CN109833030A - 自由活动动物的头载内窥显微成像装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种自由活动动物的头载内窥显微成像装置，照明单元用于产生激发光；探头可插入自由活动动物的颅骨，激发光通过其照射待测区域，并探测待测区域的信号光；成像单元用于接收信号光，并对待测区域成像；支撑镜体可固定于自由活动动物的颅骨，用于分离激发光与信号光，并不可拆分地支撑探头、成像单元与照明单元。通过上述功能部件与结构部件融合的方式，本公开能够使成像装置得到简化，从而降低成本，减少成像装置的体积和重量，减轻对动物活动的影响，并可以在以小鼠为例的小动物头部合理的同时安装多套成像装置。
Description
技术领域
本公开涉及一种光学成像装置，特别是一种体积小、重量轻，能够安装在动物头部，在其处于清醒活动状态对大脑进行功能成像的自由活动动物的头载内窥显微成像装置。
背景技术
脑功能光学成像是一直是神经科学研究领域一种极为重要的方法。早年这些成像大多数是在已经麻醉处理过并且固定在实验台上的小动物身上进行的。鉴于药物麻醉会给实验动物的神经活动带来一定的影响，而这种影响可能会进一步影响研究者通过光学成像的方法得到的研究结果，甚至会制约某一个研究方向的发展，一些研究者开始尝试用可以在清醒活动的实验动物身上进行脑功能光学成像的装置。
现有技术的一种方案将试验小动物的头部紧密固定在成像装置下方，保证成像时观测区域不会随着小动物身体的活动而发生相应变化；另一个是支撑小动物躯体的浮球，可以随小动物四肢的活动而自由滚动，同时球心位置不发生变化，这样可以实现小动物在头部被固定的情况下躯体和四肢进行一定程度的活动。这种方案可以使用多数成熟的成像设备，可以获得较好的成像效果，但是这种装置只能使小动物做受限制的活动，只能帮助研究者在一定程度上实现对活动小动物进行脑功能观测。
完全不固定小动物的成像大致通过两类方案实现。其一是光纤传导式，即通过传像光纤束或单根光纤导出观测区域的光信号并在离体的成像设备上成像；另一种则是利用小型化的CMOS成像传感器直接在小动物头部完成成像然后输出图像信号，相当于在小动物头部安置了一台微型化的显微镜。这种方案成本较低，设备体积重量较小，对动物的自由活动影响不大。以目前市场上inscopix公司的产品为例，不计电源、传输线等，头载设备的尺寸为8.8x15x22毫米，重1.8克。然而，通常认为，常用模式动物小鼠头部最大可以承受的重量只有3克，可供植入探头的区域不过20x20毫米。这个装置对于小鼠而言仍然过于笨重，会导致小鼠的活动与自由情形仍有较大差别。同时，无论从体积上，还是重量上，小鼠都难以承受多于一套这种装置，因此无法同时研究多脑区脑活动，如其相关性的研究。
现有技术过于笨重的一个重要原因是在核心的功能元件如探头、荧光滤镜、二相色镜等之外，添加了各种支撑固定用的结构部件。这些部件的体积、重量常常大于真正的核心功能部件。同时，现有技术采用了植入探头与主镜体分离的结构，需要额外的连接、固定考虑，也增加了不必要的体积和重量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种自由活动动物的头载内窥显微成像装置，以解决现有技术存在的体积大、重量沉、成像对象难以承受多套成像装置的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种种自由活动动物的头载内窥显微成像装置，包括：照明单元，用于产生激发光；探头，可插入所述自由活动动物的颅骨，所述激发光通过其照射待测区域，并探测所述待测区域的信号光；成像单元，用于接收所述信号光，并对所述待测区域成像；支撑镜体，可固定于所述自由活动动物的颅骨，用于分离所述激发光与信号光，并不可拆分地支撑所述探头、成像单元与照明单元。
在本公开的一些实施例中，所述支撑镜体包括：第一直角棱镜和第二直角棱镜，二者的斜面镀或贴二向色膜，并相对粘合成一个立方体，形成一个内置的二相色镜。
在本公开的一些实施例中，第一直角棱镜的上直角面镀或贴信号光滤膜；第二直角棱镜的斜面镀或贴二向色膜，其第一直角面镀或贴激发光滤膜，第二直角面镀或贴激发光滤膜和信号光滤膜。
在本公开的一些实施例中，第一直角棱镜和第二直角棱镜的非功能表面由光密材料包裹，以遮蔽激发光和信号光。
在本公开的一些实施例中，所述探头包括梯度折射率透镜或者光纤束。
在本公开的一些实施例中，所述成像单元包括：CMOS感光传感器；所述梯度折射率透镜为0.3或0.8截距。
