CN107462336A - 一种飞秒激光多模态分子影像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种飞秒激光多模态分子影像系统，采用近红外波段生成装置提供中心波长为1010纳米至1100纳米、谱宽小于25纳米的近红外波段脉冲，该近红外波段脉冲可激发具有强非线性的光学媒介产生具有超宽光谱的飞秒激光脉冲，通过脉冲测量压缩控制模块测量并补偿飞秒激光脉冲到达组织样品积累的色散，最大限度消除“时域展宽”效应，得到的最短脉冲可以与组织样品作用生成多种不同模态的光谱信号，从而提供多种非线性分子影像模态。

Description

一种飞秒激光多模态分子影像系统
技术领域
本发明涉及飞秒激光设备技术领域，尤其涉及一种飞秒激光多模态分子影像系统。
背景技术
传统的超连续谱产生方式是使用50飞秒的低功率脉冲(脉冲能量小于3nJ)，激发长度小于10毫米的光子晶体纤维，同时保证所使用的光子晶体纤维的零色散波长处在所产生的超连续谱范围内，例如产生600-900纳米的超连续谱，光子晶体纤维的零色散波长必须处在600-900纳米的范围内，但此种方式产生的超连续谱光学脉冲较低，功率低，光路稳定性差，无法激发所有非线性分子影像模态。此外，由于飞秒激光脉冲在通过光路时会产生“时域展宽”效应，即由于光路中的色散，特别是二阶及以上的高阶色散的存在，飞秒脉冲在时间轴上的宽度会随着在光路中的传播增大，导致飞秒脉冲的峰值功率大幅度降低，以致脉冲和样品之间的非线性效应减弱甚至消失。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的超连续谱产生方式产生的飞秒激光脉冲平均功率低、色散带来的飞秒脉冲峰值功率降低等问题，提出一种飞秒激光多模态分子影像系统，能够提供较大功率的飞秒脉冲，并有效消除色散影响。
一种飞秒激光多模态分子影像系统，包括超连续谱生成模块、脉冲测量压缩控制模块以及光学显微模块；
所述超连续谱生成模块包括近红外波段生成装置以及具有强非线性的光学媒介，所述近红外波段生成装置用于提供近红外波段脉冲，所述具有强非线性的光学媒介用于经所述近红外波段脉冲激发生成飞秒激光脉冲；所述近红外波段脉冲的中心波长为1010纳米至1100纳米、谱宽小于25纳米；
所述脉冲测量压缩控制模块包括第一光学组件和测量模块，所述第一光学组件用于接收所述飞秒激光脉冲，所述测量模块用于测量系统光路中的色散，并根据测量结果调节第一光学组件参数对所述飞秒激光脉冲进行色散补偿，获得压缩飞秒激光脉冲；
所述光学显微模块包括第二光学组件、样品平台以及第一信号采集装置，所述压缩飞秒激光脉冲经所述第二光学组件后到达所述样品平台，与样品平台上的组织样品作用后生成多模态信号，所述第一信号采集装置用于采集所述多模态信号。
进一步地，所述近红外波段生成装置为含镱光纤激光器或者脉冲激光器，所述近红外波段生成装置的脉宽小于1500飞秒；
所述具有强非线性的光学媒介生成的飞秒激光脉冲的光谱范围为750纳米至1300纳米；
所述具有强非线性的光学媒介为双折射光子晶体光纤，所述双折射光子晶体光纤的长度大于45毫米，具有至少5*10-6的双折射率，并且在可透射波段具有正色散。
进一步地，所述第一光学组件为包含主动自适应光学器件的脉冲整形器，所述脉冲整形器包括依次设置的第一光栅、第一凸透镜、液晶空间光调制器、第二凸透镜以及第二光栅，所述第一光栅位于所述第一凸透镜的焦点位置，所述第一凸透镜和所述液晶空间光调制器之间的距离为一倍焦距，所述液晶空间光调制器和所述第二凸透镜之间的距离为一倍焦距，所述第二凸透镜与所述第二光栅之间的距离为一倍焦距。
