CN109459846B - 一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置及方法，该装置由机架、光源、光路系统、调焦系统、上部物镜镜头、精确控速载物台系统、光学三棱镜、下部物镜镜头、高速摄像机系统和图像分析处理软件系统组成；机架提供支撑；光源和光路系统提供照明和光线传输；调焦系统调节焦距，使目标物准确成像；上部物镜镜头捕获目标物水平图像；下部物镜镜头结合光学三棱镜，捕获目标物竖直方向图像；精确控速载物台系统提供与目标物运动方向相反、大小可控的运动速度；高速摄像机系统记录目标物图像；图像分析处理软件将水平和竖直图像还原为三维图像，根据精确控速载物台系统反向运动速度，获得目标物运动全过程三维图像；可用于生物医学、临床诊断等领域。

Description

一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置及方法
技术领域
本发明涉及一种显微成像装置与方法，具体涉及一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置及方法。
背景技术
系统精确地捕获微尺度或更小尺度目标物运动全过程在生物医学、临床诊断和治疗等领域中有着巨大的应用潜力。如准确地获得血细胞在一段血管内自始至终的三维运动过程对于研究血栓的形成和发展有着重要的价值。另外，系统准确地获得包裹药物的微液滴在血管中的运动全过程对于实现药物的精确运输和释放有着重要的意义。
现有的显微成像技术，如光学显微镜、激光扫描共聚焦显微镜等，在一定的放大倍数下，由于显微镜自身视野大小固定，仅能对静止的目标物或较小视野范围内的目标物局部运动进行二维或三维成像。同时需要指出的是激光扫描共聚焦显微镜虽能对目标颗粒进行三维成像，但成像频率较低(通常<250fps)，极大地限制了其在目标物运动过程精确捕获中的应用。
因此，发展一种极高扫描频率、不受显微镜自身视野大小限制的显微成像方法与技术，系统精确地捕获微尺度或更小尺度目标物运动全过程的三维信息，对于生物医学、临床诊断和治疗等领域中的相关研究有着非常重要的意义。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置及方法，具有成像频率高、不受视野大小限制、能对细胞等生物颗粒的运动全过程进行三维捕获等优点，在生物医学、临床诊断与治疗等领域，具有巨大的应用潜力。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置，由机架5、光源6、光路系统7、调焦系统8、上部物镜镜头1、精确控速载物台系统2、光学三棱镜3、下部物镜镜头4、高速摄像机系统9和图像分析处理软件系统10组成；所述机架5为光源6、光路系统7、调焦系统8、上部物镜镜头1、精确控速载物台系统2、光学三棱镜3、下部物镜镜头4、高速摄像机系统9和图像分析处理软件系统10提供支撑与固定作用；所述光源6和光路系统7相连接为显微成像提供照明和光线传输；所述调焦系统8与精确控速载物台系统2、上部物镜镜头1和下部物镜镜头4连接，用于准确调节精确控速载物台系统2所在平面与上部物镜镜头1和下部物镜镜头4的距离，使目标物分别在上部物镜镜头1和下部物镜镜头4中准确成像；所述上部物镜镜头1用于捕获目标物水平面上的图像；所述下部物镜镜头4通过与设置在精确控速载物台系统2上的光学三棱镜3相结合，用于捕获目标物在竖直方向上图像；所述精确控速载物台系统2提供与目标物运动方向相反、大小可控的运动速度；所述高速摄像机系统9与上部物镜镜头1和下部物镜镜头4连接，用于以高频率快速记录目标物的水平面图像和竖直方向图像；所述图像分析处理软件系统10与高速摄像机系统9连接，将目标物同一时刻的水平面图像和竖直方向图像进行处理，还原为目标物的三维图像。
所述上部物镜镜头1具有大的景深，位于目标物的正上方，对微尺度的目标物进行清晰成像。
所述光学三棱镜3为直角光学三棱镜，下部直角边与精确控速载物台系统2紧密贴合，固定在精确控速载物台系统2的平面上，侧部直角边正对目标物，光学三棱镜3的长度与目标物的全部运动路径长度相等，且放置的长度方向与目标物所在流体的流动方向相同。
所述下部物镜镜头4具有大的景深，位于光学三棱镜3下部直角边的正下方，对微尺度的目标物进行清晰成像。
