CN101919686B - 用于活动动物脑皮层功能观测的多模式成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于活动动物脑皮层功能观测的多模式成像系统，包括：光源装置，产生三种成像模式所需光源；传像光纤，在动物自由活动时将其脑皮层图像传送至分光镜；传光光纤，将光源的光传送至动物脑皮层；分光镜，将传像光纤传送到的成像光束分成三束，进行内源信号成像、激光散斑衬比成像和荧光成像；内源信号光学成像部分，用于内源信号成像；激光散斑衬比成像部分，用于激光散斑衬比成像；荧光成像部分，用于荧光成像；动物活动室，用于实验动物自由活动；图像采集卡，用于图像采集；计算机，用于系统控制，接收图像并处理。本发明利用光纤传光和传像，可以实现动物清醒活动状态下的多模式成像，包括：内源信号光学成像、激光散斑衬比成像和荧光成像。

Description

用于活动动物脑皮层功能观测的多模式成像系统

技术领域

 本发明涉及生物医学成像技术，特别是内源信号光学成像技术、激光散斑衬比成像技术和荧光成像技术的结合，并基于光纤成像技术，能够对清醒活动状态下的小动物进行脑皮层多模式成像。

背景技术

脑功能光学成像是一直是神经科学研究领域一种极为重要的研究手段。目前，国内外普遍开展的脑功能光学成像方法包括各种荧光成像，内源信号光学成像，近红外光成像，激光散斑成像等多种成像方法。这些成像方法大多数应用在已经麻醉处理过并且固定在实验台上的小动物身上。虽然基于麻醉实验小动物上的光学成像系统已经得到很普遍的应用，并且可以为脑功能科学研究提供一个很稳定的平台，但麻醉状态下动物对各种刺激的生理反应与清醒活动状态下的反应可能不一致，并且麻醉剂肯定会对动物的生理机能产生影响，从而使得获取的生理参数不能完全正确地反映动物真实生理状态的变化，一些研究者开始尝试用各种的装置将目前已较为成熟的光学成像方法应用到清醒活动的实验动物身上。

目前用于清醒小动物脑皮层观测的装置主要有两种：一是头部受限式，这种装置主要是将实验小动物头部严格固定，保证成像时动物头部静止不动，但其身体和四肢可在一定程度上自由运动， 其缺点是这种装置只能使小动物做头部受限制的活动，并非完全自由活动。二是光纤传导式，这种装置主要是通过传像光纤束导出观测区域的光信号，主要被用来进行荧光成像，可以保证试验小动物完全自由活动，其缺点是这种成像装置观测区域小，仅适用于单一的荧光成像，不能同时进行多种模式的脑功能成像观测。

内源信号光学成像是一种优越的在体脑功能成像技术，通过测量皮层反射光，可以反映脑部血容量的变化；激光散斑衬比成像技术可以对动物脑皮层血流进行实时全场成像；荧光成像技术则可以反映动物脑部神经活动的变化，这三种成像模式的结合可以监测脑部生理活动的多种参数，对研究生理与疾病状态下脑的神经—血管耦合意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够用于清醒活动动物脑皮层功能观测的多模式成像系统，该成像系统解决了在清醒并自由活动状态下，对实验动物进行内源信号光学成像、激光散斑衬比成像以及荧光成像的问题。

本发明提供了一种用于活动动物脑皮层功能观测的多模式成像系统，包括：

光源装置，用于产生多模式成像所需的光源；

传像光纤，用于在实验动物自由活动时将其脑皮层图像传送至分光镜；

传光光纤，用于将光源的光传送至动物脑皮层；

分光镜，用于将传像光纤传送到的成像光束分成三束，分别进行内源信号成像、激光散斑衬比成像和荧光成像；

内源信号光学成像部分，用于内源信号成像；

激光散斑衬比成像部分，用于激光散斑衬比成像；

荧光成像部分，用于荧光成像；

动物活动室，用于实验动物自由活动；

图像采集卡，用于图像采集；

计算机，用于系统控制，接收图像采集卡采集的图像并进行处理。

由上可知，当实验动物在活动室自由活动时，传光光纤一端连接光源装置，另一端固定于动物头部，可将光源系统的光传送至动物脑皮层，而传像光纤一端固定于动物头部，另一端固定于分光镜前，可将动物脑皮层图像传送至分光镜。分光镜再将传像光纤传送的成像光束分成三束，分别送给内源信号成像部分、激光散斑衬比成像部分和荧光成像部分进行成像，并通过计算机进行图像采集和处理。这样，使用本发明所提供的成像系统，可以对清醒的活动动物进行多模式成像。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1是本发明用于活动动物脑皮层观测的多模式成像系统结构图；

图2是本发明中光源装置的结构图；

图3是双带通滤光片随光谱变化的传输效率曲线；

图4是荧光钙绿染料的激发和发射效率随时间的变化曲线；

图5是本发明实施例中对活动动物脑皮层多模式成像的结果图。

具体实施方式

图1为本发明用于活动动物脑皮层观测的多模式成像系统结构图，具体包括：

光源装置1，传光光纤2，传光光纤3，传像光纤4，动物活动室5，分光镜6，滤光片7，电荷耦合器8，图像采集卡9，计算机10，分光镜11，电荷耦合器12，图像采集卡13，计算机14，滤光片15，电荷耦合器16，图像采集卡17，计算机18。

