸、Y軸、Z軸滑臺的每一次移動，各軸滑臺的光柵尺在控制中作為負反饋，構成閉環(huán)控制，每次都將記錄移動的距離，以確定每個陣列孔的絕對坐標，以及各滑臺的位置，以確保運動精度。
本發(fā)明采用自動化控制，在計算機的控制下完成在受體蠟塊上自動制備陣列孔，并采用圖像自動尋優(yōu)算法，從供體蠟塊上自動尋找組織最佳挖取點。運用機器視覺反饋自動控制，自動挖取需要填埋的組織核心，然后自動將所挖取的組織核心填埋到受體陣列孔中。由于采用了自動化控制，可以有效提高工作效率，減少重復工作量，降低廢品比例。


圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖；
圖2是本發(fā)明的控制系統的結構示意圖；圖3是本發(fā)明控制系統的軟件流程圖；圖4是本發(fā)明的軟件操作界面圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。
參見圖1，2，本發(fā)明包括由X軸交流伺服電機、Y軸交流伺服電機控制的X軸滑臺4和Y軸滑臺1組成的X-Y平臺系統，在Y軸滑臺1的上端面固定有受體蠟塊架2和供體蠟塊架3，X軸滑臺4的一側設置有轉臺5和控制轉臺5的轉臺交流伺服電機、轉臺5上固定有Z軸滑臺8和控制Z軸滑臺8的Z軸交流伺服電機，X軸、Y軸、Z軸滑臺均安置光柵尺，各交流伺服電機和光柵尺通訊接口通過四軸聯動運動控制卡13與計算機控制器12相連接，且在Z軸滑臺8上還固定有T型架9，T型架9上分別固定有空白蠟塊打孔器10、與計算機的圖像采集卡14相連接的CCD圖像采集器11以及組織蠟塊填埋器6和電磁鐵7。電磁鐵7用于填埋時候的執(zhí)行器，CCD圖像采集器11主要用于自動獲取組織圖像，通過控制系統實現圖像的自動識別和組織的自動定位。
參見圖3，4，本發(fā)明進入控制系統操作界面，1)點擊系統還原。系統將自動進行標定，根據滑臺的原始零點，將X軸滑臺4的正中心和Y軸滑臺1的正中心確定為X-Y滑臺的基準點，Z軸滑臺中心作為Z軸的基準點；2)在操作界面里輸入需要制備陣列孔的參數行、列、行間距、起始孔的X-Y坐標；通過控制系統控制X軸滑臺交流伺服電機和Y軸滑臺交流伺服電機驅動X-Y滑臺系統，使受體蠟塊進入作業(yè)區(qū)；然后通過控制系統控制轉臺交流伺服電機驅動轉臺5，使空白蠟塊打孔器10進入作業(yè)區(qū)，保證第一個起始打孔點位于基準點處；3)系統確保第一個起始打孔點位于基準點后，驅動Z軸滑臺8，在受體蠟塊上打孔；每打完一個孔，讓X-Y平臺系統自動移動一個行間距或列間距，如此循環(huán)，直至所有的受體蠟塊陣列孔全部完成；4)讓控制系統自動驅動轉臺5，使CCD圖像采集器11進入作業(yè)區(qū)；同時控制系統將控制X軸交流伺服電機和Y軸交流伺服電機驅動X-Y平臺系統，使供體蠟塊進入CCD圖像采集器11的識場區(qū)；5)CCD圖像采集器11自動識別供體蠟塊中包埋的組織，在計算機屏幕上點擊所要挖取的組織點?？刂葡到y驅動X-Y平臺系統使采樣點位于基準點處；驅動轉臺5，使供體蠟塊打孔填埋器進入作業(yè)區(qū)，驅動Z軸平臺8下移動使組織蠟塊填埋器6采集供體組織；6)此時可以在控制系統界面里輸入需要填埋孔的位置(確認列和行)，如果不輸入，控制系統認為從第一行第一列開始填埋。