CN110638426A

CN110638426A - 激光扫描活体荧光成像信号采集装置

Info

Publication number: CN110638426A
Application number: CN201910899610.2A
Authority: CN
Inventors: 邱海林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2020-01-03

Abstract

本发明提供了一种激光扫描活体荧光成像信号采集装置，所述装置包括：脉冲激光器，红外荧光检测器样品盛放台，扫描单元，所述扫描单元包括：振镜模块，所述振镜模块用于根据预设扫描设定模型调整偏转，物镜，所述物镜与所述振镜模块相连接，用于将偏转后的激光按照设定的分辨率进行成像；所述脉冲激光器的激光发射频率、所述振镜模块的偏转动作与所述红外检测器的时序采集同步；所述样品盛放台置于球形腔体中，设置于所述球形腔体的入口设置于所述球形腔体的信号输出口，所述信号输出口包括，所述不少于两个光纤均匀嵌入所述球形腔体中。可以提高散光材料包括活体的荧光成像测试中的荧光采集效率。

Description

激光扫描活体荧光成像信号采集装置

技术领域

本发明属于显微成像领域，尤其是涉及一种激光扫描活体荧光成像信号采集装置

背景技术

光学功能成像是发展最快的功能成像方法之一。光子、特别是可见与红外波段光子的能量较低，对生命体的杀伤作用小，适合于活体动态监测；光谱测量具有良好的分子对比性和多参量性，可包含丰富的分子结构与微空间环境信息，能够反映各种代谢过程和病变；作为光谱测量的补充，荧光寿命成像可以获取样品的功能信息，对荧光分子所处微环境内诸如pH值、离子浓度(Ca2+，Na+等)、氧压等生理参数进行定量测量，并已在生物物理、生物化学等领域获得了广泛的应用；光学系统可操作性强，原理成熟，结构相对简单；另外，由于激光技术、探测技术和计算机技术地高度发展，研制廉价的光学功能成像系统的技术环境已经成熟。正因为此，生物医学光学已经成为一门蓬勃发展的新兴学科领域。

与其它功能成像手段相比，基于光学原理的成像方法进行生物活体测量的最大优势是光学空间分辨率可以达到亚细胞层次。荧光显微成像技术已经在细胞生物物理、细胞生物化学和医学研究中显示出极大的潜力。近红外第二窗口的光(1000nm～1700nm)，在这个波段，生物组织自身的吸收和散射弱，这样就可以极大地提高成像质量和穿透深度。

在实现本发明的过程中，发明人发现如下技术问题：激光扫描荧光成像技术，无论是否采用共焦模式，都是采用物镜或组合镜头进行往返式激励和信号采集，激光和采集信号都通过这个物镜或者组合镜头，信号采集效率受限于镜头的数值孔径，工作距离也受限。特别对于活体荧光成像信号采集时候，由于样品的高散光特性，信号采集能力进一步受限。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种激光扫描活体荧光成像信号采集装置，以解决现有技术中存在的信号采集效率受到散光影响的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种激光扫描活体荧光成像信号采集装置，包括：

