CN102692401B

CN102692401B - 基于光延迟的门控荧光寿命成像装置

Info

Publication number: CN102692401B
Application number: CN201210184350.9A
Authority: CN
Inventors: 刘超; 王新伟; 周燕; 刘育梁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: CN102692401A

Abstract

一种基于光延迟的荧光寿命成像装置，包括：一激光器；一样品台位于激光器的出光光路上；一分束镜位于样品台的出光光路上；一第一耦合透镜位于分束镜的反射光路上；一反射镜位于分束镜的透射光路上；一第二耦合透镜位于反射镜的反射光路上；一第一光纤成像束位于第一耦合透镜的光路上；一第二光纤成像束位于第二耦合透镜的光路上；一窄带滤光片位于第一光纤成像束和第二光纤成像束的光路上；一像增强CCD位于且远离第一光纤成像束的窄带滤光片的一侧；一计算机，其的输入端与像增强CCD的输出端连接。本发明可以分别获取生物自体荧光物质或外源性荧光物质的瞬态或稳态荧光寿命图像。

Description

基于光延迟的门控荧光寿命成像装置

技术领域

本发明属于荧光寿命成像领域，特别涉及一种基于光延迟的门控荧光寿命成像装置。

背景技术

生物体内很多物质都具有自体荧光，如某几类氨基酸、NADPH、黄素及黑色素等，其寿命多为纳秒量级。外源性荧光利用荧光团与特异性的目标分子结合，实现目标分子的标记：主要的荧光团可分为以下几类：有机染料，荧光蛋白，量子点和长寿命稀土配合物。有机染料如Cy₅，Rhodamin系列从紫外到红外波段都有相应的染料，其荧光寿命也从ns量级到几十ns不等。常用的荧光蛋白如ECPF、mRFP1的激发波长多在400-500nm，荧光寿命多在几ns不等。量子点纳米颗粒的波长范围可覆盖300-1000nm，荧光寿命也在几十到100ns。长寿命稀土配合物拥有更长的stokes位移和μs甚至ms量级的荧光寿命。出射荧光携带着特征分子或荧光团所处微环境的变化信息，对生化过程中的特征分子或荧光团进行成像，可反映组织内部生化反应的机理。荧光衰减可分为瞬态荧光和稳态荧光两类。很多重要的生化过程，如蛋白质折叠，光合作用中的碳固定和荧光共振能量转移等过程都发生在ms至百ms之间，可通过瞬态荧光成像技术进行测量。稳态荧光过程不涉及快速的生化过程，如癌组织分辨等。荧光寿命成像方法可区分荧光强度成像方法无法分辨的目标分子，且不受激发光强度、荧光团浓度、光漂白等因素影响。正常和病变组织的自体荧光不同，同时组织生理活动的变化会直接影响荧光寿命的变化。本发明旨在实现对自体荧光及外源性荧光的寿命成像，为病变组织分辨、组织生理活动探测等研究提供成像手段，在医疗和生物医学研究等领域具有重要的应用前景。

荧光寿命成像的主要实现方法有频域法和时域法两种。频域方法主要通过调制和解调正弦信号实现，原理清晰，设备简单，但精度不高，如专利CN101632577-A提出了一基于频域荧光寿命成像的牙釉质矿物质含量检测的方法和装置。与之相比，时域方法因其更高的时间分辨率得到了更广泛的应用，主要实现方法有扫描相机技术、单光子计数和门控技术三种。扫描相机具有很高的时间和空间分辨率，但是价格昂贵，如专利CN1737536-A介绍了一种五维荧光显微成像技术获取样品的空间、时间和光谱信息，其中通过扫描相机获取寿命信息。单光子计数拥有很高的时间分辨率，但成像速度较慢，如专利CN101181152-A介绍了一种用于眼底病变早期诊断的时间分辨自体荧光寿命成像方法和装置，其本质是基于时间相关单光子计数的激光扫描共聚焦技术。门控方法虽时间分辨率不及单光子计数，但拥有成像速度快，可用于宽场成像等优势。

