RU2418316C1

RU2418316C1 - Method of creating virtual model of biological object and device for realising said method

Info

Publication number: RU2418316C1
Application number: RU2009133382/14A
Authority: RU
Inventors: Алексей Анатольевич Терпиловский (RU); Алексей Анатольевич Терпиловский; Алексей Леонидович Кузьмин (RU); Алексей Леонидович КУЗЬМИН; Регина Алексеевна Лукашкина (RU); Регина Алексеевна Лукашкина
Original assignee: Алексей Анатольевич Терпиловский; Алексей Леонидович КУЗЬМИН; Регина Алексеевна Лукашкина
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-05-10
Also published as: RU2009133382A; WO2011028151A1

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of creating a virtual model of a biological object involves fixing the biological object using cementing material in a three-dimension figure to form a specimen and dividing it into multiple parallel layers in a given sequence, obtaining an image of each layer of the specimen in digital format, entering the obtained image of each layer into a digital image processing unit to obtain a three-dimensional virtual image of each layer, merging the obtained virtual images of the multiple layers into a sequence which is the reverse of the given sequence until a virtual model of the specimen is obtained and deleting the image of the cementing material to obtain a virtual model of the biological object. Before fixing, the biological object is instantly frozen at cryogenic temperatures. The biological object is fixed by freezing the cementing material and the specimen is divided into layers in closed space by successively cutting the selected plane of the specimen with a discrete step of not more than 50 mcm. The image of each layer in digital form is obtained from the surface of the specimen formed after each cutting step. The device for realising the method has a unit for mounting the biological object, a rotating mechanism with cutting elements in form of cutters designed to divide the specimen with the biological object into layers, and a cooling cabinet in which the unit for mounting the biological unit is mounted with possibility of linear displacement in the longitudinal direction and with possibility of discrete linear displacements in the cross direction. The device also has an apparatus for obtaining digital images of the specimen, a unit for processing digital images of the specimen, and a control unit connected to the rotation mechanism with cutting elements in form of cutters, a mechanism for linear displacement of the unit for mounting the biological object in the longitudinal direction, a mechanism for discrete linear displacement of the unit for mounting the biological object in the cross direction and apparatus for obtaining digital images of the specimen.

EFFECT: use of the invention increases reliability of three-dimensional reconstruction of a pathology-biological object by avoiding distortion of its structure and form.

21 cl, 7 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к компьютерному моделированию объектов, преимущественно биологического происхождения, а более конкретно изобретение касается способа создания виртуальной модели биологического объекта и устройства для осуществления этого способа.The claimed invention relates to computer modeling of objects, mainly of biological origin, and more specifically, the invention relates to a method for creating a virtual model of a biological object and device for implementing this method.

Изобретение найдет применение при формировании анатомических атласов и учебных пособий для вузов и научно-исследовательских институтов медико-биологического профиля. Кроме того, получаемая виртуальная модель биологического объекта может быть использована при решении ряда анатомо-биологических вопросов, в том числе о взаимном пространственном расположении органов и составляющих их структур, о позиционировании инструмента во время хирургических вмешательств, об объемном воздействии на орган хирургических и других лечебных мероприятий, например трансмиокардиальной реваскуляризации.The invention will find application in the formation of anatomical atlases and textbooks for universities and research institutes of biomedical profile. In addition, the resulting virtual model of a biological object can be used to solve a number of anatomical and biological issues, including the relative spatial arrangement of organs and their constituent structures, the positioning of the instrument during surgical interventions, and the volumetric effect of surgical and other therapeutic measures on the organ , for example transmyocardial revascularization.

Все известные в настоящее время способы визуализации внутренних органов человека и животных основаны на получении отраженных и, значит, только предполагаемо достоверных изображений, несущих в себе погрешности и искажения, обусловленные многоэтапностью поступления данных. Кроме того, получаемые трехмерные модели внутренних органов являются продуктом компьютерной графики, построение которых осуществляется на основании двухмерных изображений слоев, на которые "разделяют" внутренний орган при сканировании. При этом изображения торцевых поверхностей каждого слоя, как и информация о структуре его тканей, отсутствуют. Получаемая модель исследуемого органа не позволяет достаточно уверенно различать ткани, находящиеся в норме и в патологии, ибо патологические изменения тканей (особенно на начальной стадии), как правило, проходят на химическом уровне без изменения протонной плотности и времени релаксаций, а используемые инструменты исследования и последующей визуализации не обеспечивают накопления данных на этом уровне знаний. При изучении органа по модели, полученной известными методами, исследователь не получает полных и достоверных сведений о строении и структуре исследуемого органа. Более того, все известные способы сопровождаются воздействием на организм пациента излучением, не являющимся для организма привычными и безопасными.All currently known methods of visualizing the internal organs of humans and animals are based on obtaining reflected and, therefore, only presumably reliable images that carry in themselves errors and distortions due to the multi-stage arrival of data. In addition, the resulting three-dimensional models of internal organs are a product of computer graphics, the construction of which is carried out on the basis of two-dimensional images of the layers into which the internal organ is "divided" during scanning. Moreover, images of the end surfaces of each layer, as well as information on the structure of its tissues, are absent. The resulting model of the studied organ does not allow us to confidently distinguish between tissues that are normal and pathological, because pathological changes in tissues (especially at the initial stage), as a rule, take place at the chemical level without changing the proton density and relaxation time, and the research tools used and subsequent visualizations do not provide data accumulation at this level of knowledge. When studying the organ according to the model obtained by known methods, the researcher does not receive complete and reliable information about the structure and structure of the studied organ. Moreover, all known methods are accompanied by exposure to the patient’s body with radiation, which is not familiar and safe for the body.

Так известен способ образования на дисплее трехмерного изображения внутреннего органа живого организма, исследуемого с помощью ультразвукового сигнала (патент РФ 2125836, опубл. 10.02.99, МПК А61В 8/14). В соответствии с этим способом осуществляют сканирование исследуемого органа ультразвуковым сигналом, который после отражения усиливают и преобразуют в цифровой сигнал. После соответствующей обработки в компьютере цифровой сигнал поступает на экран дисплея в виде двухмерного изображения органа в плоскости направления сканирующего сигнала. В соответствии с этим способом ультразвуковой сигнал последовательно и дискретно смещают по исследуемому органу, тем самым условно разделяя орган на слои и послойно его сканируя, и регистрируют в виде цифровых выражений последовательную серию двухмерных изображений этих слоев. На основании полученных цифровых выражений в компьютере осуществляют синтез трехмерного изображения просканированного органа путем межслойной интерполяции с использованием вексельной модели представления цифровых сигналов. Это позволяет перейти от плоскостных двухмерных изображений слоев к их объемным изображениям толщиной в один вексель и, рассматривая трехмерный орган как совокупность одновоксельных слоев, их просуммировать, то есть осуществить виртуальную реконструкцию исследуемого органа.So there is a known method of forming on the display a three-dimensional image of the internal organ of a living organism, studied using an ultrasonic signal (RF patent 2125836, publ. 10.02.99, IPC АВВ 8/14). In accordance with this method, the test organ is scanned with an ultrasonic signal, which, after reflection, is amplified and converted into a digital signal. After the corresponding processing in the computer, the digital signal enters the display screen in the form of a two-dimensional image of the organ in the direction plane of the scanning signal. In accordance with this method, the ultrasonic signal is sequentially and discretely displaced along the organ under study, thereby conditionally dividing the organ into layers and scanning it in layers, and record in digital form a sequential series of two-dimensional images of these layers. Based on the digital expressions obtained, a three-dimensional image of the scanned organ is synthesized in a computer by interlayer interpolation using a bill model of digital signals. This allows us to switch from planar two-dimensional images of layers to their volumetric images with a thickness of one bill and, considering a three-dimensional organ as a set of monovoxel layers, add them up, that is, carry out a virtual reconstruction of the organ under study.

Известно устройство, обеспечивающее трехмерную визуализацию внутреннего органа живого организма (патент США №5396890, опубл. 30.09.93, МПК А61В 8/00), содержащее ультразвуковой датчик, одноканальный приемопередатчик, устройство электронного сканирования ультразвуковым пучком датчика, устройство механического перемещения датчика с системой определения его текущих координат, конвертор, блок памяти, процессор и дисплей для визуализации двумерных и трехмерных изображений.A device is known that provides three-dimensional visualization of the internal organ of a living organism (US patent No. 5396890, publ. 30.09.93, IPC АВВ 8/00), containing an ultrasonic sensor, a single-channel transceiver, an electronic scanning device using an ultrasonic sensor beam, a device for moving the sensor mechanically with a detection system its current coordinates, a converter, a memory unit, a processor and a display for rendering two-dimensional and three-dimensional images.

Указанное устройство имеет существенные недостатки, основными из которых являются большие временные затраты на построение трехмерных изображений, определяемые длительностью вычислительных операций по определению текущих координат датчика и значительным разбросом разрешающей способности устройства по пространственным координатам по всей области обзора.The specified device has significant drawbacks, the main of which are the large time costs for building three-dimensional images, which are determined by the duration of the computational operations to determine the current coordinates of the sensor and a significant dispersion of the resolution of the device in spatial coordinates throughout the field of view.

В качестве прототипа выбран способ создания виртуальной модели патолого-биологического препарата (RU, 2173480, опубл. 2173480, МПК G09B 23/30), включающий фиксирование препарата с помощью заливочного материала в объемной фигуре с образованием образца. Далее проводят разделение образца и, соответственно, зафиксированного препарата параллельными плоскостями в заданной последовательности на множество параллельных слоев. Разделение препарата осуществляют на слои в виде срезов толщиной не 1-10 мкм, согласно традиционным гистологическим методикам, а значительно более, чтобы на практике свести к минимуму необратимое деформирование, коробление срезов патолого-биологического препарата. Далее получают в цифровом формате изображение каждого среза, при этом наблюдают значительные потери информации по толщине среза.As a prototype, a method for creating a virtual model of a pathological biological preparation (RU, 2173480, publ. 2173480, IPC G09B 23/30) was selected, which involves fixing the drug using filling material in a three-dimensional figure to form a sample. Then, the sample and, accordingly, the fixed preparation are separated by parallel planes in a given sequence into many parallel layers. Separation of the drug is carried out into layers in the form of slices with a thickness of not 1-10 microns, according to traditional histological methods, but much more, in practice, to minimize irreversible deformation and warping of the slices of the pathological biological preparation. Next, a digital image of each slice is obtained, while significant loss of information on the thickness of the slice is observed.

