CN109085119A - 一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统和实现方法 - Google Patents

一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统和实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统和实现方法，通过激光器发射激光，激发被测样品的拉曼信号，利用半透半反分光器对来自激光器的发射激光进行透射，对来自扫描单元的反射光和拉曼信号进行反射，最后利用扫描单元、汇聚装置和分束器对来自样品的光束进行汇聚，并最终被探测器收集；本发明通过共聚焦三维成像能够观察到典型病灶，并通过层析光谱实现了对拉曼信号的灵敏探测，从而利用疾病组织在结构学和病理学两方面的信息实现精准诊断。

Description

一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统和实现方法
技术领域
本发明涉及一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统和实现方法，属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的技术领域。
背景技术
共聚焦成像技术能够获得组织的三维结构信息，这一技术目前在皮肤和内窥成像中得到了广泛应用。例如，Lucid公司在2004年US6720547的专利中，利用近红外光与实时共聚焦成像结合，实现了皮肤组织的三维成像[1]。Optiscan公司在2011年的US7920312的专利中，利用光纤振动，实现了反射式内窥镜实时共聚焦成像[2]。
拉曼光谱是由印度科学家拉曼在1928年首次发现的[3]。一定频率的光与物质作用，除了与原频率相同的瑞利散射光外，还会在该频率两侧出现其他频率的散射光，称为拉曼散射光谱。由于拉曼散射光频率与入射光频率之差(即拉曼位移)反映了分子振动和转动能级的情况，且与激发光频率无关，拉曼效应可用于鉴别物质。一定条件或状态下不同的物质分子拥有独一无二的分子结构，正是这一特性使得拉曼光谱可成为物质鉴定的“指纹”[4]。此外，拉曼信号强度正比于分子振动与转动强度，所以也可以作定量分析。
同时，拉曼光谱能够得到样品的分子特性。与拉曼光谱结合的共聚焦拉曼成像系统也已被发明。由于拉曼扫描比较慢(通常每秒能够探测1-10个光谱)，一些折中的方案，如拉曼层析光谱也被提出[5]。在传统的共聚焦拉曼成像中，由于拉曼信号比较弱，所以采用逐点采集拉曼信号时，为了获得更强的拉曼信号，共聚焦针孔开的比较大，在每个点停留的时间也比较长，因此空间分辨率通常比较差，时间也较长(约1-2小时)，不适合于在体三维成像[6]。
参考文献：
1.Rajadhyaksha,M.and J.M.Zavislan,System and method for enhancingconfocal reflectance images of tissue specimens.2004:USA.
2.Rosman,G.E.,et al.,Optical fiber scanning apparatus.2011,GooglePatents:USA.
3 Raman C V,Krishnan K S.A new type of secondary radiation[J].Nature,1928,121(3048):501-502.
4 Keresztury G.Raman spectroscopy:theory[J].Handbook of vibrationalspectroscopy,2002.71-87.
5.Caspers,P.,et al.,Automated depth-scanning confocal Ramanmicrospectrometer for rapid in vivo determination of water concentrationprofiles in human skin.Journal of Raman spectroscopy,2000.31(8-9):p.813-818.
6.Mueller,J.,et al.,Confocal Raman Microscopy.Microscopy andMicroanalysis,2003.9(S02):p.1084-1085.