所述光路系统7中设计有两个不同的偏振片，用于避免上部物镜镜头1和下部物镜镜头4成像过程中光线的相互干扰。
所述精确控速载物台系统2的载物平台为光学透明结构，保证光线正常透射。
所述高速摄像机系统9包含两台高速摄像机，同时对上部物镜镜头1和下部物镜镜头4中的图像进行拍摄和记录。
所述的用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置的显微成像方法，将内含有微尺度目标物的微通道放置于精确控速载物台系统2上，通过调焦系统8准确调节精确控速载物台系统2所在平面与上部物镜镜头1和下部物镜镜头4的距离，精确控速载物台系统2提供与目标物运动方向相反、大小可控的运动速度，通过相对运动作用使运动的微尺度目标物时刻处于上部物镜镜头1和下部物镜镜头4视野范围内并分别在上部物镜镜头1和下部物镜镜头4中准确成像；上部物镜镜头1捕获目标物水平面上的图像；下部物镜镜头4与光学三棱镜3相结合，捕获目标物在竖直方向上图像；所述高速摄像机系统9以高频率快速记录目标物的水平面图像和竖直方向图像；所述图像分析处理软件系统10将目标物同一时刻的水平面图像和竖直方向图像进行处理，还原为目标物的三维图像；通过对不同时刻目标物的水平面图像和竖直方向图像进行处理，获得不同时刻的目标物三维图像，而后根据精确控速载物台系统2的反向运动速度对不同时刻的目标物三维图像进行系统还原，最终获得目标物连续运动全过程的三维图像。
本发明和现有技术相比较，具有如下优点：
1)成像频率高。本发明的成像频率由高速摄像机系统9的扫描频率决定，目前的高速摄像机扫描频率极高，可轻易达到每秒几万帧的扫描频率。原理上，本发明可以以极高的成像频率对目标物的运动全过程进行成像，解决了现有显微成像技术成像频率低的问题；
2)不受视野大小固定的限制，可对目标物运动全过程的三维图像进行精确捕获。利用所述上部物镜镜头1捕获目标物水平面上的图像，结合所述下部物镜镜头4与光学三棱镜3，捕获目标物在竖直方向上图像。利用所述精确控速载物台系统2提供与目标物运动方向相反、大小可控的运动速度，通过相对运动作用使运动的目标物时刻处于所述上部物镜镜头1和下部物镜镜头4的视野范围内，通过图像分析处理软件系统10还原目标物连续运动全过程的三维图像。本发明解决了现有显微镜视野大小固定、无法对目标物运动全过程进行精确捕获的问题，在物医学、临床诊断和治疗等相关领域有着巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明用于目标物运动全过程捕获的显微成像装置局部示意图。
图2为本发明用于目标物运动全过程捕获显微成像装置的连接示意图。
图3为本发明用于目标物运动全过程捕获显微成像方法的关键技术流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
如图1和图2所示，本发明为一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置，由机架5、光源6、光路系统7、调焦系统8、上部物镜镜头1、精确控速载物台系统2、光学三棱镜3、下部物镜镜头4、高速摄像机系统9和图像分析处理软件系统10组成。所述机架5为光源6、光路系统7、调焦系统8、上部物镜镜头1、精确控速载物台系统2、光学三棱镜3、下部物镜镜头4、高速摄像机系统9和图像分析处理软件系统10组件提供支撑与固定作用；所述光源6和光路系统7相连接为显微成像提供照明和光线传输；所述调焦系统8与精确控速载物台系统2、上部物镜镜头1和下部物镜镜头4连接，用于准确调节精确控速载物台系统2所在平面与上部物镜镜头1和下部物镜镜头4的距离，使目标物分别在上部物镜镜头1和下部物镜镜头4中准确成像；所述上部物镜镜头1用于捕获目标物水平面上的图像；所述下部物镜镜头4通过与设置在精确控速载物台系统2上的光学三棱镜3相结合，用于捕获目标物在竖直方向上图像；所述精确控速载物台系统2可提供与目标物运动方向相反、大小可控的运动速度，通过相对运动作用使运动的目标物时刻处于上部物镜镜头1和下部物镜镜头4的视野范围内；所述高速摄像机系统9用于以较高频率快速记录目标物的水平面图像和竖直方向图像；所述图像分析处理软件系统10与高速摄像机系统9连接，将目标物同一时刻的水平面图像和竖直方向图像进行处理，还原为目标物的三维图像。通过对不同时刻目标物的水平面图像和竖直方向图像进行处理，获得不同时刻的目标物三维图像，而后根据精确控速载物台系统2的反向运动速度对不同时刻的目标物三维图像进行系统还原，最终获得目标物连续运动全过程的三维图像。