Полученные изображения каждого среза в цифровом формате вводят в блок обработки цифровых изображений с получением трехмерного виртуального отображения каждого среза. Совмещают полученные виртуальные отображения множества срезов в последовательности, обратной осуществлению разделения образца, при этом с помощью программной обработки достигают реконструкцию образца и получение его виртуальной модели. Затем с помощью программной обработки удаляют изображения заливочного материала и получают виртуальную модель патолого-биологического препарата.The obtained images of each slice in digital format are input into the digital image processing unit to obtain a three-dimensional virtual display of each slice. The obtained virtual displays of a plurality of slices are combined in the sequence opposite to the implementation of sample separation, and with the help of software processing, reconstruction of the sample and obtaining of its virtual model are achieved. Then, using the software processing, the images of the filling material are removed and a virtual model of the pathological biological preparation is obtained.

Одним из известных и наиболее близких к заявленному изобретению устройств для получения гистологических срезов является система и способ для автоматической обработки образцов тканей (заявка WO 00/62035, МПК G01N 1/06, опубл. 19.10.2000), в которой имеется узел крепления биологического объекта, средство для разделения биологического объекта на слои, выполненное с возможностью циклического взаимодействия с биологическим объектом, и средство визуализации изображения биологического объекта.One of the known and closest to the claimed invention devices for obtaining histological sections is a system and method for the automatic processing of tissue samples (application WO 00/62035, IPC G01N 1/06, publ. 19.10.2000), in which there is a mounting unit for a biological object , means for dividing the biological object into layers, configured to cyclically interact with the biological object, and means for visualizing the image of the biological object.

В описанной системе средство для разделения биологического объекта на слои представляет собой нож микротома, воздействующий на неподвижно закрепленный образец, помещенный в заливочный материал, в частности в парафин. Нож микротома обеспечивает получение гистологического среза биологического объекта, который помещают в принимающую среду и подвергают морфологическому исследованию с помощью средства визуализации, например микроскопа или средства получения изображении, например цифровой фотокамеры.In the described system, the means for separating the biological object into layers is a microtome knife, acting on a fixed sample placed in a casting material, in particular in paraffin. A microtome knife provides a histological section of a biological object, which is placed in a receiving medium and subjected to morphological examination using visualization tools, such as a microscope or imaging tools, such as a digital camera.

Указанный способ позволяет создать и визуализировать на экране дисплея аналог исходного девитального органа за счет использования информационных каналов, обеспечивающих исследователя данными о внутреннем объеме - структуре органа. Однако при применении указанных способа и оборудования получаемая информация о строении и состоянии исходного биологического объекта недостоверна, так как снимается с подготовленных по традиционным гистологическим методикам срезов, полученных посредством ножа микротома. Получаемые срезы имеют существенные необратимые искажения и деформации, например, такие как смятия, разрывы поверхностей биологического объекта, микро- и макровывихи его тканей, что обусловлено физикой процесса получения срезов. Из-за деформаций среза в процессе разделения биологического объекта, искажения формы среза при его гистологической обработке реконструкция исходного биологического объекта на практике может быть только фрагментарная. Кроме того, используемая методика разделения биологического объекта посредством ножа микротома не позволяет получать срезы тканей с различной плотностью, например мышечной ткани и/или костной ткани. Поэтому имеет место ограничение по получению виртуальной модели биологического объекта, состоящего только из мышечных тканей. Низкое разрешение характеристики виртуальной модели биологического объекта приводит к детализации, недостаточной для специалиста-морфолога, а большое количество искажений каждого среза не позволяет создать полностью идентичную виртуальную модель исходного биологического объекта.The specified method allows you to create and visualize on the display screen an analogue of the original devital organ through the use of information channels that provide the researcher with data on the internal volume - the structure of the organ. However, when using the indicated method and equipment, the obtained information about the structure and condition of the original biological object is unreliable, since it is removed from sections prepared by traditional histological methods obtained using a microtome knife. The resulting slices have significant irreversible distortions and deformations, for example, such as crushing, tearing of the surfaces of a biological object, micro- and macro-dislocation of its tissues, which is due to the physics of the process of obtaining slices. Due to the deformation of the slice during the separation of the biological object, the distortion of the shape of the slice during its histological processing, the reconstruction of the original biological object in practice can only be fragmentary. In addition, the technique used to separate a biological object using a microtome knife does not allow tissue sections with different densities, for example muscle tissue and / or bone tissue, to be obtained. Therefore, there is a restriction on obtaining a virtual model of a biological object consisting only of muscle tissue. The low resolution of the characteristics of the virtual model of a biological object leads to detailing insufficient for a specialist morphologist, and the large number of distortions of each slice does not allow creating a completely identical virtual model of the initial biological object.

В основу заявляемого изобретения положена задача путем изменения условий получения срезов биологического объекта создать такой способ и такое устройство, реализующее названный способ, которые обеспечили бы исключение искажений структуры и формы биологического объекта, то есть обеспечили бы создание виртуальной модели биологического объекта, имеющей строение и структуру, практически идентичную строению и структуре тканей и клеток исходного биологического объекта.The basis of the claimed invention is the task of changing the conditions for obtaining slices of a biological object to create such a method and such a device that implements the named method, which would ensure the elimination of distortion of the structure and shape of the biological object, that is, would ensure the creation of a virtual model of a biological object with structure and structure, almost identical to the structure and structure of tissues and cells of the original biological object.

Технический эффект, который может быть достигнут при использовании предлагаемого способа создания виртуальной модели биологического объекта и реализующего его устройства, заключается в возможности исключить искажения структуры и формы биологического объекта и осуществить достоверную объемную трехмерную реконструкцию любого патолого-биологического объекта независимо от плотности его тканей и однородности их структуры, то есть обеспечить создание виртуальной модели биологического объекта, имеющей строение и структуру, практически идентичную строению и структуре тканей и клеток исходного биологического объекта.The technical effect that can be achieved by using the proposed method for creating a virtual model of a biological object and the device that implements it consists in the possibility of eliminating distortions in the structure and shape of the biological object and performing reliable three-dimensional reconstruction of any pathological biological object, regardless of the density of its tissues and their uniformity structure, that is, to ensure the creation of a virtual model of a biological object having a structure and structure, practically identical to the structure and composition of tissue and cells of the starting biological object.

Эта задача решается при создании способа создания виртуальной модели биологического объекта, включающего фиксирование биологического объекта с помощью заливочного материала в объемной фигуре с образованием образца и разделение его на множество параллельных слоев в заданной последовательности, получение изображения каждого слоя образца в цифровом формате, введение полученного изображения каждого слоя в блок обработки цифровых изображений с получением трехмерного виртуального отображения каждого слоя, совмещение полученных виртуальных отображений множества слоев в последовательности, обратной заданной, до получения виртуальной модели образца и удаление изображения заливочного материала с получением виртуальной модели биологического объекта, в котором, согласно изобретению, перед фиксированием биологический объект моментально замораживают при криогенных температурах, биологический объект фиксируют путем замораживания заливочного материала, а разделение на слои образца проводят в замкнутом пространстве путем последовательного фрезерования выбранной плоскости образца с дискретным шагом, равным не более 50 мкм, при этом изображение каждого слоя в цифровом формате получают с поверхности образца, сформированной в результате выполнения каждого шага фрезерования.This problem is solved when creating a method for creating a virtual model of a biological object, including fixing a biological object using filling material in a three-dimensional figure with the formation of a sample and dividing it into many parallel layers in a given sequence, obtaining an image of each layer of the sample in digital format, introducing the resulting image of each layer in the digital image processing unit to obtain a three-dimensional virtual display of each layer, combining the resulting virtual mappings of a plurality of layers in the reverse order to obtain a virtual model of the sample and remove the image of the casting material to obtain a virtual model of a biological object, in which, according to the invention, before fixing the biological object is instantly frozen at cryogenic temperatures, the biological object is fixed by freezing the filling material , and the separation into layers of the sample is carried out in a confined space by sequential milling of the selected plane the bones of the sample with a discrete step equal to not more than 50 μm, while the image of each layer in digital format is obtained from the surface of the sample formed as a result of each milling step.

Особенность заявляемого изобретения состоит в том, что в качестве заливочного материала используют криоагент.A feature of the claimed invention is that a cryoagent is used as filling material.

Согласно изобретению полезно фрезерование осуществлять с дискретным шагом, выбранным в интервале от 1,0 до 2,0 мкм.According to the invention, it is useful to perform milling with a discrete step selected in the range from 1.0 to 2.0 μm.

Согласно изобретению целесообразно, чтобы температуру, при которой осуществляют разделение образца на слои, устанавливали в интервале от - 25°С до -30°С.According to the invention, it is advisable that the temperature at which the separation of the sample into layers is set in the range from −25 ° C. to −30 ° C.

Заявленный способ обеспечивает осуществление достоверной объемной трехмерной реконструкции любого патолого-биологического объекта независимо от плотности его тканей и однородности их структуры. Благодаря тому что исследуется поверхность объекта после каждого цикла срезания слоя, а не сам срезанный слой объекта, как делается по известным методикам, представляется возможным исключить негативные особенности, связанные с большим количеством искажений каждого среза, и обеспечить визуализацию всех анатомических особенностей зафиксированного в образце биологического объекта и его внутренних структур на уровне тканей и клеток.The claimed method provides a reliable three-dimensional volumetric reconstruction of any pathological biological object, regardless of the density of its tissues and the uniformity of their structure. Due to the fact that the surface of the object is examined after each cycle of cutting the layer, and not the cut layer of the object itself, as is done by known methods, it seems possible to eliminate the negative features associated with a large number of distortions of each section and provide visualization of all the anatomical features of the biological object recorded in the sample and its internal structures at the level of tissues and cells.

