CN106053417A - 双光子显微镜及临床治疗装置 - Google Patents

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周镇乔
贾宏博
陈月岩
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Abstract

本发明提供了一种双光子显微镜将光纤飞秒激光器模块、声光调制器、双轴机械扫描单元、透镜组、物镜、滤光片组及光电探测器进行一体化的机电设计，集成于显微镜壳体内，提高了机械的紧凑性，减小了双光子显微镜的整机体积和重量，降低了成本；此外通过设置显微镜支架，从而能够带动双光子显微镜在三维方向上进行平移和在水平面进行旋转，从而提高了机械的活动性能，使用方便。

Description

双光子显微镜及临床治疗装置
技术领域
本发明涉及显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种双光子显微镜及临床治疗装置。
背景技术
光学显微成像对生命科学和基础医学研究是一项不可或缺的技术。传统光学仪器在电子、信息等行业的推动下，近二十年来取得了巨大进展，新的仪器和方法不断涌现出来。但是，随着研究的不断深入，生命科学和基础医学研究对光学成像技术有了更高和更新的要求。
然而目前应用到临床诊断和治疗的光学成像技术仍然有许多局限性。其一是可见光在生物组织里的穿透能力不强，局限了光学成像大部分应用面仅在体表或组织表层；其二是要充分发挥光学成像的分辨率还要求有一定的光学层析能力，来避免焦外杂散光的干扰。
在众多的光学成像方法中，在解决上面两个问题上表现最好的是双光子显微成像技术。双光子成像技术于1990年被Denk等人首先报道，它是一种非线性光学成像方法。双光子效应是指荧光分子几乎同时接受两个光子，从基态激发到激发态，然后再发出荧光的过程。由于荧光分子同时接受两个光子的概率极小，因此需要瞬间极高的光子密度才能有足够用于形成足够荧光信号的概率产生，也因此双光子成像技术普遍采用飞秒脉冲激光提高瞬时光功率来加强荧光蛋白非线性激发效率。双光子效应的非线性激发的特点也使得双光子荧光成像技术具有了天然的层析成像效果和高的空间分辨率，它采用的近红外光源在生物组织上的散射和吸收系数小，成像深度可以达到几百微米至毫米。双光子荧光成像技术能够同时记录上百个细胞的结构和功能信息。
双光子显微术作为高精度、实时在体的新兴显微成像技术，具有巨大的临床应用潜力，但在世界范围内尚未见到真正成熟可靠的临床应用，其主要困难之一在于其光源对环境要求高，整机体积和重量高且安装后无法移动，显微镜光路系统复杂且须放置在防震平台上。此外，双光子显微镜在基础科研领域的运用绝大多数都局限于使用小鼠、大鼠等小型实验动物，把实验动物放置于显微镜载物台之上固定，对大型灵长类实验动物的应用受到显微镜自由空间大小和移动距离的限制而很难开展。
发明内容
本发明的目的是：
提供一种紧凑性、一体化、且可整体自由移动的双光子显微镜。
本发明的技术方案是：
一种双光子显微镜，包括本体和控制单元，所述本体内集成有光纤飞秒激光器、声光调制器、双轴机械扫描单元、透镜组、物镜、滤光片组及光电探测器，所述控制单元包括图形工作站；
所述声光调制器用于调制激光光束的功率，所述双轴机械扫描单元用于在二维方向上对激光方向进行扫描，所述透镜组包括第一透镜及第二透镜，所述滤光片组包括二向色片和激光阻挡片，所述二向色片用于透射激光光束并对荧光光束全反射，所述激光阻挡片用于透射荧光光束并截止激光光束，所述光电探测器用于可探测荧光，并将荧光转换成电信号；
所述光纤飞秒激光器出射的飞秒激光光束经所述声光调制器调制后入射进入所述双轴机械扫描单元，经所述双轴机械扫描单元扫描后激光光束依次透射所述第一透镜、所述二向色及所述第二透镜聚焦于所述物镜的焦面处并激发位于所述焦面处的样品产生荧光；
所述荧光产生的荧光光束依次所述物镜、所述第二透镜聚后入射进入所述二向色片，并经所述二向色片反射后再透射所述激光阻挡片进入所述光电探测器，所述光电探测器探测所述荧光，并将所述荧光转换成电信号；
所述图形工作站用于获取所述电信号，并对所述电信号进行处理，形成并显示图像。
在一些实施例中，所述控制单元还包括电源模块，所述电源模块用于给所述光纤飞秒激光器、声光调制器、双轴机械扫描单元和光电探测器供电。
在一些实施例中，所述控制单元还包括信号发送和采集模块，所述信号发送和采集模块用于给所述声光调制器提供调制信号，
在一些实施例中，所述信号发送和采集模块还用于控制双轴机械扫描单元的扫描参数。
在一些实施例中，所述信号发送和采集模块还用于设置所述光电探测器的信号放大率与及采集所述光电探测器的输出信号，并将信号传递给图形工作站。
在一些实施例中，所述本体与所述控制单元通过线缆连接，且所述线缆至少长2.5m。
在一些实施例中，所述双光子显微镜还包括显微镜支架，所述显微镜支架包括底盘、支柱、水平旋转单元、吊臂、竖直平移单元、提手及水平平移托盘，其中：
所述支柱固定在所述底盘上，所述水平旋转单元可绕所述支柱在水平面旋转，所述吊臂的一端固定连接于所述水平旋转单元，所述水平旋转单元可使所述吊臂绕所述支柱在水平面旋转，所述竖直平移单元可绕所述吊臂在竖直方向上平移，所述提手通过所述竖直平移单元固定在所述吊臂上，所述竖直平移单元可使所述提手在竖直方向上平移，所述提手的两臂分别与所述水平平移托盘相固定，所述水平平移托盘用于支撑所述双光子显微镜的本体，并能带动所述双光子显微镜的本体在水平面内平移。
在一些实施例中，所述双光子显微镜的本体重量小于或等于20kg，体积在25cm×40cm×40cm内。