进一步地，所述测量模块包括控制装置、第二信号采集装置以及设置在所述样品平台上的非线性晶体；
所述飞秒激光脉冲经所述脉冲测量压缩控制模块和光学显微模块聚焦至所述非线性晶体产生非线性光谱，所述第二信号采集装置用于采集非线性光谱信号并发送至所述控制装置；
所述控制装置用于控制所述液晶空间光调制器的参数引入已知参考光谱相位函数，通过改变所述已知参考光谱相位函数，测量系统光路的色散函数，并根据所述色散函数调节所述液晶空间光调制器的参数，控制所述飞秒激光脉冲各个波长光谱的相位，以抵消色散。
进一步地，所述非线性晶体为BBO晶体或者KDP晶体，所述非线性晶体的厚度为10微米至300微米。
进一步地，所述已知参考光谱相位函数包括抛物线函数和正弦函数；所述非线性光谱为二次谐波；
所述控制装置还用于每次改变所述已知参考光谱相位函数时对所述二次谐波进行最大值分析，获得待测色散的二阶导数，对所述二阶导数进行二次积分，获得系统光路的色散函数。
进一步地，所述控制装置还用于改变所述脉冲整形器的参数以引入所述色散函数的负函数，控制所述飞秒激光脉冲各个波长光谱的相位，以抵消色散；
所述控制装置还用于判断所述飞秒激光脉冲是否已经接近傅里叶变换极限，如果不是，则再次测量色散函数。
进一步地，所述第一光学组件为被动式光学器件，通过调整各被动式光学器件之间的相对距离和相对角度引入已知参考光谱相位函数，测量系统光路的色散函数，并根据所述色散函数调整各被动式光学器件之间的相对距离和相对角度对所述飞秒激光脉冲进行色散补偿。
进一步地，所述第二光学组件包括第一反射镜、扫描振镜模块、第二反射镜、二向色镜、光学显微物镜以及多个滤片；
所述第一信号采集装置包括与所述多个滤片对应的多个光电探测器，所述多个光电探测器与所述控制装置连接；
所述压缩飞秒激光脉冲经过所述第一反射镜进入所述扫描振镜模块，并依次通过所述第二反射镜、二向色镜和光学显微物镜，聚焦至所述样品平台；
所述压缩飞秒激光脉冲与所述样品平台上的组织样品作用后生成多模态信号，所述多模态信号经所述二向色镜反射至所述多个滤片进行分离，并被所述多个光电探测器采集后发送至所述控制装置。
进一步地，所述多模态信号包括：光谱范围为570纳米至630纳米的二次谐波信号、光谱范围为343纳米至405纳米的三次谐波信号、光谱范围为510纳米至565纳米的双光子荧光光谱信号、光谱范围为410纳米至490纳米的三光子荧光光谱信号以及光谱范围为640纳米至723纳米的非线性拉曼信号；
所述二次谐波信号用于识别组织样品中的胆固醇；所述三次谐波信号用于识别组织样品中的细胞质、黑色素及肿瘤产生的细胞间囊泡；所述双光子荧光光谱信号用于识别弹性蛋白、黄素腺嘌呤二核苷酸和基膜；所述三光子荧光光谱信号用于识别还原性辅酶在组织样品中的分布；所述非线性拉曼信号用于识别类脂化合物和血细胞；
所述二次谐波信号、三次谐波信号以及非线性拉曼信号重合用于识别胶原纤维网络和肌浆球蛋白；所述非线性拉曼信号和所述二次谐波信号重合用于识别DNA、血管以及淋巴管。
本发明提供的飞秒激光多模态分子影像系统，至少包括如下有益效果：
(1)采用近红外波段生成装置提供中心波长为1010纳米至1100纳米、谱宽小于25纳米的近红外波段脉冲，该近红外波段脉冲可激发具有强非线性的光学媒介产生具有超宽光谱的飞秒激光脉冲，通过脉冲测量压缩控制模块测量并补偿飞秒激光脉冲到达组织样品积累的色散，最大限度消除“时域展宽”效应，得到的最短脉冲可以与组织样品作用生成多种不同模态的光谱信号，从而提供多种非线性分子影像模态；