Поставленная задача также решена созданием устройства для создания виртуальной модели биологического объекта, включающего основание, узел крепления образца, средство для разделения образца на слои, выполненное с возможностью циклического взаимодействия с образцом, и средство визуализации изображения биологического объекта, включающее средство получения цифровых изображений образца, выполненное с возможностью формирования группы цифровых изображений образца по срезаемым слоям и связанное через блок обработки изображений образца с блоком управления, в котором, согласно изобретению, в продольном направлении основания установлен холодильный шкаф, с первой стороны которого в продольном направлении на основании установлен первый стол, на котором размещен механизм линейных перемещений узла крепления образца в продольном направлении, выполненный с возможностью возвратно-поступательных перемещений узла крепления образца из первого крайнего положения во второе крайнее положение, и второй стол, установленный на первом столе в поперечном направлении, снабженный механизмом дискретных линейных перемещений узла крепления образца в поперечном направлении, имеющим шаг, соответствующий толщине срезаемого слоя образца, при этом второй стол связан с узлом крепления образца с возможностью размещения последнего в холодильном шкафу, со второй стороны которого, противоположной первой, на основании установлено средство для разделения образца на слои, представляющее собой механизм вращения с фрезой, введенной в холодильный шкаф, при этом блок обработки изображений образца выполнен с возможностью удаления изображения заливочного материала и формирования виртуального изображения биологического объекта, а к блоку управления подключены механизм вращения, механизм линейных перемещений узла крепления образца в продольном направлении и механизм дискретных линейных перемещений узла крепления образца в поперечном направлении.The problem is also solved by creating a device for creating a virtual model of a biological object, including a base, a sample attachment unit, means for dividing the sample into layers, made with the possibility of cyclic interaction with the sample, and means for visualizing the image of the biological object, including means for obtaining digital images of the sample, made with the possibility of forming a group of digital images of the sample along the cut layers and connected through the sample image processing unit a control unit in which, according to the invention, a refrigerating cabinet is installed in the longitudinal direction of the base, on the first side of which in the longitudinal direction of the base there is a first table on which the linear movement mechanism of the specimen attachment unit is arranged in the longitudinal direction, arranged for reciprocating movements the sample mount from the first extreme position to the second extreme position, and a second table mounted on the first table in the transverse direction, equipped with a mechanical the ism of discrete linear displacements of the specimen attachment unit in the transverse direction, having a step corresponding to the thickness of the cut-off layer of the specimen, while the second table is connected to the specimen attachment unit with the possibility of placing the latter in the refrigerator, on the second side of which is opposite to the first, means for separation of the sample into layers, which is a rotation mechanism with a cutter inserted into the refrigerator, while the image processing unit of the sample is configured to remove expressions potting material and forming a virtual image of a biological object, a control unit connected to the rotation mechanism, the mechanism fitting linear sample displacement in the longitudinal direction and the linear displacement mechanism discrete node in the transverse direction of the sample mount.

Согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство содержало группу осветительных приспособлений, расположенных вне холодильного шкафа и выполненных с возможностью фокусирования излучения на образце.According to the invention, it is advisable that the device contains a group of lighting devices located outside the refrigerator and made with the possibility of focusing radiation on the sample.

Согласно изобретению конструктивно предпочтительно, чтобы с первой стороны холодильного шкафа на его первой боковой стенке выполнена продольная прорезь для возвратно-поступательных перемещений узла крепления образца.According to the invention, it is structurally preferable that a longitudinal slot is made on the first side of the refrigerator on its first side wall for reciprocating movements of the sample attachment unit.

Согласно изобретению полезно, чтобы устройство содержало средство перекрывания продольной прорези, установленное на первой боковой стенке холодильного шкафа и выполненное с возможностью перекрывания продольной прорези.According to the invention, it is advantageous for the device to comprise means for overlapping a longitudinal slot mounted on a first side wall of the refrigerator and configured to overlap a longitudinal slot.

Согласно изобретению конструктивно предпочтительно, чтобы средство перекрывания продольной прорези включало две гофрированные шторки, расположенные по обе стороны от узла крепления образца и механически с ним связанные, и продольные направляющие, выполненные на первой боковой стенке холодильного шкафа.According to the invention, it is structurally preferable that the means for overlapping the longitudinal slots include two corrugated shutters located on both sides of the sample attachment unit and mechanically connected with it, and longitudinal guides made on the first side wall of the refrigerator.

Согласно изобретению конструктивно предпочтительно, чтобы со второй стороны холодильного шкафа на его второй боковой стенке было выполнено окно, расположенное напротив зоны размещения средства получения цифровых изображений образца.According to the invention, it is structurally preferable that a window is arranged on the second side of the refrigerator on its second side wall, which is located opposite the zone of placement of the means for obtaining digital images of the sample.

Согласно изобретению полезно, чтобы устройство содержало средство перекрывания окна, соединенное с блоком управления и выполненное с возможностью открывания окна при расположении образца напротив него при перемещении узла крепления образца из первого крайнего положения во второе.According to the invention, it is advantageous for the device to comprise a window shutter connected to the control unit and configured to open the window when the sample is located opposite it when the sample mount is moved from the first extreme position to the second.

Согласно изобретению конструктивно предпочтительно, чтобы средство перекрывания окна содержало привод, расположенный вне холодильного шкафа, и заслонку, механически связанную с приводом и расположенную внутри холодильного шкафа.According to the invention, it is structurally preferable that the window closing means comprise an actuator located outside the refrigerator cabinet and a shutter mechanically connected to the drive and located inside the refrigerator cabinet.

Согласно изобретению предпочтительно, чтобы привод средства перекрывания окна был выполнен гидравлическим.According to the invention, it is preferable that the drive of the window shutter is hydraulic.

Согласно изобретению желательно, чтобы привод средства перекрывания окна был выполнен пневматическим.According to the invention, it is desirable that the actuator of the window shutter be pneumatic.

Согласно изобретению предпочтительно, чтобы на верхней стенке холодильного шкафа была выполнена крышка, установленная в зоне размещения механизма вращения.According to the invention, it is preferable that a lid is mounted on the upper wall of the refrigerator, installed in the area of the rotation mechanism.

Согласно изобретению удобно, чтобы крышка была выполнена из прозрачного материала.According to the invention, it is convenient that the lid is made of a transparent material.

Согласно изобретению конструктивно целесообразно, чтобы фреза была выполнена торцевой с пластинами из поликристаллического алмаза.According to the invention, it is structurally advisable that the cutter was made face with plates of polycrystalline diamond.

Согласно изобретению полезно, чтобы шаг дискретного перемещения узла крепления биологического объекта в поперечном направлении не превышал 50 мкм.According to the invention, it is useful that the step of discrete movement of the attachment site of a biological object in the transverse direction does not exceed 50 microns.

Согласно изобретению желательно, чтобы шаг перемещения узла крепления образца в поперечном направлении составлял от 1,0 до 2,0 мкм.According to the invention, it is desirable that the step of moving the sample attachment assembly in the transverse direction is from 1.0 to 2.0 μm.

Согласно изобретению конструктивно выгодно, чтобы холодильный шкаф выполнен с возможностью поддержания в нем температуры в интервале от минус 25 до минус 30°С.According to the invention, it is structurally beneficial that the refrigerating cabinet is configured to maintain a temperature in it in the range of minus 25 to minus 30 ° C.

Согласно изобретению предпочтительно, чтобы узел крепления биологического объекта содержал паллету, на которой размещена группа крепежных элементов, выполненных с возможностью фиксации положения образца на паллете.According to the invention, it is preferable that the attachment site of the biological object comprise a pallet on which a group of fasteners are arranged, which are capable of fixing the position of the sample on the pallet.

Дальнейшие цели и преимущества заявляемого изобретения станут ясны из последующего подробного описания заявляемого способа создания виртуальной модели биологического объекта и устройства для его осуществления. Изобретение описывается детально в нижеприведенном примере, не являющемся при этом исключительным и единственным в рамках исполнения патентуемого изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:Further objectives and advantages of the claimed invention will become apparent from the following detailed description of the proposed method for creating a virtual model of a biological object and device for its implementation. The invention is described in detail in the example below, which is not exclusive and unique in the framework of the patented invention, with reference to the accompanying drawings, in which:

фиг.1 изображает общий вид устройства для создания виртуальной модели биологического объекта, вид в аксонометрии спереди, согласно изобретению;figure 1 depicts a General view of a device for creating a virtual model of a biological object, a front perspective view, according to the invention;

фиг.2 - вид сзади на фиг.1, согласно изобретению;figure 2 is a rear view of figure 1, according to the invention;

фиг.3 - функциональную схему патентуемого устройства, согласно изобретению;figure 3 is a functional diagram of a patented device according to the invention;

фиг.4 - разрез по линии А-А на фиг.2, согласно изобретению;figure 4 is a section along the line aa in figure 2, according to the invention;

фиг.5 - фрагмент холодильного шкафа, вид в аксонометрии, согласно изобретению;5 is a fragment of a refrigerator, a perspective view, according to the invention;

фиг.6 - узел крепления образца, согласно изобретению;6 is a sample mount, according to the invention;

фиг.7 - контейнер для формирования образца.7 is a container for forming a sample.

Заявляемый способ создания виртуальной модели основан на построении трехмерной модели биологического объекта с помощью компьютерной техники при использовании информации об объекте, который рассматривают как единство дискретных элементов - слоев, на которые разделяют биологический объект.The inventive method of creating a virtual model is based on the construction of a three-dimensional model of a biological object using computer technology using information about the object, which is considered as a unity of discrete elements - layers into which the biological object is divided.

В соответствии с заявляемым изобретением при создании трехмерной модели биологического объекта нами предложены пути для использования достоверных информационно-характеристических данных каждого дискретного элемента биологического объекта.In accordance with the claimed invention, when creating a three-dimensional model of a biological object, we proposed ways to use reliable information-characteristic data of each discrete element of a biological object.

Для реализации этого положения, то есть получения при создании виртуальной модели полной информации, свойственной данному биологическому объекту, например внутреннему органу человека, используют в качестве исходного материала патолого-биологический препарат, например патолого-анатомический образец, иначе говоря, девитальный орган, подготовленный для патолого-морфологических исследований по традиционной методике, или растение, подготовленное по традиционной методике для патолого-биологических исследований.To implement this position, that is, to obtain, when creating a virtual model, the complete information characteristic of a given biological object, for example, an internal organ of a person, a pathological biological preparation, for example, a pathological anatomical sample, in other words, a devital organ prepared for -morphological studies according to the traditional method, or a plant prepared according to the traditional methods for pathological and biological research.

Существенной особенностью заявляемого способа является использование характеристик биологического объекта, получаемых не со срезов этого биологического объекта, приготовленных по традиционным гистологическим методикам и несущих искажения и деформации различного рода, а с поверхностей биологического объекта, образованных в результате последовательного шлифования или фрезерования выбранной плоскости биологического объекта.An essential feature of the proposed method is the use of the characteristics of a biological object obtained not from slices of this biological object, prepared according to traditional histological methods and bearing distortions and deformations of various kinds, but from the surfaces of a biological object formed as a result of sequential grinding or milling of a selected plane of a biological object.