门控荧光寿命成像系统常采用光电混合延迟方法。根据有无采用激光作为参考光同步可将此类方法分为两类：内触发方式和外触发方式。内触发方式不采用激光作为参考光，而是直接同步激光器和门控图像增强器的触发信号(Sun Y et al.Fluorescence lifetime imaging microscopy forbrain tumor image-guided surgery.Journal of Biomedical Optics，2010，15(5)：056022)；外触发方式从激光中分束作为参考光来同步门控图像增强器(Wang XF et al.A two-dimensional fluorescence lifetimeimaging system using a gated image intensifier.AppliedSpectroscopy，1991，45(3)：360-366)。电延迟装置虽灵活，但要求较高的延迟精度因而对硬件性能要求较高，同时也增加了系统的复杂度。

以上专利和文献提出了各种针对稳态荧光寿命获取的成像方法，但均未解决瞬态荧光成像问题。鉴于此，本发明提出基于光延迟的门控荧光寿命成像方法和装置，以实现快速荧光寿命成像解决瞬态荧光成像问题，同时本发明也可应用于稳态荧光寿命成像。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种基于光延迟的荧光寿命成像装置，以分别获取生物自体荧光物质或外源性荧光物质的瞬态或稳态荧光寿命图像。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于光延迟的荧光寿命成像装置，包括：

一激光器；一样品台，该样品台位于激光器的出光光路上；一分束镜，该分束镜位于样品台的出光光路上；一第一耦合透镜，该第一耦合透镜位于分束镜的反射光路上；一反射镜，该反射镜位于分束镜的透射光路上；一第二耦合透镜，该第二耦合透镜位于反射镜的反射光路上；一第一光纤成像束，该第一光纤成像束位于第一耦合透镜的光路上；一第二光纤成像束，该第二光纤成像束位于第二耦合透镜的光路上，其中该第一耦合透镜和第二耦合透镜的光路相互平行；一窄带滤光片，该窄带滤光片位于第一光纤成像束和第二光纤成像束的光路上；一像增强CCD，该像增强CCD位于且远离第一光纤成像束的窄带滤光片的一侧；一计算机，该计算机的输入端与像增强CCD的输出端连接。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.利用本发明，由于只采用光纤成像束实现延迟，而未采用电学方法，所以装置较简单，此外光纤成像束可精确切割，所以本发明具有精确延迟控制、装置简单等优点。

2.利用本发明，由于每次激光激发同时获得N幅不同延迟的强度图像，同时采用比率法进行寿命图像反演，所以与其他荧光寿命成像方法相比，本发明具有较高的成像效率，可对瞬态荧光过程进行成像。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明第一实施例的结构示意图(单个ICCD成像)；

图2是本发明第二实施例的结构示意图(两个ICCD成像)。

具体实施方式

在此公开本发明结构实施例和方法的描述。可以了解的是并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，而是本发明可以通过使用其它特征，元件方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。

实施例1

请参阅图1所示，本发明一种基于光延迟的荧光寿命成像装置，包括：

一激光器1，该激光器1为短脉冲纳秒或皮秒激光器，该激光器1的波长范围与待测生物组织中目标分子(自体荧光物质或外源性荧光物质)的激发波长相匹配；

一样品台2，该样品台2位于激光器1的出光光路上，放置待测生物组织；

一分束镜3，该分束镜3位于样品台2的出光光路上，该分束镜3为多级分束镜，经多级分束镜将荧光信号分为N(本实施例中N＝2)束，每一束光信号分别经过下面的反射镜、耦合透镜进入N束不同长度的光纤成像束以实现不同的时间延迟；

采用N路光纤传像束实现对N个采样点的采样，各个采样点光延迟大小由光纤传像束长度决定，N路光纤传像束的光延迟Δt_i如下式表示，

Δt_i＝L_in/c，i＝1，2...N

其中，L_i为每路光纤传像束的长度，n为光纤传像束的折射率，c为真空中的光速。采样点间的间隔由光纤传像束间的光程差决定。

耦合透镜和反射镜的设计保证N路光信号进入不同长度的光纤成像束实现不同光延迟。本实施例中耦合透镜和反射镜的设计以N＝2为例说明：一第一耦合透镜4，该第一耦合透镜4位于分束镜3的反射光路上；一第一光纤成像束5，该第一光纤成像束5位于第一耦合透镜4的光路上；一反射镜3′，该反射镜3′位于分束镜3的透射光路上；一第二耦合透镜4′，该第二耦合透镜4′位于反射镜3′的反射光路上；一第二光纤成像束6，该第二光纤成像束6位于第二耦合透镜4′的光路上，其中该第一耦合透镜4和第二耦合透镜4′的光路相互平行；