(2)采用的双折射光子晶体光纤，在所产生的飞秒激光脉冲的光谱范围内不存在零色散波长，具有较高的通光效率，可产生大于500毫瓦的飞秒激光脉冲，同时具有较好的偏振性，还可以通过优化入射光的偏振性、功率和入射角度调整产生的飞秒激光脉冲光谱；
(3)采用主动自适应光学器件，在测量出色散函数后，可以把该色散函数的负函数引入系统光路，从而抵消系统色散，生成压缩飞秒激光脉冲到达样品位置时色散为0或趋近于0，得到傅里叶变换极限脉冲，使得脉冲峰值功率在样品位置达到最大化，从而最大限度的提高组织样品不同分子的非线性信号产生效率，提高信噪比；
(4)采用主动自适应光学器件，可以在得到傅里叶变换极限脉冲的基础上，进行进一步针对某种非线性信号的光谱强度和光谱相位的优化，实现选择性激发，提高多模态信号的特异性；
(5)能够生成宽范围的多模态信号，多模态信号可识别组织样品中的多种成分，提高飞秒激光影像设备识别的多样性。
附图说明
图1为本发明提供的飞秒激光多模态分子影像系统一种实施例的结构示意图。
图2为本发明提供的飞秒激光多模态分子影像系统中脉冲测量压缩控制模块一种实施例的结构示意图。
图3为本发明提供的飞秒激光多模态分子影像系统中色散测量和补偿方法一种实施例的流程图。
图4为本发明提供的飞秒激光多模态分子影像系统中光学显微模块一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，本实施例提供一种飞秒激光多模态分子影像系统，包括超连续谱生成模块101、脉冲测量压缩控制模块102以及光学显微模块103；
超连续谱生成模块101包括近红外波段生成装置1011以及具有强非线性的光学媒介1012，近红外波段生成装置1011用于提供近红外波段脉冲，具有强非线性的光学媒介1012用于经近红外波段脉冲激发生成飞秒激光脉冲；近红外波段脉冲的中心波长为1010纳米至1100纳米、谱宽小于25纳米；
脉冲测量压缩控制模块102包括第一光学组件1021和测量模块1022，第一光学组件1021用于接收飞秒激光脉冲，测量模块1022用于测量系统光路中的色散，并根据测量结果调节第一光学组件1021参数对飞秒激光脉冲进行色散补偿，获得压缩飞秒激光脉冲；
光学显微模块103包括第二光学组件1031、样品平台1032以及第一信号采集装置1033，压缩飞秒激光脉冲经第二光学组件1031后到达样品平台1032，与样品平台1032上的组织样品作用后生成多模态信号，第一信号采集装置1033用于采集所述多模态信号。
本实施例提供的飞秒激光多模态分子影像系统，采用近红外波段生成装置提供中心波长为1010纳米至1100纳米、谱宽小于25纳米的近红外波段脉冲，该近红外波段脉冲可激发具有强非线性的光学媒介产生具有超宽光谱的飞秒激光脉冲，通过脉冲测量压缩控制模块测量并补偿飞秒激光脉冲到达组织样品积累的色散，最大限度消除“时域展宽”效应，得到的最短脉冲可以与组织样品作用生成多种不同模态的光谱信号，从而提供多种非线性分子影像模态。
作为一种优选的实施方式，近红外波段生成装置为含镱光纤激光器，或者其他可以产生所需波长、谱宽和脉宽的脉冲激光器，可以是商用激光器、也可以是采用全正色散含镱光纤激光架构的脉冲激光器，采用全正色散含镱光纤激光架构时，可以是全光纤架构，也可以是光纤和开放式光学器件的混合架构。