В соответствии с заявляемым изобретением, для исключения необратимых деформаций биологического объекта в процессе фрезерования, в том числе для исключения смятия, разрывов поверхностей биологического объекта, микро- и макровывихов его тканей, предлагается фрезерованию, преимущественно дисковому фрезерованию, подвергать биологический объект, предварительно прошедший низкотемпературную обработку, а именно мгновенное замораживание при криогенных температурах.In accordance with the claimed invention, in order to exclude irreversible deformations of a biological object during the milling process, including to exclude wrinkling, tearing of the surfaces of a biological object, micro and macro dislocations of its tissues, it is proposed to subject a biological object that has previously undergone low-temperature processing to milling, mainly disk milling namely, instant freezing at cryogenic temperatures.

Для реализации этой особенности заявляемого изобретения исходный биологический объект, виртуальную модель которого предполагают создать, подвергают моментальному замораживанию при криогенных температурах, что достигается, например, с помощью жидкости (жидкий азот), охлажденной примерно до минус 90-99°С. Этот прием исключает прежде применяемую длительную химическую обработку биологического объекта, вследствие чего стало возможно сохранить его естественную окраску и форму. При выполнении последующего фрезерования (шлифования) есть возможность контролировать качество поверхности биологического объекта и исключить его повреждение, что особо ценно для объектов, состоящих из структур с различными физико-механическими свойствами.To realize this feature of the claimed invention, the initial biological object, the virtual model of which is supposed to be created, is subjected to instant freezing at cryogenic temperatures, which is achieved, for example, using a liquid (liquid nitrogen) cooled to about minus 90-99 ° С. This technique excludes the previously applied long-term chemical treatment of a biological object, as a result of which it has become possible to maintain its natural color and shape. When performing subsequent milling (grinding), it is possible to control the surface quality of a biological object and eliminate its damage, which is especially valuable for objects consisting of structures with different physical and mechanical properties.

Замороженный биологический объект размещают в пространстве, ограниченном объемной фигурой, заполняют пространство заливочным материалом, пригодным для криотехнологии, например, криоагентом.A frozen biological object is placed in a space limited by a three-dimensional figure; the space is filled with filling material suitable for cryotechnology, for example, a cryoagent.

Далее, согласно изобретению, замораживают заливочный материал и таким образом с помощью заливочного материала фиксируют биологический объект в пространстве, ограниченном объемной фигурой. Указанный прием способствует, помимо сказанного, длительному сохранению биологического объекта в состоянии низкотемпературной заморозки.Further, according to the invention, the filling material is frozen and thus, using the filling material, the biological object is fixed in the space limited by the three-dimensional figure. The specified technique contributes, in addition to the above, to the long-term preservation of the biological object in a state of low-temperature freezing.

Образованный объемный объект далее называют образец. Затем осуществляют разделение на слои подготовленного образца. Согласно изобретению разделение подготовленного образца на слои проводят в замкнутом пространстве путем последовательного фрезерования, преимущественно торцевого фрезерования, выбранной плоскости образца с шагом, равным не более 50 мкм, но предпочтительно с шагом, выбранным в интервале от 1,0 мкм до 2,0 мкм. Установлено, что температура в замкнутом пространстве может составлять примерно от минус 25°С до минус 30°С при влажности примерно 25-30%, что соответствует условиям, при которых сохраняется нативная геометрия и цветовая характеристика криозамороженного биологического объекта. Эксперименты показали, что при указанном температурном режиме возможно долгосрочно сохранять биологический объект в состоянии низкотемпературной заморозки, при этом поддерживается практически равная плотность всех тканей биологического объекта, то есть структур с различными физико-механическими свойствами. Иными словами, при указанном температурном режиме сохраняется равная плотность и мышечных и костных тканей биологического объекта, что обеспечивает получение после фрезерования ровной и гладкой поверхности выбранной плоскости биологического объекта. Исключается скалывание, дробление высокоплотных тканей типа костных тканей при осуществлении фрезерования.The formed volumetric object is hereinafter referred to as the sample. Then carry out the separation into layers of the prepared sample. According to the invention, the separation of the prepared sample into layers is carried out in a confined space by sequential milling, mainly end milling, of the selected plane of the sample with a step equal to not more than 50 μm, but preferably with a step selected in the range from 1.0 μm to 2.0 μm. It has been established that the temperature in a confined space can be from about minus 25 ° С to minus 30 ° С at a humidity of about 25-30%, which corresponds to the conditions under which the native geometry and color characteristics of a cryogenic frozen biological object are preserved. The experiments showed that at the indicated temperature conditions it is possible to keep the biological object in a state of low-temperature freezing for a long time, while maintaining almost the same density of all tissues of the biological object, that is, structures with different physical and mechanical properties. In other words, at the indicated temperature regime, the density of the muscle and bone tissues of the biological object remains equal, which ensures that after milling an even and smooth surface of the selected plane of the biological object is obtained. Chipping, crushing of high-density tissues such as bone tissue during milling is excluded.

Согласно изобретению разделение подготовленного образца, а главное разделение биологического объекта на множество параллельных слоев в заданной последовательности осуществляют путем последовательного фрезерования, преимущественно торцевого фрезерования, выбранной плоскости образца с дискретным шагом, равным не более 50 мкм, но предпочтительно с дискретным шагом, выбранным в интервале от 1,0 мкм до 2,0 мкм. Снятый при фрезеровании слой толщиной не более 50 мкм, а предпочтительно примерно 1,0-2,0 мкм, утилизируют, при этом поверхность образца, в том числе биологического объекта, рассматривают как его новый открывшийся слой. Благодаря тому что каждый новый открывшийся слой заданной плоскости образца получают при удалении слоя толщиной не более 50 мкм, а предпочтительно примерно 1,0-2,0 мкм, обеспечивается визуализация всех анатомических особенностей зафиксированного в образце биологического объекта, его внутренних структур на уровне тканей и клеток.According to the invention, the separation of the prepared sample, and most importantly the separation of the biological object into many parallel layers in a predetermined sequence, is carried out by sequential milling, mainly face milling, of the selected sample plane with a discrete step equal to not more than 50 μm, but preferably with a discrete step selected in the range from 1.0 μm to 2.0 μm. The layer removed during milling with a thickness of not more than 50 μm, and preferably approximately 1.0-2.0 μm, is disposed of, while the surface of the sample, including the biological object, is considered as its new opened layer. Due to the fact that each new opened layer of a given plane of the sample is obtained by removing a layer with a thickness of not more than 50 μm, and preferably about 1.0-2.0 μm, visualization of all anatomical features of a biological object fixed in the sample, its internal structures at the tissue level and cells.

При выполнении фрезерования в выбранной плоскости образованная поверхность должна иметь чистоту, сопоставимую с чистотой поверхности зеркала.When performing milling in the selected plane, the formed surface must have a cleanliness comparable to the cleanliness of the mirror surface.

Далее, именно эту поверхность образца и, соответственно, поверхность биологического объекта подвергают, например, фотографированию или сканированию, обеспечивающему отображение всех плоскостей этой поверхности, и получают двухмерное цветное изображение в цифровом формате.Further, it is this surface of the sample and, accordingly, the surface of the biological object that is subjected, for example, to photographing or scanning to display all the planes of this surface, and a two-dimensional color image in digital format is obtained.

Дискретное фрезерование образца и, соответственно, биологического объекта выполняют до его полного иссечения на множество слоев, то есть до его полной деструкции.Discrete milling of the sample and, accordingly, of the biological object is performed until it is completely excised into many layers, that is, until it is completely destroyed.

При этом получают множество двухмерных изображений множества последовательных поверхностей образца и, соответственно, биологического объекта в цифровом формате.In this case, a plurality of two-dimensional images of a plurality of consecutive surfaces of a sample and, accordingly, a biological object in digital format is obtained.

Каждое полученное двухмерное изображение каждого слоя в цифровом формате вводят в блок обработки цифровых изображений и с помощью программной обработки изображению каждого слоя придают толщину, равную дискретному шагу фрезерования, при этом получают адекватное трехмерное виртуальное отображение каждого слоя.Each received two-dimensional image of each layer in digital format is input into the digital image processing unit and, using software processing, the image of each layer is given a thickness equal to the discrete milling step, and an adequate three-dimensional virtual display of each layer is obtained.

Далее с помощью программной обработки осуществляют совмещение полученных трехмерных виртуальных отображений множества слоев в последовательности, обратной осуществлению разделения образца на слои, обеспечивающее реконструкцию названного образца, до получения его виртуальной модели. Затем с помощью программной обработки удаляют изображения заливочного материала и получают виртуальную модель биологического объекта.Then, using software processing, the obtained three-dimensional virtual mappings of the multiple layers are combined in the sequence opposite to the separation of the sample into layers, which ensures reconstruction of the named sample to obtain its virtual model. Then, using software processing, the images of the filling material are removed and a virtual model of the biological object is obtained.

Благодаря тому что для получения виртуальной модели биологического объекта исследуется поверхность образца после каждого цикла срезания слоя, а не сам срезанный слой образца, как делается по известным методикам, представляется возможным исключить негативные особенности, связанные с большим количеством искажений каждого среза, и обеспечить визуализацию всех анатомических особенностей зафиксированного в образце биологического объекта и его внутренних структур на уровне тканей и клеток.Due to the fact that in order to obtain a virtual model of a biological object, the surface of the sample is studied after each layer cutting cycle, and not the cut sample layer itself, as is done by known methods, it seems possible to eliminate negative features associated with a large number of distortions of each section and to provide visualization of all anatomical features of a biological object fixed in the sample and its internal structures at the level of tissues and cells.

Заявляемый способ позволяет создавать виртуальные модели для всех биологических разделов: ботаники, зоологии, анатомии, что обеспечит исследователей и лиц, изучающих биологию, точными динамически анимированными по физиологическим законам наглядными пособиями с полной информационной поддержкой в любых доступных интеграциях.The inventive method allows you to create virtual models for all biological sections: botany, zoology, anatomy, which will provide researchers and biology students with accurate visual aids dynamically animated by physiological laws with full information support in any available integrations.

Заявляемый способ создания виртуальной модели биологического объекта может быть реализован, например, с помощью устройства, представленного на сопроводительных чертежах.The inventive method of creating a virtual model of a biological object can be implemented, for example, using the device shown in the accompanying drawings.

В патентуемом устройстве представляется возможным создавать виртуальную модель биологического объекта, который предварительно подготовлен для исследования с использованием описанных выше приемов.In the patented device, it seems possible to create a virtual model of a biological object, which is previously prepared for research using the techniques described above.

Устройство для создания виртуальной модели биологического объекта содержит основание 1 (фиг.1), на котором смонтирован узел 2 крепления образца и средство для разделения образца на слои, выполненное с возможностью циклического взаимодействия с образцом и представляющее собой механизм 3 вращения с режущим элементом в виде фрезы.A device for creating a virtual model of a biological object contains a base 1 (Fig. 1), on which a mount 2 of the sample is mounted and a means for dividing the sample into layers, made with the possibility of cyclic interaction with the sample and representing a rotation mechanism 3 with a cutting element in the form of a cutter .