作为本发明的优选实施方式，所述上部物镜镜头1具有大的景深，位于目标物的正上方，可对微尺度和更小尺度的目标物进行清晰成像。
作为本发明的优选实施方式，所述本发明中下部物镜镜头4具有大的景深，位于光学三棱镜3下部直角边的正下方，可对微尺度和更小尺度的目标物进行清晰成像。
作为本发明的优选实施方式，所述光路系统中设计有两个不同的偏振片，用于避免上部物镜镜头1和下部物镜镜头4成像过程中光线的相互干扰。
作为本发明的优选实施方式，所述精确控速载物台系统2的载物平台为光学透明结构，保证光线正常透射。
作为本发明的优选实施方式，所述光学三棱镜3为直角光学三棱镜，下部直角边与精确控速载物台系统2紧密贴合，固定在精确控速载物台系统2的平面上。侧部直角边正对目标物。通过斜面反射，可将目标物竖直方向上的图像转换为下部物镜镜头4容易捕获的水平面上的图像。光学三棱镜3的长度与目标物的全部运动路径长度大致相等，且放置的长度方向与目标物所在流体的流动方向相同。
作为本发明的优选实施方式，所述高速摄像机系统9包含两台高速摄像机，可同时对上部物镜镜头1和下部物镜镜头4中的图像进行拍摄和记录。
下面以一实施例说明本发明的显微成像方法：
以对微颗粒在微通道内的运动全过程三维图像捕获为例，含有微颗粒的流体以一定的速度注入微通道中，微通道放置于精确控速载物台系统2上。所述机架5为光源6、光路系统7、调焦系统8、上部物镜镜头1、精确控速载物台系统2、光学三棱镜3、下部物镜镜头4、高速摄像机系统9、图像分析处理软件系统10组件提供支撑与固定作用；所述光源6和光路系统7为微通道内的微颗粒运动显微成像提供照明和光线传输；所述调焦系统8用于准确调节精确控速载物台系统2所在平面与上部物镜镜头1和下部物镜镜头4的距离，使微颗粒分别在上部物镜镜头1和下部物镜镜头4中准确成像；所述上部物镜镜头1捕获微颗粒水平面上的图像；所述下部物镜镜头4通过与光学三棱镜3相结合，目标物竖直方向上的图形经光学三棱镜3斜面反射，转变为水平方向图像，进而通过下部物镜镜头4捕获微颗粒在竖直方向上图像；所述精确控速载物台系统2可提供与微颗粒运动方向相反、大小相同的速度，通过相对运动作用使运动的微颗粒时刻处于上部物镜镜头1和下部物镜镜头4的视野范围内；所述高速摄像机系统9用于以较高频率快速记录微颗粒的水平面图像和竖直方向图像；所述图像分析处理软件系统10将微颗粒同一时刻的水平面图像和竖直方向图像进行处理，还原为微颗粒的三维图像。通过对不同时刻微颗粒的水平面图像和竖直方向图像进行处理，获得不同时刻的微颗粒三维图像，而后根据精确控速载物台系统2的反向运动速度对不同时刻的微颗粒三维图像进行系统还原，最终获得微颗粒在微通道中连续运动全过程的三维图像。综上，本发明具有成像频率高、不受视野大小限制、能对细胞等生物颗粒的运动全过程进行三维捕获等优点，在生物医学、临床诊断与治疗等领域，具有巨大的应用潜力。

Claims (7)

1.一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置，其特征在于：由机架(5)、光源(6)、光路系统(7)、调焦系统(8)、上部物镜镜头(1)、精确控速载物台系统(2)、光学三棱镜(3)、下部物镜镜头(4)、高速摄像机系统(9)和图像分析处理软件系统(10)组成；所述机架(5)为光源(6)、光路系统(7)、调焦系统(8)、上部物镜镜头(1)、精确控速载物台系统(2)、光学三棱镜(3)、下部物镜镜头(4)、高速摄像机系统(9)和图像分析处理软件系统(10)提供支撑与固定作用；所述光源(6)和光路系统(7)相连接为显微成像提供照明和光线传输；所述调焦系统(8)与精确控速载物台系统(2)、上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)连接，用于准确调节精确控速载物台系统(2)所在平面与上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