近红外波段生成装置的脉宽小于1500飞秒；具有强非线性的光学媒介生成的飞秒激光脉冲的光谱范围为750纳米至1300纳米；作为一种优选的实施方式，具有强非线性的光学媒介为双折射光子晶体光纤，双折射光子晶体光纤的长度大于45毫米，具有至少5*10-6的双折射率，并且在可透射波段具有正色散，偏振大于15:1。
本实施例采用的双折射光子晶体光纤，在所产生的飞秒激光脉冲的光谱范围内不存在零色散波长，具有较高的通光效率，可产生大于500毫瓦的飞秒激光脉冲，同时具有较好的偏振性，还可以通过优化入射光的偏振性、功率和入射角度调整产生的飞秒激光脉冲光谱。
进一步地，参考图2，作为一种优选的实施方式，第一光学组件1021为包含主动自适应光学器件的脉冲整形器，脉冲整形器包括依次设置的第一光栅G1、第一凸透镜L1、液晶空间光调制器SLM、第二凸透镜L2以及第二光栅G2，第一光栅G1位于第一凸透镜L1的焦点位置，第一凸透镜L1和液晶空间光调制器SLM之间的距离为一倍焦距，液晶空间光调制器SLM和第二凸透镜L2之间的距离为一倍焦距，第二凸透镜L2与第二光栅G2之间的距离为一倍焦距。
具体地，由超连续谱生成模块101生成的飞秒激光脉冲，包含多个光谱波长，通过第一光栅G1后，光谱被散射在空间中，再经过第一凸透镜聚焦后，所有的光谱波长会在凸透镜另一侧的一倍焦距位置，形成均匀分布，完成飞秒激光脉冲从时域变换为频率域的傅里叶变换，该平面也被成为傅里叶平面，液晶空间光调制器SLM位于所述傅里叶平面上。傅里叶平面之后的光路和光学器件为之前光路的镜像，所有的光谱波长再经过第二凸透镜和第二光栅后重新结合，完成脉冲从频率域回到时域的变换。液晶空间光调制器SLM的液晶与光谱波长一一对应，通过液晶空间光调制器SLM对应不同光谱波长的不同像素的折射率的控制，就可以达到控制不同波长之间相对光谱相位的目的。
主动自适应光学器件包括但不限于液晶空间光调制器、声光晶体、可形变反射镜等。
进一步地，测量模块1022包括控制装置1023、第二信号采集装置1024以及设置在样品平台上的非线性晶体1025；
飞秒激光脉冲经脉冲测量压缩控制模块102和光学显微模块103聚焦至非线性晶体1025产生非线性光谱，第二信号采集装置1024用于采集非线性光谱信号并发送至控制装置1023；
控制装置1023用于控制液晶空间光调制器的参数引入已知参考光谱相位函数，通过改变所述已知参考光谱相位函数，测量系统光路的色散函数，并根据所述色散函数调节所述液晶空间光调制器的参数，控制所述飞秒激光脉冲各个波长光谱的相位，以抵消色散。
具体地，可调节液晶空间光调制器每个像素的折射率控制飞秒激光脉冲各个波长的相位。
作为一种优选的实施方式，非线性晶体为BBO晶体或者KDP晶体，非线性晶体的厚度为10微米至300微米，在此厚度范围内，能够有效保证在全部激光光谱范围内满足相位匹配条件。
具体地，进行系统色散测量时，通过液晶空间光调制器参数的改变，向系统引入一个或一系列的已知参考光谱相位函数(例如抛物线函数、正弦函数等)，每一个不同的已知参考光谱相位函数，都会引起系统总光谱相位的改变，从而引发飞秒激光脉冲的非线性表达的改变。此时如果在脉冲测量压缩控制模块之后任意位置放置非线性晶体，收集产生的非线性光谱信号，就可以测量出该位置所积累的总色散。
作为一种优选的实施方式，所述已知参考光谱相位函数包括但不限于抛物线函数和正弦函数；所述非线性光谱包括但不限于二次谐波；