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统和实现方法，将传统的共聚焦拉曼成像和传统的反射型共聚焦成像结合起来，让它们共用一套共聚焦成像光路，在探测信号时分开探测，就可以把前者成像速度快、空间分辨率高的优点和拉曼成像的优点结合起来，解决现有技术存在的缺憾。
本发明采用如下技术方案实现：
一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统，该系统包括：
激光器：照明被测样品用以共聚焦成像，同时激发被测样品的拉曼信号用于拉曼成像；
半透半反分光器：对来自激光器的发射激光进行透射，对来自扫描单元的反射光和拉曼信号进行反射；
扫描单元：用于实现对被测样品的二维扫描成像；
物镜：设置于被测样品和扫描单元之间，用于将来自激光器的光束汇聚到其焦点上进行成像；
汇聚装置：设置于半透半反分光器和分束器之间，用于对来自被测样品的光束进行汇聚，并最终被探测器收集；
分束器：用于将拉曼光反射或透射到不同的探测器中；
探测器：用于实现对共聚焦信号、拉曼信号的探测，包括用于探测拉曼信号的面探测器和/或用于共聚焦成像的点探测器。
进一步的，在所述探测器上安装有共焦针孔。
进一步的，所述激光器发射的激光为近红外光。
进一步的，所述分束器为二向色镜。
一种用于拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
A)发射激光，该激光的作用是照亮样品同时激发被测样品的拉曼信号；
B)激光的光束照射在一个扫描单元上，激光的光束方向发生改变，通过一个物镜进行汇聚，在物镜的焦点上对被测样品进行成像；
C)来自物镜焦点的激发光和被激发产生的拉曼信号沿入射的光路返回，最终被探测器收集。
进一步的，在步骤A)激光通过半透半反光器发生透射，照射到扫描单元上。
进一步的，在步骤C)中，来自物镜焦点的激发光沿入射的光路返回，通过半透半反镜发生反射，最终被探测器收集。
进一步的，探测共聚焦信号时选用光电倍增管或雪崩二极管。
进一步的，探测拉曼信号时选用CCD，CMOS，科学级CMOS或EMCCD。
本发明的有益技术效果是：通过共聚焦三维成像能够观察到典型病灶，并通过层析光谱实现了对拉曼信号的灵敏探测，从而利用疾病组织在结构学和病理学两方面的信息实现精准诊断。
附图说明
图1是共聚焦显微成像的原理图。
图2是本发明的光路图。
图3是共聚焦层板成像和共聚焦拉曼层析光谱同时获取的示意图。
图4是通过共聚焦三维成像观察到了组织某一层的典型病灶。
具体实施方式
通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。
单纯的拉曼层析光谱，对不同深度的光谱探测有一定的差异，如果可以结合组织的空间结构信息，就可以更好的识别出病灶所在的位置。US20070049831A1提出了一种对于共焦层析拉曼光谱在皮肤科应用中的校准技术[7]。传统的反射型共聚焦成像中，在单个样品点上不需要停留很长时间，共聚焦针孔开得也很小，因此成像速度快，空间分辨率高。如果可以将传统的共聚焦拉曼成像和传统的反射型共聚焦成像结合起来，让它们共用一套共聚焦成像光路，在探测信号时分开探测，就可以把前者成像速度快、空间分辨率高的优点和拉曼成像的优点结合起来。由于拉曼光谱能够反映组织的病理特性，而共聚焦成像能够反映组织的结构信息，因此两者结合能够得到组织更为完整的信息用于诊断。同时，过去共聚焦单点探测的拉曼光谱比较弱、探测时间较长的问题，可以通过层析积分解决。而生物组织本身在每一个深度均高度近似的特性，也为层析光谱带来了便利。因此，本发明可以实现高速的三维成像+层析拉曼光谱。
7.Crowther,J.M.,et al.,Confocal Raman Spectroscopy for dermatologicalstudies.2011,Google Patents:USA.
