本文作者Workren

显微镜发明至今已超过百年，虽然结构上的各个部件都有了翻天覆地的进步，但有一点至今没有显著提升：需要人工来观测。

人工观测可以分为两个层面：
1、基本面：人工操作显微镜，一个视野一个视野地观察。
2、决策面：人脑处理图像对观测物做出评估，得出结论。

数字化病理也可以分为两个层面：

1、自动显微拍摄，效率是人工阅片拍照的几百倍甚至上千倍，样本照片拍摄后观察者可在监视器上全面浏览，自由放大或缩小；更为重要的是数据可以快速传输，极大地方便了会诊或病例讨论，这是目前数字化病理主要功能。

2、自动化分析，计算机自动对样本进行评估，找出有病理变化的组织结构或细胞，或定量分析某些指标，提高阅片的效率与准确率。目前这个功能还未能到实际应用阶段，针对细胞级的病理图像分析已经逐步应用，如外周血血涂片自动分类、液基宫颈细胞片的自动阅片，机器视觉分析已经可以替代人工观察；但对于组织切片样本的自动化分析，由于其判断依据参数众多，样本差异大，目前还未见可靠方法可以使用。

在目前的技术条件下，实现自动显微拍摄这个功能是小事一件，关键在于生物样本的自动扫描这个市场容量较小，没有大型的工业自动化厂家投入精力关注，所以发展比较缓慢。很多工业级使用全自动显微扫描仪精度都远远超过扫描生物样本的需求，但绝大多数没法用于病理扫描，因为工业是使用落射照明的。

数字病理扫描仪需要什么样的硬件呢？1、XY轴电动平台；2、Z轴自动升降；3、数字相机。很简单，XY电动平台代替人的双手来自动移动载物台；Z轴自动升降来自动聚焦；数字相机替代人眼拍摄图像。所以数字化病理扫描仪就是一个自动显微拍照机，自动将样本扫描出来。

能XYZ三轴联动的显微平台很多，价格从人民币5万元至100多万元不等，那这些硬件之间有什么差别呢？实际上差别不大。

1、XY移动平台：由传动系统、定位系统和金属块构成。便宜的使用步进马达，丝杆传动，这是最经典的组合，性价比高，平台移动速度基本上可超过30MM每秒，对于玻片扫描足够使用。定位系统可以通过旋转编码器，即计数马达转动次数来估算平台位置，简单有效，重复定位精度也可以达到6～10微米以内；平台的移动精度由转动的锣丝杆决定，丝杆越细密，传动分辨率越高，可至50纳米。如果要进一步提高定位精度，可使用光栅尺，重复定位精达可达到1微米以内。对于病理扫描，最传统的移动平台速度与精度足够使用，成本低廉。当然也有使用新的驱动方式，如直线电机，通过电磁力传动，速度可达每秒米级，这个在工业上的数控机床上更有意义，但在目前高价病理扫描仪上也使用这种驱动。XY平台在移动过程中，不能出现显著的高低起伏，因为会影响后面扫描过程的聚焦，就好比换个视野要重新从低倍镜开始找焦距，会十分麻烦。所以平台的平面度也是XY平台的一个技术指标，这个平面度是由XY的移动导轨决定的，高质量的导轨整体平整度差异可以控制在2微米之内，但导轨越长，其平整度差异就越大，这个部件属于光学精密部件，价格是以千元计的，进口的为主。有了这些运动部件，要使这些部件有序地运动，就需要控制系统，现成的工业运动控制卡可以很好地组织这些部件运动，只是价格以千计，有些小贵。通过以上介绍，XY移动平台的组成都是由成熟的工业化零部件构成，稳定性、精确性的差别在于平台的设计、用材，要达到病理扫描精度的技术要求不高，所以绝大多数自动化部件生产商都可生产。