另外，本发明还提供了一种临床治疗装置，包括上述双光子显微镜。
本发明的优点是：
1.本发明提供的双光子显微镜将光纤飞秒激光器模块、声光调制器、双轴机械扫描单元、透镜组、物镜、滤光片组及光电探测器进行一体化的机电设计，集成于显微镜壳体内，提高了机械的紧凑性，减小了双光子显微镜的整机体积和重量，降低了成本。
2.本发明提供的双光子显微镜通过设置显微镜支架，从而能够带动双光子显微镜在三维方向上进行平移和在水平面进行旋转，从而提高了机械的活动性能，使用方便。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双光子显微镜结构示意图。
图2为本发明实施例提供的显微镜支架的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的一种临床治疗装置。
其中：本体1、光纤飞秒激光器11，声光调制器12，双轴机械扫描单元13，透镜组14、第一透镜141、、第二透镜142、物镜15，滤光片组16，二向色片161、激光阻挡片162、光电探测器17、控制单元2、电源模块21、信号发送和采集模块22、图形工作站23；
底盘41、支柱42、水平旋转单元43、吊臂44、竖直平移单元45、提手46、水平平移托盘47。
具体实施方式
请参考图1，为本发明实施例提供的一种双光子显微镜，包括本体1和控制单元2。所述本体1与所述控制单元2通过线缆连接，且所述线缆至少长2.5m，这样可以支持远程全自动遥控实时操作。
所述本体1内集成有光纤飞秒激光器11，声光调制器12，双轴机械扫描单元13，透镜组14，物镜15，滤光片组16，光电探测器17。
可以理解，上述双光子显微镜将光纤飞秒激光器11、声光调制器12、双轴机械扫描单元13、透镜组14、物镜15、滤光片组16及光电探测器17进行一体化的机电设计，集成于显微镜壳体内，提高了机械的紧凑性，减小了双光子显微镜的整机体积和重量。
优选地，所述双光子显微镜的本体重量小于或等于20kg，体积在25cm×40cm×40cm内。
所述声光调制器12用于调制激光光束的功率，所述双轴机械扫描单元13用于在二维方向上对激光方向进行扫描，所述透镜组14包括第一透镜及第二透镜，所述滤光片组16包括二向色片161和激光阻挡片162，所述二向色片161用于透射激光光束并对荧光光束全反射，所述激光阻挡片162用于透射荧光光束并截止激光光束，所述光电探测器17用于可探测荧光，并将荧光转换成电信号；
所述光纤飞秒激光器11出射的飞秒激光光束经所述声光调制器12调制后入射进入所述双轴机械扫描单元13，经所述双轴机械扫描单元13扫描后激光光束依次透射所述第一透镜141、所述二向色161及所述第二透镜142聚焦于所述物镜15的焦面处并激发位于所述焦面处的样品产生荧光；
所述荧光产生的荧光光束依次所述物镜15、所述第二透镜142聚后入射进入所述二向色片161，并经所述二向色片161反射后再透射所述激光阻挡片162进入所述光电探测器17，所述光电探测器17探测所述荧光，并将所述荧光转换成电信号；
所述控制单元2包括电源模块21、信号发送和采集模块22、图形工作站23。
其中，所述电源模块21用于给所述光纤飞秒激光器11、声光调制器12、双轴机械扫描单元13和光电探测器17供电。
所述控制单元2还包括信号发送和采集模块22，所述信号发送和采集模块22用于给所述声光调制器12提供调制信号。
进一步地，所述信号发送和采集模块22还用于控制双轴机械扫描单元13的扫描参数及设置所述光电探测器17的信号放大率与及采集所述光电探测器17的输出信号，并将信号传递给图形工作站23。
所述图形工作站23用于获取所述电信号，并对所述电信号进行处理，形成并显示图像。
请参阅图2，本申请还提供了一种显微镜支架4，包括：底盘41、支柱42，水平旋转单元43、吊臂44、竖直平移单元45、提手46及水平平移托盘47。其中：
所述支柱42固定在所述底盘41上，所述水平旋转单元43可绕所述支柱42在水平面旋转，所述吊臂44的一端固定连接于所述水平旋转单元43，所述水平旋转单元43可使所述吊臂44绕所述支柱42在水平面旋转，所述竖直平移单元45可绕所述吊臂44在竖直方向上平移，所述提手46通过所述竖直平移单元45固定在所述吊臂44上，所述竖直平移单元45可使所述提手46在竖直方向上平移，所述提手46的两臂分别与所述水平平移托盘47相固定，所述水平平移托盘47用于支撑所述双光子显微镜的本体1，并能带动所述双光子显微镜的本体1在水平面内平移。
可以理解，显微镜支架4能带动上述双光子显微镜1在三维方向上进行平移和在水平面进行旋转。
可以理解，本发明提供的双光子显微镜通过设置显微镜支架4，从而能够带动双光子显微镜在三维方向上进行平移和在水平面进行旋转，从而提高了机械的活动性能，使用方便。
请参阅图3，本申请还提供了一种临床治疗装置，包括前述的双光子显微镜，由于前面已有详细描述，这里不再赘述。
本发明提供的双光子显微镜及治疗设备将光纤飞秒激光器11、声光调制器12、双轴机械扫描单元13、透镜组14、物镜15、滤光片组16及光电探测器17进行一体化的机电设计，集成于显微镜壳体内，提高了机械的紧凑性，减小了双光子显微镜的整机体积和重量，降低了成本；另外，通过设置显微镜支架4，从而能够带动双光子显微镜在三维方向上进行平移和在水平面进行旋转，从而提高了机械的活动性能，使用方便。
当然本发明的双光子显微镜还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (9)

