CN101991406B - 用于活动小动物脑功能成像的头戴式显微装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于清醒活动状态下小动物的头戴式脑皮层显微成像装置，包括成像模块，照明模块和系统支撑底座。成像模块由一个金属制作的成像腔体及安装在内部的传像光纤和梯度折射率透镜组成。照明模块为一个光纤导出式复合光源系统，由光源、光源调整光路、控制驱动电路和输出光纤组成。其中光源部分由半导体激光器（LD）和大功率发光二极管（LED）构成，两个驱动器由微控制器控制，实现不同波长的光与激光单独或混合输出。系统支撑底座为一个特殊的金属结构体，固定在实验小动物头部，目标观测区域正上方，内部安装成像模块，并导入照明光纤，支撑整个成像系统，通过不同的照明光导入，实现多种形式的成像。

Description

用于活动小动物脑功能成像的头戴式显微装置

技术领域

 本发明涉及一种光学成像装置，特别是一种体积小、重量轻，能够安装在实验小动物头部，在其处于清醒活动状态对大脑皮层进行功能成像的显微装置。

背景技术

迄今为止，在神经科学研究领域，脑功能光学成像是一直是一种极为重要的方法。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，但鉴于药物麻醉会给实验动物的神经活动带来一定的影响，而这种影响可能会进一步影响研究者通过光学成像的方法得到的研究结果，甚至会制约某一个研究方向的发展，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。

目前已经有两种可用于清醒小动物脑皮层观测的装置：

1.头部固定式

这种装置包括两个部分：一个是头部固定器，将试验小动物的头部紧密固定在成像装置下方，保证成像时观测区域不会随着小动物身体的活动而发生相应变化；另一个是支撑小动物躯体的浮球，可以随小动物四肢的活动而自由滚动，同时球心位置不发生变化，这样可以实现小动物在头部被固定的情况下躯体和四肢进行一定程度的活动。

其缺点是这种装置只能使小动物做受限制的活动，只能帮助研究者在一定程度上实现对活动小动物进行脑功能观测。

2.光纤传导式

这种装置主要是通过传像光纤束或单根光纤导出观测区域的光信号。其特点是用一根或一束光纤同时传导激发光和发射光。这种装置一般在光纤近端使用一个二向色镜来分离激发光和发射，可以进行某些荧光成像，并且可以保证试验小动物处于完全的活动状态。

其缺点是这种成像装置复用一根光纤传导激发光和发射光，上端用二向色片分离激发光和发射光，所以只适用于某些荧光成像，如果进行内源信号成像，照明光在光纤端面的反射光无法与观测区域发射光分离，使整体信噪比低下，同样也不能进行激光散斑成像。且这种装置一般成像区域较小，不适合进行宽场荧光成像。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种用于清醒活动小动物上的头戴式显微装置，该显微装置可以进行宽场荧光成像，内源光成像，激光散斑成像。可以在试验小动物活动时进行多模式脑功能成像。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，用于活动小动物的头戴式显微装置，其特征在于：包括成像模块、照明模块，系统支撑底座；

所述成像模块包括成像腔体2、传像光纤束1和一个梯度折射率透镜3，传像光纤束部分安装在成像腔体内，梯度折射率透镜安装在成像腔体的下部，传像光纤束的下表面与梯度折射率透镜上表面间隔一定距离；所述系统支撑底座5为一个中通的第二腔体10，包括至少两个对称的与第二腔体10的轴线所成角度在40°～50°的照明光纤导入孔8，照明光纤导入孔靠近第二腔体的底部，用于将照明模块的输出光纤导入，完成对目标区域的照明；所述照明模块由光源部分6和输出光纤4组成，光源部分为输出光纤提供输出光源，输出光纤的输出端安装在所述照明光纤导入孔内，所述成像腔体安装在第二腔体内，二者上下方位相同，相对位置上下可调，系统支撑底座的底部设有环形凹槽9，环形凹槽通过粘合物质粘合附着在小动物头骨上。

优选的，所述光源部分包括一个大功率发光二极管（LED）和一个半导体激光器（LD），还有一个控制两个光源协同工作的控制器，LED光与半导体激光器发出的激光通过一个光线混合光路24合成一束后，由汇聚耦合光路25汇聚到输出光纤4中。

进一步优化的，所述大功率发光二极管前安装准直光路20，准直光路由一组透镜构成，准直光路后安装滤光轮21，滤光轮上面安放不同滤光片，选择LED的波长。

作为优选，所述成像腔体大直径端外表面车有外螺纹，系统支撑底座的第二腔体内车有内螺纹，成像模块的外螺纹与系统支撑底座的内螺纹配合，通过旋转螺纹调整两者之间的距离；实验时，将成像腔体旋入底座并调整好位置以后，用紧固螺钉将二者固定紧密。