2、Z轴控制，即显微镜调焦钮所发挥的功能，是显微镜的核心所在。国产显微镜与进口产品的差别也在于此，即齿轮精密度与耐磨度，就如同前面讨论的导轨一样，东西虽小但技术含量很高，需要积累与投入才能生产，进口为主。手工调焦时，只要齿轮足够好就很容易得到准确的焦平面，机器调焦时，就需Z轴控制精度十分高，分辨率基要需要在50nm左右，如果要到指定的高度，重复定位精度要在0.5um左右，因为40倍镜头的景深约为1um，100倍油镜的景深约为0.3um，所以扫描仪要准确地快速扫描样本，就需要精密控制Z轴。首先Z轴的精度要达到要求，即分辨率在50nm，定位精度需在1um以内，传统的步进马达、直线电机都可以达到这个分辨率，定位精度需要依靠高分辨率的光栅尺来达成，成本比较高。最新的材料是压电陶瓷驱动镜头，它的分辨率可以达到10nm，重复定位精度可以达到100nm，但整体移动行程较小，约100um左右，整体成本较高，以万计。如果扫描过程中，仪器是一个视野接一个视野地进行拍摄，每秒拍摄的数量越多，速度就越快。由于玻片放置的不平整性，整个样本平面并不是与镜头完全垂直，故基本上每拍一个视野，都需调节Z轴的高度。为了维持一个高速、精准的调节频率，Z轴控制的用材与控制方法就十分讲究。这也是整个病理扫描仪的核心所在。主流的方法有以下两种：方法一，扫描时，在扫描区域选取三个以上的聚焦点自动聚焦，系统自动计算出样本的焦平面，平台运动到相应坐标时，系统计算出的Z轴高度，XY与Z轴联动从而拍摄到清晰的图像。如果控制不好，扫描的效果就差。运用这个方法，有假设前提，即1、XY平台的平整的，水平起伏在镜头景深以内；2、玻片是平整的，水平起伏在镜头景深以内；3、样本是平整的，水平起伏在镜头景深以内；只有满足以上三点时，这个方法才能扫描出清晰的图像；方法二，实时测距，即在当下获知镜头与样本之间对焦的高度，目前市场上成熟、现成的实时测焦系统，可以清晰地扫描出样本，特别是对于平面不平整的样本，方法也会失效。在一些最贵的扫描系统上装载有这个实时测距系统，单独购买以十万计。

3， 数字相机，几乎人人都在使用。能用于病理拍摄的数字相机，几百元的摄像头都能胜任，只不过因为面子问题，没人用。用于显微镜拍摄的相机我们必须花几千或几万元，虽然只值几百，不然不好意思装上去啊。色彩还原最好的、分辨最高的拍摄工具还是胶卷，其次是单反相机（性价比超高，可是由于机械快门，没法用于扫描，拍摄没有任何问题，5000元搞定），傻瓜相机及摄像头都可以，可惜没有转接口可以用。看到几百上千万像素的CMOS芯片千万不要以为很贵，这个东西就是几百元。如果你像做摄像头一样采购，可能就几十块钱一个。但是如果要用于快速连续扫描，对相机的要求还是很高的。目前有两种相机在用，一：线阵相机，这个曾用于滚桶拍摄，即拍摄旋转在圆形物上的或可成像面积很小的，移运速度很快的东西。这种相机只有狭长型的成像面，样本在它下面移动，连续拍摄，最终拼接出完成的图像；二：面阵相机，把线阵相机拉宽些，面阵相机切小了就成了线阵相机了，任何一台面阵相机都可以当作线阵相机使用。所以被线阵相机高价忽悠的同学要小心了，别再上当了。在显微扫描仪上拼相机性能从以下方面入手：1、相机成像靶面像元的大小，如果一个大靶面成像芯片，它只有一个像元，那他的分辨就是零，所以理论上像元越小，分辨率越高；2、靶面大小，越大，单次拍摄的范围越大；3、帧率，每秒拍摄次数，高速的可以达到每秒几百帧；4、芯片种类与曝光类型，CCD与CMOS，全局曝光还是逐行曝光。在显微扫描时，推荐使用CCD全局曝光相机，像元大小约4um左右，每秒输出总像素在8000万至1.5亿个。用足这个机相，使用400倍放大来扫描1.5平方厘米的理论时间为（按1亿个像素每秒）：22.5秒。秒杀所有目前高速扫描仪啊！

总结，显微扫描的核心是XY与Z轴和相机的联动，Z轴和相机的频率决定了扫描的速度，在广阔的零部件市场中精心挑选，你会发现打破记录原来是这么简单啊。