【光电智造】医学自动对焦显微镜的实现流程和原理

当今医学领域，专业医护人员的培养成本越来越高，人才资源严重不足。另一方面，互联网技术不断发展，如今每家每户都能以各种方式通过互联网处理生活中大大小小的事件，包括购物，诊断等。然而很多医疗过程仍然没有融入到我们的日常生活中，比如血细胞化验。我们都有这样的经历，医院挂号后排队很久才能抽血化验，等待结果又要花半天。假如我们能够实现基于社区的分布式血细胞观察点，即每个社区(或小区)置备一台显微镜，那只需要在社区内采集，之后通过互联网上传至数据库，就能实现足不出户的血细胞分析。如今一次性的采血设备大多数人在家都能使用，然而显微镜的对焦却费时费力，且普通的显微镜不具备拍照功能。今天来介绍一套基于嵌入式开发、图像处理的自动对焦显微镜开发思路。

需要的硬件设备包括：显微镜可调平台、相机、镜头、嵌入式开发板、步进电机(及驱动)、PC(用户进行界面操作的平台，同时也是整个系统对焦流程运作的上位机平台)。其连接关系如图，相机采图传输到PC，经过清晰度算法评价出清晰度的具体数值后，通过清晰度的变化情况(梯度)算出镜头接下来正确的运动状态和速度大小通过串口反馈给单片机，再有单片机输出对应的电信号控制电机驱动，进而通过电机带动皮带运动，实现镜头的上下移动，整个过程实时进行，就实现了自动对焦。

PC端需要设计可视化的操作界面，用户通过在界面操作，即可以实现自动对焦，也能通过鼠标点击不同档位和方向进行手动对焦。自动对焦采用动态方式，其流程为：对于每一帧采集的图像，通过清晰度算法得出一个具体的清晰度数值(没有单位，是一个自己定义的相对数值，恰当控制其有效数字即可)，再通过统计连续数帧的清晰度数组，得到其变化曲线，根据梯度的正负得出镜头正确的运动方向，根据其变化大小(二阶梯度)得到镜头正确的运动速度大小，整个清晰度变化曲线像一座山峰一样，因此可以形象地称之为“爬山算法”，最终在梯度为零地区域来回摆动几次后，经过我们的阈值检测就可以停止移动，停在对焦清晰的点了。

对照通信协议将信息发通过串口发送给下位机(如stm系列开发板，具有串口功能的即可)，再通过嵌入式编程，从接收的信息对应到输出的电流方向和占空比，即可控制步进电机。