具体实施例：
一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统，该系统包括：
激光器1：用于发射激光，
照明被测样品用以共聚焦成像，同时激发被测样品5的拉曼信号用于拉曼成像，激光器1发射的激光为近红外光；
半透半反分光器2：对来自激光器的发射激光进行透射，对来自扫描单元的反射光进行折射；从激光器发出的激光，可以实现激发组织的拉曼信号，而不会造成过强的自发荧光。拉曼效应的产生需要一定频率的光进行激发，由于拉曼光强较激发光小6～7个数量级，拉曼信号很微弱，使用单色性好、亮度高的激光作为光源则可以很好的解决这一问题。对组织进行成像，故激发光应选择近红外光。一般来说，该激光器的波长应大于700纳米。相应的拉曼信号的波长要比激光的波长更长。
扫描单元3：用于实现对样品的二维扫描成像；
物镜4：设置于被测样品和扫描单元之间，用于将来自激光器的光束汇聚到其焦点上进行成像；
汇聚装置6：设置于半透半反分光器和分束器之间，用于对来自样品的光束进行汇聚，并最终被探测器收集；
分束器7：用于将拉曼光反射或透射到不同的探测器中，在本实施例中分束器7为二向色镜；
探测器9：用于实现对共聚焦信号、拉曼信号的探测，探测器9上安装有共焦针孔8，探测器包括用于探测拉曼信号的面探测器9和/或用于共聚焦成像的点探测器10。共焦针孔8的作用是遮挡样品上位于焦平面以外的光，是共聚焦成像具有三维层析成像能力和高信噪比的重要器件。面探测器9和/或点探测器10用于实现对共聚焦信号、拉曼信号的探测，探测共聚焦信号时可以选用光电倍增管、APD(雪崩二极管)等点探测器件；探测拉曼信号时则可以选用CCD、EMCCD等光电探测器件。
CCD(Charge Coupled Device)是电荷藕合器件图像传感器。它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CCD和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。
EMCCD技术，有时也被称作"片上增益"技术，是一种全新的微弱光信号增强探测技术，由Andor Technology Ltd.首先应用于他们在2001年发布的iXon系列高端超高灵敏相机上，目前有用于成像的iXon系列和光谱领域的Newton型。它与普通的科学级CCD探测器的主要区别在于其读出(转移)寄存器后又接续有一串"增益寄存器"，它的电极结构不同于转移寄存器，信号电荷在这里得到增益。
本实施例提示的内容是共聚焦成像和拉曼成像过程，由于两个系统均构成了共聚焦，从而可以实现光学层析成像与层析光谱探测。从激光器1发出来的激光经过分束器后，将可以透过分束器2到达XY轴扫描单元3，并通过显微物镜4聚焦后，在样品5上形成焦点。来自焦点的反射光被物镜4收集，传输到半透半反分光器2，光束被反射到达会汇聚装置6，经过分束器7时，和激光同波长的反射光透过分束器7，到达共焦针孔8和点探测器10。同时，比激光波长更长的拉曼光则被反射，通过共焦针孔8到达面探测器9。
图3展示了共聚焦层析成像和共聚焦拉曼层析光谱同时获取的示意。其中，通过控制扫描单元3，可以实现激光通过显微物镜4产生的焦点对被测样品5的扫描。
图4展示了在组织某一层，通过共聚焦三维成像观察到了典型病灶，并通过层析光谱实现了对拉曼信号的灵敏探测，从而利用疾病组织在结构学和病理学两方面的信息实现精准诊断。
当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统，该系统包括：
激光器：照明被测样品用以共聚焦成像，同时激发被测样品的拉曼信号用于拉曼成像；
半透半反分光器：对来自激光器的发射激光进行透射，对来自扫描单元的反射光和拉曼信号进行反射；
扫描单元：用于实现对被测样品的二维扫描成像；
物镜：设置于被测样品和扫描单元之间，用于将来自激光器的光束汇聚到其焦点上进行成像；
汇聚装置：设置于半透半反分光器和分束器之间，用于对来自被测样品的光束进行汇聚，并最终被探测器收集；
分束器：用于将拉曼光反射或透射到不同的探测器中；
探测器：用于实现对共聚焦信号、拉曼信号的探测，包括用于探测拉曼信号的面探测器和/或用于共聚焦成像的点探测器。
2.根据权利要求1所述的拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统，其特征在于，在所述探测器上安装有共焦针孔。
3.根据权利要求1或2所述的拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统，其特征在于，所述激光器发射的激光为近红外光。
4.根据权利要求1或2所述的拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像系统，其特征在于，所述分束器为二向色镜。
5.一种用于拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
A)发射激光，该激光的作用是照亮被测样品同时激发被测样品的拉曼信号；
B)激光的光束照射在一个扫描单元上，激光的光束方向发生改变，通过一个物镜进行汇聚，在物镜的焦点上对被测样品进行成像；
C)来自物镜焦点的激发光和被激发产生的拉曼信号沿入射的光路返回，最终被探测器收集。
6.根据权利要求1所述的用于拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像方法，其特征在于，在步骤A)激光通过半透半反光器发生透射，照射到扫描单元上。
