CN112014318A - 一种随机光学重建显微成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随机光学重建显微成像系统，该成像系统包括：光源模块，用于产生能够激发染料发生自发闪烁的激发光；激光调制模块，激光调制模块包括滤波器，滤波器用于对光源模块发出的激发光进行调制后输出；显微成像模块，显微成像模块包括成像装置，成像装置用于染料标记的待测样品被调制后的激发光激发时的成像；控制模块，控制模块用于控制滤波器的工作状态和成像装置的曝光状态同步。通过实施本发明，采用控制模块控制滤波器的工作状态和成像装置的曝光状态同步，使得激发光对样品的激活和样品的成像达到同步，避免激发光长时间照射样品降低活细胞样品的活性和荧光染料的闪烁时长，从而延长活细胞动态过程的时长。

Description

一种随机光学重建显微成像系统
技术领域
本发明涉及光学显微成像技术领域，具体涉及一种随机光学重建显微成像系统。
背景技术
细胞及其细胞器在生命体中具有重要的生理机能，成为科学家们研究的重点。然而细胞器，诸如线粒体、内质网、高尔基体等的尺寸较小，通常在纳米尺度范围。传统的光学显微镜受到光学衍射极限的限制，分辨率只能达到200nm左右，而电子显微镜虽然分辨率高，却不能用于活细胞成像。科学家们针对光学显微镜的分辨率极限，开发出了几类可以突破光学衍射极限的方法，主要包括受激发射损耗显微镜(Stimulated Emission DepletionMicroscopy，STED)、结构光照明显微镜(Structure Illumination Microscopy，SIM)、光活化定位显微术(PhotoactivatedLocalization Microscopy，PALM)和随机光学重构显微术(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，STORM)。
其中，STORM超分辨成像方法作为一种新的超分辨成像技术，由于其具有高的空间分辨率，探针易制备，适用于活细胞等优点，受到研究人员的青睐。STORM超分辨显微成像的原理是：用染料对细胞器进行特异性标记后，在特定波长的激光照射下，特异性标记的染料分子发生自发的光致闪烁，每次采集几十或数百个荧光闪烁点，叠加数百甚至上千帧图像后即可重构出一幅超分辨图像。在观察活细胞长时程的动态过程时，需要对细胞进行长时间的照射，会降低细胞的活性，且荧光染料的闪烁时间是有限的，因此如何延长染料的闪烁时长成为关键。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种随机光学重建显微成像系统，以解决在采用随机光学重构显微镜进行活细胞成像时如何延长染料的闪烁时长的问题。
本发明提出的技术方案如下：
本发明实施例提供一种随机光学重建显微成像系统，该成像系统包括：光源模块，用于产生能够激发染料发生自发闪烁的激发光；激光调制模块，所述激光调制模块包括滤波器，所述滤波器用于对所述光源模块发出的激发光进行调制后输出；显微成像模块，所述显微成像模块包括成像装置，所述成像装置用于染料标记的待测样品被调制后的激发光激发时的成像；控制模块，所述控制模块用于控制所述滤波器的工作状态和所述成像装置的曝光状态同步。
进一步地，控制模块包括：滤波器控制器和微处理器，所述微处理器分别调用所述滤波器控制器中的滤波器控制参数和所述成像装置中的成像帧率，根据所述滤波器控制参数和所述成像帧率分别生成第一控制指令和第二控制指令；所述滤波器控制器接收所述第一控制指令，根据所述第一控制指令控制所述滤波器工作；所述微处理器根据所述第二控制指令控制所述成像装置工作。
进一步地，所述滤波器为声光可调谐滤波器，所述成像装置为EMCCD相机。
进一步地，所述第一控制指令包括控制所述滤波器处于开启状态的第一持续时间和处于关闭状态的第二持续时间，所述第二控制指令包括所述成像装置的曝光时间和等待时间，所述第一持续时间和所述曝光时间相等，所述第二持续时间和所述等待时间相等。
进一步地，所述第一控制指令和第二控制指令采用LabVIEW语言编写。
进一步地，所述滤波器控制器控制所述滤波器的调制光通道和光功率的大小。
进一步地，所述激光调制模块还包括：依次设置的滤光轮、第一扩束镜、第二扩束镜以及聚焦透镜，所述滤波器设置在所述滤光轮和所述第一扩束镜之间。
进一步地，所述激光调制模块还包括：第一光阑、第二光阑、第三光阑以及第四光阑，所述第一光阑设置在所述滤光轮之前，所述第二光阑设置在所述滤光轮和所述滤波器之间，所述第三光阑设置在所述滤波器和所述第一扩束镜之间，所述第四光阑设置在所述第二扩束镜和所述聚焦透镜之间。
