CN110286480A - 一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统。本发明包括由上至下依次连接的微型显微镜、自聚焦透镜组件和承载装置，微型成像系统通过使用玻璃套管将自聚焦透镜固定于微型显微镜下部，并在固定过程中完成透镜对焦，形成一体化装置，承载装置固定于实验动物体表，微型显微镜自带光源经过主体光路，入射至实验动物待观测的组织或器官内形成成像光，随后由自聚焦透镜返回的成像光，再次经过主体光路进行成像。本发明可在任意时间、实验动物任意生理状态下通过承载装置固定于动物身上或从动物身上取下，同时无需在过程中进行光路中的透镜对焦，方便实验人员在实验动物多种生理活动下的实验操作和显微成像观察。

Description

一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统

技术领域

本发明属于荧光显微成像领域，具体涉及一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统。

背景技术

生物成像技术可在组织及细胞水平上对生物体的生理状态和病理变化给出直观和准确的图像信息。在基础医学领域，研究者们多使用小鼠、大鼠等模式动物结合成像技术探索组织器官生理功能和疾病的发生与发展。现阶段基础医学研究中常用的成像手段为组织切片显微荧光成像技术，即对死亡生物样本固定切片后在宽场荧光显微镜或荧光共聚焦显微镜下得到成像结果。但是此种成像方式只能观测到生物体死亡后的样本，无法展现生物体活体状态下的生理状态。在基础医学其他常用的成像手段也包括小动物CT成像，MRI成像以及双光子成像。相较于组织切片显微荧光成像，上述方法能够对活体小动物进行成像观测，但是因成像原理的限制，其分辨率和成像色彩上受限较大，且仅能在生物体麻醉状态下进行成像而非自由活动状态下进行成像。

因此随着生物成像技术在基础医学领域上逐步占有更加重要的地位，小动物在体成像技术也需更进一步的发展。目前能够实现活动动物穿戴的微型显微镜的结构和使用过程十分的复杂，需要将显微镜与进入实验动物体内的自聚焦透镜不断进行对准和对焦，误差非常大。所以现阶段急需一种操作简单，使用方便且稳定可靠的，可供实验小动物穿戴的显微成像系统，在既能够实现荧光显微技术的高分辨率多色彩的成像方法，也能够使得实验者在生物体自由运动的过程中实时得到成像结果。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统，微型成像系统穿戴于实验动物身上，对实验动物待观测的特定组织器官的进行成像，且能在生物体任何生理状态下实现荧光显微成像。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括由上至下依次连接的微型显微镜、自聚焦透镜组件和承载装置；微型显微镜底部中心开有与微型显微镜内部的显微光路贯通的出光孔，出光孔为显微光路的出光位置，出光孔内安装有伸出出光孔的微型物镜，且出光孔与微型物镜光轴同轴布置。

自聚焦透镜组件包括转换底座、转接套管、玻璃套管和自聚焦透镜；转换底座固定于微型显微镜底部，转换底座主要由基座和转接套管组成，基座开有与出光孔相通且贯穿基座的大孔，微型物镜从出光孔伸出至大孔内；转接套管位于基座底部且与大孔同轴布置，玻璃套管伸入转接套管的内部空腔，自聚焦透镜伸入玻璃套管内部空腔且上端与玻璃套管上端平齐，玻璃套管与自聚焦透镜上端从转接套管伸出至大孔内微型物镜的焦点处；自聚焦透镜为细长圆柱体，细长圆柱体自上而下的中心轴为光轴，自聚焦透镜的光轴与微型物镜光轴同轴布置。

承载装置主要由套筒和沿套筒外壁面周向均布的多个固定足组成，固定足底部与套筒底部平齐；承载装置通过套筒与自聚焦透镜组件的转接套管通过螺纹连接。

使用牙科水泥通过固定足将承载装置粘结固定于实验动物体表，自聚焦透镜下端从承载装置底部伸出后伸入至实验动物待测的身体组织内。微型显微镜自带光源经过主体光路，入射至实验动物待观测的组织或器官内形成成像光，随后由自聚焦透镜返回的成像光，再次经过主体光路进行成像。

所述承载装置的套筒一侧开有安装孔，承载装置通过穿过安装孔的螺钉安装于转接套管上；转接套管上部一侧开有通孔，螺钉穿过通孔将玻璃套管固定于转接套管内；玻璃套管与玻璃套管空腔内的自聚焦透镜通过点胶进行固定。

所述基座开有三个大小相同且贯穿基座的定位孔，转换底座通过分别穿过三个定位孔的螺钉固定于微型显微镜底部。

所述转接套管外壁面下部加工有外螺纹，套筒内部加工有与转接套管外螺纹配合安装的内螺纹。

微型成像系统的易穿戴免对焦是指本系统的微型显微镜和自聚焦透镜组件在生产装配时就已经完成微型物镜和自聚焦透镜的对焦装配，所以在一般情况下，本系统的微型显微镜和自聚焦透镜组件一直保持一体化的装配状态，同时能够在任意时间以及实验动物的任意生理状态下固定于实验动物上或从实验动物取下。

