CN101904737B - 活体荧光内窥光谱成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及活体荧光内窥光谱成像装置，包括光源单元、分光单元、扫描导光单元、光纤束内窥单元、光电信号探测及采集单元、计算机，所述的光源单元由准直光源和带通滤波器组成，其特征在于：准直光源的光经带通滤波器后进入分光单元，分光单元具有两路端口，分光单元的一路端口与扫描导光单元相连，扫描导光单元与光纤束内窥单元相连，分光单元的另一路端口与光电信号探测及采集单元相连，光电信号探测及采集单元与计算机相连。本发明具有如下特点：1、采用傅里叶变换光谱仪探测样品激发光谱，具有光谱分辨率高(1nm)、光谱分辨率可调等优点。2、荧光活体内窥光谱成像系统既能提供组织水平的成像诊断，又能提供分子水平的光谱诊断。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种活体荧光内窥光谱成像装置。
背景技术
光学显微技术可以为现代医学的研究提供从分子水平到细胞水平，到组织水平的有效信息，帮助人们在不同尺度上诊断、认识、研究各种复杂的疾病及其制病机理。由于生命体中各种表征极易受到周围环境酸碱度、湿度、温度等等多种复杂因素的影响，因此大力发展在体观测手段具有非常重要的现实意义。相对于离体观测，在体观测获得的数据更能真实反映观测目标实际的性质、状态，检测结果更准确。活体荧光内窥成像技术采用光纤束作为载体，经人体或其他动物体天然通道或手术微创切口进入体内对器官进行在体探测。小型化的内窥成像技术有能力提供细胞级别的实时的组织可视化，允许医生减少甚至无需对疑似组织进行传统活检而作出准确的病理诊断，将极大的简化诊疗过程，减轻病人痛苦。基于光纤束的内窥系统因扫描装置在体外实现、成像分辨率高、结构简单等优势而具有较强的实用价值。
传统的基于光纤束的内窥系统一般将入射光经扫描导光系统传入光纤束，经前端探头照明样品，样品成像面信号原路返回，经分束器件与入射光分离，进入探测单元，获取的主要信息是样品经照射后成像面上各点的漫反射信号(C.Liang et.al.，Optics Express 9(13)，821-830(2001))或荧光强度信号(E.Laemmel et.al.，Journal of Vascular Research41(5)，400-411(2004))，最终可提供成像诊断，已在生物医学领域获得应用。这种传统的成像方法，通常都只有成像诊断，只能提供空间形态信息。而光谱诊断是依靠获取在一定波长的激光照射下样品的荧光辐射信号来辨别样品生物化学成分的信息。根据生物组织的自发荧光或外源荧光标记物等的光谱差异性，光谱诊断还能够给疾病诊断提供准确的判断依据。如果将成像诊断与光谱诊断结合，在同一内窥系统上同时实现二者的获取，将极大提高探测的灵敏度，既获得细胞水平的样品形态信息，又可以提供分子水平的样品生物化学成分信息，丰富了可获得的样品信息，可以成为准确判断疾病的依据之一。
法国Mauna Kea Technologies公司(F.Jean et.al.，Optics Express15(7)，4008-4017(2007))的荧光内窥系统虽然能提供光谱信息，但其获得的光谱数据仅仅是成像视场内所有光谱信息的平均，无法准确探测、区分视场内各点的光谱信息。目前唯一能实现基于光纤束内窥的荧光光谱成像方案是采用棱镜分光在CCD上来实现对样品各点荧光发射光谱的解谱探测(H.Makhlouf et.al.，Journal of Biomedical Optics 13(4)，044016-044019(2008))。这种方式虽然可以和CCD探测兼容，但是由于使用棱镜导致光谱分辨率较低，平均6nm，不利于分辨发射谱较为接近的不同物质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的适用于光纤束内窥的活体荧光内窥光谱成像装置。通过采用傅里叶变换光谱探测技术与光纤束内窥显微技术结合，构成新型的活体荧光内窥光谱成像系统。这一新型成像系统既可准确提供样品成像空间形态分布，又能提供成像空间各点精确的荧光发射光谱信息，可实现对生物样品自身不同生物化学成分或多种外源荧光标记物的同时观测，大大提高了光纤束内窥镜的功能。