Основание 1 представляет собой массивную станину, установленную на специальных опорах, гасящих возможные вибрации.Base 1 is a massive bed mounted on special supports that dampen possible vibrations.

На основании 1 в его продольном направлении установлен холодильный шкаф 4, фрагмент которого изображен на фиг.1 и который выполнен с возможностью поддержания внутри него диапазона отрицательных температур, в котором обеспечивается сохранение нативной геометрии биологического объекта и его цветовой характеристики. В холодильном шкафу 4 с возможностью линейных перемещений в продольном направлении и с возможностью дискретных линейных перемещений в поперечном направлении размещен узел 2 крепления образца.On the basis of 1, a refrigerating cabinet 4 is installed in its longitudinal direction, a fragment of which is shown in FIG. 1 and which is configured to maintain a negative temperature range inside it, in which the native geometry of the biological object and its color characteristics are maintained. In the refrigerator 4 with the possibility of linear displacements in the longitudinal direction and with the possibility of discrete linear displacements in the transverse direction, a sample attachment unit 2 is placed.

С первой стороны холодильного шкафа 4 на основании 1 установлен первый стол 5, а с его противоположной стороны на основании 1 установлен механизм 3 вращения с режущим инструментом в виде фрезы, ось которого ориентирована в поперечном направлении. При этом фреза 6 расположена в холодильном шкафу 4, а шпиндельный узел 7 крепления фрезы 6 и электрический двигатель 8 механизма 3 вращения - за пределами холодильного шкафа 4.On the first side of the refrigerator 4, on the base 1, a first table 5 is installed, and on its opposite side, on the base 1, a rotation mechanism 3 is installed with a cutting tool in the form of a mill, the axis of which is oriented in the transverse direction. In this case, the cutter 6 is located in the refrigerator 4, and the spindle assembly 7 for mounting the cutter 6 and the electric motor 8 of the rotation mechanism 3 are outside the refrigerator 4.

Узел 2 крепления образца включает паллету 9, на которой посредством крепежных элементов закреплен образец 10, включающий биологический объект (не показан), со всех сторон окруженный замороженным заливочным материалом.The sample attaching unit 2 includes a pallet 9, on which a sample 10, including a biological object (not shown), is surrounded on all sides by frozen filling material by means of fasteners.

На первом столе 5 установлен механизм 11 линейных перемещений узла крепления образца в продольном направлении, выполненный с возможностью линейных возвратно-поступательных перемещений узла 2 крепления образца из первого крайнего положения, как представлено на фиг.1, во второе крайнее положение, соответствующе положению на противоположном конце первого стола 5. Фреза 6 выполнена с возможностью срезания слоя образца 10 с биологическим объектом при перемещении образца 10 из первого во второе крайнее положение.On the first table 5 there is installed a mechanism 11 of linear displacements of the specimen attachment unit in the longitudinal direction, configured to linearly reciprocate the specimen attachment unit 2 from the first extreme position, as shown in FIG. 1, to the second extreme position corresponding to the position at the opposite end the first table 5. The cutter 6 is made with the possibility of cutting off the layer of the sample 10 with a biological object when moving the sample 10 from the first to the second extreme position.

В качестве фрезы 6 предпочтительно использование торцевой фрезы для высокоскоростной обработки цветных металлов и сплавов с пластинами из поликристаллического алмаза, которая обеспечивает фрезерование с большой шириной контакта и позволяет получить чистоту поверхности, близкую к зеркальной. В конкретном варианте выполнения изобретения торцевая фреза может иметь 8 зубьев и диаметр 125 мм.As cutter 6, it is preferable to use an end mill for high-speed processing of non-ferrous metals and alloys with polycrystalline diamond plates, which provides milling with a large contact width and allows to obtain a surface finish close to mirror. In a particular embodiment, the end mill may have 8 teeth and a diameter of 125 mm.

Устройство также содержит второй стол 12, установленный на первом столе 5 и ориентированный в поперечном направлении. На втором столе 12 установлен механизм 13 дискретных линейных перемещений узла крепления образца в поперечном направлении, при этом ось названного механизма 13 ориентирована в поперечном направлении, а его шаг соответствует толщине срезаемого слоя образца 10. С механизмом 13 связана паллета 9, установленная с возможностью присоединения к указанному механизму 13 при установке паллеты 9 в холодильный шкаф 4 и отсоединения от механизма 13 после завершения работы.The device also includes a second table 12 mounted on the first table 5 and oriented in the transverse direction. On the second table 12, there is a mechanism 13 for discrete linear displacements of the specimen attachment unit in the transverse direction, while the axis of the said mechanism 13 is oriented in the transverse direction, and its step corresponds to the thickness of the cut-off layer of the specimen 10. A pallet 9 is connected to the mechanism 13 and can be connected to the specified mechanism 13 when installing the pallets 9 in the refrigerator 4 and disconnecting from the mechanism 13 after completion of work.

В описываемом варианте изобретения для обеспечения линейных продольных и поперечных перемещений узла 2 крепления образца использованы направляющие качения модульного типа и передача винт-гайка качения с предварительным натягом. Такое техническое решение не является единственно возможным и для специалиста очевидно использование аналогичных средств, позволяющих обеспечить плавное и точное перемещение узла 2 крепления образца как в продольном, так и в поперечном направлении.In the described embodiment of the invention, to ensure linear longitudinal and transverse movements of the specimen attachment unit 2, rolling elements of a modular type and a rolling screw-nut transmission with a preload are used. Such a technical solution is not the only possible one and it is obvious for a specialist to use similar means to ensure smooth and accurate movement of the sample attachment unit 2 both in the longitudinal and transverse directions.

Механизм 13 дискретных линейных перемещений узла крепления образца в поперечном направлении в конкретном варианте изобретения обеспечивает перемещение образца 10 в диапазоне 120-140 мм с шагом не более 2,0 мкм, желательно 1,0 мкм, а механизм 11 продольных перемещений обеспечивает перемещение образца 10 в пределах 350-450 мм.The mechanism 13 of discrete linear displacements of the mounting unit of the sample in the transverse direction in a particular embodiment of the invention provides the movement of the sample 10 in the range of 120-140 mm with a pitch of not more than 2.0 μm, preferably 1.0 μm, and the mechanism 11 of the longitudinal movements provides the movement of the sample 10 in the limits of 350-450 mm.

Холодильный шкаф 4 имеет две боковых стенки - первую боковую стенку 14, расположенную со стороны узла 2 крепления образца, и противоположную ей вторую боковую стенку (не показана). Первая боковая стенка 14 имеет специальную конструкцию, которая будет описана ниже и которая позволяет узлу 2 крепления образца осуществлять линейные возвратно-поступательные перемещения в продольном направлении и предотвращать «утечку» холода из холодильного шкафа 4.The refrigerator 4 has two side walls — a first side wall 14 located on the side of the sample attachment unit 2 and a second side wall (not shown) opposite to it. The first side wall 14 has a special design, which will be described below and which allows the mount unit 2 of the sample to perform linear reciprocating movements in the longitudinal direction and to prevent the "leak" of cold from the refrigerator 4.

На второй боковой стенке холодильного шкафа 4 имеется окно (не показано), выполненное в зоне, следующей за зоной расположения фрезы 6 по направлению перемещения образца 10 из первого во второе крайнее положение. Названное окно предназначено для осуществления съемки поверхности образца 10.On the second side wall of the refrigerator 4 there is a window (not shown), made in the area following the area of the cutter 6 in the direction of movement of the sample 10 from the first to the second extreme position. The named window is intended for shooting the surface of the sample 10.

Патентуемое устройство снабжено средством 15 перекрывания окна, выполненным с возможностью открывания окна при расположении образца 10 напротив названного окна при его перемещении из первого во второе крайнее положение.The patented device is equipped with a window shutter 15 adapted to open a window when the sample 10 is located opposite the said window when it is moved from the first to the second extreme position.

Средство 15 перекрывания окна содержит привод 16, расположенный вне холодильного шкафа 4, и заслонку 17, механически связанную с приводом 16 и расположенную внутри холодильного шкафа 4. Более детально средство 15 перекрывания окна будет описано ниже.The window closing means 15 comprises an actuator 16 located outside the refrigerator 4 and a shutter 17 mechanically connected to the drive 16 and located inside the refrigerator 4. A window closing means 15 will be described in more detail below.

На верхней стенке холодильного шкафа 4 выполнена крышка 18, установленная в зоне расположения механизма 3 вращения и предназначенная для помещения в холодильный шкаф 4 паллеты 9 с образцом 10 в начале цикла и ее извлечения в конце цикла. Для визуального наблюдения за происходящим процессом крышка 18 выполнена из прозрачного материала.A cover 18 is made on the upper wall of the refrigerator 4, which is installed in the area of the rotation mechanism 3 and is intended for placement in the refrigerator 4 of the pallet 9 with sample 10 at the beginning of the cycle and its removal at the end of the cycle. For visual observation of the ongoing process, the cover 18 is made of a transparent material.

Посредством гибкого кабеля 19 осуществляется электрическое питание узлов патентуемого устройства.By means of a flexible cable 19, electrical power is provided to the nodes of the patented device.

Патентуемое устройство содержит средство 20 получения цифровых изображений образца (фиг.2), установленное вне холодильного шкафа 4 напротив окна 21, выполненного на второй стенке 22 холодильного шкафа 4. Средство 20 получения цифровых изображений образца в описываемом варианте представляет собой цифровую фотокамеру с высокой разрешающей способностью и выполнено с возможностью формирования группы цифровых изображений образца 10, последовательно получаемых после срезания каждого слоя образца 10 при его перемещении из первого во второе крайнее положение. Для специалиста очевидна возможность применения и другого устройства для получения цифровых изображений, например цифрового сканера.The patented device comprises a means 20 for obtaining digital images of the sample (Fig. 2), mounted outside the refrigerator 4 opposite the window 21 made on the second wall 22 of the refrigerator 4. The means 20 for receiving digital images of the sample in the described embodiment is a digital camera with high resolution and made with the possibility of forming a group of digital images of the sample 10, sequentially obtained after cutting each layer of the sample 10 when it is moved from the first to the second extremely e position. For a specialist, the possibility of using another device for obtaining digital images, for example a digital scanner, is obvious.

