CN102743159B - 光学投影断层成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学投影断层成像系统，包括：光源模块，用于提供照射样本的白光或激光；样本承载定位模块，用于样本位置的调整以及带动样本旋转以采集多个角度的投影数据；信号采集模块，用于实现光信号的汇聚，对光信号进行选择性的采集；中央控制模块，用于协调各部分的有序运转，实现光源的开闭和强度调节，平移台的中心校正，旋转台的参数设置，EMCCD相机的参数设置，数据处理以及数据存储；设备外围模块，用于为成像提供一个抗干扰的稳定环境。本发明无需损失生物组织器官的完整性即可获得高清晰的三维结构像，具有分辨率高、结构功能一体化、无辐射、成本低等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于分子影像技术领域，涉及光学成像理论、计算机图像处理技术、数学建模等学科知识，尤其是一种适用于生物学科对小尺寸物体进行实时、动态、无创、在体的光学投影断层成像系统。
背景技术
光学投影断层成像(OPT)技术是利用光线在小尺寸生物体中沿直线传播的特点，发射可见光线穿透样本，或者采用激光激发样本产生荧光，然后用相机采集多个角度的样本投影视图，进行三维成像。具体来说，在进行光学投影断层成像时，需要对样本进行多角度扫描，一般采用电控转台对样本进行步进式旋转，每旋转到一个角度采集一幅或多幅投影图像。光学投影断层成像系统圆轨道扫描最终采集到的数据是一系列不同角度下光线穿过样本的二维投影图像，通过相应的重建算法便可得到三维图像。通过上述这种技术，实现高分辨率、结构功能一体化、无辐射的对小尺度对活体生物进行细胞水平的定性和定量研究，实现生物体的实时、无创、动态、在体成像。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种光学投影断层成像系统，以完成小尺度生物样本的投影图获取、图像的分析处理，能够对小尺度对活体生物进行定性和定量研究，实现生物体的实时、无创、动态、在体成像。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种光学投影断层成像系统，包括：光源模块，用于提供照射样本的白光或激光；样本承载定位模块，用于样本位置的调整以及带动样本旋转以采集多个角度的投影数据；信号采集模块，用于实现光信号的汇聚，对光信号进行选择性采集；中央控制模块，用于协调各部分的有序运转，实现光源的开闭和强度调节，平移台的中心校正，旋转台的参数设置，EMCCD相机的参数设置，数据处理以及数据存储；以及设备外围模块，用于为成像提供一个抗干扰的稳定环境。
上述方案中，所述光源模块由卤素灯1、激光器2和激光扩束器3构成；其中，卤素灯1发出白光，用于生物样本的结构成像；激光器2发出激光，用于生物样本的特异性成像；白光或激光均是通过光纤导出至指定位置，激光被导出至激光扩束器3，激光扩束器3用于将激光器发出的光扩展为均匀准直的光束，经过激光扩束器3将光束扩展为可覆盖扫描样本的均匀光斑。
上述方案中，所述生物样本的结构成像即透射式光学投影断层成像，在该透射式光学投影断层成像中光线直接穿过样本，利用样本对光线的吸收特性，获得样本的三维解剖结构像。在透射式光学投影断层成像中，卤素灯1发出的白光光束方向与EMCCD相机的主光轴方向平行。
上述方案中，所述生物样本的特异性成像即发射式光学投影断层成像，在发射式光学投影断层成像中，当激光照射到样本上，激发样本上的荧光染料或荧光蛋白发射出波长更长的荧光信号，后续的EMCCD相机进行数据采集时通过窄带滤波片滤去激发光，仅采集荧光信号，并对其进行三维重建，从而重建出荧光染料或荧光蛋白在样本上的分布信息，实现分子特异性成像。在发射式光学投影断层成像中，所述激光的光束方向与EMCCD主光轴方向垂直，采用激光的光束方向与EMCCD主光轴方向垂直的方式对样本进行照射。
上述方案中，所述激光器2采用输出为固定波长的连续波激光器，通过信号线连接至中央控制模块，以实现光源控制，通过中央控制模块控制激光器2的开闭和输出功率的大小。
上述方案中，所述样本承载定位模块由毛细玻璃管4、匹配液槽5和机械运动装置6构成；其中，毛细玻璃管4用于固定样本；匹配液槽5用于盛放特定匹配液，以减少光线在生物体表发生折射和反射效应，实验过程中样本被浸泡在光学匹配液中；机械运动装置6用于实现样本上下、前后、左右和旋转四个自由度的机械运动，前三个自由度上下、前后、左右用于精确控制样本的位置在显微装置的焦平面附近，第四个自由度旋转是为了相机能采集多个角度的样本投影视图，以便三维重建。
