CN101181152A - 时间分辨自体荧光寿命成像用于眼底病变早期诊断的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种将时间分辨自体荧光寿命成像技术与激光扫描共聚焦检眼镜相结合，通过获取并分析眼底自体荧光强度和寿命信息，从而实现对眼底病变早期诊断的新型的测量方法和装置。由脉冲激光器所发出的光送入激光扫描共聚焦检眼镜的扫描头用于对眼底内源荧光团的激发，眼底所发出的荧光被时间相关单光子计数器或高重复频率同步扫描相机收集，实现自体荧光的寿命测量及成像。由于眼底自体荧光寿命对荧光团分子所处的微环境及细胞新陈代谢状态非常敏感，并且不受眼底荧光团强度差异的影响，因此荧光寿命的测量为眼底疾病检测及眼底功能信息的获取提供了全新的途径。本发明将成为多种眼底疾病早期诊断的解决方法和依据，对包括病因研究、临床诊断、分期分型、预后判断、实时在体观察和分析眼底病情发展均起到重要作用，可广泛用于医学研究领域及临床医学诊断方面。

Description

时间分辨自体荧光寿命成像用于眼底病变早期诊断的方法及其装置

技术领域

本发明是一种通过测量并分析眼底时间分辨自体荧光寿命变化情况，实现眼底疾病早期诊断的方法和装置。现代眼科学证实，自体荧光寿命对眼底荧光团的种类及视网膜色素上皮细胞的新陈代谢变化状态十分敏感，当眼底产生异常状态时，自体荧光寿命的改变将先于病变形态的发生，因此自体荧光寿命的测量及成像可作为判断是否产生眼底疾病的重要依据。本发明旨在实现眼底时间分辨自体荧光寿命及其空间分布信息的获取，将为眼科医学检测和分析提供重要的功能信息，并在医学研究领域及临床医学诊断方面具有重要的应用价值。

背景技术

人的眼底存在着大量的内源荧光团，它们可以被一定波长的光激发产生自体荧光。这些荧光团中有些直接与视网膜疾病的产生有关，例如视网膜色素上皮层中脂褐素颗粒的堆积与年龄相关黄斑变性的产生有直接联系；有些则通过发射的荧光信息间接反映出眼底细胞的新陈代谢状态。因此鉴别这些荧光色素团及了解其所处微环境状态的变化情况，对眼底疾病的诊断具有重要意义。

虽然荧光光谱技术已在生物医学研究及临床诊断领域得到广泛应用，但通过选择激发谱或比较发射谱的特点来进行眼底内源荧光团鉴别的方法不具备较高的空间分辨率，且较弱的荧光信息很容易被较强的背景所掩盖。自体荧光寿命与淬灭、扩散等过程的驰豫时间类似，不同的电子处在其激发态时都具有其各自不同的寿命特点，并且不会受到眼底非荧光物质吸收光谱的影响。因此通过荧光寿命的测量，可对眼底细胞所处微环境的新陈代谢生理参数，如pH值和氧压等，进行高空间分辨的测量，实现荧光团组分的准确鉴别。

激光扫描共焦检眼镜是近10年来出现的用于测定眼底疾病的技术，它以聚焦激光束逐点高速扫描眼底，并测量从照射点反射回的光，从而重构出眼底的图像。由于采用逐点测量，并利用共焦针孔阻挡掉散射光，因此具有一定的层析分辨能力。这种方法可检查出眼内各组织，如视神经、视网膜、脉络膜以及眼屈光间质各透明组织是否正常。但由于对眼底像的放大倍数有限，使得在疾病产生初期的细微改变不能观察得很清楚，而且在疾病的初期，眼底组织形态的变化往往是不明显或难以测量的。因此，寻找一种能准确提供眼底细节，尤其是功能信息的全新的成像方法，用以实现眼底疾病的早期诊断已成为现代眼科医学及临床亟待解决的问题。本发明将自体荧光寿命成像技术与共焦扫描激光检眼镜相结合，实现眼底自体荧光寿命成像的测量，为眼底疾病的早期诊断提供了全新的方法和依据。