一窄带滤光片7，该窄带滤光片7位于第一光纤成像束5和第二光纤成像束6的光路上，该窄带滤光片7与待测生物组织中的自体荧光或外源性荧光的发射波长相匹配，以滤除散射的激发光及背景光；

一像增强CCD(ICCD)8，该像增强CCD8位于且远离第一光纤成像束5的窄带滤光片7的一侧，该像增强CCD8为纳秒量级选通像增强CCD，以实现微弱荧光信号的放大和探测，同时ICCD可充当纳米量级的精确门控开关；

一计算机9，该计算机9的输入端与像增强CCD8的输出端连接，该计算机9采用比率法或最小二乘算法对像增强CCD8输出的荧光强度图像进行计算，反演出样品的荧光寿命图像。

本装置根据不同的工作方式选取不同的寿命反演算法。一次激光脉冲激发可获得N幅强度图像。如单次激发获得两幅强度可采用比率法：两幅不同延时的强度图像相除，利用下式计算出荧光寿命τ。

τ = \frac{ΔLn}{\ln (I_{A} / I_{B}) c}

其中，ΔL两路光纤传像束的光程差，I_A和I_B分别为两幅图像的强度。多次激发获得多幅不同延迟的强度图像(如两次激发获得2N幅强度图像)，可采用最小二乘法对各像素进行拟合，反演出荧光强度衰减曲线，计算出荧光强度。

实施例2

请参阅图2所示，本实施例与第一实施例基本相同，其不同之处在于，其中该窄带滤光片7的数量为两个，包括窄带滤光片7和窄带滤光片7′，分别位于第一光纤成像束5和第二光纤成像束6的光路上。

其中该像增强CCD8的数量为两个，包括像增强CCD8和像增强CCD8′，分别位于远离第一光纤成像束5和第二光纤成像束6的两个窄带滤光片7一侧。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开的内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims

1.一种基于光延迟的荧光寿命成像装置，包括：

一激光器；

一样品台，该样品台位于激光器的出光光路上；

一分束镜，该分束镜位于样品台的出光光路上；

一第一耦合透镜，该第一耦合透镜位于分束镜的反射光路上；

一反射镜，该反射镜位于分束镜的透射光路上；

一第二耦合透镜，该第二耦合透镜位于反射镜的反射光路上；

一第一光纤成像束，该第一光纤成像束位于第一耦合透镜的光路上；

一第二光纤成像束，该第二光纤成像束位于第二耦合透镜的光路上，其中该第一耦合透镜和第二耦合透镜的光路相互平行；

一窄带滤光片，该窄带滤光片位于第一光纤成像束和第二光纤成像束的光路上；

一像增强CCD，该像增强CCD位于第一光纤成像束和第二光纤成像束的窄带滤光片的一侧，且与滤光片存在一段可调距离；

一计算机，该计算机的输入端与像增强CCD的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于光延迟的荧光寿命成像装置，其中该窄带滤光片的数量为两个，分别位于第一光纤成像束和第二光纤成像束的光路上。

3.根据权利要求1所述的基于光延迟的荧光寿命成像装置，其中该像增强CCD的数量为两个，分别位于两个窄带滤光片的一侧，且同滤光片存在一段可调距离。

4.根据权利要求1所述的基于光延迟的荧光寿命成像装置，其中激光器为短脉冲纳秒或皮秒激光器。

5.根据权利要求4所述的基于光延迟的荧光寿命成像装置，其中激光器的波长范围与待测生物组织中的自体荧光物质或外源性荧光物质的激发波长相匹配。

6.根据权利要求1所述的基于光延迟的荧光寿命成像装置，其中像增强CCD为纳秒量级选通像增强CCD。

7.根据权利要求1所述的基于光延迟的荧光寿命成像装置，其中分束镜为多级分束镜，经多级分束镜将荧光信号分为N束，其中N≥2。

8.根据权利要求1所述的基于光延迟的荧光寿命成像装置，其中窄带滤光片与待测生物组织中的自体荧光或外源性荧光的发射波长相匹配，以滤除散射的激发光及背景光。

9.根据权利要求1所述的基于光延迟的荧光寿命成像装置，其中计算机采用比率法或最小二乘算法对像增强CCD输出的荧光强度图像进行计算，反演出样品的荧光寿命图像。