控制装置还用于每次改变所述已知参考光谱相位函数时对所述二次谐波进行最大值分析，获得待测色散的二阶导数，对所述二阶导数进行二次积分，获得系统光路的色散函数。
具体地，参考图3，当飞秒激光脉冲到达非线性晶体时，产生二次谐波信号，通过第二信号采集装置采集后发送至控制装置，每改变一次已知参考光谱相位函数，就可以测量一个二次谐波的非线性光谱，多次改变已知参考光谱相位函数后，控制装置会收集到以波长或频率为X轴，参考相位函数为Y轴，信号强度为Z轴的三维图形，通过对三维图形的最大值分析，可以直接测量出系统待测色散的二阶导数，得到的二阶导数通过两次积分后，可以计算出飞秒激光脉冲在样品位置所积累的总色散，即系统光路的色散函数。
进一步地，测量出色散函数后，所述控制装置还用于改变所述脉冲整形器的参数以引入所述色散函数的负函数，控制所述飞秒激光脉冲各个波长光谱的相位，以抵消色散；
具体地，控制装置取色散函数的负函数引入空间光调制器调节每个像素的折射率，控制飞秒激光脉冲各个波长的相位。
所述控制装置还用于判断所述飞秒激光脉冲是否已经接近傅里叶变换极限，如果不是，则再次测量色散函数。
抵消色散后的飞秒激光脉冲的总色散为0或趋近于0，即压缩飞秒激光脉冲。
具体地，超连续谱生成模块101生成的飞秒激光脉冲表达式为：
其中，其中E(t)为飞秒脉冲在时域的表达，E(ω)为光谱强度项，为相位项，t为时间，ω为频率，θ(ω)为生成飞秒脉冲的初始色散。
通过控制装置控制的液晶空间光调制器引入系统的控制光谱强度的透光率函数为T(ω)，控制光谱相位的函数为ε(ω)，则经过第一光学组件后出射的飞秒激光脉冲的数学表达式为：
其中，
飞秒激光脉冲通过第一光学组件和光学显微模块后，到达样品位置上的非线性晶体产生二次谐波，其中待测色散函数为φ(ω)(包含飞秒激光脉冲的初始色散，经过脉冲测量压缩控制模块以及光学显微模块引入的色散，以及控制装置引入的相位)，引入的已知参考光谱相位函数为f(ω)，飞秒激光脉冲在非线性晶体处的光谱相位即为二者之和：
二次谐波的数学表达式为：
其中，ISHG(2ω)为二次谐波信号在2ω频率处的信号强度，ω为基频频率，Ω为产生二次谐波的光子对所在频率和中心频率ω的频率差，E0(ω+Ω)和E0(ω+Ω)项为飞秒激光脉冲在频率ω+Ω和ω+Ω的强度，指数项为可在2ω处产生二次谐波信号的光子对的相位之和，当此项趋近于0时，指数项为1，积分达到最大，把此项做一个泰勒多项式展开(Ω<<ω)：
并做一次略去高阶项的近似，即可得到当为0，即趋近于0时，在2ω处产生二次谐波信号为最大，以已知参考光谱相位函数为抛物线函数为例，扫描参数为抛物线强度β，其二阶导数等于扫描参数β，对于每一个不同的扫描参数β，都会采集到一个相应的二次谐波光谱。因此，在不同的参数β被扫描后，控制装置将会收集到以波长和频率为X轴，扫描参数β为Y轴，二次谐波信号强度为Z轴的三维图形，对于任意频率ω1可以很直观的得到一个信号强度最大的位置Z(ω1，β)，这个位置就是满足趋近于0的位置，而f(2)(ω1)的值就是此位置对应的扫描参数值β1，即待测色散的二阶导数对待测范围内每一个光谱波长重复上述步骤，即可测量待测色散相对波长或频率的函数，两次积分后，可以计算出脉冲在样品位置所积累的总色散。
采用主动自适应光学器件，在测量处色散函数后，可以把该色散函数的负函数引入系统光路，从而抵消系统色散，生成压缩飞秒激光脉冲到达样品位置时色散为0或趋近于0，得到傅里叶变换极限脉冲，使得脉冲峰值功率在样品位置达到最大化，从而最大限度的提高组织样品不同分子的非线性信号产生效率，提高信噪比。