传光光纤2和传光光纤3一端连接光源装置1，另一端固定于动物头部。传像光纤4一端固定于动物头部，另一端固定于分光镜6前。在分光镜6的右侧放置滤光片7和电荷耦合器8，且滤光片7和电荷耦合器8共轴且轴线过分光镜6中心。图像采集卡9通过数字接口和电荷耦合器8相连，通过PCI插槽与计算机10连接。在分光镜6的上方放置分光镜11，两分光镜共轴，放置方向相反。在分光镜11的左侧放置电荷耦合器12，且电荷耦合器12与分光镜11共轴。图像采集卡13通过数字接口和电荷耦合器12相连，通过PCI插槽与计算机14连接。在分光镜11的上方放置滤光片15和电荷耦合器16，且滤光片15和电荷耦合器16共轴且轴线过分光镜11中心。图像采集卡17通过数字接口和电荷耦合器16相连，通过PCI插槽与计算机18连接。

其中，

光源装置1，用于产生多模式成像所需的光源，主要包括：内源信号光学成像所需的565-580纳米波段光源，激光散斑衬比成像所需的633纳米激光光源和荧光成像所需495-520纳米波段的激发光源。

光源装置1的结构如图2所示，其实现原理为：由发光二极管发出的宽波谱光（400-700纳米）经过双带通滤光片后，产生内源信号光学成像所需的565-580纳米波段光源和荧光成像所需495-520纳米波段的激发光源，激光二极管产生的633纳米激光通过分光镜与上述两个波段的光源融合，最终产生多模式成像所需的光源。该结构包括以下部分：

发光二极管19，用于产生光谱范围400-700纳米的光；

双带通滤光片20，用于产生内源信号光学成像所需的565-580纳米波段光源和荧光成像所需495-520纳米波段的激发光源；

激光二极管22，用于产生激光散斑衬比成像所需的633纳米激光光源；

分光镜21，将三种成像模式所需的光源融合在一起。

从图3可看出，双带通滤光片的中心波长分别为508纳米和585纳米，带宽分别为26纳米和72纳米，也就是能允许495-520纳米和550-620纳米范围内的光通过。从图4可以看出，在荧光成像模式中，荧光钙绿染料的激发效率曲线23的峰值为505纳米左右，在495-520纳米范围激发效率大于50%，这与双带通滤光片的其中一个带宽范围正好符合。因此发光二极管发出的400-700纳米范围的光，经过双带通滤光片后，只剩下495-520纳米和550-620纳米两个范围的光，再加上激光二极管产生的633纳米激光，就组成了多模式成像所需的光源。

传光光纤2，一端连接光源装置1，另一端固定于动物头部，可将光源系统的光传送至动物脑皮层。

传光光纤3，功能与传光光纤2相同。两根传光光纤固定于动物头部对侧，可以使得照明更均匀，成像效果更好。

传像光纤4，一端固定于动物头部，另一端固定于分光镜6前，可将动物脑皮层图像传送至分光镜6。

动物活动室5，用于实验时动物的自由活动。

分光镜6，将传像光纤传送来的成像光束分为两束，一束经过滤光片7由电荷耦合器8接收，实现荧光成像功能，另一束到达分光镜11。

滤光片7，其中心波长为530纳米，带宽11纳米，也就是525-536纳米范围的光能通过滤光片7。从图3可以看出，在荧光成像模式中，荧光钙绿染料的发射效率曲线24的峰值为530纳米左右，在525-536纳米范围发射效率大于90%，这与滤光片7的带宽范围正好符合。

电荷耦合器8，收集经过滤光片7的成像光束，并通过数字数据线传送给图像采集卡9。

图像采集卡9，完成数字化采集，然后输出到计算机10中进行荧光成像。

计算机10，接收图像采集卡9发送的图像，以及对图像进行荧光成像处理。

由上可看出，由滤光片7，电荷耦合器8，图像采集卡9和计算机10完成荧光成像的功能。

分光镜11，将分光镜6传送来的一束成像光束再分成两束，一束由电荷耦合器12接收，实现激光散斑衬比成像，另一束经过滤光片15由电荷耦合器16接收，实现内源信号光学成像。

电荷耦合器12，收集经分光镜11传来的成像光束，并通过数字数据线传送给图像采集卡13。

图像采集卡13，完成数字化采集，然后输出到计算机14中进行激光散斑衬比成像。

计算机14，接收图像采集卡13发送的图像，以及对图像进行激光衬比散斑成像处理。

由上可看出，由电荷耦合器12，图像采集卡13和计算机14完成激光衬比散斑成像的功能。

滤光片15，其中心波长为572纳米，带宽15纳米，也就是565-580纳米范围的光能通过滤光片15。因此在内源信号光学成像模式中，收集的内源光波段为565-580纳米。

