CN101612035B - 微创多通道活体荧光信号实时检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

微创多通道活体荧光信号实时检测系统属于活体动物荧光检测的技术领域，其特征在于，依次水平排列的集束光纤、集束光纤固定装置、显微物镜、与水平成45度角的二向色镜、荧光滤光片、以及光探测器共轴，形成荧光发射光路，激发光源、激发光滤光片、透镜组成垂直排列，形成激发光路，所述激发光与所述二向色镜成45度角，且与所述荧光发射光正交于所述二向色镜的中心，本发明能够微创的、多通道的、定量的、连续的对活体动物多个器官或组织内的荧光目标的浓度进行检测。

Description

微创多通道活体荧光信号实时检测系统及方法

技术领域：

本发明涉及荧光信号检测领域。具体涉及通过微创的多通道荧光信号实时探测系统对活体动物体内荧光信号进行探测的系统及方法。

背景技术：

通常，为了探测动物体内某种药物在某器官的浓度变化规律，或者对于肿瘤的分期需要间隔时间采集器官内血液或组织样本进行体外观察或检测。近年来，随着荧光分子探针的普遍应用，使用荧光分子探针标记药物分子或者肿瘤细胞，在体外通过荧光分子断层成像等技术获得探针在动物体内的分布情况。

获取样本进行体外观察和检测：能够做到比较精确的定量测量，但是从动物体内获取样本无法做到“实时”和“连续”，而且通常对同一只动物进行取样的次数有一定限制，否则将造成动物死亡。

荧光分子断层成像：能够无创的对动物体内标记了荧光分子探针的药物分子或肿瘤细胞进行检测，但由于检测到的荧光信号经过了动物组织的光学散射，因此对探针的定位以及浓度的计算将造成一定偏差，因此这种办法进行的检测无法做到精确定量。

因此可见，在实际应用中，有着对于药物在动物各器官的浓度变化以及肿瘤分期的在体检测的需求。因此新型的微创多通道活体荧光信号实时探测系统及成像方法在实际应用中具有切实的意义和需求。

发明内容：

本发明的目的在于，提出一种新的活体荧光检测系统。

本发明的特征在于，含有：集束光纤、集束光纤固定装置、显微物镜、二向色镜、荧光滤光片、光探测器、激发光源、激发光滤光片以及透镜组，其中：

集束光纤，集束光纤内光纤的根数等于通道数，所述每根光纤的长度在30cm～100cm之间，一个端部具有针状硬质的光纤尖端，以便通过微创口直接把所述的针状硬质的光纤尖端插入待检测的活体动物器官或组织，所述每根光纤的另一端为平端面，共同构成了所述集束光纤的后端面，

集束光纤固定装置，中心开孔，空的横截面为方形、六边形或圆形中的任何一种，该集束光纤从所述孔中穿过，以便使所述集束光纤内各条光纤之间具有固定的位置和角度，

荧光滤光片，为带通滤光片，中心波长与带宽的选择和所述活体动物体内的待观测荧光目标的荧光发射谱相匹配，并且所述通带范围与所述激发光滤光片的通带范围不交叠，用于滤除激发光波段的光线，