发明内容

本发明将通过光路系统、机械系统以及电子学系统的特殊设计，将时间相关单光子计数器或扫描相机与激光扫描共聚焦检眼镜耦合，利用检眼镜对病人进行眼底检查的同时，获取自体荧光信号。采用时域方法测量和计算寿命，利用计算机处理系统得到眼底时间分辨自体荧光图像，并与共聚焦激光扫描检眼镜产生的眼底反射图像形成对比信息。

本发明利用时间相关单光子计数器耦合激光扫描共聚焦检眼镜的原理及装置的举例说明如图1所示。装置主要由高重复频率超短脉冲激光器101、倍频器102、光电二极管控制单元105、激光扫描共聚焦检眼镜106、双色镜107、截止滤光片108、微通道板光电倍增管109、前置放大器110、时间相关单光子计数器111、光电倍增管112以及计算机处理系统113等组成。

本发明利用扫描相机耦合激光扫描共聚焦检眼镜的原理及装置的举例说明如图3所示。装置主要由高重复频率超短脉冲激光器301、脉冲提取器302、倍频器303、光电转换器306、延迟器307、激光扫描共聚焦检眼镜308、双色镜309、截止滤光片310、皮秒扫描相机311、CCD相机读出系统312、光电倍增管313以及计算机处理系统314等组成。

本发明采用高重复频率激光器，如钛宝石锁模飞秒激光器或其它高重复频率飞秒或皮秒激光器或激光二极管激光器作为眼底时间分辨自体荧光测量系统的激发光源。其光谱范围既可是固定波长的也可是可调波长的，波长允许变化范围400-1000nm。根据选择不同波长可进行眼底不同深度及部位的检测(如短波长的激光适合观察视网膜表层和玻璃体，长波长的激光则用于检查视网膜深层和脉络膜)。

本发明在高重复频率超短脉冲激光器如飞秒激光器光路中采用了脉冲提取装置，将高重复频率超短脉冲激光器如钛宝石激光器输出的超短脉冲重复频率降低，可测的荧光寿命范围可从皮秒级到微秒级。

本发明采用倍频器使低重复频率的光脉冲通过后，波长变为原来的一半，以单光子激发方式激发眼底自体荧光。

本发明利用分束镜将激光束一分为二，一束输入自体荧光寿命测量系统，另一束作为共焦激光扫描检眼镜的光源照射眼球。

本发明利用一个光电二极管控制单元实现时间相关单光子计数器中重要部件——时幅转换器的触发，触发方式为反转脉冲基准模式，这种模式可确保高效的光子计数率。

本发明利用一个双色镜使眼底自体荧光信号从眼底反射光信号中分离，使其实现时间分辨自体荧光及眼底反射光的对比成像。

本发明采用高灵敏度的微通道板光电倍增管作为荧光信号的探测装置，利用其时间响应快、空间分辨能力高、单光子计数能力强等特点对单个光子的探测，实现对微弱信号的高灵敏度探测，并将探测结果输入到时间相关单光子计数器，结束时幅转换器的触发状态。

本发明采用前置放大器对输入微通道板光电倍增管的荧光信号进行预放大，不仅可以有效放大并高速输出信号，而且可以减少噪声堆积，并且提供输入保护防止过载。

本发明采用特殊设计的扫描变像管和斜坡电压扫描电路，可在≤1MHz的重复频率下工作，并可在相同的重复频率下送出具有不同斜率的斜坡电压脉冲，从而可提供不同的时间分辨率和不同的时间量程。

本发明通过图像增强技术、高效光耦合技术和同步扫描工作模式，实现对微弱信号的高灵敏度探测。

本发明采用特殊设计的光学系统或光锥实现同步扫描变像管荧光屏和CCD读出系统之间的高效光耦合。通过CCD相机实时读出系统可以实时监测和记录样品的荧光光谱和时间分辨荧光强度等数据信息。

本发明将眼底时间分辨自体荧光图像中每一像素点的荧光信息利用多指数模型进行拟和，利用伪彩色标注不同的寿命分布情况。

本发明利用眼底自体荧光与反射光同时成像的方法，将反射图像中视网膜血管网状分布与眼底自体荧光寿命图像对应，用以校正眼底检查过程中由于眼球微动而造成的误差。

附图说明

图1时间相关单光子计数器耦合激光扫描共聚焦检眼镜单光子激发荧光寿命的测量方法及其装置示意图。

图2时间相关单光子计数器耦合激光扫描共聚焦检眼镜双光子激发荧光寿命的测量方法及其装置示意图。

图3扫描相机耦合激光扫描共聚焦检眼镜单光子激发荧光寿命测量方法及其装置示意图。

图4扫描相机耦合激光扫描共聚焦检眼镜双光子激发荧光寿命测量方法及其装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