此時由控制系統發(fā)出指令驅動X-Y平臺系統，使受體蠟塊進入作業(yè)區(qū)并選定某一空白孔移動到基準點；7)所需要填埋的受體蠟塊空白孔移至基準點后，控制系統控制Z軸平臺交流伺服電機使Z軸平臺下移，通過組織蠟塊填埋器6的作業(yè)，此作業(yè)過程是通過四軸聯動運動控制卡13的IO口的開斷控制電磁鐵7開斷，將供體蠟塊填入空白孔；8)轉到步驟4，進行下一個組織蠟柱的識別、采集、填埋。整個陣列填埋完畢之后，取下填埋有組織陣列的蠟塊，即完成制備作業(yè)，本系統中X軸、Y軸、Z軸滑臺的每一次移動，各軸滑臺的光柵尺在控制中作為負反饋，構成閉環(huán)控制，每次都將記錄移動的距離，以確定每個陣列孔的絕對坐標，以及各滑臺的位置，以確保運動精度。
本發(fā)明有效的提高了生物組織微陣列芯片加工的效率，降低了對操作人員的專業(yè)技能要求。
以打陣列孔為例，手工制備儀由于對每個打孔位置都需要進行手動定位和調節(jié)，所以效率低下，打10×10的陣列孔熟練的操作員大約需用時40-60分鐘，使用本發(fā)明開發(fā)的儀器只需要操作者一次性輸入行列數和間距數據，余下的工作可由機器在1-2分鐘內完成。
對于組織取樣過程，手工制備儀需要操作員手動尋找蠟塊的組織位置，而且取樣時的操作要求較高的技巧，否則容易提取失敗。使用本發(fā)明可以借助CCD圖像采集器，用鼠標在屏幕上點取組織在蠟塊中的位置后，計算機自動確定需要挖取的組織位置，儀器自動高質量地完成組織提取。
本發(fā)明最顯著的優(yōu)點體現在對已取樣組織向陣列空孔的回填過程中。手工儀器需要操作員仔細將取樣針調節(jié)到陣列孔的每個空孔上方，這個過程需要反復調節(jié)才能保證回填質量，所以費時費力，對操作員要求也很高，稍有疏忽就容易出廢品。使用本發(fā)明的操作員只需要用鼠標點擊一下回填按鈕，系統就會自動按照制定的行列號或者默認順序將組織準確回填，提高了效率十幾倍甚至幾十倍，同時保證了回填質量。
權利要求
1.生物組織微陣列芯片自動制備儀，包括由X軸滑臺[4]和Y軸滑臺[1]組成的X-Y工作臺系統，在Y軸滑臺[1]的上端面固定有受體蠟塊架[2]和供體蠟塊架[3]，X軸滑臺[4]的一側設置有轉臺[5]、轉臺[5]上固定有Z軸滑臺[8]，Z軸滑臺[8]上固定有T型架[9]，其特征在于X軸滑臺[4]、Y軸滑臺[1]、Z軸滑臺[8]和轉臺[5]分別連接有用于控制各滑臺的X軸交流伺服電機、Y軸交流伺服電機、Z軸交流伺服電機和轉臺交流伺服電機，X軸、Y軸、Z軸滑臺均安置光柵尺，各交流伺服電機和光柵尺通訊接口通過四軸聯動運動控制卡[13]與計算機控制器[12]相連接，T型架[9]上分別固定有空白蠟塊打孔器[10]、與計算機的圖像采集卡[14]相連接的CCD圖像采集器[11]以及組織蠟塊填埋器[6]和電磁鐵[7]。