脉冲激光器，用于发射脉冲检测激光；

红外荧光检测器，用于发射激发光和接收脉冲激光器发生的激光检验样品后的红外信号；

样品盛放台，用于盛放样品；

扫描单元，所述扫描单元用于通过检测激光和激发光实现对样品进行扫描；

所述扫描单元包括：

振镜模块，所述振镜模块用于根据预设扫描设定模型调整偏转，提高所述脉冲检测激光的精准定位；

物镜，所述物镜与所述振镜模块相连接，用于将偏转后的激光按照设定的分辨率进行成像；

所述脉冲激光器的激光发射频率、所述振镜模块的偏转动作与所述红外检测器的时序采集同步；

所述样品盛放台置于球形腔体中，所述球形腔体用于汇聚扫描激发光；

设置于所述球形腔体的入口，用于使扫描激发光进入所述球形腔体；

设置于所述球形腔体的信号输出口，所述信号输出口用于采集经扫描活体样品后的激光信号，所述信号输出口包括，所述不少于两个光纤均匀嵌入所述球形腔体中。

进一步的，所述扫描单元还包括：

桶镜，所述桶镜用于调整脉冲检测激光的光束，所述桶镜介于所述振镜模块和物镜之间。

进一步的，所述扫描单元，还包括：

反射镜和分光镜，用于按照设定方向调整发射光和激发光的方向。

进一步的，所述球形腔体的内侧涂有高反射率涂料形成高反射率涂层。进一步的，所述样品盛放台底部与伺服电机连接，用于通过所述伺服电机驱动所述样品盛放台沿垂直于所述样品盛放台方式运动，以扫描活体样品内的不同深度。

进一步的，所述球形腔体上设有混合气体输入口，用于输入氮氧混合气体，以使得所述活体样品在扫描过程中保持存活；

相应的，所述球形腔体还设有气体输出口，用于保持所述球形腔体内的气压稳定。

更进一步的，所述球形腔体上还设有麻醉气体输入口。

相对于现有技术，本发明所述的激光扫描活体荧光成像信号采集装置具有以下优势：本发明提供的激光扫描活体荧光成像信号采集装置由于采用分布于球形腔体的光纤采集荧光信号，荧光信号采集效率不再受限于物镜的数值孔径及工作距离等技术特征。能够有效提升荧光信号的采集效率。同时，由于近似于密封的球形腔体作为扫描的主要场所，可以减少振镜扫描成像往复式设计的光路复杂性；有利于激光扫描光路设计小型化。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的激光扫描活体荧光成像信号采集装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的激光扫描活体荧光成像信号采集装置中扫描单元的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为本发明实施例所述的激光扫描活体荧光成像信号采集装置的结构示意图，参见图1，一种激光扫描活体荧光成像信号采集装置，其包括：脉冲激光器，用于发射脉冲检测激光；红外荧光检测器，用于发射激发光和接收脉冲激光器发生的激光检验样品后的红外信号；样品盛放台，用于盛放样品；扫描单元，所述扫描单元用于通过检测激光和激发光实现对样品进行扫描；所述扫描单元包括：振镜模块，所述振镜模块用于根据预设扫描设定模型调整偏转，提高所述脉冲检测激光的精准定位；物镜，所述物镜与所述振镜模块相连接，用于将偏转后的激光按照设定的分辨率进行成像；所述脉冲激光器的激光发射频率、所述振镜模块的偏转动作与所述红外检测器的时序采集同步；所述样品盛放台置于球形腔体中，所述球形腔体用于汇聚扫描激发光；设置于所述球形腔体的入口，用于使扫描激发光进入所述球形腔体；设置于所述球形腔体的信号输出口，所述信号输出口用于采集经扫描活体样品后的激光信号，所述信号输出口包括，所述不少于两个光纤均匀嵌入所述球形腔体中。

示例性的，脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25秒、每间隔一定时间才工作一次的激光器。在本实施例中，所述脉冲激光器用于发射脉冲检测激光，作为激发光进行激励。示例性的，可以利用所述脉冲激光器可通过单模光纤进行传输，以使得脉冲激励激光进入相应的光学器件。可选用连续的(CW)近红外激光，也可选用皮秒/飞秒脉冲近红外激光。

相应的，荧光发射信号由扫描单元通过多模光纤导入到检测器，可选用SPAD检测器(400-1050nm)或NIR SPAD检测器(900～1700nm)。

样品盛放台用于放置活体样品，通常为注射近红外量子点染料后的活体小鼠，相应的，为便于固定活体小鼠，所述样品盛放台上设有相应的固定机构。例如夹钳等。

所述扫描单元，可以包括：振镜模块，所述振镜模块用于根据预设扫描设定模型调整偏转，提高所述脉冲检测激光的精准定位；振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机,基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩,但与旋转电机不同,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩,大小与转子偏离平衡位置的角度成正比,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时,电磁力矩与回复力矩大小相等,故不能象普通电机一样旋转,只能偏转。在本实施例中，所述振镜模块可以按照设定的模型调整其偏转，以实现提高其扫描速度和定位精度的作用。通过振镜可以在较低的激光功率下，通过精准定位，实现在XY平面对活体样品的荧光扫描。