电荷耦合器16，收集经过滤光片15的成像光束，并通过数字数据线传送给图像采集卡17。

图像采集卡17，完成数字化采集，然后输出到计算机18中进行内源信号光学成像。

计算机18，接收图像采集卡17发送的图像，以及对图像进行内源信号光学成像处理。

由上可看出，由滤光片15，电荷耦合器16，图像采集卡17和计算机18完成内源信号光学成像的功能。

通过以上成像系统，利用光纤传光和传像，可以实现在实验动物清醒并自由活动的状态下进行成像，并且本系统可以同时进行多模式的成像，包括：内源信号光学成像、激光散斑衬比成像和荧光成像。

下面以一个具体实验为例，阐述以上实施例的效果。实验生物材料为SD大鼠，体重200克左右。动物饲养和实验严格按照中华人民共和国《实验动物管理条例》要求进行。对大鼠麻醉后进行开颅手术，对其脑皮层注射钙绿荧光染料，并将传光和传像光纤固定在其头部成像区域，待其清醒并能自由活动后进行多模式成像。

内源信号光学成像电荷耦合器曝光时间为100毫秒，在线进行16帧平均，成像速度为1.6秒一帧；激光散斑衬比成像曝光时间20毫秒，在线进行100帧衬比计算；荧光成像曝光时间为1秒。图5是系统拍摄的清醒活动大鼠的多模式成像图，其中图(a)为内源信号光学成像图，由图(a)可以看出在565-580纳米波段的脑皮层内源光信号被系统接收清晰成像，并且可以实时的反映脑皮层血容量的变化；图(b)为激光散斑衬比成像图，由图(b)可以看出脑皮层血管在图像中被清晰体现出来，较亮的是动脉血管，较暗的是静脉血管，并且通过散斑衬比计算可以实时得到血管的血流变化情况；图(c)为荧光成像图，由图(c)可以看出荧光钙绿染料被成功激发，其发射的荧光信号被系统接收成像，并可由荧光信号的变化来观测脑皮层神经活动的变化。

由上可知，本发明所提供的成像系统，利用光纤传光和传像，可以实现在实验动物清醒并自由活动的状态下进行成像，并且可以同时进行多模式的成像，包括：内源信号光学成像、激光散斑衬比成像和荧光成像。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种用于活动动物脑皮层功能观测的多模式成像系统，其特征在于：

光源装置(1)，用于产生多模式成像所需的光源；所述光源装置包括内源信号光学成像所需的565-580纳米波段光源，激光散斑衬比成像所需的633纳米激光光源和荧光成像所需495-520纳米波段的激发光源，其装置具体包括：双带通滤光片(20)、发光二极管(19)、激光二极管(22)，分光镜(21)，

第一传光光纤(2)和第二传光光纤(3)，用于将光源的光传送至动物脑皮层；

传像光纤(4)，用于将自由活动时实验动物的脑皮层图像传送至分光镜；

第一分光镜(6)和第二分光镜(11)，同轴反向放置，用于将传像光纤传送到的多模式成像光束分成三束，分别进行内源信号成像，用于观测脑皮层血容量变化；激光散斑衬比成像，用于观测脑皮层血流速度变化；荧光成像，用于观测脑皮层神经活动；

第一传光光纤(2)和第二传光光纤(3)一端连接光源装置(1)，另一端固定于动物头部；传像光纤(4)一端固定于动物头部，另一端固定于第一分光镜(6)前；在第一分光镜(6)的右侧放置第一滤光片(7)和第一电荷耦合器(8)，且第一滤光片(7)和第一电荷耦合器(8)共轴且轴线过第一分光镜(6)中心；第一图像采集卡(9)通过数字接口和第一电荷耦合器(8)相连，通过PCI插槽与第一计算机(10)连接，实现荧光成像；在第一分光镜(6)的上方放置第二分光镜(11)，两分光镜共轴，放置方向相反；在第二分光镜(11)的左侧放置第二电荷耦合器(12)，且第二电荷耦合器(12)与第二分光镜(11)共轴；第二图像采集卡(13)通过数字接口和第二电荷耦合器(12)相连，通过PCI插槽与第二计算机(14)连接，实现激光散斑衬比成像；在第二分光镜(11)的上方放置第二滤光片(15)和第三电荷耦合器(16)，且第二滤光片(15)和第三电荷耦合器(16)共轴且轴线过第二分光镜(11)中心；第三图像采集卡(17)通过数字接口和第三电荷耦合器(16)相连，通过PCI插槽与第三计算机(18)连接，实现内源信号光学成像。

2.根据权利要求1所述的用于活动动物脑皮层功能观测的多模式成像系统，其特征在于，所述双带通滤光片(20)的中心波长分别为508纳米和585纳米，带宽分别为26纳米和72纳米，能允许495-520纳米和550-620纳米这两个范围内的光通过；发光二极管(19)产生光谱范围400-700纳米的光，然后经过双带通滤光片(20)，产生荧光成像所需495-520纳米波段的激发光源和内源信号光学成像所需的565-580纳米波段光源；激光二极管(22)产生激光散斑衬比成像所需的633纳米激光光源，经过第三分光镜(21)后这三种成像模式所需的光源就融合在一起。

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