更佳的，系统支撑底座上设有紧固螺纹孔7，通过紧固螺纹孔中的紧固螺钉固定成像模块的在系统支撑底座上位置。

作为优选方式，所述输出光纤由2根芯径在1.5mm以下的塑料光纤或2到4根石英光纤组成。

本发明提供的成像装置，可以方便的被实验小动物所携带，小动物排异时间短，不影响其活动行为。可以对较大范围内大脑皮层进行功能成像。可以实现宽场荧光成像、内源光成像和激光散斑成像这几种方法在活动小动物上的应用。并在空间分辨率上达到比较高的水平。

附图说明

图1为本发明一种用于活动小动物脑功能成像的显微装置中，成像模块、照明模块和系统支撑底座的立体结构示意图。

图2为图1中系统支撑底座一种实施例的三维结构示意图。

图3为图1中成像模块一种实施例的三维结构示意图。

图4为图2所示的系统支撑底座和图3所示的成像模块的装配结构示意图。

图5为图1所示照明模块一种实施例的组成结构框图。

图6为成像模块、照明模块和系统支撑底座整体装配工作的一种实施例示意图。

具体实施方式

由图1所示，本发明由成像模块、照明模块和系统支撑底座5组成。

成像模块包括成像腔体2、传像光纤束1和一个梯度折射率透镜3，传像光纤束一端与梯度折射率透镜安装在成像腔体2内。

照明模块由光源部分6和多根输出光纤4组成，其中，光源部分6包括一个大功率发光二极管（LED）和一个半导体激光器（LD），还有一个控制两个光源协同工作的控制器。

系统支撑底座5为一金属腔体，可连接光源的输出光纤4，并可与成像腔体2相配合，完成成像工作。

由图2所示，系统支撑底座5的外径最大处为8.5mm，中空的第二腔体10直径为5.5mm，整体高度为11.5mm，整体采用铝合金或纯铜制作。第二腔体10上部距顶端8mm距离内车有螺距为0.5mm的螺纹；距底座底端1mm处开有环形凹槽9，环形凹槽9宽度为1mm，深度为1mm；底部向外延伸的底座区有一段切圆弧结构11；两个对称并与底座轴线所成角度在40°与50°之间的照明光纤导入孔8，导入孔直径在0.5mm到1.5mm之间；一个紧固螺纹孔7，直径为1mm，位于切圆弧结构11相对的一侧，其中心距底座顶端3mm。

由图3所示，成像腔体包括大直径端13和小直径端14，其中大直径端13外径为5.5mm，长9mm，内部有一个直径为2.5mm的通孔，向下延伸到距顶端10mm处，用于固定传像光纤1；小直径端14外径4mm，长4mm，内部有一个直径为2mm的通孔，向上延伸至大直径端13通孔处，用于固定梯度折射率透镜3。在小直径端14最下端有一个倒角结构12。

成像模块中梯度折射率透镜3下表面与成像腔体2的相对位置固定。梯度折射率透镜长度不同，其焦距不同，在不同的成像腔体中安装不同长度的梯度折射率透镜来改变系统的焦距和像距。

梯度折射率透镜焦距计算公式如下：

梯度折射率透镜放大倍数计算公式如下：

其中

为透镜的中心折射率；

为透镜的折射率梯度系数；

为观测物体到透镜表面的距离；为透镜的长度。

梯度折射率透镜3与小直径端14的安装要保证密封性，在倒角结构12处涂上硅胶或相应的防水凝胶，并与透镜边缘粘合在一起。使用时，选择安装有不同长度透镜的成像腔体，将传像光纤装入后，即可构成具有不同放大倍数的成像模块。

由图4所示，将组装好的成像腔体2与系统支撑底座5装配起来。成像腔体2外壁和底座第二腔体10内壁均有螺距为0.5mm的螺纹，两者配合后，旋转成像腔体至合适的位置，调整透镜端面与观测物体的距离，使观测区域清晰成像。用一枚直径1mm的螺钉选入紧固螺纹孔7内，将成像腔体2的位置固定。

由图5所示，照明模块的光源系统由大功率发光二极管（LED）19和激光二极管（LD）18组成，两者分别由独立的驱动器驱动，驱动器由一个微控制器15控制。微控制器用来产生激光器驱动电路和LED驱动电路的使能信号，同时产生LED驱动电路的脉冲调制信号，对LED的工作状态进行时序控制。

大功率发光二极管19前安装准直光路20，由一组透镜构成，准直光路20后是一个滤光轮21，上面安放不同滤光片，选择LED出射光的波长。

LED经过准直和滤波后的光22与激光二极管18发出的激光23通过一个光线混合光路24合成一束。

混合光线由汇聚耦合光路25汇聚到输出光纤4中。输出光纤使用2根直径小于1.5mm的塑料光纤或2到4根石英光纤，每根光纤的长度均保证在1m以上。

由图6所示，在系统支撑底座5底端表面33处涂抹一层硅胶，安放在小动物头骨27处，安放时，将底座切圆弧结构11置于小动物面部一侧，紧固螺纹孔位于后脑一侧，目标观测区域29置于其中通腔体10正中央，其最大可以为直径为5mm的圆形区域。在系统支撑底座5环形凹槽9处涂上牙科水泥或其他凝固后可起到紧固作用的物质，并使其粘附到底座周围小动物头骨27处，待物质凝固后，底座紧密固定在小动物头部，目标观测区域29位于成像腔体2正下方的位置。