物镜可以选用0.2X-10X对应于75mm x 75mm到1.5mm x 1.5mm扫描视场。以实现大视场荧光扫描的技术效果。

同时，将所述脉冲激光器的激光发射频率、所述振镜模块的偏转动作与所述红外检测器的时序采集设置为同步。示例性的，可以按照所述红外检测器的时序采集设置脉冲激光器的激光发射频率和所述振镜模块的偏转动作。其可通过计算机控制实现。

采用xy振镜扫描成像部件，脉冲激光器发出的激光光束通过振镜扫描到样品--活体，设计低倍率镜头解决了测试范围覆盖大视场(比如：小老鼠)整个范围；脉冲激光器和红外二窗荧光检测器通过时间分辨的时序采集并和xy振镜同步，同时获得xy平面各个像元的荧光强度数据和荧光寿命数据。从而达到大面积(可到75mm×75mm)时间分辨活体扫描成像的目的。

此外，为解决由于高散光特性带来的信号采集能力受限的问题，本发明实施例将样品盛放台置于球形腔体中，所述球形腔体用于汇聚扫描激发光；

设置于所述球形腔体的入口，用于使扫描激发光进入所述球形腔体；设置于所述球形腔体的信号输出口，所述信号输出口用于采集经扫描活体样品后的激光信号，所述信号输出口包括，所述不少于两个光纤均匀嵌入所述球形腔体中。

示例性的，可采用内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体作为球形腔体，球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔和放置光接收器件的接收孔。所述球形腔体内部是良好的球面，其相对于理想球面的偏差应不大于内径的0.2％。相应的在球形腔体上设有入口，用于使扫描激发光进入所述球形腔体；以及信号输出口，用于采集经扫描活体样品后的激光信号。扫描激光进入积分球活体样品仓，扫描活体后，激光信号通过出口导出到检测器模块。活体仓作为一个光线汇集单元起到信号增强的作用。可选的，所述信号输出口包括，所述不少于两个光纤均匀嵌入所述球形腔体中。由于球形腔体中激发激光在球形腔体内照射后产生多次反射，因此，可以设有至少两个信号输出口，并且多个信号输出口可均匀设置于所述球形腔体。可选的，所述信号输出口可以通过光纤方式均匀嵌入所述球形腔体中。

所述球形腔体内壁上可涂以理想的漫反射材料，以提高反射率。也就是漫反射系数接近于1的材料。所述高反射率涂料为500-1700nm范围反射率＞85％的涂料。常用的材料可以选用氧化镁或硫酸钡，将它和胶质粘合剂混合均匀后，喷涂在内壁上。氧化镁涂层在可见光谱范围内的光谱反射比都在99％以上，这样，进入积分球的光经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度。同时为获得较高的测量准确度，相应的各种开口的开孔比应尽可能小。开孔比定义为积分球开孔处的球面积与整个球内壁面积之比。其具有较好的光学性能，因此，适用于近红外荧光活体扫描成像的使用。

活体荧光成像测试时候，荧光发射本身是没有方向性的，如果采用物镜返回信号，受限于镜头的数值孔径，由于活体对发光的高散光特性，进一步减少回到检测器的信号量。而利用上述装置，则可有效解决高散光特性代理的接收道德荧光反射图像的信号量较少的问题。

本发明提供的激光扫描活体荧光成像信号采集装置由于采用分布于球形腔体的光纤采集荧光信号，荧光信号采集效率不再受限于物镜的数值孔径及工作距离等技术特征。能够有效提升荧光信号的采集效率。同时，由于近似于密封的球形腔体作为扫描的主要场所，可以减少振镜扫描成像往复式设计的光路复杂性；有利于激光扫描光路设计小型化。