微型成像系统通过微型显微镜和自聚焦透镜实现了实验动物在多种生理状态下身体组织的荧光显微成像，实验动物的生理状态包括且不限于自由活动、麻醉和死亡，实验动物包括且不限于小鼠、大鼠、豚鼠和猴子，身体组织包括且不限于脑组织、肝脏、脊椎和皮肤。

本发明通过将微型显微镜与自聚焦透镜组件相配合，即可完成显微镜物镜与自聚焦透镜的光路耦合，免去对焦过程。系统是将该耦合后的装置旋入承载装置，整个过程操作简单，将对实验动物的影响降到最低，也降低对成像情况的影响。微型成像系统允许实验动物长期佩戴成像设备承载装置自由活动，并且可以在活体动物自由运动情况下脑内成像。从而实现活体成像检测。

本发明的有益效果是：

1)本发明系统自重较轻，且能够在任意时间及实验动物的任意生理状态下固定于实验动物上或从实验动物上取下，同时可以固定于实验动物身上而不影响实验动物的自由活动，实现活体成像检测，由此进行相对较大范围的行为学实验。

2)本发明系统使用方便，操作简单，在系统的生产安装过程中就将显微光路与自聚焦透镜之间的对焦问题解决，在实验人员使用这套系统时免去了对准与对焦过程，无需专门训练就可以快速上手使用。

3)本发明系统运用荧光显微术的方法，可以实现活体动物在自由运动情况下脑内成像，方便实验人员在实验动物多种生理活动下的实验操作和显微成像观察。

附图说明

图1是本发明系统的整体剖视图

图2是本发明的承载装置结构图

图3是本发明自聚焦透镜组件结构图

图4是本发明自聚焦透镜组件与承载装置装配剖视图

图5是本发明的微型显微镜结构图

图中，自聚焦透镜组件1、承载装置2、微型显微镜3、微型物镜4、转换底座5、自聚焦透镜6、玻璃套管7、固定足8、套筒9、内螺纹10、安装孔11、外螺纹12、基座13、转接套管14、定位孔15、大孔16、通孔17、显微光路18、出光孔19

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括由上至下依次连接的微型显微镜3、自聚焦透镜组件1和承载装置2；

如图2所示，承载装置2主要由套筒9和沿套筒9外壁面周向均布的多个固定足8组成，固定足8底部与套筒9底部平齐；承载装置2通过套筒9与自聚焦透镜组件1的转接套管14通过螺纹连接。

如图3和4所示，自聚焦透镜组件1包括转换底座5、转接套管14、玻璃套管7和自聚焦透镜6；转换底座5固定于微型显微镜3底部，转换底座5主要由基座13和转接套管14组成，基座13开有与出光孔19相通且贯穿基座13的大孔16，微型物镜4从出光孔19伸出至大孔16内；转接套管14位于基座13底部且与大孔16同轴布置，玻璃套管7伸入转接套管14的内部空腔，自聚焦透镜6伸入玻璃套管7内部空腔且上端与玻璃套管7上端平齐，玻璃套管7与自聚焦透镜6上端从转接套管14伸出至大孔内微型物镜4的焦点处；自聚焦透镜6为细长圆柱体，细长圆柱体自上而下的中心轴为光轴，自聚焦透镜6的光轴与微型物镜4光轴同轴布置。

如图5所示，微型显微镜3底部中心开有与微型显微镜3内部的显微光路18贯通的出光孔19，出光孔19为显微光路18的出光位置，出光孔19内安装有伸出出光孔19的微型物镜4，且出光孔19与微型物镜4光轴同轴布置。

具体实施中，实验动物包括且不限于常用实验动物如小鼠、大鼠、豚鼠和猴子等；系统成像时动物的生理状态包括且不限于自由活动、麻醉和死亡等状态。

具体实施中，根据所使用的实验动物及所观测的组织器官不同选取自聚焦透镜6的长度以及数值孔径(NA)值；根据所选择的自聚焦透镜6的半径选择相同内径玻璃套管7。玻璃套管7的长度与套管14长度相等，为3.5-35mm；玻璃套管7的外径与套管14内径相等，约1.2-12mm。

具体实施中，承载装置2中间套筒9高2.5-10mm，内半径约1.25-5mm，内壁有内螺纹10。同时旋转底座5下部的套管14外壁有外螺纹12。两者使用螺纹的旋转方式进行配合连接，保证上述微型物镜4、自聚焦透镜6、承载装置套筒9三者同轴，以此实现安装装置时自聚焦透镜6能够准确进入待观测器官或组织。

具体实施中，微型显微镜3与自聚焦透镜组件1配合，固定于承载装置2上，通过令自聚焦透镜6进入动物体内的完成成像。微型显微镜3及转换底座5的材料包括但不限于塑料、3D打印材料等，配合安装各光路零件后整个装置总重不超过4g。微型显微镜3高约15-50mm，微型物镜4与光路出光孔19同轴且位于整个装置最底部，微型物镜4的下端略微伸出微型显微镜3的下端面。