2.一種基于權利要求1所述生物組織微陣列芯片自動制備儀的控制方法，其特征在于1)首先根據X軸滑臺[4]的原始零點，將X軸滑臺[4]的正中心和Y軸滑臺[1]的正中心確定為X-Y滑臺的基準點，Z軸滑臺[8]的中心作為Z軸的基準點，將受體蠟塊和供體蠟塊放置在受體蠟塊架[2]和供體蠟塊架[3]上；2)設定需要制備的受體蠟塊的行、列、行間距陣列孔的參數、起始孔的X-Y坐標，通過控制系統控制X軸滑臺交流伺服電機和Y軸滑臺交流伺服電機驅動X-Y滑臺系統，使受體蠟塊進入作業(yè)區(qū)；然后通過控制系統控制轉臺交流伺服電機驅動轉臺[5]，使空白蠟塊打孔器[10]進入作業(yè)區(qū)，保證第一個起始打孔點位于基準點處；3)然后驅動Z軸滑臺[8]下移通過空白蠟塊打孔器[11]受體蠟塊上打孔，每打完一個孔，控制系統將控制X軸平臺交流伺服電機和Y軸平臺交流伺服電機使X-Y平臺移動一個行間距或列間距，如此循環(huán)，直至所有的受體蠟塊打孔全部完成；4)再通過控制系統控制轉臺交流伺服電機驅動轉臺[5]，使CCD圖像采集器[11]進入作業(yè)區(qū)；同時控制系統將控制X軸交流伺服電機和Y軸交流伺服電機驅動X-Y滑臺系統，使供體蠟塊進入CCD圖像采集器[11]的識場區(qū)；5)CCD圖像采集器[11]自動識別供體蠟塊中包埋的組織，確定所要挖取的組織點，然后通過控制系統控制X軸交流伺服電機和Y軸交流伺服電機驅動X-Y滑臺系統，使供體組織的采樣點位于基準點處；驅動轉臺[5]轉動，使組織蠟塊填埋器[6]進入作業(yè)區(qū)，驅動Z軸滑臺下移，采集供體組織；6)此時根據需要確認填埋孔的位置即列和行，否則系統將默認為從第一行第一列開始填埋，控制系統發(fā)出指令通過X軸交流伺服電機和Y軸交流伺服電機驅動X-Y平臺系統，使空白陣列孔蠟塊進入作業(yè)區(qū)并選定某一空白孔移動到基準點；7)所需要填埋的空白孔移至基準點后，控制系統控制Z軸滑臺下移使組織蠟塊填埋器[6]開始作業(yè)，此作業(yè)過程是通過四軸聯動運動控制卡[13]的IO口的開斷控制電磁鐵[7]開斷，將組織蠟柱填入空白孔；轉到步驟4，進行下一個組織蠟柱的識別、采集、填埋，整個陣列填埋完畢之后，取下填埋有組織陣列的蠟塊，即完成制備作業(yè)，本系統中X軸、Y軸、Z軸滑臺的每一次移動，各軸滑臺的光柵尺在控制中作為負反饋，構成閉環(huán)控制，每次都將記錄移動的距離，以確定每個陣列孔的絕對坐標，以及各滑臺的位置，以確保運動精度。
全文摘要
生物組織微陣列芯片自動制備儀，包括X－Y工作臺系統，在Y軸滑臺的上端面固定有受體蠟塊架和供體蠟塊架，X軸滑臺的一側設置有轉臺和Z軸滑臺，Z軸滑臺上固定有T型架，各滑臺和轉臺分別連接有用于控制各滑臺和轉臺的交流伺服電機，X軸、Y軸、Z軸滑臺均安置光柵尺，各交流伺服電機和光柵尺通訊接口通過四軸聯動運動控制卡與計算機相連接，T型架上分別固定有空白蠟塊打孔器、與計算機的圖像采集卡相連接的CCD圖像采集器及組織蠟塊填埋器和電磁鐵。本發(fā)明采用自動化控制，并采用圖像自動尋優(yōu)法，從供體蠟塊上自動尋找組織最佳挖取點。運用機器視覺反饋自動控制挖取需要填埋的組織核心，然后自動將所挖取的組織核心填埋到受體陣列孔中。
文檔編號C12Q1/68GK1635157SQ200410073180
公開日2005年7月6日 申請日期2004年11月8日 優(yōu)先權日2004年11月8日
發(fā)明者蔣莊德, 王朝暉, 孟濤, 張群明, 于昱, 王騰 申請人:西安交通大學, 陜西西大北美基因股份有限公司