上述方案中，所述毛细玻璃管4在固定样本时有两种固定方式，当样本为体型较大的果蝇时采用吸附方式固定样本，将样本粘在毛细玻璃管4的一端；当样本为体型较小的线虫时采用封装方式固定样本，将样本封闭在毛细玻璃管中。
上述方案中，所述毛细玻璃管4由硼硅酸盐材料制成，匹配液槽5由透明的硼硅玻璃制成，用于盛放特定的匹配液，以减少光线在生物体表发生折射和反射效应，匹配液的折射系数与生物组织的折射率相近，匹配液槽的光学系数与匹配液系数相近。
上述方案中，所述机械运动装置6采用电控驱动，通过数据线连接至控制箱，控制箱通过串口连接至中央控制模块，以实现统一控制，通过控制软件控制平移台的移动距离、移动速度和加速度，并控制旋转台的步进角、角位移、角速度和每旋转一步后的等待时间。为了将样本浸泡在光学匹配液中，减少光线的散射，所述机械运动装置6采用旋转台悬挂倒置的方式安装固定旋转台，通过机械连接块将旋转台与三维平移台装置结合在一起。
上述方案中，所述信号采集模块由显微镜物镜7、窄带滤波器8、光圈9、显微镜目镜10和EMCCD相机11构成，显微镜目镜10通过标准C口与EMCCD相机11相连，EMCCD相机11的控制信号和视频信号通过信号线连接至中央控制模块上的PCI板卡，以实现集中控制，通过控制软件控制相机的曝光时间和拍摄间隔，并实时将所拍摄的图像存储至工作站，保存格式为tif文件。
上述方案中，所述显微镜物镜7和显微镜目镜10，其放大倍数均可调，以适应不同生物样本的尺寸和不同精度的需求，并根据需要在镜筒中添加了更换滤波片的装置，使系统能同机采集多种光谱的信号。
上述方案中，所述EMCCD相机具有高达92％以上的量子效率和电子倍增功能，数据传输速率比常规的科学级CCD相机高数十倍，非常适合于快速OPT成像的要求，同时通过半导体制冷技术降温到-95℃，有效的降低电子噪声的影响。
上述方案中，所述中央控制模块由工作站以及工作站与各设备相连的信号线和数据线构成，通过控制软件保证旋转台每旋转一个角度后等待的时间和相机的曝光时间相吻合，以确保多角度投影的获取。
上述方案中，所述中央控制模块在实现旋转台和EMCCD相机的配合时，旋转台旋转后的等待时间正好相机拍摄，且旋转台和EMCCD相机的动作周期相同，即旋转台的旋转时间与等待时间之和与EMCCD相机的拍摄时间及停留时间之和相等。
上述方案中，所述设备外围模块由暗箱、光学平台以及各个设备的支撑结构构成，光学平台用于保证成像的精度，暗箱用于提供一个相对独立的抗干扰环境。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的光学投影断层成像系统，无需损失生物组织器官的完整性即可获得高清晰的三维结构像，其成像视野恰好覆盖组织、胚胎和小模式动物的范围，为小尺寸生物样本提供了一种新的成像工具。
2、本发明提供的光学投影断层成像系统，具有分辨率高、结构功能一体化、无辐射、成本低等诸多优点，它可以在小尺度对活体生物进行定性和定量研究，实现生物体的实时、无创、动态、在体成像。
附图说明
图1为依照本发明实施例的光学投影断层成像系统的结构示意图；
图2为依照本发明实施例的光学投影断层成像系统的工作流程图；
图中：1卤素灯、2激光器、3激光扩束器、4毛细玻璃管、5匹配液槽、6机械运动装置、7显微镜物镜、8窄带滤波器、9光圈、10显微镜目镜、11EMCCD相机、12工作站、13暗箱、14光学平台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为依照本发明实施例的光学投影断层成像系统的结构示意图，该光学投影断层成像系统包括光源模块、样本承载定位模块、信号采集模块、中央控制模块和设备外围模块五部分，其中，光源模块用于提供照射样本的白光或激光；样本承载定位模块用于样本位置的调整以及带动样本旋转以采集多个角度的投影数据；信号采集模块用于实现光信号的汇聚，对光信号进行选择性的采集；中央控制模块用于协调各部分的有序运转，实现光源的开闭和强度调节，平移台的中心校正，旋转台的参数设置，EMCCD相机的参数设置，数据处理以及数据存储；设备外围模块用于为成像提供一个抗干扰的稳定环境。