在本公开的一些实施例中，所述成像单元包括：光学放大装置和CMOS感光传感器。
在本公开的一些实施例中，所述光学放大装置包括：调焦机构和两片相对设置的平凸透镜，两片平凸透镜由硬橡胶环隔开，靠近所述CMOS感光传感器的为上片平凸透镜，调焦机构通过施加在上片平凸透镜上不同的压力进行聚焦微调。
在本公开的一些实施例中，所述CMOS感光传感器表面镀或贴信号光滤膜。
在本公开的一些实施例中，所述照明单元包括一个荧光激发用的LED作为光源；或者，所述照明单元用光纤导入外部光源的激发光。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开的自由活动动物的头载内窥显微成像装置具有以下有益效果：
头载内窥显微成像装置采用功能部件与结构部件融合的方式，使装置得到简化，从而降低了装置成本，减少了装置的体积和重量，减轻了装置对动物活动的影响，并可以在以小鼠为例的小动物头部合理的同时安装多套系统。
附图说明
图1为本公开实施例的自由活动动物的头载内窥显微成像装置的结构示意图。
图2为本公开实施例的头载内窥显微成像装置与市场某同类产品的比较。
【符号说明】
1-探头；2-第一直角棱镜；3-第二直角棱镜；4、5、6、7-光学密封片；8-光纤准直器；9-成像单元。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的方式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本公开的核心目的为减少自由活动动物的头载内窥显微成像装置的体积和重量。围绕这一目的采用一系列技术手段的组合，包括功能部件与结构部件融合、减少不必要的可分离结构。本公开的应用举例以小鼠为例进行动物脑活动成像实验，但本公开同样可以应用于其它部位成像、不同动物各部位成像以至针对包括人在内的包括非实验目的的成像。
本公开实施例的自由活动动物的头载内窥显微成像装置，如图1所示，头载内窥显微成像装置用于成像小鼠颅内约4毫米深处的中枢脑区的绿色荧光信号。
头载内窥显微成像装置包括：探头1、支撑镜体、成像单元9以及照明单元，其中支撑镜体用于分离激发光与信号光，并支撑探头1、成像单元9与照明单元，探头1、成像单元9、照明单元不可拆分地固定于支撑镜体。
探头1选用1毫米直径的梯度折射率透镜(grin lens)，约为0.48截距，或者光纤束，用于激发和探测动物体内待测区域的信号光。当探头1插入动物颅骨时，可将探头1前约50微米处的神经元活动中继成像至探头1后表面附近。
支撑镜体为头载内窥显微成像装置的主体结构，包括一对边长2毫米的直角棱镜：第一直角棱镜2和第二直角棱镜3。两个直角棱镜的斜面镀膜，并相对粘合成一个立方体，形成一个内置的二相色镜。具体来说，第一直角棱镜2的上直角面镀信号光(绿色荧光)滤膜。第二直角棱镜3的斜面镀二向色膜，其第一直角面镀激发光滤膜，第二直角面镀激发光滤膜和信号光滤膜。支撑镜体具有足够高的机械强度，使之可以成为其它部件的结构核心。第一直角棱镜2的上直角面、第二直角棱镜3的第一直角面(激发光导入表面)和第二直角面均为功能表面，二者的其他表面均为非功能表面。使用光密材料包裹第一直角棱镜2和第二直角棱镜3的非功能表面，以遮蔽激发光和信号光。所述光密材料可以是光学密封片4、5、6、7，由0.2毫米厚的发黑铝材冲剪而成。
成像单元9包括：光学放大装置以及CMOS感光传感器。光学放大装置包括两片相对设置的3毫米平凸透镜，其提供2倍左右的放大倍数，将上述中继成像再次成像到CMOS感光传感器上。两片平凸透镜由硬橡胶环隔开，靠近CMOS感光传感器的为上片平凸透镜，靠近支撑镜体的为下片平凸透镜。光学放大装置内还设置有调焦机构，调焦机构为精密螺丝，通过施加在上片透镜上不同的压力进行聚焦微调。CMOS感光传感器选用640x480像素、3x3微米每像素的传感器，可以提供3微米分辨率、30帧每秒的脑活动成像。CMOS感光传感器表面镀信号光滤膜。
照明单元包括：光源、光纤、光纤准直器8。光源发出的激发光(蓝色激光)经光纤准直器8、光纤入射至支撑镜体，支撑镜体将蓝色激光反射进探头1，经探头1返回的信号光(绿色荧光)经支撑镜体进入成像单元9。
