CN105832305A - 用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，包括：带有竖向延伸布置的光线传输通道的底座，可拆卸地固定在所述底座上部的支架，一端与外部OCT系统相连、另一端连接至所述支架上的传导光线的光纤，固定在所述支架上、且位于所述光线传输通道上方的聚焦透镜，安装在所述支架上、并能将所述光纤从所述外部OCT系统传导过来的光线反射至所述聚焦透镜处的MEMS扫描镜。该成像系统体型轻小，可佩戴于动物头部，能够实现自由运动状态下的清醒脑皮层结构和功能成像，填补目前光学相干层析成像技术在该应用领域的空白。

Description

用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统。
背景技术
光学相干层析成像(optical coherence tomography，OCT)是一种高时空分辨率的三维光学成像技术，可实现微米量级的生物组织断层结构和功能成像。光学相干层析成像技术的基础是迈克尔逊干涉仪，激光光源为具有低相干特性的宽谱光，高速CCD相机采集从参考臂反射和样品臂返回光的干涉信号，进行分析和重建，得到一个深度上的信息，再利用光学扫描设备，进行二维扫描得到三维的图像信息。由于其技术优势，在眼科疾病、皮肤组织检测、心血管、口腔、癌症早期诊断等方面都有应用，OCT也已结合内窥镜技术，实现了活体内无损的高分辨率管道成像，如食道、消化道、肠镜检查等。作为一种高时空分辨率的三维结构和功能成像技术，越来越多的研究者开始关注于将其应用于大脑的结构和功能性基础研究。
光学相干层析成像技术的原理决定了实现该技术需要复杂的光学器件和庞大的设备。动物实验时，实验者必须先将动物进行麻醉，并严格固定。然而大量研究结果显示，麻醉剂的使用会影响动物的生理和病理状态，从而影响到实验结果的准确性，同时也限制了研究领域，比如我们无法获得动物行为和脑功能间的联系。基于以上原因，已有学者开始研发头戴式的光学成像系统，利用诸如激光散斑衬比度成像技术、内源光信号成像技术等，使清醒的动物佩戴微型成像头，在自由运动过程中实现成像，很大程度上解决了上述问题。作为一种新兴的大脑结构和功能成像技术，光学相干层析技术可以实现三维的大脑结构和功能成像，但是由于设备小型化的困难(如需要用于二维扫描控制的步进电机等)，目前尚未有可用于自由运动动物的成像设备出现。
发明内容
本发明目的是：针对上述技术问题，提出一种用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，该系统体型轻小，可佩戴于动物头部，能够实现自由运动状态下的清醒脑皮层结构和功能成像，填补目前光学相干层析成像技术在这一应用领域的空白。
本发明的技术方案是：一种用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，包括：
带有竖向延伸布置的光线传输通道的底座，
可拆卸地固定在所述底座上部的支架，
一端与外部OCT系统相连、另一端连接至所述支架上的传导光线的光纤，
固定在所述支架上、且位于所述光线传输通道上方的聚焦透镜，
安装在所述支架上、并能将所述光纤从所述外部OCT系统传导过来的光线反射至所述聚焦透镜处的MEMS扫描镜。
本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：
所述MEMS扫描镜焊接在一PCB板上，该PCB板通过螺钉锁紧固定在所述支架上，该PCB板上设置有连接用于控制所述MEMS扫描镜扫描范围和频率的外部控制设备的接口。
所述底座上的所述光线传输通道为贯通设置于该底座上的圆形通孔。
所述光纤出光端的中心正对所述MEMS扫描镜的中心布置，所述圆形通孔的孔轴线正对所述MEMS扫描镜的中心布置。
所述光纤为单模光线，其尾端设置有用于准直光线的GRIN镜。