1.一种双光子显微镜，其特征在于，包括本体和控制单元，所述本体内集成有光纤飞秒激光器、声光调制器、双轴机械扫描单元、透镜组、物镜、滤光片组及光电探测器，所述控制单元包括图形工作站；
所述声光调制器用于调制激光光束的功率，所述双轴机械扫描单元用于在二维方向上对激光方向进行扫描，所述透镜组包括第一透镜及第二透镜，所述滤光片组包括二向色片和激光阻挡片，所述二向色片用于透射激光光束并对荧光光束全反射，所述激光阻挡片用于透射荧光光束并截止激光光束，所述光电探测器用于可探测荧光，并将荧光转换成电信号；
所述光纤飞秒激光器出射的飞秒激光光束经所述声光调制器调制后入射进入所述双轴机械扫描单元，经所述双轴机械扫描单元扫描后激光光束依次透射所述第一透镜、所述二向色及所述第二透镜聚焦于所述物镜的焦面处并激发位于所述焦面处的样品产生荧光；
所述荧光产生的荧光光束依次所述物镜、所述第二透镜聚后入射进入所述二向色片，并经所述二向色片反射后再透射所述激光阻挡片进入所述光电探测器，所述光电探测器探测所述荧光，并将所述荧光转换成电信号；
所述图形工作站用于获取所述电信号，并对所述电信号进行处理，形成并显示图像。
2.根据权利要求1所述的双光子显微镜，其特征在于，所述控制单元还包括电源模块，所述电源模块用于给所述光纤飞秒激光器、声光调制器、双轴机械扫描单元和光电探测器供电。
3.根据权利要求1或2所述的双光子显微镜，其特征在于，所述控制单元还包括信号发送和采集模块，所述信号发送和采集模块用于给所述声光调制器提供调制信号，
4.根据权利要求3所述的双光子显微镜，其特征在于，所述信号发送和采集模块还用于控制双轴机械扫描单元的扫描参数。
5.根据权利要求4所述的双光子显微镜，其特征在于，所述信号发送和采集模块还用于设置所述光电探测器的信号放大率与及采集所述光电探测器的输出信号，并将信号传递给图形工作站。
6.根据权利要求1所述的双光子显微镜，其特征在于，所述本体与所述控制单元通过线缆连接，且所述线缆至少长2.5m。
7.根据权利要求1所述的双光子显微镜，其特征在于，所述双光子显微镜还包括显微镜支架，所述显微镜支架包括底盘、支柱、水平旋转单元、吊臂、竖直平移单元、提手及水平平移托盘，其中：
所述支柱固定在所述底盘上，所述水平旋转单元可绕所述支柱在水平面旋转，所述吊臂的一端固定连接于所述水平旋转单元，所述水平旋转单元可使所述吊臂绕所述支柱在水平面旋转，所述竖直平移单元可绕所述吊臂在竖直方向上平移，所述提手通过所述竖直平移单元固定在所述吊臂上，所述竖直平移单元可使所述提手在竖直方向上平移，所述提手的两臂分别与所述水平平移托盘相固定，所述水平平移托盘用于支撑所述双光子显微镜的本体，并能带动所述双光子显微镜的本体在水平面内平移。
8.根据权利要求1所述的双光子显微镜，其特征在于，所述双光子显微镜的本体重量小于或等于20kg，体积在25cm×40cm×40cm内。
9.一种临床治疗装置，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的双光子显微镜。
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