CN108652581A - 基于线共焦成像的激光刺激系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线共焦成像的激光刺激系统和方法，其系统包括线光束生成模块、成像模块、刺激光生成模块、慢扫描模块、中空狭缝反射镜、分光模块、快扫描模块和同步控制模块；所述同步控制模块包括主机系统和片上系统；所述刺激光生成模块包括刺激光源和光强度调制器。本发明的系统采用的是共振镜同步扫描方式，采用了中空狭缝反射镜，可以有效消除人眼角膜和前置镜的反射光，并提高光能利用率，而刺激光的快轴扫描光从狭缝中间穿过，并沿着狭缝方向扫描，中空狭缝反射镜的存在没有对刺激光造成影响；本发明的系统将照明光和刺激光分离，可以分别使用不同波长的光；可以同时进行成像和刺激，也可以将成像和刺激分离，避免相互干扰。

Description

基于线共焦成像的激光刺激系统和方法

技术领域

本发明涉及光学成像和生物医学诊断技术领域，特别涉及一种基于线共焦成像的激光刺激系统和方法。

背景技术

在临床诊断或者生物活体研究的过程中，往往需要对观察到的某个特定的局部组织或单点位置，比如细胞，在施加光刺激后，实时监测其活动的同时，观察刺激后的反应，进而研究生物或者组织的光刺激下的活动属性。文章(AOSLO:from benchtop toclinic.Proceedings of SPIE,6306(63060),63060V–63060V–11)报道了一种将声光调制器引入到自适应共焦系统中，通过调制光束可以将图案清晰投射到视网膜上，但其没有分离照明光和刺激光。现有的文章和专利中，存在以下问题，1、激光刺激的同时不能进行实时的检测观察，很难消除抖动对刺激位置漂移带来的误差，2、观察视场不够大，比如自适应共焦光学系统的扫描视场只有1-3度，无法满足样品全貌的观察；3、成像速度受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于线共焦成像的激光刺激系统和方法。在线共焦系统对样品组织的快速成像的同时，进行实时的激光刺激。采用共光路共振镜同步扫描成像方法有效减少系统硬件，并采用中空狭缝反射镜解决透镜和角膜反射亮斑的问题，保证线共焦系统的成像质量，同时不影响刺激光通过，达到组织样品的成像和刺激同步的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于线共焦成像的激光刺激系统，其特征在于，包括：线光束生成模块、成像模块、刺激光生成模块、慢扫描模块、中空狭缝反射镜、分光模块、快扫描模块和同步控制模块；

所述同步控制模块包括主机系统和片上系统；

所述刺激光生成模块包括刺激光源和光强度调制器。

优选的是，所述慢扫描模块包括第一扫描振镜和第一聚焦透镜；所述快扫描模块包括第二扫描振镜和第二聚焦透镜；所述分光模块包括分光镜和第三聚焦透镜；所述线光束生成模块包括照明光源、准直器和柱面透镜。

优选的是，所述主机系统还包括用于显示所述线共焦系统的成像图像和选取的刺激区域；所述片上系统用于采集或输出扫描振镜的驱动信号，并根据驱动信号计算出第一扫描振镜和第二扫描振镜的位置，还用于输出控制信号到光强度调制器，调制所述刺激光源产生的刺激光。

优选的是，所述刺激光生成模块、快扫描模块、分光模块和成像模块沿光路依次设置；所述慢扫描模块、中空狭缝反射镜和分光模块沿光路依次设置；所述照明光源、准直器、柱面透镜和中空狭缝反射镜沿光路依次设置。

优选的是，所述线光束生成模块、成像模块、刺激光生成模块、慢扫描模块共同构成线共焦系统；所述慢扫描模块中的第一聚焦透镜和快扫描模块第二聚焦透镜构成4f系统，所述第一扫描振镜和第二扫描振镜均位于该4f系统的两侧焦点位置；

优选的是，所述刺激光生成模块的线共焦扫描与线共焦系统的扫描共用同一个第一扫描振镜。

优选的是，所述刺激光生成模块发出的刺激光从所述光强度调制器出射，依次经过所述快扫描模块中的第二扫描振镜扫描、第二聚焦透镜聚焦后，经分光镜反射后通过所述中空狭缝反射镜的狭缝，与所述线光束生成模块发出的经过所述中空狭缝反射镜反射后的照明光相结合，再共同经过所述慢扫描模块的第一扫描振镜扫描，对组织样品进行照明成像和刺激，线共焦系统的成像光和部分刺激光被组织样品反射并依次经过所述慢扫描模块、中空狭缝反射镜的狭缝、第三聚焦镜、分光镜的透射后在所述成像模块中成像。