活体样品本身不适合采用移动进行扫描，配合xy扫描振镜和积分球辅助的信号采集，更好获得高散光样品的荧光成像数据。

图2是本发明实施例一提供的的激光扫描活体荧光成像信号采集装置中扫描单元的结构示意图。参见图2，可选的，所述扫描单元还可包括：桶镜，所述桶镜用于调整脉冲检测激光的光束，所述桶镜介于所述振镜模块和物镜之间。所述桶镜可通过含有氧化硅的材质磨成，对应不同的凹凸率，可通过光学折射效果汇聚光束，形成适合扫描大小的光斑，实现扩束作用，可以进一步提升分辨率。

相应的，所述扫描单元，还包括：反射镜和分光镜，用于按照设定方向调整发射光和激发光的方向。

所述扫描单元，还可包括：

快门，所述快门用于阻挡所述脉冲检测激光进入振镜模块，减少长时间脉冲检测激光对于光学器件的损伤。

红外荧光检测器，用于接收脉冲激光器发生的激光检验样品后的红外信号。所述红外荧光检测器包括时间分辨荧光成像采集模块FastFLIM。时间分辨荧光成像采集模块FastFLIM用于根据红外荧光检测器采集到的荧光信号获取时间分辨的荧光强度信号，时间分辨荧光成像采集技术为数字频域技术或者时间相关单光子计数技术。FastFLIM可利用数字频域获取时间分辨的荧光强度信号。

所述球形腔体内设有样品盛放台。用于在扫描过程中夹持固定所述活体样品，例如：小白鼠等。避免在活体扫描过程中，由于活体样品活动导致的扫描效果差的问题。所述样品盛放台可以采用一平板，所述平板设有多个夹持装置，所述夹持装置可以夹住活体小动物的四肢和躯干主体。所述夹持装置可采用活动夹。夹持架表面喷涂和积分球内壁同样的涂料，以提高反射度。

进一步的，所述样品盛放台底部与伺服电机连接，用于通过所述伺服电机驱动所述样品盛放台沿垂直于所述样品盛放台方式运动，以扫描所述活体样品内的不同深度。示例性的，所述伺服电机的输出端可以与齿轮转动连接，详情的，所述样品盛放台下部设有与所述齿轮配合的齿条，利用驱动伺服电机，可以精准的带动所述样品盛放台在Z轴方向精准运动。以获取扫描样品在不同的扫描深度，即不同Z轴方向的扫描图像，便于生成扫描活体样品的三维图像。

可选的，所述球形腔体上设有混合气体输入口，用于输入氮氧混合气体，以使得所述活体样品在扫描过程中保持存活；相应的，所述球形腔体还设有气体输出口，用于保持所述球形腔体内的气压稳定。以使得活体样品在扫描过程中能够维持正常的生理参数，便于的带稳定的荧光扫描图像。

此外，所述球形腔体上还设有麻醉气体输入口。用于在扫描过程中，保持麻醉气体输入，以使得在扫描过程中使活体样品处于麻醉状态。

相应的，所述所述样品仓还设有摄像机，积分球式活体样品仓的球壁内安放氧气、二氧化碳和湿度传感器。所述摄像机与外界通过无线网络连接。便于观察活体样品的状态，并通过各种传感器随时调整样品仓内的环境，以获取更好的荧光扫描图像成果。并且通过氧气及厌氧的供气为样本提供生理活性的保障，温度和湿度控制保证小动物的测试环境；并通过摄像头更好了解活体的代谢过程。通过麻醉气体导入，保证小动物的静止状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光扫描活体荧光成像信号采集装置，其包括：

脉冲激光器，用于发射脉冲检测激光；

样品盛放台，用于盛放样品；

其特征在于：所述扫描单元包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫描单元还包括：

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫描单元，还包括：

4.据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述球形腔体的内侧涂有高反射率涂料形成高反射率涂层。

5.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品盛放台底部与伺服电机连接，用于通过所述伺服电机驱动所述样品盛放台沿垂直于所述样品盛放台方式运动，以扫描活体样品内的不同深度。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述球形腔体上设有混合气体输入口，用于输入氮氧混合气体，以使得所述活体样品在扫描过程中保持存活。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述球形腔体上还设有麻醉气体输入口。