进一步地，所述第一扩束镜和所述第二扩束镜之间的距离为第一扩束镜的焦距和第二扩束镜的焦距之和。
进一步地，所述显微成像模块包括：依次设置的二向色镜和物镜，所述激光调制模块输出的调制后的激发光依次通过所述二向色镜和物镜后激发待测样品上的染料。
本发明提供的技术方案，具有如下效果：
本发明实施例提供的随机光学重建显微成像系统，采用滤波器对光源模块输出的激发染料发生自发闪烁的激发光进行调制，并设置成像装置用于染料标记的待测样品被调制后的激发光激发时的成像，同时通过控制模块控制滤波器的工作状态和成像装置的曝光状态同步，例如调制滤波器频率即滤波器的开关和成像装置的曝光帧率一致，使得激发光对样品的激活和样品的成像达到同步，避免激发光长时间照射样品降低活细胞样品的活性和荧光染料的闪烁时长，从而延长活细胞动态过程的时长。
本发明实施例提供的随机光学重建显微成像系统，通过微处理器程序控制能够实现图像采集和AOTF硬件控制同步进行，且方法简单，易于实现；同时，微处理器基于LabVIEW图形化开发环境进行程序设置，LabVIEW程序具有简单易操作的优点，在调试阶段可以查看各个参数模块的工作状态，方便对参数进行调节。此外，该系统运用AOTF快速响应的优点，引入AOTF的“开关”作用，当相机处于采集数据时间段时，AOTF开启，当每一帧图像采集结束时到下一帧采集开始的等待时间段时，AOTF处于关闭状态，降低荧光分子的“损耗”，延长染料的闪烁时长，从而观察到更多的活细胞动态过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的随机光学重建显微成像系统的结构框图；
图2是根据本发明实施例的声光可调谐滤波器的结构原理图；
图3是根据本发明实施例的控制模块的控制流程图；
图4是根据本发明实施例随机光学重建显微成像系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种随机光学重建显微成像系统，如图1所示，该随机光学重建显微成像系统包括：光源模块100，用于产生能够激发染料发生自发闪烁的激发光；激光调制模块200，激光调制模块200包括滤波器，滤波器用于对光源模块发出的激发光进行调制后输出；显微成像模块300，显微成像模块300包括成像装置，成像装置用于染料标记的待测样品被调制后的激发光激发时的成像；控制模块400，控制模块400用于控制滤波器的工作状态和成像装置的曝光状态同步。具体地，对于光源模块100，可以采用激光器，该激光器发出的激发光波长可以是656nm。
本发明实施例提供的随机光学重建显微成像系统，采用滤波器对光源模块输出的激发染料发生自发闪烁的激发光进行调制，并设置成像装置用于染料标记的待测样品被调制后的激发光激发时的成像，同时通过控制模块控制滤波器的工作状态和成像装置的曝光状态同步，例如调制滤波器频率即滤波器的开关和成像装置的曝光帧率一致，使得激发光对样品的激活和样品的成像达到同步，避免激发光长时间照射样品降低活细胞样品的活性和荧光染料的闪烁时长，从而延长活细胞动态过程的时长。
在一实施例中，滤波器选择声光可调谐滤波器(Acousto－opticTunableFilter，AOTF)。声光可调谐滤波器是一种可调谐的带通滤波器，它能够在入射光中选择与声波频率对应的光波波长。如图2所示，根据布拉格衍射原理，入射光经过AOTF后，0级衍射光和+1级衍射光偏离入射光方向。由于不同的入射光的临界角不一样，所以+1级衍射光与0级衍射光的夹角不一样，因此可以用来挑选出射的激光。同时，由于AOTF具有极短的响应时间，可以作为控制光源的开关。
在一实施例中，为了提高成像装置的帧率并降低噪声，成像装置可以选择EMCCD(Electron－Multiplying CCD)相机。具体地，可以选择Andor EMCCD相机。相机中预先存储有相应的成像参数。
在一实施例中，控制模块包括：滤波器控制器和微处理器，微处理器分别调用滤波器控制器中的滤波器控制参数和成像装置中的成像帧率，根据滤波器控制参数和成像参数分别生成第一控制指令和第二控制指令；滤波器控制器接收第一控制指令，根据第一控制指令控制滤波器工作；微处理器根据第二控制指令控制成像装置工作。
具体地，滤波器控制器作为AOTF的控制器，内置有AOTF的控制程序。同时EMCCD相机中存储有SDK软件包，内置有相机的成像参数。微处理器可以采用USB与EMCCD相机连接，采用COM口与滤波器控制器连接；微处理器可以分别调用AOTF的控制程序和相机的成像帧率，将EMCCD相机的控制程序和AOTF控制子程序结合，得到第一控制指令和第二控制指令，从而控制EMCCD相机和AOTF的同步。