此外，采用主动自适应光学器件，可以在得到傅里叶变换极限脉冲的基础上，进行进一步针对某种非线性信号的光谱强度和光谱相位的优化，实现选择性激发，提高多模态信号的特异性。
作为另外一种可选的实施方式，第一光学组件为被动式光学器件，包括但不限于光栅对、棱镜对、棱镜光栅等一系列二阶色散光谱相位函数的被动光学器件，通过调整各被动式光学器件之间的相对距离和相对角度引入已知参考光谱相位函数，测量系统光路的色散函数，完成脉冲在样品位置的总色散测量，通过调整各被动式光学器件之间的相对距离和相对角度对所述飞秒激光脉冲进行色散补偿。
采用被动式光学器件，可以通过线性拟合、从测量的系统色散函数中提取二阶和三阶色散数据，之后通过手动或自动控制设备调节各器件之间的距离和相对角度，从而达到最大程度上抵消二阶和三阶色散，使脉冲在样品位置尽量接近傅里叶变换极限，优化信噪比。
参考图4，第二光学组件包括第一反射镜M1、扫描振镜模块G、第二反射镜M2、二向色镜DM、光学显微物镜O以及多个滤片F1-F(n-1)；
第一信号采集装置包括与所述多个滤片对应的多个光电探测器PMT1-PMT(n-1)，多个光电探测器与所述控制装置连接；
压缩飞秒激光脉冲经过第一反射镜M1进入扫描振镜模块G，并依次通过第二反射镜M2、二向色镜DM和光学显微物镜O，聚焦至样品平台1032。
其中扫描振镜模块G包括X轴振镜GMx和Y轴振镜GMy，通过控制扫描振镜模块进行XY轴的扫描，通过控制光学平台压电扫描仪或光学显微镜做Z轴扫描，组织样品无需做准备，直接放置在样品平台。
压缩飞秒激光脉冲与所述样品平台上的组织样品作用后生成多模态信号，所述多模态信号经所述二向色镜反射至所述多个滤片进行分离，并被所述多个光电探测器采集后发送至控制装置。
控制装置对多模态信号进行分析。
进一步地，多模态信号包括：光谱范围为570纳米至630纳米的二次谐波信号、光谱范围为343纳米至405纳米的三次谐波信号、光谱范围为510纳米至565纳米的双光子荧光光谱信号、光谱范围为410纳米至490纳米的三光子荧光光谱信号以及光谱范围为640纳米至723纳米的非线性拉曼信号；
所述二次谐波信号用于识别组织样品中的胆固醇；所述三次谐波信号用于识别组织样品中的细胞质、黑色素及肿瘤产生的细胞间囊泡；所述双光子荧光光谱信号用于识别弹性蛋白、黄素腺嘌呤二核苷酸和基膜；所述三光子荧光光谱信号用于识别还原性辅酶在组织样品中的分布；所述非线性拉曼信号用于识别类脂化合物和血细胞；
二次谐波信号、三次谐波信号以及非线性拉曼信号重合用于识别胶原纤维网络和肌浆球蛋白；所述非线性拉曼信号和所述二次谐波信号重合用于识别DNA、血管以及淋巴管。
本实施例提供的飞秒激光多模态分子影像系统，能够生成宽范围的多模态信号，多模态信号可识别组织样品中的多种成分，提高飞秒激光影像设备识别的多样性。
综上，本实施例提供的飞秒激光多模态分子影像系统，至少包括如下
有益效果：
(1)采用近红外波段生成装置提供中心波长为1010纳米至1100纳米、谱宽小于25纳米的近红外波段脉冲，该近红外波段脉冲可激发具有强非线性的光学媒介产生具有超宽光谱的飞秒激光脉冲，通过脉冲测量压缩控制模块测量并补偿飞秒激光脉冲到达组织样品积累的色散，最大限度消除“时域展宽”效应，得到的最短脉冲可以与组织样品作用生成多种不同模态的光谱信号，从而提供多种非线性分子影像模态；
