CN107898435A - 一种光路系统及头戴式显微系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光路系统以及头戴式显微系统，其中，该头戴式显微系统，包括光路系统、图像传感器、微控制器、电源系统和无线通信模块；图像传感器，用于将接收光路系统射出的荧光，并将荧光转换成电信号，并将电信号发送到微控制器；微控制器，用于接收电信号，将电信号的图像数据进行重构；无线通信模块，用于将重构的图像数据通过无线的方式发送到服务器，以使服务器将图像数据进行显示以及处理；电源系统，用于对光路系统中的光源、图像传感器、微控制器、无线通信模块提供电源。本发明实施例可以在观测神经元细胞活动信息时无需对动物样本进行固定，避免了观测过程中导线缠绕的问题，且细胞成像清晰。

Description

一种光路系统及头戴式显微系统

技术领域

本发明涉及显微技术领域，尤其涉及一种光路系统及头戴式显微系统。

背景技术

目前，对于大脑神经元活动信息的读取，是观察大脑活动模式，理解大脑工作机制，进而应用于脑疾病的诊断和治疗的重要手段。现有技术中，用于神经活动信息读取的手段有神经电生理记录技术、功能磁共振成像、双光子成像、光子计数等。例如，利用基因工程技术将人工编辑的钙活动荧光蛋白基因(如GCaMP等)整合到神经细胞并使荧光蛋白基因长期表达，通过光学成像的方法在活体动物上实时记录多个神经元细胞活动，从而获取动物的神经元活动信息。

上述的基于基因工程技术编辑钙活动荧光蛋白基因荧光成像的原理是：人工设计的荧光蛋白基因通过转基因技术整合到动物神经细胞并被表达成荧光蛋白分泌到胞浆，但这些荧光蛋白不能被激发，只有与胞内的游离Ca2+结合后，其构象发生改变，才成为可被激发的荧光蛋白。神经元细胞的活动会导致Ca2+进入细胞从而增加可被激发的荧光蛋白的数量，导致相同激发光强度下，发射的荧光强度增强。

目前，上述一系列动态变化通过显微系统进行观测，通过检测到的荧光强度变化来反映神经细胞的活动。但现有的技术的显微系统对动物的神经元细胞进行观测时需要将动物进行固定，操作不便，且细胞成像的分辨率较低，成像速度慢。

发明内容

本发明实施例提供一种光路系统及头戴式显微系统，可以在观测神经元细胞活动信息时无需对动物样本进行固定，避免了观测过程中导线缠绕的问题，且细胞成像清晰。

第一方面，本发明实施例提供了一种光路系统，包括；

光源，用于发射激发光；

二向色镜，用于将光源发射的激发光进行反射，使反射的激发光射光学探头；

所述光学探头，用于对射入的激发光导入，以使所述激发光照射到样本的目标区域；以及用于将所述样本的目标区域携带指示剂的神经元细胞被激发发射出的荧光，并将所述荧光导入到所述二向色镜上；

二向色镜，还用于将所述荧光进行透射，以使所述荧光射入图像传感器以转换成电信号。

第二方面，本发明实施例还提供了一种头戴式显微系统，包括本发明实施例提供的光路系统，还包括：图像传感器、微控制器、电源系统和无线通信模块；

所述图像传感器，用于接收所述光路系统中的二向色镜透射的荧光，并将所述荧光转换成电信号，并将所述电信号发送到微控制器；

所述微控制器，用于接收所述电信号，将所述电信号的图像数据进行重构；

所述无线通信模块，用于将重构的图像数据通过无线的方式发送到服务器，以使服务器将所述图像数据进行显示以及处理；

所述电源系统，用于对所述光路系统中的光源、所述图像传感器、所述微控制器、所述无线通信模块供电。

本发明实施例提供的技术方案，通过光路系统激发携带指示剂的神经元细胞激发荧光，通过图像传感器将荧光信号转换成电信号，通过微控制器对电信号的图像数据进行重构，通过无线通信模块将重构的图像数据发送到服务器以使服务器将图像数据进行显示以及处理，观测时无需对动物样本进行固定，避免了观测过程中导线缠绕的问题，且细胞成像清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例提供的一种光路系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种头戴式显微系统的结构框图；