光探测器，为光电倍增管阵列，所述光电倍增管的数量不低于所述通道的数量，且至少保证每一个光电倍增管与所述的每一条光纤通道一一对应，

激发光源，是一个激光器，输出激发光，

激发光滤光片，为带通滤光片，中心波长与带宽的选择和所述活体动物体内待观察的荧光目标的荧光激发谱相匹配，

透镜组，对通过所述激发光滤光片的激发光进行扩束，

二向色镜，是一个分光平片，位于所述显微物镜与荧光滤光片之间，

所述集束光纤的后端面、显微物镜、二向色镜、荧光滤光片以及光探测器依次水平排列且共轴，轴线为所述系统的主光轴，

所述二向色镜的法线方向，与依次透过所述激发光滤光片、透镜组的激发光束成45度角，且该二向色镜正位于所述激发光束和所述系统主轴方向上的荧光发射光的正交点上。

相比于现有的设备和方法，新的微创多通道活体荧光信号实时检测系统具有明显的优势。新的系统能够微创的、多通道的、定点的而且连续的对动物体内多个器官内的荧光浓度进行检测。能够给出每个检测位置的荧光强度随时间变化曲线，进而得到被荧光探针标记的药物的富集、靶向以及代谢等信息，或者被荧光探针标记的肿瘤细胞的生长、以及被消灭情况。该系统还可以通过切换激发光源、激发光滤光片、二向色镜和荧光滤光片支持各种荧光探针的检测应用，而且可以通过增加光纤集束数量来很便捷的升级应用于更多通道的同时检测。

附图说明：

图1示出了本发明的部件示意图，其中各部件说明如下：

1、针状硬质光纤尖端，

2、光纤(多根，其数量等于系统的通道数)，

3、光纤集束固定装置，

4、显微物镜，

5、二向色镜(或称分色片)、或者分光平片(或称半透射半反射镜)，

6、荧光滤光片，

7、透镜或透镜组，

8、光源，

9、激发光滤光片，

10、探测器。

图2示出了光纤集束固定的正方形排列方式

图3示出了光纤集束固定的三角形排列方式

具体实施方式：

该系统包含至少一个或多个光源(光源为激光器、大功率LED(发光二极管)、激光二极管或其他灯具，也可以是光纤从外部其他光源导入的光，优选的为大功率LED)、激发光滤光片、荧光滤光片和二向色镜组。所述光源、激发光滤光片、荧光滤光片与二向色镜共同配合，应用于对应的荧光探针。

该系统包含一个探测器对荧光信号的强度进行检测，可以为PMT(光电倍增管)阵列、光电二极管阵列或者CCD(电荷耦合器件)。

该系统在应用时，通过注射器针头的内腔、或者微创口直接将针状硬质光纤尖端插入待检测的动物器官或组织。

该系统通过光源前方的透镜和显微物镜的配合，将激发光汇聚导入每一根光纤，并通过光纤传递，进而照射到生物组织表面，激发荧光。荧光再通过光纤，经由显微物镜放大，并最终由探测器检测。

图1示意性表示了本发明的微创多通道活体荧光信号实时检测系统，具体各部分说明如下：

激发光产生模块

此模块包括光源8、激发光滤光片9、以及透镜或透镜组7。产生用于激发荧光标记目标的窄谱带激发光，整形为合适的光束形状并送入系统主光路(下文介绍)，送入系统主光路的激发光束与主光路光轴正交。

其中光源8可以为激光器、大功率LED(发光二极管)、激光二极管或其他灯具，也可以是光纤从外部其他光源导入的光，优选的为大功率LED。

其中激发光滤光片9为带通滤光片，其中心波长以及带宽的选择应当与待观测荧光目标的激发谱相适应。

其中透镜或透镜组7，在使用激光器作为光源时，需要实现光束的扩束，为透镜组构成的激光扩束镜；在使用其他光源时，需要实现光束的准直，为单透镜或透镜组。

用于切换光源和激发光滤光片的装置和配套控制器(图中未标出)，实现光源和激发光滤光片的切换，以适应不同的荧光标记目标的成像需要。

主光路及荧光检测模块

此模块包括探测器10、荧光滤光片6、二向色镜5、以及显微物镜4。用于将激发光汇聚导入光纤2，并同时将光纤束传出的荧光信号投射到探测器上的探测单元进行检测。

其中包括探测器10可以为PMT(光电倍增管)阵列、光电二极管阵列、或者CCD(电荷耦合器件)，优选的为PMT(光电倍增管)阵列，以提供更高的灵敏度、更高的信噪比以及易于实现更快的采样率，更加有利于对于微弱荧光信号的探测和信号的时间分辨率。当使用PMT阵列或者光电二极管阵列作为探测器时，阵列中PMT或者光电二极管的数量不得少于使用的光纤2数量(通道数)，也即保证每一根光纤对应至少一个探测器单元，以实现多通道的实施测量。