Для получения цифровых изображений образца 10 высокого качества устройство содержит группу осветительных приспособлений 23, расположенных вне холодильного шкафа 4 и выполненных с возможностью фокусирования излучения на образце 10, которое осуществляется через окно 21 в стенке 22 холодильного шкафа 4. В описываемом варианте выполнения изобретения имеется четыре осветительных приспособления 23, смонтированных на специальной опоре 24, на которой также закреплено средство 20 получения цифровых изображений образца.To obtain digital images of a high-quality sample 10, the device contains a group of lighting devices 23 located outside the refrigerator 4 and configured to focus radiation on the sample 10, which is carried out through a window 21 in the wall 22 of the refrigerator 4. In the described embodiment, there are four lighting devices 23 mounted on a special support 24, on which the means 20 for obtaining digital images of the sample are also fixed.

Для подвода и отвода хладагента в холодильном шкафу 4 предусмотрены технологические отверстия 25, посредством которых холодильный шкаф 4 соединен с компрессором (не показан). При этом холодильный шкаф 4 выполнен с возможностью поддержания в нем диапазона отрицательных температур, при которых сохраняется нативная геометрия и цветовая характеристика замороженного биологического объекта. При этом поддерживается практически одинаковая плотность всех тканей биологического объекта, например мышечных и костных тканей биологического объекта, что делает образец 10 технологичным для исследований.For supplying and discharging refrigerant, technological openings 25 are provided in the refrigerator 4 through which the refrigerator 4 is connected to a compressor (not shown). At the same time, the refrigerating cabinet 4 is configured to maintain a range of negative temperatures in it, at which the native geometry and color characteristics of the frozen biological object are preserved. At the same time, almost the same density of all tissues of a biological object is maintained, for example, muscle and bone tissues of a biological object, which makes sample 10 technologically advanced for research.

В описываемом примере осуществления изобретения температура в холодильном шкафу лежит в диапазоне от - 25°С до -30°С, а влажность составляет примерно 25-30%, что контролируется соответствующими датчиками температуры и влажности (не показаны). При указанных значениях температуры и влажности иней в холодильном шкафу 4 не образуется, что позволяет получать достоверные изображения слоев образца 10, а исследователям позволяет вести визуальное наблюдение за происходящим процессом.In the described embodiment, the temperature in the refrigerator is in the range from −25 ° C. to −30 ° C. and the humidity is about 25-30%, which is controlled by appropriate temperature and humidity sensors (not shown). At the indicated temperature and humidity values, hoarfrost is not formed in the refrigerator 4, which allows obtaining reliable images of the layers of sample 10, and allows researchers to conduct visual observation of the process.

Для обработки цифровых изображений образца 10 устройство содержит блок обработки цифровых изображений образца (на фиг.2 не показан), выполненный с возможностью удаления изображения заливочного материала и формирования виртуального изображения биологического объекта.For processing digital images of the sample 10, the device comprises a digital image processing unit for the sample (not shown in FIG. 2), configured to remove the image of the casting material and form a virtual image of the biological object.

На фиг.3 представлена функциональная схема патентуемого устройства для создания виртуальной модели биологического объекта, включающая блок 26 управления, к которому подключены механизм 3 вращения, механизм 11 линейных перемещений узла крепления образца в продольном направлении, механизм 13 дискретных линейных перемещений узла крепления образца в поперечном направлении, средство 20 получения цифровых изображений образца, к которому подключен блок 27 обработки цифровых изображений образца, и средство 15 перекрывания окна.Figure 3 presents a functional diagram of a patented device for creating a virtual model of a biological object, including a control unit 26 to which a rotation mechanism 3, a linear movement mechanism 11 of the specimen attachment unit in the longitudinal direction, a discrete linear movement mechanism 13 of the specimen attachment unit in the transverse direction 13 are connected , means 20 for obtaining digital images of the sample to which the block 27 for processing digital images of the sample is connected, and means 15 for blocking the window.

На фиг.4 в продольном разрезе по линии А-А на фиг.2. представлено средство 15 перекрывания окна, которое содержит привод 16, расположенный вне холодильного шкафа 4, и заслонку 17, механически связанную с приводом 16 и расположенную внутри холодильного шкафа 4.Figure 4 in longitudinal section along the line aa in figure 2. a window shutter means 15 is provided which comprises an actuator 16 located outside the refrigerator 4 and a shutter 17 mechanically connected to the drive 16 and located inside the refrigerator 4.

В описываемом варианте изобретения использован пневматический привод, имеющий цилиндр 28, в котором с возможностью возвратно-поступательных перемещений установлен шток 29, жестко связанный с заслонкой 17.In the described embodiment of the invention, a pneumatic actuator having a cylinder 28 is used, in which, with the possibility of reciprocating movements, a rod 29 is mounted rigidly connected to the shutter 17.

В других вариантах изобретения возможно применение других модификаций выполнения привода 16 перекрывания окна, например гидравлического привода.In other embodiments of the invention, it is possible to use other modifications of the actuator 16 of the overlapping window, such as a hydraulic actuator.

На фиг.5 изображена первая боковая стенка 14 холодильного шкафа 4, приспособленная для осуществления возвратно-поступательных линейных перемещений узла 2 крепления образца в продольном направлении.Figure 5 shows the first side wall 14 of the refrigerator 4, adapted for the implementation of reciprocating linear movements of the node 2 mounting the sample in the longitudinal direction.

В описываемом варианте выполнения изобретения в первой боковой стенке 14 выполнена продольная прорезь 30, поперечный размер которой незначительно превышает поперечный размер расположенной в ней части узла 2 крепления образца, обеспечивая возможность осуществления возвратно-поступательных перемещений узла 2 крепления образца из крайнего первого в крайнее второе положение и обратно. При этом длина продольной прорези 30 соответствует расстоянию между первым и вторым крайними положениями узла 2 крепления образца.In the described embodiment of the invention, a longitudinal slot 30 is made in the first side wall 14, the transverse dimension of which slightly exceeds the transverse dimension of the portion of the specimen attachment unit 2 located therein, enabling reciprocating movements of the specimen attachment unit 2 from the extreme first to the extreme second position and back. The length of the longitudinal slot 30 corresponds to the distance between the first and second extreme positions of the node 2 of the mounting sample.

Для изолирования внутреннего объема холодильного шкафа 4, в котором поддерживается отрицательная температура около - 30°С, от внешней среды предусмотрено средство 31 перекрывания продольной прорези, установленное на первой боковой стенке 14 холодильного шкафа 4.To isolate the internal volume of the refrigerator 4, in which the negative temperature is maintained at about -30 ° C, a means 31 for overlapping a longitudinal slot provided on the first side wall 14 of the refrigerator 4 is provided from the external environment.

В описываемом варианте выполнения изобретения средство 31 перекрывания продольной прорези включает две гофрированные шторки 32, механически связанные с узлом 2 крепления образца и расположенные по обе стороны от указанного узла 2 (не показан). Для перемещения шторок 32 имеются продольные направляющие 33, выполненные на верхней и нижней частях стенки 14.In the described embodiment, the means 31 for overlapping a longitudinal slot includes two corrugated shutters 32 mechanically connected to the node 2 of the fastening of the sample and located on both sides of the specified node 2 (not shown). To move the blinds 32 there are longitudinal guides 33 made on the upper and lower parts of the wall 14.

Положение шторок 32, изображенное на фиг.5, соответствует второму крайнему положению узла 2 крепления образца, то есть положению, когда образец 10 находится напротив окна 21 (фиг.2). При этом левая от узла 2 шторка 32 раскрыта и перекрывает часть продольной прорези 30, а правая шторка 32 закрыта.The position of the shutter 32 shown in FIG. 5 corresponds to the second extreme position of the specimen attachment unit 2, that is, the position when the specimen 10 is opposite the window 21 (FIG. 2). While the left of the node 2, the shutter 32 is opened and overlaps part of the longitudinal slot 30, and the right shutter 32 is closed.

Описанный вариант выполнения средства 31 перекрывания продольной прорези не является единственно возможным и для специалиста очевидно иное техническое решение, например, в виде сворачивающихся/разворачивающихся шторок, связанных с узлом 2 крепления образца.The described embodiment of the means for overlapping the longitudinal slots 31 is not the only possible one, and a different technical solution is obvious for the specialist, for example, in the form of folding / unfolding shutters connected to the specimen attachment unit 2.

На фиг.6 изображена часть узла 2 крепления образца, расположенная в холодильном шкафу 4. На паллете 9 смонтирована группа крепежных элементов 34, выступающих за пределы поверхности паллеты 9 и обеспечивающих фиксацию на паллете 9 образца 10 с биологическим объектом 35, условно изображенным на фиг.6 в виде мыши.FIG. 6 shows a part of the sample attachment unit 2 located in the refrigerator 4. On a pallet 9, a group of fasteners 34 are mounted that extend beyond the surface of the pallet 9 and provide fixation on the pallet 9 of the sample 10 with the biological object 35, conventionally depicted in FIG. 6 in the form of a mouse.

В описываемом варианте выполнения изобретения в качестве крепежных элементов 34 использованы болты, головки которых выступают за пределы паллеты 9, что позволяет зафиксировать образец 10 на паллете 9. Для фиксации паллеты 9 на узле 2 крепления образца имеется посадочное гнездо 36.In the described embodiment, bolts are used as fasteners 34, the heads of which protrude beyond the pallet 9, which allows the sample 10 to be fixed on the pallet 9. To fix the pallet 9 on the sample attachment 2, there is a seat socket 36.

На фиг.6 паллета 9 с образцом 10, содержащим биологический объект 35, изображена в «рабочем» виде, т.е. в виде, пригодном для срезания слоев образца 10 с биологическим объектом 35.6, a pallet 9 with a sample 10 containing a biological object 35 is depicted in a “working” form, i.e. in a form suitable for cutting the layers of sample 10 with a biological object 35.

Для получения образца 10 в «рабочем» виде использован сборный контейнер 37 в виде параллелепипеда, представленный на фиг.7 и имеющий нижнюю стенку, которой служит паллета 9, и четыре съемные боковые стенки 38, соединенные между собой с помощью болтов 39. Для удобства переноски контейнера 37 имеются ручки 40, выполненные, преимущественно, из теплоизоляционного материала.To obtain sample 10 in a “working” form, a prefabricated box 37 in the form of a parallelepiped, shown in Fig. 7 and having a lower wall, which is a pallet 9, and four removable side walls 38, interconnected by bolts 39, are used. For ease of carrying container 37 there are handles 40, made mainly of heat-insulating material.

Описываемое устройство, в котором реализуется патентуемый способ создания виртуальной модели биологического объекта, работает следующим образом.The described device, which implements the patented method of creating a virtual model of a biological object, works as follows.