图3是本发明实施例提供的另一种头戴式显微系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

目前，观察反映神经元细胞活动的荧光可以利用光子计数、传像束成像、双光子显微成像等光学成像技术。通过光子计数的成像技术是利用单根多模光纤埋植到动物脑内，将记录的荧光传导到基于PMT或APD的单光子探测器，通过采集到的光子数目的变化来反映激发范围的神经元细胞的活跃度变化，但是而无法直接对神经元细胞成像。传像束成像技术是利用含有数千到数万根数，且微米直径的单根光纤插入动物脑组织，每根光纤对应一个像素点，通过逐行逐点扫描每根光纤排列校准后进行细胞成像，但是图像分辨率较低，且扫描成像的方式，成像速度较慢，而且需要将动物固定住，进行急性实验。双光子显微成像技术可以观察多个神经元细胞的活动特性，但细胞成像深度有限，只能观察到皮层的神经细胞，且需要将动物固定住，操作不便。

目前，微型荧光显微镜系统克服了光子计数、传像束成像和双光子显微成像的局限性。但是该系统在使用过程中中也存在一些不便，例如需要导线供电和数据传输，因此，在某些封闭条件下，或者多只动物同时观测的情况下会发生导线缠绕等问题。

图1是本发明实施例提供的一种光路系统的结构示意图，如图1所示，光路系统包括光源10、二向色镜11和光学探头12。

其中，光源10，用于发射激发光。可选的，光源10可以是LED光源。

其中，二向色镜11，用于将光源10发射的激发光进行反射，使反射的激发光进入光学探头12。光学探头12，用于将射入的激发光导入，以使激发光照射到样本13的目标区域；以及用于探测样本13的目标区域携带指示剂的神经元细胞被激发发射出的荧光，并将荧光导入到二向色镜11上；二向色镜11，还用于将荧光进行透射，以使荧光射入图像传感器以转换成电信号。

其中，激发光的波长小于荧光的波长。样本为动物样本，光学探头12靠近动物样本的目标区域，目标区域为动物样本脑部组织的部分区域。光学探头12可以为聚焦透镜，或者也可以为聚焦透镜组。可选的，光学探头12为格林镜。光学探头12可以将射入的激发光聚焦，并使激发光发射入动物样本的目标区域，目标区域的神经元细胞受激发，发射出荧光。光学探头还可以将发射出的荧光进行聚焦，以使荧光射入二向色镜。

在上述实施例的基础上，如图1所示，光路系统还包括：准直元件14和消色元件15。其中，准直元件14，设置于光源10和二向色镜11之间，用于将光源10发射的激发光进行准直；消色元件15，用于将二向色镜11透射的荧光进行过滤。其中，可选的，准直元件14可以是半球透镜。消色元件15可以是消色差镜，消色元件15主要是将荧光中的绿色光进行过滤。

上述的光路系统的使用过程如下：将光学探头12靠近动物样本的脑组织的目标区域。打开光源10，光源10发射出来的激发光发经准直元件14准直，射入二向色镜11，二向色镜11将射入的激发光进行反射，以使激发光射入光学探头12。射入光学探头12的激发光通过光学探头12照射在动物样本脑组织的目标区域，目标区域内携带指示剂的神经元细胞吸收激发光，并发射出荧光。荧光经光学探头12射入二向色镜11，经二向色镜11透射，射入到消色元件15，消色元件15对荧光进行过滤以使过滤后的荧光射入图像传感器。

需要说明的是，本发明实施例提供的光路系统仅仅是本发明的一个示例，在本发明其他实施例中，在光学探头12和样本之间还可以设置其他型号的中转光学探头12以减少机械损伤及延长探测深度。

本实施例提供的光路系统，通过各种光学元件，可以准确探测反映动物样本神经元细胞的活动的荧光，以形成清晰的细胞图像。

图2是本发明实施例提供的一种头戴式显微系统的结构框图，如图2所示，所述显微系统包括上述实施例提供的光路系统100，还包括图像传感器200、微控制器300、电源系统400和无线通信模块500。