其中荧光滤光片6为带通滤光片，其中心波长与带宽的选择应当与待观测荧光目标的荧光发射谱相适应，并且其通带范围与激发光滤光片的通带范围不可交叠，用以滤除激发光波段的光线。

其中二向色镜(或者分光平片)5在光路中成45度放置(与主光路光轴和激发光产生模块的光轴均成45度角)，用以反射激发光波段的光子并且透射荧光波段的光子，当使用二向色镜时，其转折波长应介于激发光滤光片和荧光滤光片的通带范围之间，优选的为二向色镜。

微创多通道激发光及荧光传递模块

此模块包括光纤1、2、和光纤集束固定装置3。以下说明中，以“前端面”表示光纤的针状硬质插入尖端1一端的端面，以“后端面”表示光纤靠近显微物镜一端的端面。

光纤2为20～100cm长的柔性光纤，每根光纤的外径小于0.5mm，两端光学平面抛光处理。使用时将若干根光纤组合起来构成光纤集束，如图2或图3所示，使用的光纤根数也即系统的探测通道数。

针状硬质光纤尖端1长度为3～6cm，用于通过注射器枕头内腔或者直接通过微创口插入待检测动物的器官和组织。

系统操作方法

1、根据成像针对的荧光探针光谱学特征，切换为对应的光源、激发光滤光片、荧光滤光片和二向色镜。

2、使用注射器对动物待观察器官或组织进行穿刺，如果进行动物脑部观察，需要进行开颅手术操作。通过注射器的内腔或直接通过微创口将光纤尖端送达待观测部位。

3、使用探测器对多通道信号进行采集。

Claims (2)

1.微创多通道活体荧光信号实时检测系统，其特征在于，含有：集束光纤、集束光纤固定装置、显微物镜、二向色镜、荧光滤光片、光探测器、激发光源、激发光滤光片以及透镜组，其中：

集束光纤，集束光纤内光纤的根数等于通道数，每根光纤的长度在20cm～100cm之间，一个端部具有针状硬质的光纤尖端，以便通过微创口直接把所述的针状硬质的光纤尖端插入待检测的活体动物器官或组织，每根光纤的另一端为平端面，共同构成了所述集束光纤的后端面，

集束光纤固定装置，中心开孔，孔的横截面为方形，该集束光纤从所述孔中穿过，以便使所述集束光纤内各条光纤之间具有固定的位置和角度，

荧光滤光片，为带通滤光片，中心波长与带宽的选择和活体动物体内的待观测荧光目标的荧光发射谱相匹配，并且通带范围与所述激发光滤光片的通带范围不交叠，用于滤除激发光波段的光线，

光探测器，是光电二极管，或者CCD器件，或者是光电倍增管阵列，光电倍增管的数量不低于通道的数量，且至少保证每一个光电倍增管与每一条光纤通道一一对应，

激发光源，是一个激光器，或者大功率LED，或者激光LED中的任何一种，输出激发光，

激发光滤光片，为带通滤光片，中心波长与带宽的选择和所述活体动物体内待观察的荧光目标的荧光激发谱相匹配，

透镜组，对通过所述激发光滤光片的激发光进行扩束，

二向色镜，是一个分光平片，位于所述显微物镜与荧光滤光片之间，

所述集束光纤的后端面、显微物镜、二向色镜、荧光滤光片以及光探测器依次水平排列且共轴，轴线为所述系统的主光轴，

所述二向色镜的法线方向，与依次透过所述激发光滤光片、透镜组的激发光束成45度角，且该二向色镜正位于所述激发光束和所述系统主轴方向上的荧光发射光的正交点上。

2.根据权利要求1所述的微创多通道活体荧光信号实时检测系统，其特征在于，所述的针状硬质的光纤尖端通过注射器针头内腔插入待检测的活体动物的器官或组织。

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