所述支架上设有光纤插孔，所述光纤插设在该光纤插孔中并由螺丝锁紧固定。
所述支架上设置有圆形卡槽，所述聚焦透镜卡设固定在该圆形卡槽内。
所述底座的上部设有与所述支架上圆形卡槽对应的圆形凸起，该圆形凸起嵌套在所述圆形卡槽中。
本发明的优点是：本发明这种成像系统采用MEMS扫描镜进行二维扫描控制，结构巧妙而紧凑，使设备小型化，可由动物直接佩戴，能够实现自由运动状态下的清醒脑皮层结构和功能成像，填补目前光学相干层析成像技术在这一应用领域的空白。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍：
图1为本发明实施例这种成像系统的立体图结构示意图；
图2为本发明实施例这种成像系统的剖面结构示意图，图中箭头表示光路；
图3为本发明实施例这种成像系统的实际应用演示图；
其中：1-底座，2-支架，3-光纤，4-聚焦透镜，5-MEMS扫描镜，6-PCB板，7-接口，8-光纤插孔。
具体实施方式
图1～图3示出了本发明这种头戴式光学相干层析成像系统的一个具体实施例，该系统主要包括底座1，支架2，光纤3，聚焦透镜4和MEMS扫描镜5。
底座1上制有一竖向贯通的圆形通孔，该圆形通孔形成能够透射光线的光线传输通道。
支架2可拆卸地固定在所述底座1上部，其上下两端和一侧均为敞口结构。而且支架2上设置有圆形的光纤插孔8和圆形卡槽，该光纤插孔8的孔壁上竖直开设有用于穿设螺钉的螺钉孔。支架2与底座1之间的可拆卸转配结构具体为：底座1的上部设有与支架2上圆形卡槽对应的圆形凸起，该圆形凸起嵌套在所述圆形卡槽中。
光纤3与外部OCT系统相连，能够将该外部OCT系统发出的激光传入本成像系统，同时又能够将采集到的光信号传导至外部OCT系统，该光纤插设在所述光纤插孔8中并由布置在所述螺钉孔中的螺丝锁紧固定。光纤3的对准波长与外部OCT系统的宽带光源相一致。本例该光纤3为单模光线，其尾端设置有用于准直光线的GRIN镜。
MEMS扫描镜5为该系统的核心部件，用于控制二维扫描，其将所述光纤3传导出来的光线反射至所述聚焦透镜4处，经聚焦透镜4透射出来的光线穿过底座1上的光线传输通道射向成像区域。本例中MEMS扫描镜5为直径1mm的微型结构。
所述的MEMS扫描镜5为可以外购的商品，具体在本实施例中，该扫描镜的结构类似于专利号ZL 201010584415.X的中国发明专利所介绍的MEMS微镜结构，但不局限于这一结构，其可以采用本领域技术人员所熟知的各种结构形式。
聚焦透镜4卡设固定在所述支架2的圆形卡槽内，且位于所述底座1上光线传输通道的上方侧，用于将经过扫描镜反射之后的激光聚焦到成像面上。
本例中，所述MEMS扫描镜5焊接在一PCB板6上，该PCB板6通过螺钉锁紧固定在所述支架2上，该PCB板6上设置有接口7，使用时通过接口7连接相应的外部控制设备，由该外部控制设备提供工作电压并控制工作电压的变化，从而使MEMS扫描镜5作旋转运动(扫描镜的第一部分相对于第二部分转动)，以改变反射光线的传播路径，使光斑照射到成像面的不同位置，实现矩形区域内的二维扫描。
当然，我们也可以不将MEMS扫描镜5焊接在PCB板上，而直接将MEMS扫描镜5安装在支架2上，使用时将外部控制设备直接与该MEMS扫描镜5的引脚连接(上述PCB板上的接口相当于该扫描镜的引脚)，同样能够使MEMS扫描镜5作旋转运动(扫描镜的第一部分相对于第二部分转动)，实现二维扫描。
本例中，所述光纤3出光端的中心正对所述MEMS扫描镜5的中心布置，所述底座1上圆形通孔的孔轴线也正对所述MEMS扫描镜5的中心布置。
在图2中，聚焦透镜4水平布置，MEMS扫描镜5与聚焦透镜4间的夹角为45°，即MEMS扫描镜与成像面呈45°夹角。