光源模块由卤素灯1、激光器2和激光扩束器3构成；其中，卤素灯1发出白光，用于生物样本的结构成像；激光器2发出激光，用于生物样本的特异性成像；白光或激光均是通过光纤导出至指定位置，激光被导出至激光扩束器3，激光扩束器3用于将激光器发出的光扩展为均匀准直的光束，经过激光扩束器3将光束扩展为可覆盖扫描样本的均匀光斑。
卤素灯1用于发出白光，通过功率调节器调节光源的亮度，以满足不同样本的实验需求。白光主要用于生物样本的结构成像，即透射式OPT(transmission OPT，tOPT)。透射式OPT中光线直接穿过样本，利用样本对光线的吸收特性，获得样本的三维解剖结构像。在透射式光学投影断层成像中，卤素灯1发出的白光光束方向与EMCCD相机的主光轴方向平行。
激光器2用于生物样本的特异性成像，即发射式OPT(emission OPT，eOPT)。发射式OPT中，当激光照射到样本上，激发样本上的荧光染料或荧光蛋白发射出波长更长的荧光信号，后续的EMCCD相机进行数据采集时通过窄带滤波片滤去激发光，仅采集荧光信号，并对其进行三维重建，从而重建出荧光染料或荧光蛋白在样本上的分布信息，实现分子特异性成像。在发射式光学投影断层成像中，所述激光的光束方向与EMCCD主光轴方向垂直，采用激光的光束方向与EMCCD主光轴方向垂直的方式对样本进行照射。
白光或激光都是通过光纤导出至指定位置。激光导出至激光扩束器3，经过激光扩束器3将光束扩展为可覆盖扫描样本的均匀光斑。激光器2采用输出为固定波长的连续波激光器，通过信号线连接至中央控制模块，以实现光源控制，通过中央控制模块控制激光器2的开闭和输出功率的大小。
样本承载定位模块由毛细玻璃管4、匹配液槽5和机械运动装置6构成。毛细玻璃管4用于固定样本，在固定样本时有两种固定方式，当样本为果蝇等体型较大样本时采用吸附方式(粘在毛细玻璃管4的一端)固定样本，当样本为线虫等体型较小样本时采用封装方式(将整个物体封闭在毛细玻璃管中)固定样本。当采用封装方式固定物体时必须考虑毛细玻璃管的材料，以确保反射最小。该光学投影断层成像系统采用的毛细玻璃管由硼硅酸盐材料制成。匹配液槽5用于盛放特定匹配液，以减少光线在生物体表发生折射和反射效应，实验过程中样本将浸泡在光学匹配液中进行，匹配液的折射系数与生物组织的折射率相近，匹配液槽5由透明的硼硅玻璃制成，其光学系数与匹配液系数相近。机械运动装置6是该样本承载定位模块的核心，该光学投影断层成像系统引入上下、前后、左右和旋转四个自由度的机械运动，前三个自由度用于精确控制样本的位置在显微装置的焦平面附近。旋转是为了相机能采集多个角度的样本投影视图，以便三维重建。旋转的精度也是该光学投影断层成像系统的关键，因此该光学投影断层成像系统采用高精度的旋转台，确保所采集到的投影图是等角度的投影图。
机械运动装置6采用电控驱动，通过数据线连接至控制箱，控制箱通过串口连接至中央控制模块，以实现统一控制，通过控制软件控制平移台的移动距离、移动速度和加速度，并控制旋转台的步进角、角位移、角速度和每旋转一步后的等待时间。为了将样本浸泡在光学匹配液中，减少光线的散射，所述机械运动装置6采用旋转台悬挂倒置的方式安装固定旋转台，通过机械连接块将旋转台与三维平移台装置结合在一起。
信号采集模块由显微镜物镜7、窄带滤波器8、光圈9、显微镜目镜10和EMCCD相机11构成。显微镜目镜10通过标准C口与EMCCD相机11相连，EMCCD相机11的控制信号和视频信号通过信号线连接至中央控制模块上的PCI板卡，以实现集中控制，通过控制软件控制相机的曝光时间和拍摄间隔，并实时将所拍摄的图像存储至工作站，保存格式为tif文件。显微镜物镜7和显微镜目镜10，其放大倍数均可调，以适应不同生物样本的尺寸和不同精度的需求，并根据需要在镜筒中添加了更换滤波片的装置，使系统能同机采集多种光谱的信号。
该光学投影断层成像系统中采用的EMCCD相机具有高达92％以上的量子效率和电子倍增(Electron Multiplying，EM)功能，数据传输速率比常规的科学级CCD相机高数十倍，非常适合于快速OPT成像的要求，同时通过半导体制冷技术降温到-95℃，有效的降低电子噪声的影响。
中央控制模块由工作站以及工作站与各设备相连的信号线和数据线构成，通过控制软件保证旋转台每旋转一个角度后等待的时间和相机的曝光时间相吻合，以确保多角度投影的获取。
中央控制模块负责协调各部分的有序运转，尤其是旋转台和EMCCD相机的配合，实现旋转台旋转后的等待时间正好相机拍摄，且这两种设备的动作周期相同，即旋转台的旋转时间与等待时间之和与EMCCD相机的拍摄时间及停留时间之和相等。