本发明还提高一种基于线共焦成像的激光刺激系统的激光刺激方法，包括以下步骤：

1)开机，启动设备；

2)利用所述线共焦系统

对组织样品进行成像，获取组织样品的大视场成像图像；

3)通过所述主机系统中的显示器显示输出由所述步骤2)得到的组织样品大视场成像图像，选取组织样品的局部区域作为期望的刺激区域，并进行标记；

4)所述同步控制模块获取选取的期望的刺激区域的位置，再根据该刺激区域的位置输出控制信号到所述光强度调制器，调制输出的刺激光，保证刺激光仅作用于期望的刺激区域；

5)刺激光调制成功后，经快所述第二扫描振镜扫描，再经所述分光模块反射，到达所述中空狭缝反射镜后与线共焦系统线中的照明光束重合，最终到达组织样品进行光刺激；

6)通过显示器显示成像结果，并最终确认刺激区域。

优选的是，所述步骤2)中的线共焦系统对组织样品进行成像具体包括：

2-1)所述线光束生成模块出射的照明线光束到达组织样品；

2-2)从组织样品反射出的成像线光束依次经过所述中空狭缝反射镜、第三聚焦透镜和分光镜后到达成像模块；

2-3)所述成像模块中的探测装置对成像线光束进行探测，探测得到的信号传输至所述主机系统后，转化为成像图像并通过所述显示器显示。

优选的是，所述步骤4)中所述同步控制模块输出控制信号调制输出的刺激光具体包括：

4-1)所述同步控制模块采集或输出所述第一扫描振镜和第二扫描振镜的驱动信号；

4-2)所述同步控制模块再结合选取的期望的刺激区域的位置，输出控制信号；

4-3)所述光强度调制器根据接收的控制信号调制所述刺激光源发出的刺激光，保证刺激光仅作用于期望的刺激区域。

本发明的有益效果是：

1、本发明的系统采用的是共振镜同步扫描方式，即刺激光的慢轴与线共焦扫描共用振镜，而把刺激光快轴扫描独立出来，线共焦成像完成一帧图像扫描的同时，刺激光也完成了一帧扫描；

2、本发明的系统采用了中空狭缝反射镜，相比直接用分光镜，可以有效消除人眼角膜和前置镜的反射光，并提高光能利用率，而刺激光的快轴扫描光从狭缝中间穿过，并沿着狭缝方向扫描，中空狭缝反射镜的存在没有对刺激光造成影响；

3、本发明的系统将照明光和刺激光分离，可以分别使用不同波长的光；可以同时进行成像和刺激，也可以将成像和刺激分离，避免相互干扰；

4、本发明的主机系统与片上系统之间采用了高速串行接口，包括PCIE接口、USB3.0接口或以太网接口；信号传输速率高，便于控制；

5、本发明结构紧凑，有效减少了仪器的体积。

附图说明

图1为本发明的基于线共焦成像的激光刺激系统的原理框图；

图2是本发明的一种实施例中的基于线共焦成像的激光刺激系统的系统结构框图；

图3是本发明的一种实施例中的基于线共焦成像的激光刺激系统的光路图；

图4是本发明的一种实施例中的快扫描模块扫描光束轨迹与狭缝的关系示意图；

图5是本发明的一种实施例中的中空狭缝反射镜的结构示意图；

图6是本发明的另一种实施例中的中空狭缝反射镜的结构示意图；

图7是本发明的一种实施例中的刺激光和线共焦系统的扫描光斑轨迹示意图；

图8是本发明的一种实施例中的同步控制系统采集的振镜驱动信号以及内部生成的触发信号的时序图。

附图标记说明：

1—线光束生成模块；2—成像模块；3—刺激光生成模块；4—慢扫描模块；5—中空狭缝反射镜；6—分光模块；7—快扫描模块；8—眼睛；11—照明光源；12—准直器；13—柱面透镜；31—光强度调制器；32—刺激光源；41—第一扫描振镜；42—第一聚焦透镜；43—平场透镜；61—第三聚焦透镜；62—分光镜；71—第二扫描振镜；72—第二聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-3所示，本实施例的.一种基于线共焦成像的激光刺激系统，包括：线光束生成模块1、成像模块2、刺激光生成模块3、慢扫描模块4、中空狭缝反射镜5、分光模块6、快扫描模块7和同步控制模块；