)的距离，使目标物分别在上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)中准确成像；所述上部物镜镜头(1)用于捕获目标物水平面上的图像；所述下部物镜镜头(4)通过与设置在精确控速载物台系统(2)上的光学三棱镜(3)相结合，用于捕获目标物在竖直方向上图像；所述精确控速载物台系统(2)提供与目标物运动方向相反、大小可控的运动速度；所述高速摄像机系统(9)与上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)连接，用于以高频率快速记录目标物的水平面图像和竖直方向图像；所述图像分析处理软件系统(10)与高速摄像机系统(9)连接，将目标物同一时刻的水平面图像和竖直方向图像进行处理，还原为目标物的三维图像；
所述光学三棱镜(3)为直角光学三棱镜，下部直角边与精确控速载物台系统(2)紧密贴合，固定在精确控速载物台系统(2)的平面上，侧部直角边正对目标物，光学三棱镜(3)的长度与目标物的全部运动路径长度相等，且放置的长度方向与目标物所在流体的流动方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置，其特征在于：所述上部物镜镜头(1)具有大的景深，位于目标物的正上方，对微尺度的目标物进行清晰成像。
3.根据权利要求1所述的一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置，其特征在于：所述下部物镜镜头(4)具有大的景深，位于光学三棱镜(3)下部直角边的正下方，对微尺度的目标物进行清晰成像。
4.根据权利要求1所述的一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置，其特征在于：所述光路系统(7)中设计有两个不同的偏振片，用于避免上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)成像过程中光线的相互干扰。
5.根据权利要求1所述的一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置，其特征在于：所述精确控速载物台系统(2)的载物平台为光学透明结构，保证光线正常透射。
6.根据权利要求1所述的一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置，其特征在于：所述高速摄像机系统(9)包含两台高速摄像机，同时对上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)中的图像进行拍摄和记录。
7.权利要求1至6任一项所述的用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置的显微成像方法，其特征在于：将内含有微尺度目标物的微通道放置于精确控速载物台系统(2)上，通过调焦系统(8)准确调节精确控速载物台系统(2)所在平面与上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)的距离，精确控速载物台系统(2)提供与目标物运动方向相反、大小可控的运动速度，通过相对运动作用使运动的微尺度目标物时刻处于上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)视野范围内并分别在上部物镜镜头(1)和下部物镜镜头(4)中准确成像；上部物镜镜头(1)捕获目标物水平面上的图像；下部物镜镜头(4)与光学三棱镜(3)相结合，捕获目标物在竖直方向上图像；所述高速摄像机系统(9)以高频率快速记录目标物的水平面图像和竖直方向图像；所述图像分析处理软件系统(10)将目标物同一时刻的水平面图像和竖直方向图像进行处理，还原为目标物的三维图像；通过对不同时刻目标物的水平面图像和竖直方向图像进行处理，获得不同时刻的目标物三维图像，而后根据精确控速载物台系统(2)的反向运动速度对不同时刻的目标物三维图像进行系统还原，最终获得目标物连续运动全过程的三维图像。
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