Предварительно исследуемый биологический объект приводят в состояние, пригодное для разделения на слои согласно патентуемому способу. Для этого биологический объект 35, например, мышь, условно изображенную на фиг.6, 7, подвергают моментальному замораживанию при криогенных температурах в специальном устройстве, которое не является предметом настоящего изобретения.Pre-investigated biological object is brought into a state suitable for separation into layers according to the patented method. For this, a biological object 35, for example, a mouse, conventionally depicted in Fig.6, 7, is subjected to instant freezing at cryogenic temperatures in a special device that is not the subject of the present invention.

Затем биологический объект 35 помещают в сборный контейнер 37, который в несколько этапов заполняют заливочным материалом, например, криоагентом, и последовательно, в несколько этапов подвергают замораживанию так, чтобы биологический объект 35 располагался примерно в центральной части контейнера 37.Then the biological object 35 is placed in a collection container 37, which is filled in several stages with a filling material, for example, a cryoagent, and subsequently, in several stages, it is frozen so that the biological object 35 is located approximately in the central part of the container 37.

Объемную фигуру из заливочного материала с находящимся внутри нее биологическим объектом 35 называют «образец», который обозначен на фигуре позицией 10.A three-dimensional figure made of casting material with a biological object inside it is called a “sample”, which is indicated by 10 in the figure.

Крепежные элементы 34 обеспечивают прочную связь между паллетой 9 и образцом 10. Полученную таким образом паллету 9 с образцом 10 извлекают из сборного контейнера 37, для чего снимают его боковые стенки 38, и помещают в холодильный шкаф 4 (фиг.1). Посадочное гнездо 36, выполненное на паллете 9, приспособлено для быстрой и надежной фиксации паллеты 9 в узле 2 крепления образца.The fasteners 34 provide a strong connection between the pallet 9 and the sample 10. The thus obtained pallet 9 with the sample 10 is removed from the collection container 37, for which its side walls 38 are removed, and placed in a refrigerator 4 (Fig. 1). The landing seat 36, made on the pallet 9, is adapted for quick and reliable fixation of the pallet 9 in the node 2 of the sample mount.

Одновременно с подготовкой биологического объекта к исследованию так, как описано выше, патентуемое устройство готовят к началу работы.Simultaneously with the preparation of the biological object for research as described above, the patented device is being prepared for the start of work.

Блок 26 управления (фиг.3) задает необходимые параметры процесса: температуру и влажность в холодильном шкафу 4, шаг линейных перемещений узла 2 крепления образца в поперечном направлении, соответствующий толщине срезаемого с образца 10 слоя, скорость возвратно-поступательных перемещений узла 2 крепления образца в продольном направлении, скорость вращения фрезы 6. При этом шаг линейных перемещений обеспечивается механизмом 13 дискретных линейных перемещений узла крепления образца в поперечном направлении, скорость возвратно-поступательных перемещений узла 2 крепления образца обеспечивается механизмом 11 линейных перемещений узла крепления биологического объекта в продольном направлении, а скорость вращения фрезы 6 обеспечивается механизмом 3 вращения. Кроме того, блок 26 управления по заданной программе координирует осуществление съемки образца 10 в зависимости от положения образца 10 в холодильном шкафу 4 при осуществлении возвратно-поступательных линейных перемещений.The control unit 26 (Fig. 3) sets the necessary process parameters: temperature and humidity in the refrigerator 4, the step of linear displacements of the specimen attachment unit 2 in the transverse direction, corresponding to the thickness of the layer cut off from the specimen 10, the reciprocating speed of the specimen attachment unit 2 the longitudinal direction, the rotational speed of the cutter 6. In this case, the linear displacement step is provided by the mechanism 13 of discrete linear displacements of the specimen attachment unit in the transverse direction, the reciprocating speed node 2 sample fixing mechanism 11 is provided by displacement of linear displacement of the biological object mounting assembly in the longitudinal direction and the cutter 6 is provided by the rotation speed rotation mechanism 3. In addition, the control unit 26 according to a predetermined program coordinates the shooting of the sample 10 depending on the position of the sample 10 in the refrigerator 4 during reciprocating linear movements.

В холодильный шкаф 4 (фиг.1) подают хладагент до достижения температуры приблизительно минус 25-30°С, при которой сохраняется нативная геометрия и цветовая характеристика криозамороженного биологического объекта, а также обеспечивается равная плотность и мышечных, и костных тканей биологического объекта.Refrigerant 4 (FIG. 1) is supplied with refrigerant until a temperature of approximately minus 25-30 ° C is reached, at which the native geometry and color characteristics of the cryo-frozen biological object are preserved, and the muscle and bone tissues of the biological object are equally dense.

В холодильный шкаф 4 помещают замороженный образец 10 с биологическим объектом 35, фиксируя посадочное гнездо паллеты 9 в соответствующем ответном приспособлении узла 2 крепления биологического объекта. При этом образец 10 располагается напротив фрезы 6 механизма 3 вращения, что соответствует первому крайнему положению узла 2 крепления образца.A frozen sample 10 with a biological object 35 is placed in the refrigerating cabinet 4, fixing the landing socket of the pallet 9 in the corresponding response device of the biological object attaching unit 2. In this case, the sample 10 is located opposite the cutter 6 of the rotation mechanism 3, which corresponds to the first extreme position of the sample attachment unit 2.

Оператор включает механизм 3 вращения с заданным числом оборотов фрезы 6 и механизм 13 дискретных линейных перемещений узла крепления биологического объекта с заданным шагом линейных перемещений. Названный шаг соответствует толщине срезаемого слоя образца 10 и, соответственно, толщине слоя биологического объекта 35 и установлен равным не более 50 мкм, но предпочтительно равным примерно 1,0-2,0 мкм.The operator includes a rotation mechanism 3 with a predetermined number of revolutions of the cutter 6 and a mechanism 13 of discrete linear displacements of the attachment point of a biological object with a given linear displacement step. The named step corresponds to the thickness of the cut-off layer of the sample 10 and, accordingly, the thickness of the layer of the biological object 35 and is set equal to not more than 50 μm, but preferably equal to about 1.0-2.0 μm.

После перемещения образца 10 на установленный шаг вперед поверхность образца 10 достигает вращающейся фрезы 6 и, таким образом, происходит срезание первого слоя образца 10. Снятый при фрезеровании слой образца 10 утилизируют, а поверхность образца 10, в том числе поверхность биологического объекта 35, образовавшаяся после срезания соответствующего слоя, служит предметом дальнейшего исследования.After the sample 10 is moved forward, the surface of the sample 10 reaches the rotating cutter 6 and, thus, the first layer of the sample 10 is cut off. The layer of the sample 10 removed during milling is disposed of, and the surface of the sample 10, including the surface of the biological object 35, formed after cutting the corresponding layer, is the subject of further research.

Установленный в холодильном шкафу 4 температурный режим обеспечивает получение после фрезерования ровной и гладкой поверхности выбранной плоскости биологического объекта. В процессе фрезерования исключается скалывание, дробление высокоплотных костных тканей. Влажность, поддерживаемая в холодильном шкафу 4 и составляющая приблизительно 30%, практически исключает образование инея на внутренних поверхностях холодильного шкафа 4 и на узлах, расположенных в холодильном шкафу 4.The temperature regime established in the refrigerator 4 ensures that, after milling, an even and smooth surface of the selected plane of the biological object is obtained. During the milling process, chipping, crushing of high-density bone tissues is excluded. The humidity maintained in the refrigerator 4 and approximately 30%, virtually eliminates the formation of frost on the inner surfaces of the refrigerator 4 and on the nodes located in the refrigerator 4.

Благодаря тому что каждый новый открывшийся слой заданной плоскости образца 10 получают при удалении слоя толщиной не более 50 мкм, а предпочтительно 1,0-2,0 мкм, обеспечивается визуализация всех анатомических особенностей зафиксированного в образце 10 биологического объекта 35, его внутренних структур на уровне тканей и клеток.Due to the fact that each new opened layer of a given plane of sample 10 is obtained by removing a layer with a thickness of not more than 50 μm, and preferably 1.0-2.0 μm, all the anatomical features of the biological object 35 fixed in the sample 10, its internal structures at a level are visualized tissues and cells.

После срезания слоя образца 10 механизм 3 вращения отключается, включается механизм 11 линейных перемещений в продольном направлении и узел 2 крепления образца перемещается из первого во второе крайнее положение по заданной программе. Благодаря тому что в стенке 14 холодильного шкафа 4 имеется прорезь 30 (фиг.5) и предусмотрено средство 31 перекрывания этой прорези, включающее гофрированные шторки 32, связанные с узлом 2 крепления образца, сам узел 2 имеет возможность перемещаться по прорези 30 и одновременно перекрывать часть прорези 30 одной из двух гофрированных шторок 32 в зависимости от направления перемещения узла 2. Такое конструктивное выполнение практически исключает контакт внутреннего объема холодильного шкафа 4 с окружающей средой и обеспечивает поддержание в холодильном шкафу 4 заданной температуры и влажности.After cutting off the sample layer 10, the rotation mechanism 3 is turned off, the linear displacement mechanism 11 in the longitudinal direction is turned on, and the sample attachment unit 2 is moved from the first to the second extreme position according to a predetermined program. Due to the fact that in the wall 14 of the refrigerating cabinet 4 there is a slot 30 (Fig. 5) and means 31 are provided for overlapping this slot, including corrugated shutters 32 connected to the sample fastening unit 2, the node 2 itself can move along the slot 30 and at the same time block part the slots 30 of one of the two corrugated shutters 32 depending on the direction of movement of the node 2. Such a design virtually eliminates the contact of the internal volume of the refrigerator 4 with the environment and ensures maintenance in cold 4 yl cabinet predetermined temperature and humidity.

При достижения образцом 10 второго крайнего положения узел 2 крепления биологического объекта останавливается и включается привод 16 (фиг.2) средства 15 перекрывания окна, который поднимает заслонку 17, тем самым открывает окно 21, выполненное в боковой стенке 22 холодильного шкафа 4.When the sample 10 reaches the second extreme position, the attachment unit 2 of the biological object stops and the drive 16 (FIG. 2) of the window shutter means 15, which raises the shutter 17, is turned on, thereby opening the window 21 made in the side wall 22 of the refrigerator 4.

При выполнении фрезерования образованная поверхность образца 10 имеет чистоту, сопоставимую с чистотой поверхности зеркала.When performing milling, the formed surface of the sample 10 has a purity comparable to that of the surface of the mirror.