同步控制模块包括主机系统和片上系统；

刺激光生成模块3包括刺激光源32和光强度调制器31。

其中，光强度调制器31包括声光调制器和电光调制器。使用光强度调制器31控制激光强弱，从而实现特定灰阶图像的投影。

其中，使用主机系统显示线共焦系统图像和刺激区域选取，使用片上系统来采集或输出扫描振镜的驱动信号，两者之间通过高速串行接口连接，包括PCIE接口、USB3.0接口或以太网接口。片上系统根据驱动信号计算出振镜位置，并结合主机系统选取的刺激区域，输出控制信号到光强度调制器31，调制光强。

其中，同步控制模块，对于不同的振镜，其电路板的驱动信号来源的不同，可以采集振镜电路板的驱动信号进行计算来确定扫描位置；也可以直接输出信号到振镜电路板，控制振镜偏转。

同步控制模块，根据振镜驱动信号，获取此时刺激光投射位置，输出控制信号，控制光强度调制器31，进而调制刺激光强弱，保证刺激光仅投射到选取的刺激区域。

慢扫描模块4包括第一扫描振镜41和第一聚焦透镜42；快扫描模块7包括第二扫描振镜71和第二聚焦透镜72；分光模块6包括分光镜62和第三聚焦透镜61；线光束生成模块1包括照明光源11、准直器12和柱面透镜13。

主机系统还包括用于显示线共焦系统的成像图像和选取的刺激区域；片上系统用于采集或输出扫描振镜的驱动信号，并根据驱动信号计算出第一扫描振镜41和第二扫描振镜71的位置，还用于输出控制信号到光强度调制器31，调制刺激光源32产生的刺激光。

刺激光生成模块3、快扫描模块7、分光模块6和成像模块2沿光路依次设置；慢扫描模块4、中空狭缝反射镜5和分光模块6沿光路依次设置；照明光源11、准直器12、柱面透镜13和中空狭缝反射镜5沿光路依次设置。

线光束生成模块1、成像模块2、刺激光生成模块3、慢扫描模块4共同构成线共焦系统；慢扫描模块4中的第一聚焦透镜42和快扫描模块7第二聚焦透镜72构成4f系统，第一扫描振镜41和第二扫描振镜71均位于该4f系统的两侧焦点位置。

的中空狭缝反射镜5，包括镀有狭缝反射膜的玻璃片或者切割有狭缝的反射镜，参照图5和图6。

的刺激光生成模块3是通过慢扫描模块4和快扫描模块7同时扫描来实现刺激位置的调整。刺激光生成模块3的线共焦扫描与线共焦系统的扫描共用同一个第一扫描振镜41。

其中，的刺激光生成模块3的刺激光，与线共焦系统的照明光，可以同时投射，或分别投射进入光路。

其中，第二扫描振镜71为MEMS振镜、共振振镜或者多面转镜。

刺激光生成模块3发出的刺激光从光强度调制器31出射，依次经过快扫描模块7中的的第二扫描振镜71扫描、第二聚焦透镜72聚焦后，经分光镜62反射后通过中空狭缝反射镜5的狭缝，与线光束生成模块1发出的经过中空狭缝反射镜5反射后的照明光相结合，再共同经过慢扫描模块4的第一扫描振镜41扫描，对组织样品进行照明成像和刺激，线共焦系统的成像光和部分刺激光被组织样品反射并依次经过慢扫描模块4、中空狭缝反射镜5的狭缝、第三聚焦镜、分光镜62的透射后在成像模块2中成像。