例如，当EMCCD采集数据时，AOTF处于开状态，激光通过AOTF后照射在样品上，激活具有特异性标记的荧光分子；当EMCCD处于等待时间时，AOTF也相应的处于关闭状态，激光不能通过AOTF，此时荧光分子没有激光的激发处于暗态。通过控制AOTF的开关处于交替状态，使得荧光分子不再持续长时间暴露在光源的照射下，降低了光源对活细胞的光毒性，同时延长了荧光分子的闪烁时间，从而能够获取到更多的活细胞的动态过程。当一份数据采集完成时，点击停止采集按钮后，同时降低激发光的光功率，EMCCD处于持续获取数据状态，同时AOTF也转换到处于持续的开启状态。
在一实施例中，微处理器可以基于LabVIEW图形化开发环境，将图像采集与AOTF硬件控制进行同步处理。首先，调用EMCCD相机SDK软件包中的dll文件，获取EMCCD相机的内置函数，对相机进行初始化；其次调用相机各个模块的子vi，设置相机的各个采集参数；接着将编写好的AOTF控制程序子vi导入到微处理器设置的主程序中；设置For循环，实现图像采集和AOTF开关控制；最后设置Shut Down参数释放相机的内存。
具体地，如图3所示，对于相机和滤波器控制器的控制过程可以按照以下步骤实现：
步骤101：调用Andor EMCCD相机SDK文件中的atmcd32d.dll文件，对相机进行初始化操作。
步骤102：从atmcd32d.dll文件中调用相机的各参数子vi。
步骤103：设置相机的曝光时间t1、等待时间t2、相机的采集视场大小、采集时长(帧数)和EMCCD增益大小。
步骤104：从atmcd32d.dll文件中调用相机的Open Shutter参数，设置For循环，循环显示视场图像，同时寻找采集目标。
步骤105：从atmcd32d.dll文件中调用相机的Prepare Acquisition参数，EMCCD相机准备开始采集图像。
步骤106：调用AOTF的控制程序，设置与激发光波长对应的声频率，设置光功率，运行AOTF子vi，AOTF处于开状态的持续时间t3和处于关闭状态的持续时间t4。
步骤107：从atmcd32d.dll文件中调用相机的Write Data参数，设置保存图像的格式和保存路径，保存采集的数据。
步骤108：从atmcd32d.dll文件中调用相机的停止采集子vi，结束图像采集。
步骤109：若需要采集下一个目标，则回到步骤四。若结束实验，则从atmcd32d.dll文件中调用相机的Shutter down参数，释放内存。
本发明实施例提供的随机光学重建显微成像系统，通过微处理器程序控制能够实现图像采集和AOTF硬件控制同步进行，且方法简单，易于实现；同时，微处理器基于LabVIEW图形化开发环境进行程序设置，LabVIEW程序具有简单易操作的优点，在调试阶段可以查看各个参数模块的工作状态，方便对参数进行调。此外，该系统运用AOTF快速响应的优点，引入AOTF的“开关”作用，当相机处于采集数据时间段时，AOTF开启，当每一帧图像采集结束时到下一帧采集开始的等待时间段时，AOTF处于关闭状态，降低荧光分子的“损耗”，延长染料的闪烁时长，从而观察到更多的活细胞动态过程。
可选地，滤波器控制器不仅能控制AOTF的开断，还可以控制AOTF的调制光通道和光功率的大小。即滤波器控制器可以修改AOTF的声频率达到选频的目的；通过对AOTF的开关控制激发光的亮暗。
在一实施例中，激光调制模块还包括：依次设置的滤光轮、第一扩束镜、第二扩束镜以及聚焦透镜，滤波器设置在滤光轮和第一扩束镜之间。其中，滤光轮可以设置12个调制档位，起到切换激发光功率的作用。可选地，第一扩束镜和第二扩束镜之间的距离为第一扩束镜的焦距和第二扩束镜的焦距之和，这从而可以使得光束经过扩束镜时为平行光束。
在一实施例中，激光调制模块还包括：第一光阑、第二光阑、第三光阑以及第四光阑，第一光阑设置在滤光轮之前，第二光阑设置在滤光轮和滤波器之间，第三光阑设置在滤波器和第一扩束镜之间，第四光阑设置在第二扩束镜聚焦透镜之间。具体地，在激光调制模块设置的多个光阑中，第一光阑和第二光阑可以将光源模块出射的不规则激发光限制为圆斑，同时设置第一光阑和第二光阑高度一致可以对光束起到准直作用；第三光阑用于将经过滤波器或其他元件如反射镜等发生形变的光斑限制为圆形；第四光阑可以用于改变圆斑的大小，也就是改变照射到待测样品上的光斑大小即视场大小。其中，采用光阑将激发光光束设置为圆形，可以使得照射到待测样品上的光束均匀，提高成像质量。此外，还可以在激光调制模块中设置多个反射镜，用于改变光束的传播方向，同时减小激光调制模块的体积。