(2)采用的双折射光子晶体光纤，所产生的飞秒激光脉冲的光谱范围内不存在零色散波长，具有较高的通光效率，可产生大于500毫瓦的飞秒激光脉冲，同时具有较好的偏振性，还可以通过优化入射光的偏振性、功率和入射角度调整产生的飞秒激光脉冲光谱；
(3)采用主动自适应光学器件，在测量处色散函数后，可以把该色散函数的负函数引入系统光路，从而抵消系统色散，生成压缩飞秒激光脉冲到达样品位置时色散为0或趋近于0，得到傅里叶变换极限脉冲，使得脉冲峰值功率在样品位置达到最大化，从而最大限度的提高组织样品不同分子的非线性信号产生效率，提高信噪比；
(4)采用主动自适应光学器件，可以在得到傅里叶变换极限脉冲的基础上，进行进一步针对某种非线性信号的光谱强度和光谱相位的优化，实现选择性激发，提高多模态信号的特异性；
(5)能够生成宽范围的多模态信号，多模态信号可识别组织样品中的多种成分，提高飞秒激光影像设备识别的多样性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，包括超连续谱生成模块、脉冲测量压缩控制模块以及光学显微模块；
所述超连续谱生成模块包括近红外波段生成装置以及具有强非线性的光学媒介，所述近红外波段生成装置用于提供近红外波段脉冲，所述具有强非线性的光学媒介用于经所述近红外波段脉冲激发生成飞秒激光脉冲；所述近红外波段脉冲的中心波长为1010纳米至1100纳米、谱宽小于25纳米；
所述脉冲测量压缩控制模块包括第一光学组件和测量模块，所述第一光学组件用于接收所述飞秒激光脉冲，所述测量模块用于测量系统光路中的色散，并根据测量结果调节第一光学组件参数对所述飞秒激光脉冲进行色散补偿，获得压缩飞秒激光脉冲；
所述光学显微模块包括第二光学组件、样品平台以及第一信号采集装置，所述压缩飞秒激光脉冲经所述第二光学组件后到达所述样品平台，与样品平台上的组织样品作用后生成多模态信号，所述第一信号采集装置用于采集所述多模态信号。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述近红外波段生成装置为含镱光纤激光器或者脉冲激光器，所述近红外波段生成装置的脉宽小于1500飞秒；
所述具有强非线性的光学媒介生成的飞秒激光脉冲的光谱范围为750纳米至1300纳米；
所述具有强非线性的光学媒介为双折射光子晶体光纤，所述双折射光子晶体光纤的长度大于45毫米，具有至少5*10-6的双折射率，并且在可透射波段具有正色散。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述第一光学组件为包含主动自适应光学器件的脉冲整形器，所述脉冲整形器包括依次设置的第一光栅、第一凸透镜、液晶空间光调制器、第二凸透镜以及第二光栅，所述第一光栅位于所述第一凸透镜的焦点位置，所述第一凸透镜和所述液晶空间光调制器之间的距离为一倍焦距，所述液晶空间光调制器和所述第二凸透镜之间的距离为一倍焦距，所述第二凸透镜与所述第二光栅之间的距离为一倍焦距。
4.根据权利要求3所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述测量模块包括控制装置、第二信号采集装置以及设置在所述样品平台上的非线性晶体；
所述飞秒激光脉冲经所述脉冲测量压缩控制模块和光学显微模块聚焦至所述非线性晶体产生非线性光谱，所述第二信号采集装置用于采集非线性光谱信号并发送至所述控制装置；
