CN110638427A - 红外二窗荧光扫描活体成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外二窗荧光扫描活体成像装置及方法，所述装置包括：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；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。可以在ns到ms尺度分辨发光的改变，并有效回避激发光干扰，提高信噪比。

Description

红外二窗荧光扫描活体成像装置及方法

技术领域

本发明属于生物活体成像技术领域，尤其是涉及一种红外二窗荧光扫描活体成像装置及方法。

背景技术

可见光活体成像技术主要采用生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)两种技术。生物发光是用荧光素酶(Luciferase)基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团(GFP、RFP,Cyt及dyes等)进行标记。可以让研究人员能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。通过这个系统，可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。

目前，市场上己出现商用的近红外二区荧光宏观成像系统，可以实现生物标本(如小鼠)的近红外二区荧光全身成像。此外，近红外二区荧光成像还可以和宽场显微成像技术相结合，构成近红外二区荧光显微成像系统，进而实现对活体生物样品高放大倍率下动态的实时观测。

然而，在实现本发明的过程中，发明人发现如下技术问题：现有的红外二窗荧光活体成像技术，基本是采用冷冻的IGA铟镓砷红外相机拍照方式来获得红外二区荧光图像采集的方法。该种方式至少存在以下问题：需要很高能量的激发光进行激励，一般需要10W功率以上的激光光源照明，对应小动物活体、生物质测试材料损伤较大，且分辨率通常只有1024×1024像素，仍然无法满足大视场的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种红外二窗荧光扫描活体成像装置及方法，以至少解决现有技术中存在的红外二窗荧光扫描活体成像激光功率高且分辨率无法到达大视场要求的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明提供了一种红外二窗荧光扫描活体成像装置，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。

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，所述装置包括：

时间分辨荧光成像采集模块，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。

进一步的，所述样品盛放台能够沿Z轴方向精准运动。

进一步的，所述样品盛放台上设有固定装置，用于固定活体样品。

进一步的，所述扫描单元，还包括：

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。

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。

更进一步的，所述装置还包括：计算机，所述计算机用于实现对脉冲激光器、红外荧光检测器和振镜模块同步；和

根据设定的扫描深度调整所述样品盛放台沿Z轴精准运动。

第二方面，本发明还提供了一种利用上述提供的红外二窗荧光扫描活体成像装置的外二窗荧光扫描活体成像方法，包括：

控制脉冲激光器发射脉冲光束；

根据预设扫描设定模型调整偏转，通过低倍率物镜后在样品上进行扫描；

脉冲激光器同步信号给时间分辨荧光成像采集模块；

红外荧光检测器采集信号，传递给时间分辨荧光成像采集模块，获取时间分辨的荧光强度信号；

根据所述时间分辨的荧光强度信号重建xy空间的强度图像以及寿命图像。

进一步的，所述方法还包括：

将样品固定于所述样品盛放台，并连续调整样品盛放台至合适位置，以实现得到三维空间分布下的荧光强度数据和荧光寿命数据。

进一步的，所述振镜模块的动作依据三维控制模块控制。

更进一步的所述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。

相对于现有技术，本发明所述的红外二窗荧光扫描活体成像装置及方法具有以下优势：

本发明实施例提供的红外二窗荧光扫描活体成像装置及方法，通过增加低倍物镜，可以采用激光扫描方式获得红外二窗荧光的活体成像数据采集，包括用于大面积(3mm×3mm到75mm×75mm)防荧光伪数据采集；通过设定振镜模块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，提供更多的发光分子相互作用以及微环境的信息。并有效回避激发光干扰，提高信噪比，降低激发用激光能量，减少激光照射对活体的生理干扰，更加有力监控代谢过程无需更高的激光强度即可实现良好的荧光成像效果。并且可以提高成像分辨率，不再受限于相机像元。从现在已有的1024×1024提高到4096×4096。

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为本发明实施例一提供的红外二窗荧光扫描活体成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的红外二窗荧光扫描活体成像装置中扫描单元的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的红外二窗荧光扫描活体成像方法的流程示意图；

图4为利用本发明实施例二提供的红外二窗荧光扫描活体成像方法活体小鼠近红外大视场扫描成像图。

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。

实施例一

参见图1，图1为本发明实施例所述的红外二窗荧光扫描活体成像装置的结构示意图。由图1可以看出，所述红外二窗荧光扫描活体成像装置，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所述检测激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。

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。

图2是本发明实施例一提供的的红外二窗荧光扫描活体成像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。

本发明实施例提供的红外二窗荧光扫描活体成像装置，通过增加低倍物镜，可以采用激光扫描方式获得红外二窗荧光的活体成像数据采集，包括用于大面积(3mm×3mm到75mm×75mm)防荧光伪数据采集；通过设定振镜模块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，提供更多的发光分子相互作用以及微环境的信息。并有效回避激发光干扰，提高信噪比，降低激发用激光能量，减少激光照射对活体的生理干扰，更加有力监控代谢过程无需更高的激光强度即可实现良好的荧光成像效果。并且可以提高成像分辨率，不再受限于相机像元。从现在已有的1024×1024提高到4096×4096。