探头1、光学密封片4-7、光纤准直器8和成像单元9均粘合在支撑镜体上，使用高质量光学胶在洁净环境粘合而成，减少界面的散射和反射。支撑镜体提供与动物的位置固定。整个装置用骨钉固定在颅骨上，并可用牙科水泥等材料辅助固定。装置体外高约6毫米，插入3毫米插芯的光纤后占用颅骨顶部面积4.5x7毫米，不计光纤和电源、信号线时总重量小于0.6克，均远优于当前其它同类产品。图2展示了本实施例的支撑镜体与市场某同类产品的比较。应用本实施例的设备，小鼠头上可以方便植入4具或更多装置用于研究不同脑区神经活动的关联。本实施例可以针对不同的荧光标记选择用不同的镀膜和激发光，甚至可以采用多带荧光滤膜配合同一光纤导入多种激光实现多中荧光标记的同时记录，充分提供了实验的选择自由度。
本公开另一个实施例的头载内窥显微成像装置，与上一实施例不同之处在于，照明单元采用LED、准直透镜和激发光滤片，并可以在第二直角棱镜3的激发光导入表面镀激发光滤膜。
本公开的实施例中，可以根据探测部位的要求选择不同长度的探头1。常用的梯度折射率透镜探头可以是1/4、1/2、3/4截距左右，如上述实施例中的0.48截距。相应的平凸透镜可以根据一般光学原则适当选择。对于适当深度的待测脑区，选用接近1/4、3/4截距的探头是很好的选择，因为此时探头与支撑镜体界面的缺陷、折射率失配等造成的散射反射不会在CMOS感光传感器成像。在本公开的又一实施例中，适当的选取梯度折射率透镜探头可以省去平凸透镜，例如0.3或0.8截距左右的探头可以将探头1前表面附近的荧光成像到第一直角棱镜2上表面附近。这时可以将成像的CMOS感光传感器直接贴在第一直角棱镜2上，进一步降低装置的高度和重量。
本公开的又一个实施例中，在高质量镀膜不易加工的情况下，上述实施例的镀膜可以用贴膜代替。选用高质量商业滤片，加工至所需尺寸贴在所需对应光学表面。这时，由于引入了滤片衬底的厚度，探头1、平凸透镜的参数和位置需做相应调整。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自由活动动物的头载内窥显微成像装置，其特征在于，包括：
照明单元，用于产生激发光；
探头，可插入所述自由活动动物的颅骨，所述激发光通过其照射待测区域，并探测所述待测区域的信号光；
成像单元，用于接收所述信号光，并对所述待测区域成像；
支撑镜体，可固定于所述自由活动动物的颅骨，用于分离所述激发光与信号光，并不可拆分地支撑所述探头、成像单元与照明单元。
2.如权利要求1所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，
所述支撑镜体包括：第一直角棱镜和第二直角棱镜，二者的斜面镀或贴二向色膜，并相对粘合成一个立方体，形成一个内置的二相色镜。
3.如权利要求2所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，第一直角棱镜的上直角面镀或贴信号光滤膜；第二直角棱镜的斜面镀或贴二向色膜，其第一直角面镀或贴激发光滤膜，第二直角面镀或贴激发光滤膜和信号光滤膜。
4.如权利要求3所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，第一直角棱镜和第二直角棱镜的非功能表面由光密材料包裹，以遮蔽激发光和信号光。
5.如权利要求1所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，所述探头包括梯度折射率透镜或者光纤束。
6.如权利要求5所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，所述成像单元包括：CMOS感光传感器；所述梯度折射率透镜为0.3或0.8截距。
7.如权利要求5所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，所述成像单元包括：光学放大装置和CMOS感光传感器。
8.如权利要求7所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，所述光学放大装置包括：调焦机构和两片相对设置的平凸透镜，两片平凸透镜由硬橡胶环隔开，靠近所述CMOS感光传感器的为上片平凸透镜，调焦机构通过施加在上片平凸透镜上不同的压力进行聚焦微调。
9.如权利要求6或7所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，所述CMOS感光传感器表面镀或贴信号光滤膜。
10.如权利要求1所述的头载内窥显微成像装置，其特征在于，所述照明单元包括一个荧光激发用的LED作为光源；或者，所述照明单元用光纤导入外部光源的激发光。
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