本发明的具体工作过程如下：

将已经耦合配合好的微型显微镜3与自聚焦透镜组件1通过转接套管14安装于承载装置2的套筒9中。通过人工手术操作将装置中固定好的自聚焦透镜6植入实验动物待观测的组织与器官内，实验动物待观测的组织与器官包括但不限于如脑组织、肝脏、脊椎和皮肤等。

当使用自聚焦透镜6植入实验动物体内的目标位置后，旋转承载装置2，使得承载装置2底部紧贴实验动物的外表皮，然后使用牙科水泥通过固定足8将承载装置固定在实验动物的外表皮，最后使用螺钉通过安装孔11将转接套管14固定在套筒9中。

启动微型成像系统，微型显微镜3中的显微光路18开始工作，通过微型物镜4和植入实验动物体内的自聚焦透镜6对目标位置进行实时成像，此时实验动物可穿戴着本系统自由活动。

成像实验结束后，通过旋转取出微型显微镜3与自聚焦透镜组件1，放回仍穿戴着承载系统的实验动物，此时实验动物可穿戴着承载装置自由活动。

再次需要进行实时成像实验时，将微型显微镜3与自聚焦透镜组件1旋转装入承载装置，即可再次进行实时成像观察。

本发明系统可以允许实验动物平时长期佩戴成像设备承载装置自由活动，同时也允许在任何情况下将成像装置快速拆除或安装在实验动物身上，无需进行对焦，由此实现了活体成像检测，从而进行相对较大范围的行为学实验。整个过程将安装操作十分简单，免去对焦过程，对实验动物的影响降到最低，也降低对成像情况的影响。

Claims (7)

1.一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统，其特征在于：包括由上至下依次连接的微型显微镜(3)、自聚焦透镜组件(1)和承载装置(2)；

微型显微镜(3)底部中心开有与微型显微镜(3)内部的显微光路(18)贯通的出光孔(19)，出光孔(19)内安装有伸出出光孔(19)的微型物镜(4)，且出光孔(19)与微型物镜(4)光轴同轴布置；

自聚焦透镜组件(1)包括转换底座(5)、转接套管(14)、玻璃套管(7)和自聚焦透镜(6)；转换底座(5)固定于微型显微镜(3)底部，转换底座(5)主要由基座(13)和转接套管(14)组成，基座(13)开有与出光孔(19)相通且贯穿基座(13)的大孔(16)，微型物镜(4)从出光孔(19)伸出至大孔(16)内；转接套管(14)位于基座(13)底部且与大孔(16)同轴布置，玻璃套管(7)伸入转接套管(14)的内部空腔，自聚焦透镜(6)伸入玻璃套管(7)内部空腔且上端与玻璃套管(7)上端平齐，玻璃套管(7)与自聚焦透镜(6)上端从转接套管(14)伸出至大孔内微型物镜(4)的焦点处；自聚焦透镜(6)为细长圆柱体，细长圆柱体自上而下的中心轴为光轴，自聚焦透镜(6)的光轴与微型物镜(4)光轴同轴布置；

承载装置(2)主要由套筒(9)和沿套筒(9)外壁面周向均布的多个固定足(8)组成，固定足(8)底部与套筒(9)底部平齐；承载装置(2)通过套筒(9)与自聚焦透镜组件(1)的转接套管(14)通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统，其特征在于：在生产装配时微型物镜(4)和自聚焦透镜(6)已完成对焦装配，微型显微镜(3)和自聚焦透镜组件(1)始终保持一体化装配状态。

3.根据权利要求1所述的一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统，其特征在于：使用牙科水泥通过固定足(8)将承载装置(2)粘结固定于实验动物体表，自聚焦透镜(6)下端从承载装置(2)底部伸出后植入实验动物待观测的组织或器官内。

4.根据权利要求1所述的一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统，其特征在于：所述承载装置(2)的套筒一侧开有安装孔(11)，承载装置(2)通过穿过安装孔(11)的螺钉安装于转接套管(14)上；转接套管(14)上部一侧开有(17)通孔(17)，螺钉穿过通孔(17)将玻璃套管(7)固定于转接套管(14)内；玻璃套管(7)与玻璃套管(7)空腔内的自聚焦透镜(6)通过点胶进行固定。

5.根据权利要求1所述的一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统，其特征在于：所述基座(13)开有三个大小相同且贯穿基座(13)的定位孔(15)，转换底座(5)通过分别穿过三个定位孔(15)的螺钉固定于微型显微镜(1)底部。

6.根据权利要求1所述的一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统，其特征在于：所述转接套管(14)外壁面下部加工有外螺纹，套筒(9)内部加工有与转接套管(14)外螺纹配合安装的内螺纹。

7.根据权利要求3所述的一种实验动物易穿戴免对焦微型成像系统，其特征在于：微型成像系统通过微型显微镜(3)和自聚焦透镜(6)实现了实验动物在多种生理状态下身体组织的荧光显微成像，实验动物的生理状态包括自由活动、麻醉和死亡，实验动物包括小鼠、大鼠、豚鼠和猴子，身体组织包括脑组织、肝脏、脊椎和皮肤。