CN111812833A - 一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜及其成像方法 - Google Patents

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胡倩倩
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Abstract

本发明公开了一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜及其成像方法，涉及显微测量成像技术领域，该用于器官芯片成像的低扰动显微镜，包括LED阵列面板、匀光片、显微镜成像系统；所述显微镜成像系统包括载物台、可调紧凑型集成液态镜头物镜和相机；所述LED阵列面板设置于匀光片的前焦面上，所述匀光片设置于载物台的上方，所述可调紧凑型集成液态镜头物镜设置于载物台的下方，所述相机设置于可调紧凑型集成液态镜头物镜的下方，本发明中，通过移动可调紧凑型集成液态镜头物镜和相机采集样品信息，避免了载物台移动对样品的影响，同时实现了快速、高效和高精度成像，实现了对人体器官芯片高通量成像。

Description

一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜及其成像方法
技术领域
本发明属于显微测量成像技术领域，具体为一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜及其成像方法。
背景技术
人体器官芯片生物组织成像分析由二维组织切片成像发展到组织器官的三维成像技术，类器官或者人体器官芯片的三维生物组织较厚，且有时会悬浮在培养液体中；
传统的显微成像，显微镜的物镜和照明装置都是固定的，通过载物台的移动，看清在载物台上样品的全部；
由于人体器官芯片的特殊性，载物台的移动会造成内部培养液体的晃动甚至三维细胞聚集体的晃动，破坏人体器官芯片的成像效果，另外人体器官芯片往往需要搭配微流控系统在显微镜下成像，那么载物台的移动也会对微流控系统造成一定的影响，系统不仅需要对生物组织需要较高的空间分辨率，更需要快速成像，而载物台的快速移动造成的扰动相对较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜及其成像方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜，包括LED阵列面板、匀光片、显微镜成像系统；
所述显微镜成像系统包括载物台、可调紧凑型集成液态镜头物镜和相机；
所述LED阵列面板设置于匀光片的前焦面上，所述匀光片设置于LED阵列面板的外表面，所述可调紧凑型集成液态镜头物镜设置于载物台的下方，所述相机设置于可调紧凑型集成液态镜头物镜的下方。
优选的，所述载物台用于固定器官芯片。
优选的，所述LED阵列面板的每个LED单元由三个小灯珠组成，三个所述小灯珠的颜色分别为红、绿、蓝。
一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜的成像方法，包括以下步骤：
步骤一、利用硬件电路和软件编程同时控制LED阵列面板，使LED阵列面板的照明圆斑，按照顺序对整个待测器官芯片区域进行照明；
步骤二、使可调紧凑型集成液态镜头物镜，完成对载物台器官芯片在z轴方向的自动对焦；
步骤三、通过XYZ导轨模组使可调紧凑型集成液态镜头物镜和相机，按照步骤一中照明圆斑的照明顺序同步移动；
步骤四、在步骤三中，使相机在移动过程中，对整个待测器官芯片进行的推扫式成像，完成器官芯片的低扰动显微成像；
步骤五、对步骤四中相机拍摄的视频进行处理，选择出带有样品信息的图片。
优选的，步骤一中，所述LED阵列面板的尺寸可覆盖成像器官芯片的尺寸或载物台的尺寸。
优选的，步骤一中，所述LED阵列面板点亮区域的中心，与可调紧凑型集成液态镜头物镜的光轴位置对齐。
优选的，所述点亮区域的大小与可调紧凑型集成液态镜头物镜的孔径数值相匹配。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，可通过编程实现对器官芯片不同区域的照明。
2、本发明中，将LED阵列照明方式引入到显微成像系统中，可以根据显微物镜的孔径数值，调节系统照明孔径数值，可以适用于不同放大倍率和孔径数值的显微物镜，提高了系统的兼容性以及灵活性。
3、本发明中，载物台不移动，降低了器官芯片成像的扰动。
4、本发明中，视频拍摄，提高了成像速度。
附图说明
图1为本发明显微镜的结构示意图；
图2为本发明LED阵列面板照明孔径数值示意图；
图3为本发明的流程框图；
图中：1、LED阵列面板；2、匀光片；3、载物台；4、可调紧凑型集成液态镜头物镜；5、相机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-3，一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜，包括LED阵列面板1、匀光片2、显微镜成像系统；
显微镜成像系统包括载物台3、可调紧凑型集成液态镜头物镜4和相机5；
LED阵列面板1设置于匀光片2的前焦面上，匀光片2设置于LED阵列面板1的外表面，可调紧凑型集成液态镜头物镜4设置于载物台3的下方，相机5设置于可调紧凑型集成液态镜头物镜4的下方。
进一步的，载物台3用于固定器官芯片。
进一步的，LED阵列面板1的每个LED单元由三个小灯珠组成，三个小灯珠的颜色分别为红、绿、蓝。
一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜的成像方法，包括以下步骤：
步骤一、利用硬件电路和软件编程同时控制LED阵列面板1，使LED阵列面板1的照明圆斑，按照顺序对整个待测器官芯片区域进行照明；