照明模块的输出光纤4固定到系统支撑底座的照明光纤导入孔8中；选择一个成像模块，将成像腔体2旋入系统支撑底座内，通过配合螺纹26调整到合适位置，保证物距与所选成像模块的匹配。

输出光纤4输出的照明光线30为激光器产生的相干光、一定波长的非相干光或两者的混合光，并以一定的发散角照射到观目标测区域29上，被照明的部分经过梯度折射率透镜3成像到传像光纤束端面32，并在传像光纤束1的另一端面显现。再由相关的图像采集设备采集图像到计算机中。

上述具体实施方式的优点在于：

（1）头戴式显微装置体积小、重量轻：系统支撑底座外径最大处为8.5mm，高11.5mm；成像腔体外径最大处为5.5mm，长13mm；梯度折射率透镜外径为2mm，长3到4mm。整个系统若用铝合金制作，重量不超过2g；用铜制作，重量在5g左右。因此可以很方便的被小动物携带，且小动物排异时间短，适应后不会影响其活动能力。可以实现在活动状态下对小动物脑皮层进行观测。

（2）观测区域可以灵活变动，且可以到比较大的范围。通过更换不同的梯度折射率透镜改变放大倍数，从而调整成像区域的大小，成像圆形区域最大直径可达5mm。

（3）最终得到的图像具有较高的空间分辨率：采用的传像光纤束单光纤芯径为11.5μm，装置可以达到11.5μm的空间分辨率。

（4）采用独立的光纤照明，不与传像光纤复用。照明系统为特殊设计的多光源系统，该系统可以通过滤光片选择LED出射光的波长，并实现不同波长的激发光和激光单独或混合输出，可以进行宽场荧光、内源光信号和激光散斑成像。

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 (6)

1.一种用于活动小动物脑功能成像的头戴式显微装置，其特征在于：包括成像模块、照明模块，系统支撑底座；

所述成像模块包括成像腔体（2）、传像光纤束（1）和一个梯度折射率透镜（3），成像腔体分大小直径两端，传像光纤束部分安装在成像腔体大直径端，梯度折射率透镜安装在成像腔体小直径端，传像光纤束下端表面与梯度折射率透镜上端表面间隔一定距离；所述系统支撑底座（5）为一个中通的第二腔体（10），包括至少两个对称的与第二腔体（10）的轴线所成角度在40°～50°的照明光纤导入孔（8），光纤导入孔靠近第二腔体的底部；所述照明模块由光源部分（6）和输出光纤（4）组成，光源部分为输出光纤提供输出光源，输出光纤的输出端安装在所述照明光纤导入孔内，所述成像腔体安装在第二腔体内，二者上下方位相同，相对位置上下可调，系统支撑底座的底部设有环形凹槽（9），环形凹槽通过粘合物质粘合附着在小动物头骨上。

2.根据权利要求1所述的用于活动小动物脑功能成像的头戴式显微装置，其特征在于：所述光源部分包括一个大功率发光二极管（LED）和一个半导体激光器（LD），还有一个控制两个光源协同工作的控制器，LED光与半导体激光器发出的激光通过一个光线混合光路（24）合成一束后，由汇聚耦合光路（25）汇聚到输出光纤（4）中。

3.根据权利要求2所述的用于活动小动物脑功能成像的头戴式显微装置，其特征在于：大功率发光二极管前安装准直光路（20），准直光路由一组透镜构成，准直光路（20）后安装滤光轮（21），滤光轮上面安放不同滤光片用于选择LED的波长。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于活动小动物脑功能成像的头戴式显微装置，其特征在于：成像腔体大直径端外表面车有外螺纹，系统支撑底座的第二腔体内车有内螺纹，成像模块的外螺纹与系统支撑底座的内螺纹配合，通过旋转螺纹调整两者之间的距离。

5.根据权利要求4所述的用于活动小动物脑功能成像的头戴式显微装置，其特征在于：所述系统支撑底座底部向外延伸区有一段切圆弧结构（11），系统支撑底座上位于切圆弧结构对侧设有紧固螺纹孔（7），通过紧固螺纹孔中的紧固螺钉固定成像模块在系统支撑底座上位置。

6.根据权利要求5所述的用于活动小动物脑功能成像的头戴式显微装置，其特征在于：所述输出光纤由2根芯径在1.5mm以下的塑料光纤或2到4根石英光纤组成。

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