本发明的技术方案为：
活体荧光内窥光谱成像装置，包括光源单元、分光单元、扫描导光单元、光纤束内窥单元、光电信号探测及采集单元、计算机，所述的光源单元由准直光源和带通滤波器组成，准直光源的光经带通滤波器后进入分光单元，分光单元具有两路端口，分光单元的一路端口与扫描导光单元相连，扫描导光单元与光纤束内窥单元相连，分光单元的另一路端口与光电信号探测及采集单元相连，光电信号探测及采集单元与计算机相连。
其中所述的准直光源是单色光源、多色光源或宽带光源。
所述的分光单元提供两路端口；一路由光源单元输出信号进入分光单元与扫描单元相连；从样品返回信号则从扫描单元经分光单元后进入光电信号探测及采集单元的傅里叶变换光谱仪。分光单元是分束器或二色镜。
所述的扫描导光单元由扫描装置和4f系统组成；其中扫描装置实现对光束的空间扫描，以实现共聚焦显微成像的逐点探测，4f系统实现对光束直径的调整，以满足后续光学器件的入射孔径要求，扫描装置和4f系统均可从市场购买得到。
所述的光纤束内窥单元由耦合透镜、光纤束、及内窥探头单元组成；光束经耦合透镜会聚后耦合进入光纤束中的单根光纤内，以实现共聚焦显微成像方式；所述的内窥探头单元由在封装套管中的光纤束后端和成像透镜组合而成，且光纤束后端端面与样品成像面关于成像透镜成共轭关系，从光纤束输出的入射光经成像透镜照射在样品上，样品经该入射光激发产生的荧光辐射经成像透镜耦合进入光纤束相应的光纤中。其中成像透镜是单透镜或组合透镜。
所述的光电信号探测及采集单元由带通滤波器、傅里叶变换光谱仪、光电探测器组成；信号经带通滤波器滤波后，进入傅里叶变换光谱仪，傅里叶变换光谱仪将信号的光谱信息调制成可探测时域信号被光电探测器探测，交由后端计算机处理。
所述的活体荧光内窥光谱成像系统中扫描导光单元可替换成图像传感器CCD，同样可以全场方式实现同样活体荧光内窥光谱成像功能。
本发明具有如下特点：1、采用傅里叶变换光谱仪探测样品激发光谱，具有光谱分辨率高(1nm)、光谱分辨率可调等优点。2、荧光活体内窥光谱成像系统既能提供组织水平的成像诊断，又能提供分子水平的光谱诊断。
附图说明
图1为本发明装置的框图连接示意图。
图2为本发明装置的结构示意图。
图3为本发明的内窥探头结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明可以通过如下的方式实现：
在图1、图2中，本发明包括光源单元1、分光单元2、扫描导光单元3、光纤束内窥单元4、光电信号探测及采集单元5、计算机6；所述的光源单元1由准直光源7和带通滤波器8组成，准直光源7的光经带通滤波器8后进入分光单元2，分光单元2具有两路端口，分光单元2的一路端口与扫描导光单元3相连，扫描导光单元3与光纤束内窥单元4相连，分光单元2的另一路端口与光电信号探测及采集单元5相连，光电信号探测及采集单元5与计算机6相连。
在图2中，所述的光源单元1由准直光源7和带通滤波片8组成，其中准直光源7可以是单色光源、多色光源或宽带光源，其中带通滤波器8仅允许所需激发波长的光通过。
在图2中，所述的分光单元2提供两路端口；一路由光源单元1输出信号进入分光单元2与扫描导光单元3相连；从样品返回信号则从扫描导光单元3经分光单元2后进入光电信号探测及采集单元5，分光单元2可以是分束器，也可以是二色镜或其他可以实现分束功能的装置。
在图2中，所述的扫描导光单元由扫描装置9和4f系统10组成；其中扫描装置9实现对光束的空间扫描，以实现逐点探测，4f系统10实现对光束尺寸的调整，以满足后续光学器件的入射孔径要求，扫描装置和4f系统均可从市场购买得到。