其中，如图2所示，图像传感器200，用于将接收光路系统100中射出的荧光，并将荧光转换成电信号，并将电信号发送到微控制器300。可选的，图像传感器200可以是金属氧化物半导体元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CCD)、或者电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)。其中，光路系统射出的荧光反应了神经元细胞的图像数据。

其中，微控制器300，用于接收电信号，将电信号的图像数据进行重构。可选的，微控制器300可以是51、MSP430、TMS、STM32、PIC中的任意一个，可根据细胞图像的分辨率、帧率等要求进行选择。具体的，微控制器300与图像传感器200通过通信总线进行连接，或者也可以通过其他方式进行连接。其中，通信总线可以是I²C总线或者SPI总线，并可以传输8位图像数据。

具体的，微控制器300接收到电信号后，将电信号的图像数据中包含RGB信息的矩阵数据进行重构，以使重构的图像数据满足无线通信模块500传输的条件。

如图2所示，无线通信模块500，用于将重构的图像数据通过无线的方式发送到服务器，以使服务器将图像数据进行显示以及处理。电源系统400，用于对光路系统100中的光源、图像传感器200、微控制器300、无线通信模块500提供电源。

其中，无线通信模块500可以是利用电磁波进行无线信号传输的电路模组，可以是蓝牙模组、ZigBee模组或者4G模组。根据实际通信速率和功耗要求，可选的，无线通信模块500为Wi-Fi模组。

其中，电源系统包括电池、稳压电路和充电电路。电池可以是一次电池、二次电池、生物燃料电池或者射频供电电池。可选的，电池为聚合物锂电池。可选的，稳压电路可以是低压差线性稳压器或者DC-DC变换器，可以讲将电池的电压稳定到3.3V。充电电路，用于为电池充电，具备恒流、限压、充满指示灯等功能。

其中，服务器600对图像数据进行显示，以使工作人员对动物的神经元细胞活动进行了解，服务器600可以对图像数据进行处理以及分析。无线通信模块采用无线的方式发送图像数据，避免了观测过程中导线缠绕的问题。尤其是当观测多个动物样本时，现有技术中由于头戴式显微系统需要与服务器之间通过数据线进行通信，更容易出现导线缠绕现象，影响观测效果，通过采用无线通信模块发送图像数据避免了导线缠绕问题，操作方便。

图3是本发明实施例提供的另一种头戴式显微系统的结构框图，如图3所示，所述头戴式显微系统包括上述实施例提供的光路系统100、图像传感器200、微控制器300、电源系统400和无线通信模块500，所示头戴式显微系统还包括：调焦装置700、数模转换模块800、电流源光驱动电路900、时钟系统901以及固定装置(图3中没有示出)。

其中，调焦装置700，用于调节图像传感器200，改变图像传感器200与光路系统100中的二向色镜的距离。

其中，调焦装置700可以是手动调节，或者也可以与微控制器300连接，微控制器300接收工作人员的调焦指令，控制调焦装置700调节图像传感器200的位置，改变图像传感器200与二向色镜的距离。通过调焦装置700调节图像传感器200的位置，可以使图像传感器200获取清晰的图像数据，以便于观测神经元细胞的活动信息。

如图3所示，微控制器300，还用于发送控制光源发光参数的数字信号；数模转换模块800与微控制器300连接，用于将微控制器300发送的数字信号，并将数字信号转换成电压信号；电流源光驱动电路，用于基于数据转换模块发送的电压信号，驱动光源10产生激发光。具体的，微控制器300，用于发送控制光源电流、频率等参数的数字信号，并通过电流源光驱动电路900驱动光源产生相应强度的激发光，并控制发光频率，即微控制器可以控制光源发射的激发光的强度、以及控制光源的发光频率等。并且微控制器还可以光源的打开以及关闭。由此，通过微控制器对光源进行控制，可以提高操作效率，提高图像数据的采集效率。