图1中，由高重复频率超短脉冲激光器如钛宝石锁模飞秒激光器101，输出的近红外超短脉冲经过倍频器102后，通过分束镜104后被分为两束，其中一束光的能量较低，被光电二极管105探测后，输入时间相关单光子计数器111。这束同步信号以反转脉冲基准模式触发111内部的时幅转换器，产生一个高电平并作为计时的开始。另外一束光为主光束，以光纤103输入激光扫描共焦检眼镜106的扫描头，在眼底聚焦为一点用于完成眼底每一位置的扫描，实现单光子激发眼底自体荧光测量。光脉冲到达角膜的最大辐射能量小于允许的最大曝光量。从激光扫描共焦检眼镜输出的光信号，通过双色镜107分光后，将自体荧光信号与反射光信号分离。每一部分光都被光纤分别输入不同的探测器。反射光信号被光电倍增管112收集并用于随后的反射光成像114；自体荧光信号则经由截止滤光片108、微通道板光电倍增管109探测、前置放大器110预放大后，输入时间相关单光子计数器111。微通道板光电倍增管每次只能探测一个光子，并由这个光子信号结束时幅转换器的触发状态，即由高电平变为低电平。通过大量测量眼底在受到脉冲光激发后荧光光子到达109的时间，从而得到荧光强度的衰减规律。为补偿眼球在光照时微动造成的成像偏差，时间分辨自体荧光与眼底反射光同时成像，并以反射图像中视网膜血管网状分布为标准与眼底寿命图像结果对应，即在记录反射光成像时，眼球移动的位移矢量被计算机113计算并用于荧光寿命成像过程的校准。用这样的方法，时间相光单光子计数器每个时间通道中光子的记录将校正为眼球发生移动前的原始状态。基于每个通道中光子的数目，将获得眼底每个位置的自体荧光寿命像115。

图2中，由皮秒脉冲激光器201输出的近红外超短脉冲作为激发光源，直接进入测量系统则可实现单光子激发眼底自体荧光寿命成像。

图3中，由高重复频率超短脉冲激光器如钛宝石锁模飞秒激光器301输出的近红外超短脉冲经过脉冲提取器302后，重复频率从76MHz降到≤1MHz。低重复频率的光脉冲通过倍频器303后，波长变为原来的一半，由光纤传输并被分束镜305分为两束光，其中一束光的能量较低，用于触发快速光电探测器306，通过延迟器307后，输入到扫描相机311用以触发扫描相机的扫描电路；另外一束光为主光束，直接输入激光扫描共焦检眼镜308的扫描头，实现眼底自体荧光的单光子激发。从激光扫描共焦检眼镜输出的光信号，通过双色镜309分光后，将自体荧光信号与反射光信号分离。反射光信号被光电倍增管313收集并用于随后的反射光成像315；自体荧光的一维空间信息聚焦到扫描相机的狭缝上，当扫描相机工作于动态扫描模式时，在荧光屏上就可以得到眼底一维空间的扫描图像。依次扫描眼底，就可得到两维空间的荧光衰减曲线并形成荧光寿命图像316。通过特殊设计的光学系统或光锥实现同步扫描变像管荧光屏与CCD相机312的耦合。通过该实时读出系统和计算机处理系统314，可以实时校正眼底检查过程中由于眼球微动而造成的误差。

图4所示的系统中，高重复频率超短脉冲激光器401输出的近红外超短脉冲经过脉冲提取器402后，不经过倍频器，直接进入测量系统则可实现双光子激发眼底自体荧光寿命成像。

综上所述，本发明将传统的激光扫描共聚焦检眼镜与先进的时域荧光寿命测量系统相耦合，获取眼底自体荧光强度和寿命图像信息，为目前多种眼底疾病如老年黄斑变性、特发性黄斑裂孔、中心性浆液性脉络膜视网膜病变、多种遗传性眼底病等的早期诊断问题提出了解决方法和依据，对包括病因研究、临床诊断、分期分型、预后判断、实时在体观察和分析眼底病情发展均起到重要作用，可广泛用于医学研究领域及临床医学诊断方面。