在图2中，所述的光纤束内窥单元由耦合透镜11、光纤束12、内窥探头单元13组成；光束经耦合透镜11会聚后耦合进入光纤束12中的单根光纤内，以实现共聚焦显微成像方式；如图3所示，所述的内窥探头单元13由在封装套管19中的光纤束后端17和成像透镜18组合而成；光纤束后端17端面与样品20成像面关于成像透镜18成共轭关系，从光纤束12输出的入射光经成像透镜18照射在样品20上，样品20经该入射光激发产生的荧光辐射经成像透镜18耦合进入光纤束12相应的光纤中。其中成像透镜18可以是单透镜或组合透镜。
在图2中，所述的光电信号探测及采集单元5由带通滤波器14、傅里叶变换光谱仪15、光电探测器16组成；信号经带通滤波器14滤波后，进入傅里叶变换光谱仪15，傅里叶变换光谱仪15将信号的光谱信息调制成可探测时域信号被光电探测器16探测，交由后端计算机6处理。
如图2、3所示，从准直光源7经带通滤波器8滤波后的准直激发光经分光单元2进入扫描装置9，扫描装置9实现光束在空间中的逐点顺序扫描探测样品，随后4f系统10改变激发光束直径大小以满足后续光纤束耦合透镜11的入射孔径要求；经变换后的激发光束传递到光纤束内窥单元4，经耦合透镜11会聚并耦合进入光纤束12中的单根光纤，以实现共聚焦显微成像方式；光纤束后端17端面与样品20成像面关于成像透镜18成共轭关系；经光纤束12的传输从光纤束后端17输出的光经成像透镜18照射在样品20上，样品20经照射后发出荧光信号，经内窥探头单元13收集后进入光纤束12相应的单根光纤中原路返回后端光学系统；荧光信号经分光单元2进入光电信号探测及采集单元5，带通滤波器14过滤掉样品荧光发射波段以外的光后，由傅里叶变换光谱仪15将信号的光谱信息调制成可探测时域信号被光电探测器16探测，交由后端计算机6处理以获得该点的荧光发射光谱。系统逐点探测样品中扫描空间内的每一点的荧光发射光谱，经计算机6数据处理后可重建出扫描区域的光谱成像结果，即x、y或z轴的荧光强度图及空间各点的荧光发射光谱。
所述的活体荧光内窥光谱成像系统如扫描导光单元3，采用CCD可以全场方式实现同样活体荧光内窥光谱成像功能。
Claims (2)
1.活体荧光内窥光谱成像装置，包括光源单元、分光单元、扫描导光单元、光纤束内窥单元、光电信号探测及采集单元、计算机，所述的光源单元由准直光源和第一带通滤波器组成，其特征在于：准直光源的光经第一带通滤波器后进入分光单元，分光单元具有两路端口，分光单元的一路端口与扫描导光单元相连，扫描导光单元与光纤束内窥单元相连，分光单元的另一路端口与光电信号探测及采集单元相连，光电信号探测及采集单元与计算机相连，所述的光电信号探测及采集单元由第二带通滤波器、傅里叶变换光谱仪、光电探测器组成；信号经第二带通滤波器滤波后，进入傅里叶变换光谱仪，傅里叶变换光谱仪将信号的光谱信息调制成可探测时域信号被光电探测器探测，交由后端计算机处理。
2.根据权利要求1所述的活体荧光内窥光谱成像装置，其特征在于：所述的准直光源是单色光源、多色光源或宽带光源。
3、根据权利要求1所述的活体荧光内窥光谱成像装置，其特征在于：所述的分光单元具有两路端口，所述的分光单元为分束器或二色镜。
4、根据权利要求1所述的活体荧光内窥光谱成像装置，其特征在于：所述的扫描导光单元由扫描装置和4f系统组成；其中扫描装置实现对光束的空间扫描，以实现共聚焦显微成像的逐点探测，4f系统实现对光束直径的调整，以满足后续光学器件的入射孔径要求。
5、根据权利要求1所述的活体荧光内窥光谱成像装置，其特征在于：所述的光纤束内窥单元由耦合透镜、光纤束、内窥探头单元组成；光束经耦合透镜会聚后耦合进入光纤束中的单根光纤内；所述的内窥探头单元由在封装套管中的光纤束后端和成像透镜组合而成，且光纤束后端端面与样品成像面关于成像透镜成共轭关系，从光纤束输出的入射光经成像透镜照射在样品上，样品经该入射光激发产生的荧光辐射经成像透镜耦合进入光纤束相应的光纤中；所述的成像透镜是单透镜或组合透镜。
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