其中，时钟系统901，用于控制发送时钟信号，驱动微控制器400执行相应的指令、状态等动作。

其中，光路系统设置于固定装置中。其中，图像传感器200、微控制器300、数模转换模块800，电流源光驱动电路900、无线通信模块500和电源系统400焊接在印制电路板(图3中未示出)上；印制电路板设置于固定装置内。其中，可选的，固定装置的尺寸小于20mm×30mm；当对携带指示剂的神经元细胞进行观测时，固定装置固定于动物的头部以使显微系统获取图像数据。并且固定装置的尺寸还可以是其他尺寸，根据实际需要进行确定，固定装置固定动物头部的固定方式并不作限定。

如图1和图3所示，上述头戴式显微系统使用过程如下：将固定装置固定于动物样本的头部，以使光路系统中的光学探头12靠近动物样本的脑组织。微控制器300控制光源10打开，并发送控制光源10发光参数的数字信号。通过数模转换模块800将数字信号转换成电压信号，并通过电流源光驱动电路900基于电压信号驱动光源10产生相应强度的激发光。激发光经准直元件14、二向色镜11、光学探头12照射在动物样本的脑部组织的目标区域，动物样本携带指示剂的神经元细胞吸收激发光，发射出荧光。荧光经光学探头12、二向色镜11、消色元件15射入图像传感器200，图像传感器200将射入荧光转换成电信号，并将电信号发送给微控制器300，微控制器300对电信号的图像数据进行重构，通过无线通信模块500将重构的图像数据发送给服务器以使服务器对接收到的图像数据进行显示以及处理。需要说明的是，本发明实施例提供的头戴式显微系统获取的反应神经元活动的图像数据还可以输入到数学算法模型中，用于脑-机接口控制应用或者脑-机交互的控制应用中。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光路系统，其特征在于，包括；

光源，用于发射激发光；

二向色镜，用于将光源发射的激发光进行反射，以使反射的激发光射入光学探头；

所述光学探头，用于将射入的激发光导入，以使所述激发光照射到样本的目标区域；以及用于探测所述样本的目标区域携带指示剂的神经元细胞被激发发射出的荧光，并将所述荧光导入到所述二向色镜上；

二向色镜，还用于将所述荧光进行透射，以使所述荧光射入图像传感器以转换成电信号。

2.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于，还包括：

准直元件，设置于所述光源和所述二向色镜之间，用于将所述光源发射的激发光进行准直；

消色元件，用于将所述二向色镜透射的荧光进行过滤。

3.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述光学探头为格林镜。

4.一种头戴式显微系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任一所述的光路系统，还包括：图像传感器、微控制器、电源系统和无线通信模块；

所述图像传感器，用于接收所述光路系统射出的荧光，并将所述荧光转换成电信号，并将所述电信号发送到所述微控制器；

所述微控制器，用于接收所述电信号，将所述电信号的图像数据进行重构；

所述无线通信模块，用于将重构的图像数据通过无线的方式发送到服务器，以使所述服务器将所述图像数据进行显示以及处理；

所述电源系统，用于对所述光路系统中的光源、所述图像传感器、所述微控制器、所述无线通信模块供电。

5.根据权利要求4所述的显微系统，其特征在于，还包括：

调焦装置，用于调节所述图像传感器，改变所述图像传感器与所述光路系统中的二向色镜的距离。

6.根据权利要求4所述的显微系统，其特征在于，所述微控制器，还用于发送用于控制所述光源发光参数的数字信号；

所述显微系统还包括：

数模转换模块，所述数模转换模块与所述微控制器连接，用于将所述微控制器发送的数字信号，并将数字信号转换成电压信号；

电流源光驱动电路，用于基于所述数据转换模块发送的电压信号，驱动所述光源产生激发光。

7.根据权利要求6所述的显微系统，其特征在于，还包括固定装置，所述光路系统设置于所述固定装置中。

8.根据权利要求7所述的显微系统，其特征在于，

所述图像传感器、所述微控制器、所述数模转换模块，所述电流源光驱动电路、所述无线通信模块和所述电源系统焊接在印制电路板上；

所述印制电路板设置于所述固定装置内。

9.根据权利要求7所述的显微系统，其特征在于，其特征在于，所述固定装置的尺寸小于20mm×30mm。

10.根据权利要求7所述的显微系统，其特征在于，当对携带指示剂的神经元细胞进行观测时，所述固定装置固定于动物的头部以使所述显微系统获取图像数据。