Далее, именно эту поверхность образца 10 и, соответственно, поверхность биологического объекта 35 подвергают дальнейшему исследованию, например фотографированию или сканированию.Further, it is this surface of the sample 10 and, accordingly, the surface of the biological object 35 is subjected to further research, for example photographing or scanning.

В конкретном варианте выполнения изобретения осуществляют микрофотографирование с помощью микрофотографической установки, содержащей осветительные приспособления 23, светофильтры, микроскоп и средство 20 получения цифровых изображений образца, например цифровую фотокамеру фирмы KODAK, объектив которой обеспечивает получение из одного ракурса цифрового выражения изображения всех плоскостей экспонируемого образца.In a particular embodiment of the invention, microphotography is carried out using a microphotographic apparatus comprising lighting fixtures 23, light filters, a microscope and means 20 for acquiring digital images of a sample, for example, a KODAK digital camera, the lens of which provides a digital expression of all planes of the exposed sample from one perspective.

Для этого осветительные приспособления 23 фокусируют световой поток через открытое окно 21 на образце 10, а средство 20 получения изображений в цифровом формате осуществляет съемку поверхности образца 10 и, соответственно, биологического объекта 35. После завершения одного этапа съемки по команде блока 26 управления для исключения повышения температуры в холодильном шкафу 4 закрывается окно 21, а механизм 11 линейных перемещений возвращает узел 2 крепления образца из второго в первое крайнее положение.To this end, the lighting fixtures 23 focus the light flux through an open window 21 on the sample 10, and the digital image acquisition tool 20 captures the surface of the sample 10 and, accordingly, the biological object 35. After completing one shooting step, at the command of the control unit 26, to prevent an increase temperature in the refrigerator 4 closes the window 21, and the linear movement mechanism 11 returns the node 2 of the sample mount from the second to the first extreme position.

На этом заканчивается один цикл работы устройства, в результате чего с заготовки 10 срезается один слой и в цифровом формате получается одно изображение поверхности образца 10 с биологическим объектом 35.This ends one cycle of operation of the device, as a result of which one layer is cut off from the workpiece 10 and in digital format one image of the surface of the sample 10 with a biological object 35 is obtained.

Далее по программе в автоматическом режиме включается механизм 3 вращения и узел 2 крепления образца перемещается на один шаг в сторону фрезы 6, после чего описанный цикл повторяется до полного иссечения образца 10 на множество слоев, то есть до полной деструкции образца 10.Further, according to the program, the rotation mechanism 3 is automatically turned on and the sample attachment unit 2 moves one step towards the cutter 6, after which the described cycle is repeated until the sample 10 is completely excised into many layers, that is, until the sample 10 is completely destroyed.

При этом получают множество двухмерных изображений множества последовательно полученных поверхностей образца 10 и, соответственно, поверхностей биологического объекта 35 в цифровом формате.In this case, a plurality of two-dimensional images are obtained of a plurality of successively obtained surfaces of the sample 10 and, accordingly, the surfaces of the biological object 35 in digital format.

Каждое полученное двухмерное изображение образца 10 в цифровом формате вводят в блок 27 обработки цифровых изображений, где с помощью программной обработки изображению каждого слоя придают толщину, равную шагу фрезерования, при этом получают адекватное трехмерное виртуальное отображение каждого слоя.Each obtained two-dimensional image of sample 10 in digital format is input into the digital image processing unit 27, where, using software processing, the image of each layer is given a thickness equal to the milling step, and an adequate three-dimensional virtual display of each layer is obtained.

Далее с помощью программной обработки в блоке 27 обработки цифровых изображений осуществляют совмещение полученных трехмерных виртуальных отображений множества слоев в последовательности, обратной осуществлению разделения образца 10 на слои, что обеспечивает реконструкцию названного биологического объекта 35 вплоть до получения его виртуальной модели. Затем с помощью программной обработки удаляют изображение заливочного материала и получают виртуальную модель биологического объекта.Next, using the software processing in the digital image processing unit 27, the obtained three-dimensional virtual mappings of the multiple layers are combined in the reverse order of the separation of the sample 10 into layers, which ensures reconstruction of the biological object 35 up to its virtual model. Then, using software processing, the image of the filling material is removed and a virtual model of the biological object is obtained.

Полученная в соответствии с заявляемым способом виртуальная модель биологического объекта представляет собой некий "интеллектуальный объем", который способен, по желанию пользователя, распадаться на дискретные элементы, что обеспечивает достоверную визуализацию на мониторе всех реконструированных анатомических особенностей биологического объекта и его внутренних структур на уровне клеток и тканей.Obtained in accordance with the claimed method, the virtual model of a biological object is a kind of "intellectual volume" that can, at the request of the user, break up into discrete elements, which provides reliable visualization on the monitor of all reconstructed anatomical features of the biological object and its internal structures at the cell level and tissues.

Заявляемый способ, реализованный в патентуемом устройстве, позволяет исключить искажения структуры и формы биологического объекта и осуществить достоверную объемную трехмерную реконструкцию любого патолого-биологического объекта независимо от плотности его тканей и однородности их структуры. Благодаря патентуемому изобретению возможно создавать виртуальные модели для всех разделов биологии: ботаники, зоологии, анатомии. При этом создаваемые виртуальные модели имеют строение и структуру, практически идентичную строению и структуре тканей и клеток исходного биологического объекта, что позволяет обеспечить исследователей точными динамически анимированными по физиологическим законам наглядными пособиями с полной информационной поддержкой в любых доступных интеграциях.The inventive method, implemented in a patented device, allows to eliminate distortion of the structure and shape of a biological object and to carry out a reliable three-dimensional three-dimensional reconstruction of any pathological biological object, regardless of the density of its tissues and the uniformity of their structure. Thanks to the patented invention, it is possible to create virtual models for all areas of biology: botany, zoology, anatomy. At the same time, the created virtual models have a structure and structure that is almost identical to the structure and structure of tissues and cells of the original biological object, which allows researchers to provide accurate dynamically animated visual aids according to physiological laws with full information support in any available integrations.

Claims

1. A method of creating a virtual model of a biological object, including fixing a biological object using filling material in a three-dimensional figure with the formation of a sample and dividing it into many parallel layers in a given sequence, obtaining a digital image of each layer of the sample, introducing the obtained image of each layer into a block processing digital images to obtain a three-dimensional virtual display of each layer, combining the resulting virtual mappings of multiple layers in the reverse sequence, before obtaining a virtual model of the sample and removing the image of the casting material to obtain a virtual model of the biological object, characterized in that before fixing the biological object is instantly frozen at cryogenic temperatures, the biological object is fixed by freezing the casting material, and separation into sample layers carried out in a confined space by sequentially milling the selected plane of the sample with a discrete step equal to not more than 50 μm, and the image of each layer in digital format is obtained from the surface of the sample formed as a result of each milling step.

2. The method according to claim 1, characterized in that the cryoagent is used as the filling material.

3. The method according to claim 1, characterized in that the milling is carried out with a step selected in the range from 1.0 to 2.0 microns.

4. The method according to claim 1, characterized in that the temperature at which the separation of the sample into layers is set in the range from minus 25 to minus 30 ° C.

5. A device for creating a virtual model of a biological object, including a base, a sample mount, a means for dividing the sample into layers, made with the possibility of cyclical interaction with the sample, and means for visualizing the image of a biological object, including means for obtaining digital images of the sample, made with the possibility of forming groups of digital images of the sample along the cut layers and connected through the image processing unit of the sample with the control unit, characterized in that a refrigerating cabinet is installed in the longitudinal direction of the base, on the first side of which in the longitudinal direction of the base there is a first table on which there is a linear movement mechanism of the specimen attachment unit in the longitudinal direction, made with the possibility of reciprocating movements of the specimen attachment unit from the first extreme position to the second extreme position, and the second table mounted on the first table in the transverse direction, equipped with a mechanism for discrete linear movements of the mount the sample in the transverse direction, having a step corresponding to the thickness of the cut-off layer of the sample, while the second table is connected to the mounting unit of the sample with the possibility of placing the latter in the refrigerator, on the second side of which, opposite the first, based on the installed means for separating the sample into layers, representing a rotation mechanism with a milling cutter inserted into the refrigerator, while the sample image processing unit is configured to remove the image of the casting material and form a virtual a complete image of a biological object, and a rotation mechanism, a linear movement mechanism of the specimen attachment unit in the longitudinal direction, and a discrete linear motion mechanism of the specimen attachment unit in the transverse direction are connected to the control unit.

6. The device according to claim 5, characterized in that it contains a group of lighting devices located outside the refrigerator and made with the possibility of focusing radiation on the sample.

7. The device according to claim 5, characterized in that on the first side wall of the refrigerator, located on the side of the sample attachment point, a longitudinal slot is made for reciprocating linear movements of the sample attachment point.

8. The device according to claim 7, characterized in that it comprises means for overlapping a longitudinal slot mounted on the first side wall of the refrigerator and configured to overlap a longitudinal slot.

9. The device according to claim 8, characterized in that the means for overlapping the longitudinal slot includes two corrugated shutters located on both sides of the sample attachment unit and mechanically connected with it, and longitudinal guides made on the first side wall of the refrigerator.

10. The device according to claim 5, characterized in that on the second side wall of the refrigerator, opposite the first, a window is made located opposite the zone of placement of the means for obtaining digital images of the sample.

11. The device according to claim 10, characterized in that it comprises means for blocking the window connected to the control unit and configured to open the window when the sample is located opposite it when moving the sample mount from the first extreme position to the second.

12. The device according to claim 11, characterized in that the window closing means comprises an actuator located outside the refrigerator, and a shutter mechanically connected to the drive and located inside the refrigerator.

13. The device according to p. 12, characterized in that the drive is made hydraulic.

14. The device according to p. 12, characterized in that the actuator is pneumatic.

15. The device according to claim 5, characterized in that on the upper wall of the refrigerator there is a lid installed in the area of the rotation drive.

16. The device according to clause 15, wherein the lid is made of a transparent material.

17. The device according to claim 5, characterized in that the cutter is made end with plates of polycrystalline diamond.

18. The device according to claim 5, characterized in that the step of moving the mount of the sample in the transverse direction does not exceed 50 microns.

19. The device according to p. 18, characterized in that the step of moving the mount unit of the sample in the transverse direction is from 1.0 to 2.0 microns.

20. The device according to claim 5, characterized in that the refrigerator is configured to maintain a temperature in it in the range from minus 25 to minus 30 ° C.

21. The device according to claim 5, characterized in that the attachment unit of the sample contains a pallet on which is placed a group of fasteners made with the possibility of fixing the position of the sample on the pallet.