一种基于线共焦成像的激光刺激系统的激光刺激方法，包括以下步骤：

1)开机，启动设备；

2)利用线共焦系统对组织样品进行成像，获取组织样品的大视场成像图像；

3)通过主机系统中的显示器显示输出由步骤2)得到的组织样品大视场成像图像，选取组织样品的局部区域作为期望的刺激区域，并进行标记；

4)同步控制模块获取选取的期望的刺激区域的位置，再根据该刺激区域的位置输出控制信号到光强度调制器31，调制输出的刺激光，保证刺激光仅作用于期望的刺激区域；

5)刺激光调制成功后，经快第二扫描振镜71扫描，再经分光模块6反射，到达中空狭缝反射镜5后与线共焦系统线中的照明光束重合，最终到达组织样品进行光刺激；

6)通过显示器显示成像结果，并最终确认刺激区域。

步骤2)中的线共焦系统对组织样品进行成像具体包括：

2-1)线光束生成模块1出射的照明线光束到达组织样品；

2-2)从组织样品反射出的成像线光束依次经过中空狭缝反射镜5、第三聚焦透镜61和分光镜62后到达成像模块2；

2-3)成像模块2中的探测装置对成像线光束进行探测，探测得到的信号传输至主机系统后，转化为成像图像并通过显示器显示。

步骤4)中同步控制模块输出控制信号调制输出的刺激光具体包括：

4-1)同步控制模块采集第一扫描振镜41和第二扫描振镜71的驱动信号；

4-2)同步控制模块再结合选取的期望的刺激区域的位置，输出控制信号；

4-3)光强度调制器31根据接收的控制信号调制刺激光源32发出的刺激光，保证刺激光仅作用于期望的刺激区域。

在一种实施例中，参照图3，以眼睛8作为组织样品。

在一种实施例中，刺激光生成模块3的Y扫描与线共焦系统的扫描(第一扫描振镜41)共用同一个扫描振镜，且与系统中的快扫描模块7的第二扫描振镜71的扫描轴方向相互垂直。其中第二扫描振镜71(X扫描振镜)型号为CW1010，镜面大小1mm X 1mm，扫描频率18KHz；第一扫描振镜41(Y扫描振镜)型号为Cambridge 6240H，镜面大小12mm X 12mm，扫描频率60Hz。

在一种实施例中，刺激光生成模块3的刺激光源32发出488nm的点光源，使用光强度调制器31调制光源发出光束强弱。光强度调制器31为声光调制器，其具体型号TEM-500-100-5-2FP，最大调制带宽100MHz。

在一种实施例中，快扫描模块7中的第二聚焦透镜72(f＝40mm)和慢扫描模块4中的第一聚焦透镜42(f＝60mm)构成4f系统，第二扫描振镜71和第一扫描振镜41均位于该4f系统的两侧焦点位置。

在一种实施例中，线光束生成模块1的照明光源11发出550nm的点光源，经过准直器12后变成大小为直径为20mm的平行光斑，并再次被焦距为40mm的柱镜汇聚成线光束，光束汇聚方向与狭缝方向平行，沿光轴方向上的光透过了狭缝，非光轴上的光大部分被中空狭缝反射镜5。

在一种实施例中，线共焦中被中空狭缝反射镜5反射的照明光与刺激光生成模块3中方发出的刺激光透过中空狭缝反射镜5，均被慢扫描模块4的第一扫描振镜41扫描。如图7所示为振镜扫描的轨迹图：图7左)为线共焦扫描轨迹，完成一次扫描时间1/60(Hz)＝16.6(ms)；图7(右)为激光刺激轨迹图；图中每一条扫描线均对应于线共焦相机的一次成像，一次完整的激光刺激时间与线共焦扫描时间一致。

在一种实施例中，眼底反射光依次经过第一聚焦透镜42、第一扫描振镜41和中空狭缝反射镜5的狭缝以及第三透镜后在分光镜62上分离，分光镜62型号为GCC-411205，分光比9：1。

在一种实施例中，线共焦的成像光从中空狭缝反射镜5的狭缝穿过，经过第三透镜的汇聚，聚焦在探测装置上，探测装置型号为E2V-EM4，1024pixels，最大采样速度126KHz。

在一种实施例中，片上系统包括控制芯片、转换器等，其中控制芯片FPGA电路板型号为Xilinx KC705开发板(FPGA芯片型号FPGA XC7K325T-2FFG900C)，外接AD/DA，AD型号为ADS62P45,其具有2路AD输入，用于采集振镜驱动信号；DA型号为AD9777,其具有2路DA输出，用于输出声光调制器控制信号，调制光束强弱。使用PCIE接口连接到主机系统中的PC机，进行PCIE通信，实时获取PC机上人工预先选定的刺激区域信息，此外还可以实时获取PC机根据线共焦采集到的图像进行相应智能调整后的刺激区域信息。

在一种实施例中，如图8所示，包含4个信号，从上至下，信号1为快轴振镜的驱动信号，通过AD输入到FPGA；信号2为快轴振镜电路板的驱动信号对应的触发信号，由FPGA产生，在芯片内部使用，计算快扫描振镜位置，信号2不输出，FPGA输出的声光调制器控制信号仅在此信号高电平时有效；3为慢轴振镜的驱动信号，通过AD输入到FPGA；信号4为慢轴振镜电路板的驱动信号对应的触发信号，由FPGA产生，在芯片内部使用，计算慢扫描振镜位置，信号4不输出，信号2仅在此信号高电平有效。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种基于线共焦成像的激光刺激系统，其特征在于，包括：线光束生成模块、成像模块、刺激光生成模块、慢扫描模块、中空狭缝反射镜、分光模块、快扫描模块和同步控制模块；