在一实施例中，显微成像模块包括：依次设置的二向色镜和物镜，激光调制模块输出的调制后的激发光依次通过二向色镜和物镜后激发待测样品上的染料。其中，待测样品可以通过培养皿放置在样品台上。
在一实施例中，该随机光学重建显微成像系统中的各个元件可以按照如图4所示的方式进行设置，激光器1发出的激发光依次通过第一光阑2、滤光轮3以及第二光阑4被第一反射镜5反射，反射的光经过声光可调谐滤波器6调制后被反射镜7反射后，再依次经过第三光阑8、第一扩束镜9、第二扩束镜10、第四光阑11、第三反射镜12、第四反射镜13和聚焦透镜14输出至显微成像模块的二向色镜15，通过二向色镜15的激发光经过物镜16照射在培养皿17中的待测样品上。同时设置EMCCD相机19通过光阑18对待测样品上的染料被激发光激发时进行成像。其中，第三反射镜12和第四反射镜13组成全内反射镜，可以用于提高传输的激发光信号的信噪比。此外，滤波器控制器21和声光可调谐滤波器6连接，微处理器20分别和滤波器控制器21及EMCCD相机连接，对其进行控制。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种随机光学重建显微成像系统，其特征在于，包括：
光源模块，用于产生能够激发染料发生自发闪烁的激发光；
激光调制模块，所述激光调制模块包括滤波器，所述滤波器用于对所述光源模块发出的激发光进行调制后输出；
显微成像模块，所述显微成像模块包括成像装置，所述成像装置用于染料标记的待测样品被调制后的激发光激发时的成像；
控制模块，所述控制模块用于控制所述滤波器的工作状态和所述成像装置的曝光状态同步。
2.根据权利要求1所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述控制模块包括：滤波器控制器和微处理器，
所述微处理器分别调用所述滤波器控制器中的滤波器控制参数和所述成像装置中的成像帧率，根据所述滤波器控制参数和所述成像帧率分别生成第一控制指令和第二控制指令；
所述滤波器控制器接收所述第一控制指令，根据所述第一控制指令控制所述滤波器工作；
所述微处理器根据所述第二控制指令控制所述成像装置工作。
3.根据权利要求1所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述滤波器为声光可调谐滤波器，所述成像装置为EMCCD相机。
4.根据权利要求2所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述第一控制指令包括控制所述滤波器处于开启状态的第一持续时间和处于关闭状态的第二持续时间，所述第二控制指令包括所述成像装置的曝光时间和等待时间，所述第一持续时间和所述曝光时间相等，所述第二持续时间和所述等待时间相等。
5.根据权利要求2所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述第一控制指令和第二控制指令采用LabVIEW语言编写。
6.根据权利要求2所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述滤波器控制器控制所述滤波器的调制光通道和光功率的大小。
7.根据权利要求1所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述激光调制模块还包括：依次设置的滤光轮、第一扩束镜、第二扩束镜以及聚焦透镜，所述滤波器设置在所述滤光轮和所述第一扩束镜之间。
8.根据权利要求7所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述激光调制模块还包括：第一光阑、第二光阑、第三光阑以及第四光阑，所述第一光阑设置在所述滤光轮之前，所述第二光阑设置在所述滤光轮和所述滤波器之间，所述第三光阑设置在所述滤波器和所述第一扩束镜之间，所述第四光阑设置在所述第二扩束镜和所述聚焦透镜之间。
9.根据权利要求7所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述第一扩束镜和所述第二扩束镜之间的距离为第一扩束镜的焦距和第二扩束镜的焦距之和。
10.根据权利要求1所述的随机光学重建显微成像系统，其特征在于，所述显微成像模块包括：依次设置的二向色镜和物镜，所述激光调制模块输出的调制后的激发光依次通过所述二向色镜和物镜后激发待测样品上的染料。
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