参照图3所示，实验过程中，首先将动物进行麻醉，并实施开颅手术。手术结束后，用粘合剂将底座1黏在大鼠头部，使底座1上的圆形通孔正对成像区域。待粘合剂干，将支架2套在底座1上，关闭麻醉设备，静待动物恢复后，即可进行图像的采集。光源工作后，发出的光经光纤3传导，而直接射向MEMS扫描镜5的中心，被MEMS扫描镜5反射后，射向成像区域，经过聚焦透镜4进行聚焦，光斑聚焦在成像区域某一位置。从该位置反射回来的光线，沿着原路径逆向传出本系统，进入外部光路，发生相应干涉并被采集。此后，通过所述外部控制设备控制板控制MEMS扫描镜5转动一定角度，从而使MEMS扫描镜5反射光线的光路发生偏转，光斑聚焦到成像区域另一位置，从该另一位置反射回的光线也进入外部光路发生相应干涉，并被采集。不断变换MEMS扫描镜5的偏转角度，而重复上述采集过程，使MEMS扫描镜进行二维扫描，使光斑按成像分辨率要求遍历矩形成像区域内的所有点后，即完成了信号采集过程，通过图像重建可得到三维脑皮层结构和功能信息。通过改变MEMS扫描镜的最大偏转角度和扫描频率可以改变成像范围和图像的空间分辨率。成像结束后，将本系统取下，底座1为一次性使用物，无需回收。
本成像系统结构简单紧凑，质量小，体积小。为了进一步控制系统重量和成本，所述支架2和底座1采用聚乳酸(Ploylactic Acid，PLA)材料打印而成。
MEMS为microelectromechanical systems的缩写，中文意为微型机电系统。
当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，其特征在于该系统包括：
带有竖向延伸布置的光线传输通道的底座(1)，
可拆卸地固定在所述底座(1)上部的支架(2)，
一端与外部OCT系统相连、另一端连接至所述支架(2)上的传导光线的光纤(3)，
固定在所述支架(2)上、且位于所述光线传输通道上方的聚焦透镜(4)，安装在所述支架(2)上、并能将所述光纤(3)从所述外部OCT系统传导过来的光线反射至所述聚焦透镜(4)处的MEMS扫描镜(5)。
2.根据权利要求1所述的用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，其特征在于：所述MEMS扫描镜(5)焊接在一PCB板(6)上，该PCB板(6)通过螺钉锁紧固定在所述支架(2)上，该PCB板(6)上设置有连接用于控制所述MEMS扫描镜(5)扫描范围和频率的接口(7)。
3.根据权利要求1所述的用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，其特征在于：所述底座(1)上的所述光线传输通道为贯通设置于该底座(1)上的圆形通孔。
4.根据权利要求1所述的用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光纤(3)出光端的中心正对所述MEMS扫描镜(5)的中心布置，所述圆形通孔的孔轴线正对所述MEMS扫描镜(5)的中心布置。
5.根据权利要求1所述的用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光纤(3)为单模光线，其尾端设置有用于准直光线的GRIN镜。
6.根据权利要求1所述的用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，其特征在于：所述支架(2)上设有光纤插孔(8)，所述光纤(3)插设在该光纤插孔(8)中并由螺丝锁紧固定。
7.根据权利要求1所述的用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，其特征在于：所述支架(2)上设置有圆形卡槽，所述聚焦透镜(4)卡设固定在该圆形卡槽内。
8.根据权利要求7所述的用于自由运动动物的头戴式光学相干层析成像系统，其特征在于：所述底座(1)的上部设有与所述支架(2)上圆形卡槽对应的圆形凸起，该圆形凸起嵌套在所述圆形卡槽中。
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