所述同步控制模块包括主机系统和片上系统；

所述刺激光生成模块包括刺激光源和光强度调制器。

2.根据权利要求1所述的基于线共焦成像的激光刺激系统，其特征在于，所述慢扫描模块包括第一扫描振镜和第一聚焦透镜；所述快扫描模块包括第二扫描振镜和第二聚焦透镜；所述分光模块包括分光镜和第三聚焦透镜；所述线光束生成模块包括照明光源、准直器和柱面透镜。

3.根据权利要求2所述的基于线共焦成像的激光刺激系统，其特征在于，所述主机系统还包括用于显示所述线共焦系统的成像图像和选取的刺激区域；所述片上系统用于采集或输出扫描振镜的驱动信号，并根据驱动信号计算出第一扫描振镜和第二扫描振镜的位置，还用于输出控制信号到光强度调制器，调制所述刺激光源产生的刺激光。

4.根据权利要求2所述的基于线共焦成像的激光刺激系统，其特征在于，所述刺激光生成模块、快扫描模块、分光模块和成像模块沿光路依次设置；所述慢扫描模块、中空狭缝反射镜和分光模块沿光路依次设置；所述照明光源、准直器、柱面透镜和中空狭缝反射镜沿光路依次设置。

5.根据权利要求3所述的基于线共焦成像的激光刺激系统，其特征在于，所述线光束生成模块、成像模块、刺激光生成模块、慢扫描模块共同构成线共焦系统；所述慢扫描模块中的第一聚焦透镜和快扫描模块第二聚焦透镜构成4f系统，所述第一扫描振镜和第二扫描振镜均位于该4f系统的两侧焦点位置。

6.根据权利要求4所述的基于线共焦成像的激光刺激系统，其特征在于，所述刺激光生成模块的线共焦扫描与线共焦系统的扫描共用同一个第一扫描振镜。

7.根据权利要求5所述的基于线共焦成像的激光刺激系统，其特征在于，所述刺激光生成模块发出的刺激光从所述光强度调制器出射，依次经过所述快扫描模块中的的第二扫描振镜扫描、第二聚焦透镜聚焦后，经分光镜反射后通过所述中空狭缝反射镜的狭缝，与所述线光束生成模块发出的经过所述中空狭缝反射镜反射后的照明光相结合，再共同经过所述慢扫描模块的第一扫描振镜扫描，对组织样品进行照明成像和刺激，线共焦系统的成像光和部分刺激光被组织样品反射并依次经过所述慢扫描模块、中空狭缝反射镜的狭缝、第三聚焦镜、分光镜的透射后在所述成像模块中成像。

8.一种如权利要求7所述的基于线共焦成像的激光刺激系统的激光刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)开机，启动设备；

2)利用所述线共焦系统对组织样品进行成像，获取组织样品的大视场成像图像；

3)通过所述主机系统中的显示器显示输出由所述步骤2)得到的组织样品大视场成像图像，选取组织样品的局部区域作为期望的刺激区域，并进行标记；

4)所述同步控制模块获取选取的期望的刺激区域的位置，再根据该刺激区域的位置输出控制信号到所述光强度调制器，调制输出的刺激光，保证刺激光仅作用于期望的刺激区域；

5)刺激光调制成功后，经快所述第二扫描振镜扫描，再经所述分光模块反射，到达所述中空狭缝反射镜后与线共焦系统线中的照明光束重合，最终到达组织样品进行光刺激；

6)通过显示器显示成像结果，并最终确认刺激区域。

9.根据权利要求8所述的基于线共焦成像的激光刺激方法，其特征在于，所述步骤2)中的线共焦系统对组织样品进行成像具体包括：

2-1)所述线光束生成模块出射的照明线光束到达组织样品；

2-2)从组织样品反射出的成像线光束依次经过所述中空狭缝反射镜、第三聚焦透镜和分光镜后到达成像模块；

2-3)所述成像模块中的探测装置对成像线光束进行探测，探测得到的信号传输至所述主机系统后，转化为成像图像并通过所述显示器显示。

10.根据权利要求8所述的基于线共焦成像的激光刺激方法，其特征在于，所述步骤4)中所述同步控制模块输出控制信号调制输出的刺激光具体包括：

4-1)所述同步控制模块采集或输出所述第一扫描振镜和第二扫描振镜的驱动信号；

4-2)所述同步控制模块再结合选取的期望的刺激区域的位置，输出控制信号；

4-3)所述光强度调制器根据接收的控制信号调制所述刺激光源发出的刺激光，保证刺激光仅作用于期望的刺激区域。