设备外围模块由暗箱、光学平台以及各个设备的支撑结构构成，光学平台用于保证成像的精度，暗箱用于提供一个相对独立的抗干扰环境。
图2示出了依照本发明实施例的光学投影断层成像系统的工作流程图，须先将样本置于样本承载定位模块后才可以进行如下操作，光学投影断层成像系统的使用操作包括如下：
步骤1：首先启动本发明的控制软件，开启卤素灯、控制箱和EMCCD相机。根据相机采集到的实时图像，通过调节平移台的上下、前后、左右运动来调节旋转中心，使样本正好在显微装置的焦平面附近，成像最清晰。步骤1完成后才可进行下面的步骤。
步骤2：设定旋转台的参数，包括步进角、角位移、角速度和每旋转一步后的等待时间。设定相机的工作参数，包括曝光时间和拍摄间隔。选择成像模式，当选择结构成像时，白光开启、激光关闭；选择特异性成像时，激光开启，白光关闭。至此，参数设置完毕。
步骤3：图像采集，此时各部分协调工作。采集到的图像显示在软件显示区域。并自动保存到指定位置。图像采集完毕，系统自动处理获取到的投影图，重建出图像的三维结构，并输出重建后的结果。至此，本次数据处理完毕。依次关闭暗箱内各电控设备，最后关闭工作站。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种光学投影断层成像系统，其特征在于，该系统针对的样本是果蝇或线虫，样本的旋转轴是竖直方向；该系统包括同机完成透射式成像和发射式成像的一个相机，透射式成像和发射式成像两种功能独立成像；该系统包括：
光源模块，用于提供照射样本的白光或激光；
样本承载定位模块，用于样本位置的调整以及带动样本旋转以采集多个角度的投影数据；
信号采集模块，用于实现光信号的汇聚，对光信号进行选择性的采集；
中央控制模块，用于协调各部分的有序运转，实现光源的开闭和强度调节，平移台的中心校正，旋转台的参数设置，EMCCD相机的参数设置，数据处理以及数据存储；
设备外围模块，用于为成像提供一个抗干扰的稳定环境；
其中，所述光源模块由卤素灯(1)、激光器(2)和激光扩束器(3)构成；其中，卤素灯(1)发出白光，用于生物样本的结构成像；激光器(2)发出激光，用于生物样本的特异性成像；白光或激光均是通过光纤导出至指定位置，激光被导出至激光扩束器(3)，激光扩束器(3)用于将激光器发出的光扩展为均匀准直的光束，经过激光扩束器(3)将光束扩展为可覆盖扫描样本的均匀光斑。
2.根据权利要求1所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述生物样本的结构成像即透射式光学投影断层成像，在该透射式光学投影断层成像中光线直接穿过样本，利用样本对光线的吸收特性，获得样本的三维解剖结构像。
3.根据权利要求2所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，在透射式光学投影断层成像中，卤素灯(1)发出的白光光束方向与EMCCD相机的主光轴方向平行。
4.根据权利要求1所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述生物样本的特异性成像即发射式光学投影断层成像，在发射式光学投影断层成像中，当激光照射到样本上，激发样本上的荧光染料或荧光蛋白发射出波长更长的荧光信号，后续的EMCCD相机进行数据采集时通过窄带滤波片滤去激发光，仅采集荧光信号，并对其进行三维重建，从而重建出荧光染料或荧光蛋白在样本上的分布信息，实现分子特异性成像。
5.根据权利要求4所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，在发射式光学投影断层成像中，所述激光的光束方向与EMCCD主光轴方向垂直，采用激光的光束方向与EMCCD主光轴方向垂直的方式对样本进行照射。
6.根据权利要求1所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述激光器(2)采用输出为固定波长的连续波激光器，通过信号线连接至中央控制模块，以实现光源控制，通过中央控制模块控制激光器(2)的开闭和输出功率的大小。