7.根据权利要求1所述的用于拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像方法，其特征在于，在步骤C)中，来自物镜焦点的激发光沿入射的光路返回，通过半透半反镜发生反射，最终被探测器收集。
8.根据权利要求1所述的用于拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像方法，其特征在于，探测共聚焦信号时选用光电倍增管或雪崩二极管。
9.根据权利要求1所述的用于拉曼层析光谱检测的共聚焦三维成像方法，其特征在于，探测拉曼信号时选用CCD，CMOS，科学级CMOS或EMCCD。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109470685A (zh) * 2019-01-10 2019-03-15 华东师范大学 一种集成反射和透射的拉曼线扫描高光谱成像系统
CN109668869A (zh) * 2018-12-28 2019-04-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种手持式反射共聚焦拉曼光谱检测装置
CN109691977A (zh) * 2018-12-29 2019-04-30 佛山科学技术学院 非共聚焦自适应光学成像系统
CN112089404A (zh) * 2020-10-10 2020-12-18 南京航空航天大学 一种内窥OCT-Raman双模成像装置及成像方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103091299A (zh) * 2013-01-21 2013-05-08 北京理工大学 激光差动共焦图谱显微成像方法与装置
EP2685304A1 (en) * 2012-07-10 2014-01-15 Jasco Corporation Spectroscopic confocal microscope with aperture stop for increased spatial resolution and parallelized data acquisition
CN205539686U (zh) * 2015-11-19 2016-08-31 江苏鼎云信息科技有限公司 一种小型扫描共聚焦光谱显微镜
CN107748158A (zh) * 2017-11-03 2018-03-02 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种显微拉曼成像光谱快速检测装置及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2685304A1 (en) * 2012-07-10 2014-01-15 Jasco Corporation Spectroscopic confocal microscope with aperture stop for increased spatial resolution and parallelized data acquisition
CN103091299A (zh) * 2013-01-21 2013-05-08 北京理工大学 激光差动共焦图谱显微成像方法与装置
CN205539686U (zh) * 2015-11-19 2016-08-31 江苏鼎云信息科技有限公司 一种小型扫描共聚焦光谱显微镜
CN107748158A (zh) * 2017-11-03 2018-03-02 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种显微拉曼成像光谱快速检测装置及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUTAKA MARUYAMA ET AL.: "Confocal volume in laser Raman microscopy depth profiling", 《J. APPL. PHYS.》 *
石玉洁等: "新型多光子成像技术研究进展", 《中国光学》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109668869A (zh) * 2018-12-28 2019-04-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种手持式反射共聚焦拉曼光谱检测装置
CN109691977A (zh) * 2018-12-29 2019-04-30 佛山科学技术学院 非共聚焦自适应光学成像系统
CN109691977B (zh) * 2018-12-29 2023-11-28 佛山科学技术学院 非共聚焦自适应光学成像系统
CN109470685A (zh) * 2019-01-10 2019-03-15 华东师范大学 一种集成反射和透射的拉曼线扫描高光谱成像系统
CN112089404A (zh) * 2020-10-10 2020-12-18 南京航空航天大学 一种内窥OCT-Raman双模成像装置及成像方法

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