步骤二、使可调紧凑型集成液态镜头物镜4，完成对载物台3器官芯片在z轴方向的自动对焦；
步骤三、通过XYZ导轨模组使可调紧凑型集成液态镜头物镜4和相机5，按照步骤一中照明圆斑的照明顺序同步移动；
步骤四、在步骤三中，使相机5在移动过程中，对整个待测器官芯片进行的推扫式成像，完成器官芯片的低扰动显微成像；
步骤五、对步骤四中相机5拍摄的视频进行处理，选择出带有样品信息的图片
进一步的，步骤一中，LED阵列面板1的尺寸可覆盖成像器官芯片的尺寸或载物台3的尺寸。
进一步的，步骤一中，LED阵列面板1点亮区域的中心，与可调紧凑型集成液态镜头物镜4的光轴位置对齐。
具体地，点亮区域的大小与可调紧凑型集成液态镜头物镜4的孔径数值相匹配。
通过上述技术方案：
使用时，本发明基于LED阵列面板1、匀光片2或者透镜组用于为显微镜成像系统提供均匀光强的照明；
LED阵列面板1放置在匀光片2或者透镜组的前焦平面上，且LED阵列面板1的中心处于可调紧凑型集成液态镜头物镜4的光轴上；
透过载物台3的光被可调紧凑型集成液态镜头物镜4收集，并成像在相机5的图像平面上，成像时，将载物台3上的待测样品(器官芯片)调节到可调紧凑型集成液态镜头物镜4的前焦面上，构成无穷远校正成像系统；
照明图案显示在LED阵列面板1上，每个被点亮的LED单元(照明光斑)，发出的光经过匀光片2或者透镜组，均匀的照射在待测样品上，通过可调紧凑型集成液态镜头物镜4内的调焦装置对准焦距，透过待测样品的光线经过显微镜系统后成像在相机5的成像平面上，在最佳像面位置采集图像，该装置一般放置在载物台3的下方，但是对于倒置显微镜，则整个光路相反，即LED阵列面板1和匀光片2或者透镜组位于载物台3的上方。
LED阵列面板1作为照明光源，其照亮区域要能尽可能的覆盖匀光片2或透镜组前焦面的所有有效区域，为了满足不同波长和不同亮度的照明需求，该LED阵列面板1每个LED单元由三个小灯珠(红、绿、蓝)组成，其具体的参数如下所示：
表1 LED阵列的参数
Figure BDA0002617940090000051
Figure BDA0002617940090000061
LED阵列面板1中的每个LED单元均可通过编程单独点亮，为了满足照明孔径数值与可调紧凑型集成液态镜头物镜4(以下内容中，可调紧凑型集成液态镜头物镜4简称物镜)的孔径数值相匹配(照明孔径数值等于或者略大于物镜的孔径数值)，LED阵列面板1可现实不同半径的照明面圆；
如图2所示，物镜孔径数值定义如式所示NA0bj＝nsinθ，其中，n为介质折射率，θ是能够进入物镜的光线的最大入射角，满足表达式sinθ＝R(R2+L2)1/2，L是物镜到LED阵列的垂直距离，假设光线传播介质为真空，那么介质折射率n＝1，光源LED阵列面板1形成的照明图案的R＝L·NA0bj(1-NA0bj 2)1/2，那么LED阵列中各LED灯间距相等，则该阵列中需要点亮2R/Δ×2R/Δ个LED单元，其中Δ为相邻LED间的距离，为了满足不同样品成像的需求，可以适当的增大LED阵列面板1的尺寸，同时通过编程LED阵列面板1可实现透射光强与波长的调制，从而实现普通显微镜不能实现的显微成像功能；
综上，通过该移动装置拍摄视频的显微成像方法，成像时间快，样品扰动低。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜，其特征在于：包括LED阵列面板(1)、匀光片(2)、显微镜成像系统；
所述显微镜成像系统包括载物台(3)、可调紧凑型集成液态镜头物镜(4)和相机(5)；
所述LED阵列面板(1)设置于匀光片(2)的前焦面上，所述匀光片(2)设置于LED阵列面板(1)的外表面，所述可调紧凑型集成液态镜头物镜(4)设置于载物台(3)的下方，所述相机(5)设置于可调紧凑型集成液态镜头物镜(4)的下方。
2.如权利要求1所述的一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜，其特征在于：所述载物台(3)用于固定器官芯片。
3.如权利要求1所述的一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜，其特征在于：所述LED阵列面板(1)的每个LED单元由三个小灯珠组成，三个所述小灯珠的颜色分别为红、绿、蓝。
4.依据权利要求1-3任一所述的一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、利用硬件电路和软件编程同时控制LED阵列面板(1)，使LED阵列面板(1)的照明圆斑，按照顺序对整个待测器官芯片区域进行照明；
步骤二、使可调紧凑型集成液态镜头物镜(4)，完成对载物台(3)器官芯片在z轴方向的自动对焦；
步骤三、通过XYZ导轨模组使可调紧凑型集成液态镜头物镜(4)和相机(5)，按照步骤一中照明圆斑的照明顺序同步移动；
步骤四、在步骤三中，使相机(5)在移动过程中，对整个待测器官芯片进行的推扫式成像，完成器官芯片的低扰动显微成像；
步骤五、对步骤四中相机(5)拍摄的视频进行处理，选择出带有样品信息的图片。
5.如权利要求4所述的一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜的成像方法，其特征在于：步骤一中，所述LED阵列面板(1)的尺寸可覆盖成像器官芯片的尺寸或载物台(3)的尺寸。
6.如权利要求4所述的一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜的成像方法，其特征在于：步骤一中，所述LED阵列面板(1)点亮区域的中心，与可调紧凑型集成液态镜头物镜(4)的光轴位置对齐。
7.如权利要求6所述的一种用于器官芯片成像的低扰动显微镜的成像方法，其特征在于：所述点亮区域的大小与可调紧凑型集成液态镜头物镜(4)的孔径数值相匹配。
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