在本实施例的一个优选实施方式中，所述样品盛放台能够沿Z轴方向精准运动。可选的，样品盛放台可以通过电机实现精确升降，其Z轴运动通过电脑控制来扫描(活体)样品内的不同深度，以得到三维空间分布下的荧光强度数据和荧光寿命数据。

实施例二

本发明实施例二还提供了一种利用上述提供的红外二窗荧光扫描活体成像装置的红外二窗荧光扫描活体成像方法。参见图3，图3为本发明实施例所述的红外二窗荧光扫描活体成像方法的流程示意图。

相应的，本发明实施例提供的红外二窗荧光扫描活体成像方法方法包括：

S210,控制脉冲激光器发射脉冲光束。

S220,根据预设扫描设定模型调整偏转，通过低倍率物镜后在样品上进行扫描。

示例性的，所述振镜模块的动作依据三维控制模块控制。示例性的，振镜扫描由其驱动及控制模块通过软件控制，三维控制模块提供扫描的相应xy空间，即平面参数。脉冲激光器的同步信号提供时间分辨触发信号。

S230,脉冲激光器同步信号给时间分辨荧光成像采集模块。

脉冲激光器的同步信号提供时间分辨触发信号，时间分辨荧光成像采集模块。脉冲激光器和红外荧光检测器通过时间分辨的时序采集并和xy振镜同步。

S240,红外荧光检测器采集信号，传递给时间分辨荧光成像采集模块，获取时间分辨的荧光强度信号。

S250,根据所述时间分辨的荧光强度信号重建xy空间的强度图像以及寿命图像。

将所述荧光强度心血号与所述扫描信号重组拟合。所述振镜模块的动作依据三维控制模块控制。三维控制模块提供xy空间参数，脉冲激光器的同步信号提供时间分辨触发信号，加上每次触发后的时间分辨荧光强度信号；重组拟合后获得xy空间的强度成像，xy空间的荧光寿命成像，xy空间的实际分辨强度成像。所述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。

在本实施例的一个优选实施方式中，所述方法还可包括如下步骤：将样品固定于所述样品盛放台，并连续调整样品盛放台至合适位置，以实现得到三维空间分布下的荧光强度数据和荧光寿命数据。示例性的，可以通过所述样品盛放台上的固定装置固定活体样品，防止由于在检测过程中由于样品活体动作导致的测量结果偏差。并连续调整样品盛放台至合适位置，通过连续调整样品盛放台至多个合适位置以实现得到三维空间分布下的荧光强度数据和荧光寿命数据，可选的，可以通过电脑控制来扫描(活体)样品内的不同深度，以得到三维空间分布下的荧光强度数据和荧光寿命数据。

图4为利用本发明实施例二提供的红外二窗荧光扫描活体成像方法活体小鼠近红外大视场扫描成像图。通过近红外量子点染料通过静脉注射到小鼠体内，通过808-nm激光激发，采集940-nm高通荧光信号得到。由图中可以看出，成像覆盖了较大的图像范围，且成像分辨率较高，信噪比有效提高。

利用上述红外二窗荧光扫描活体成像方法，可以采用激光扫描方式获得红外二窗荧光的活体成像数据采集，包括用于大面积(3mm×3mm到75mm×75mm)防荧光伪数据采集；可以在ns到ms尺度分辨发光的改变，提供更多的发光分子相互作用以及微环境的信息。并有效回避激发光干扰，提高信噪比；可以降低激发用激光能量，减少激光照射对活体的生理干扰，更加有力监控代谢过程；可以提高成像分辨率，不再受限于相机像元。从现在已有的1024×1024提高到4096×4096；通过提高数据缓存，可以无限提高；可以观察多组分协同作用，利用荧光寿命可以实现多组分分解，一次实现至少2组分在样品分布及组分情况；提高检测效率。

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 (10)

1.一种红外二窗荧光扫描活体成像装置，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；

其特征在于，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。

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：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。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括：

时间分辨荧光成像采集模块，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。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述样品盛放台能够沿Z轴方向精准运动。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品盛放台上设有固定装置，用于固定活体样品。

6.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：

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。

7.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：

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。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：计算机，所述计算机用于实现对脉冲激光器、红外荧光检测器和振镜模块同步；和

根据设定的扫描深度调整所述样品盛放台沿Z轴精准运动。

9.一种利用权利要求1所述的红外二窗荧光扫描活体成像装置的红外二窗荧光扫描活体成像方法，其特征在于，包括：

控制脉冲激光器发射脉冲光束；

根据预设扫描设定模型调整偏转，通过低倍率物镜后在样品上进行扫描；

脉冲激光器同步信号给时间分辨荧光成像采集模块；

红外荧光检测器采集信号，传递给时间分辨荧光成像采集模块，获取时间分辨的荧光强度信号；

根据所述时间分辨的荧光强度信号重建xy空间的强度图像以及寿命图像。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将样品固定于所述样品盛放台，并连续调整样品盛放台至合适位置，以实现得到三维空间分布下的荧光强度数据和荧光寿命数据。

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