所述控制装置用于控制所述液晶空间光调制器的参数引入已知参考光谱相位函数，通过改变所述已知参考光谱相位函数，测量系统光路的色散函数，并根据所述色散函数调节所述液晶空间光调制器的参数，控制所述飞秒激光脉冲各个波长光谱的相位，以抵消色散。
5.根据权利要求4所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述非线性晶体为BBO晶体或者KDP晶体，所述非线性晶体的厚度为10微米至300微米。
6.根据权利要求4所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述已知参考光谱相位函数包括抛物线函数和正弦函数；所述非线性光谱为二次谐波；
所述控制装置还用于每次改变所述已知参考光谱相位函数时对所述二次谐波进行最大值分析，获得待测色散的二阶导数，对所述二阶导数进行二次积分，获得系统光路的色散函数。
7.根据权利要求6所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述控制装置还用于改变所述脉冲整形器的参数以引入所述色散函数的负函数，控制所述飞秒激光脉冲各个波长光谱的相位，以抵消色散；
所述控制装置还用于判断所述飞秒激光脉冲是否已经接近傅里叶变换极限，如果不是，则再次测量色散函数。
8.根据权利要求1所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述第一光学组件为被动式光学器件，通过调整各被动式光学器件之间的相对距离和相对角度引入已知参考光谱相位函数，测量系统光路的色散函数，并根据所述色散函数调整各被动式光学器件之间的相对距离和相对角度对所述飞秒激光脉冲进行色散补偿。
9.根据权利要求4所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述第二光学组件包括第一反射镜、扫描振镜模块、第二反射镜、二向色镜、光学显微物镜以及多个滤片；
所述第一信号采集装置包括与所述多个滤片对应的多个光电探测器，所述多个光电探测器与所述控制装置连接；
所述压缩飞秒激光脉冲经过所述第一反射镜进入所述扫描振镜模块，并依次通过所述第二反射镜、二向色镜和光学显微物镜，聚焦至所述样品平台；
所述压缩飞秒激光脉冲与所述样品平台上的组织样品作用后生成多模态信号，所述多模态信号经所述二向色镜反射至所述多个滤片进行分离，并被所述多个光电探测器采集后发送至所述控制装置。
10.根据权利要求9所述的飞秒激光多模态分子影像系统，其特征在于，所述多模态信号包括：光谱范围为570纳米至630纳米的二次谐波信号、光谱范围为343纳米至405纳米的三次谐波信号、光谱范围为510纳米至565纳米的双光子荧光光谱信号、光谱范围为410纳米至490纳米的三光子荧光光谱信号以及光谱范围为640纳米至723纳米的非线性拉曼信号；
所述二次谐波信号用于识别组织样品中的胆固醇；所述三次谐波信号用于识别组织样品中的细胞质、黑色素及肿瘤产生的细胞间囊泡；所述双光子荧光光谱信号用于识别弹性蛋白、黄素腺嘌呤二核苷酸和基膜；所述三光子荧光光谱信号用于识别还原性辅酶在组织样品中的分布；所述非线性拉曼信号用于识别类脂化合物和血细胞；
所述二次谐波信号、三次谐波信号以及非线性拉曼信号重合用于识别胶原纤维网络和肌浆球蛋白；所述非线性拉曼信号和所述二次谐波信号重合用于识别DNA、血管以及淋巴管。
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