Claims (21)

1.一种将时间分辨自体荧光寿命成像用于眼底病变早期诊断的方法和装置。其特征是将时域荧光寿命测量与激光扫描共焦检眼镜耦合，用于观察眼底信息并实现眼底疾病早期诊断的新型装置。该系统将同时测量到的眼底反射光与自体荧光分离，由不同的探测器收集后分别传送到视频监测器及荧光寿命成像系统上，并利用计算机处理系统对自体荧光寿命图像进行校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所采用的时域荧光寿命测量系统由超短脉冲飞秒激光器、脉冲提取器、倍频器和高重复频率皮秒同步扫描相机系统等组成，对眼底荧光团采用单光子激发。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所采用的时域荧光寿命测量系统由超短脉冲飞秒激光器、脉冲提取器和高重复频率皮秒扫描相机系统等组成，对眼底荧光团采用双光子激发。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所采用的时域荧光寿命测量系统由高重复频率激光器和时间相关单光子计数器等组成。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是所用高重复频率激光器，既可以是飞秒激光器，用于眼底荧光团的双光子激发，也可以是皮秒脉冲激光器，用于眼底荧光团的单光子激发。

6.根据权利要求2和3所述的方法，其特征是激光器光谱范围既可是固定波长的也可是可调波长的，波长允许变化范围400-1000nm，根据选择不同波长可进行眼底不同深度及部位的检测。

7.根据权利要求2和3所述的方法，其特征是在高重复频率激光器光路中采用脉冲提取装置，将高重复频率激光器输出的超短脉冲重复频率从50MHz-500MHz降到50kHz-1MHz。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是可采用时间相关单光子计数器、门控像增强器、门控CCD相机或皮秒扫描相机进行荧光寿命的时域测量。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征是采用高灵敏度的微通道板光电倍增管探测自体荧光的单光子信号，实现对微弱信号的高灵敏度探测。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征是用一个前置放大器对输入微通道板光电倍增管的荧光信号进行预放大，不仅可以有效放大输出信号，提高输出速率，减少噪声堆积，而且可提供输入保护防止过载。

11.根据权利要求2和3所述的方法，其特征是利用分束镜将光源发出的超短脉冲分为能量不同的两束，分别用于扫描相机的同步和眼底荧光团的激发。

12.根据权利要求4所述的方法，其特征是利用分束镜将光源发出的超短脉冲分为能量不同的两束，分别用于时间相关单光子计数器的触发。

13.根据权利12所述的方法，其特征是能量较低的一束光脉冲通过光电二极管控制单元后进入时间相关单光子计数器，作为时间相关单光子计数器的起始触发脉冲。

14.根据权利要求4、13所述的方法，其特征是将微通道板光电倍增管探测到的单光子信号作为时间相关单光子计数器的中止触发脉冲，结合权力要求12所述形成反转脉冲基准模式，确保高效的光子计数率

15.根据权利要求1所述的方法，其特征是进入激光扫描共焦检眼镜扫描头的光脉冲经过瞄准仪聚焦后由10微米的光纤输入。

16.根据权利要求2、3和4所述的方法，其特征是利用双色镜将眼底自体荧光和反射光进行分离。

17.根据权利要求2和3所述的方法，其特征是同步扫描变像管具有大工作面积的光电阴极，具有好的像质和小的时间畸变的电子光学聚焦系统，具有满足宽电子束像质要求的偏转系统。

18.根据权利要求2和3所述的方法，其特征是采用CCD实时读出系统，且实时读出系统和同步扫描变像管之间的光耦合或者通过光学透镜或者通过光锥实现。

19.根据权利要求1和16所述的方法，其特征是分离出的自体荧光信号通过截止滤光片后输入微通道板光电倍增管。

20.根据权利要求1、2、3和4所述的方法，其特征是眼底同一位置的反射光与时间分辨自体荧光分别成像，在记录反射光成像时，眼球移动的位移矢量被计算机数据处理系统纪录并用于荧光寿命成像过程的校准。

21.根据权利要求1所述的方法，其特征是眼底时间分辨自体荧光图像中每一像素点的荧光信息利用多指数模型进行拟和。

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