7.根据权利要求1所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述样本承载定位模块由毛细玻璃管(4)、匹配液槽(5)和机械运动装置(6)构成；其中，毛细玻璃管(4)用于固定样本；匹配液槽(5)用于盛放特定匹配液，以减少光线在生物体表发生折射和反射效应，实验过程中样本被浸泡在光学匹配液中；机械运动装置(6)用于实现样本上下、前后、左右和旋转四个自由度的机械运动，前三个自由度上下、前后、左右用于精确控制样本的位置在显微装置的焦平面附近，第四个自由度旋转是为了相机能采集多个角度的样本投影视图，以便三维重建。
8.根据权利要求7所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述毛细玻璃管(4)在固定样本时有两种固定方式，当样本为体型较大的果蝇时采用吸附方式固定样本，将样本粘在毛细玻璃管(4)的一端；当样本为体型较小的线虫时采用封装方式固定样本，将样本封闭在毛细玻璃管中。
9.根据权利要求7所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述毛细玻璃管(4)由硼硅酸盐材料制成，匹配液槽(5)由透明的硼硅玻璃制成，用于盛放特定的匹配液，以减少光线在生物体表发生折射和反射效应，匹配液的折射系数与生物组织的折射率相近，匹配液槽的光学系数与匹配液系数相近。
10.根据权利要求7所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述机械运动装置(6)采用电控驱动，通过数据线连接至控制箱，控制箱通过串口连接至中央控制模块，以实现统一控制，通过控制软件控制平移台的移动距离、移动速度和加速度，并控制旋转台的步进角、角位移、角速度和每旋转一步后的等待时间。
11.根据权利要求10所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，为了将样本浸泡在光学匹配液中，减少光线的散射，所述机械运动装置(6)采用旋转台悬挂倒置的方式安装固定旋转台，通过机械连接块将旋转台与三维平移台装置结合在一起。
12.根据权利要求1所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述信号采集模块由显微镜物镜(7)、窄带滤波器(8)、光圈(9)、显微镜目镜(10)和EMCCD相机(11)构成，显微镜目镜(10)通过标准C口与EMCCD相机(11)相连，EMCCD相机(11)的控制信号和视频信号通过信号线连接至中央控制模块上的PCI板卡，以实现集中控制，通过控制软件控制相机的曝光时间和拍摄间隔，并实时将所拍摄的图像存储至工作站，保存格式为tif文件。
13.根据权利要求12所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述显微镜物镜(7)和显微镜目镜(10)，其放大倍数均可调，以适应不同生物样本的尺寸和不同精度的需求，并根据需要在镜筒中添加了更换滤波片的装置，使系统能同机采集多种光谱的信号。
14.根据权利要求12所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述EMCCD相机具有高达92％以上的量子效率和电子倍增功能，数据传输速率比常规的科学级CCD相机高数十倍，非常适合于快速OPT成像的要求，同时通过半导体制冷技术降温到-95℃，有效的降低电子噪声的影响。
15.根据权利要求1所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述中央控制模块由工作站以及工作站与各设备相连的信号线和数据线构成，通过控制软件保证旋转台每旋转一个角度后等待的时间和相机的曝光时间相吻合，以确保多角度投影的获取。
16.根据权利要求15所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述中央控制模块在实现旋转台和EMCCD相机的配合时，旋转台旋转后的等待时间正好相机拍摄，且旋转台和EMCCD相机的动作周期相同，即旋转台的旋转时间与等待时间之和与EMCCD相机的拍摄时间及停留时间之和相等。
17.根据权利要求1所述的光学投影断层成像系统，其特征在于，所述设备外围模块由暗箱、光学平台以及各个设备的支撑结构构成，光学平台用于保证成像的精度，暗箱用于提供一个相对独立的抗干扰环境。
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