CN113143207A - 一种超宽波段双通道的活体光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于活体荧光成像技术领域，具体为一种超宽波段双通道的活体光学成像系统。本发明的光学成像系统包括：成像单元（包括可见面阵探测器、短波红外面阵探测器、镜头组、滤光片组及二向色镜组），用于收集和检测不同波段的光学信号；载物台，用于放置与固定待测样本，具有样品定位和电动调焦功能；激发单元，多模激发光光源自由切换，满足不同激发波长需求；本发明可检测300~2500 nm波段的荧光信号，解决了同步实现可见和短波红外活体光学检测的难题，实现超宽波段的光学成像。本发明结合相应荧光探针可以实现活体肿瘤诊断、瘤内微环境检测、光刺激治疗以及预后评估等功能的同步进行；检测范围宽、双通道同时检测、操作简单、快速反馈。

Description

一种超宽波段双通道的活体光学成像系统

技术领域

本发明属于荧光成像技术领域，具体涉及一种超宽波段双通道的活体光学成像系统。

背景技术

近年来恶性肿瘤已经成为全球死亡率较高的疾病，世界上因癌症殒命的人数与日俱增。随着科技的进步，肿瘤的诊断与治疗已经取得了长足的发展。但是，发展至今，对于肿瘤早期有效筛查手段少、早期诊断准确率低，往往癌症在被确诊时已经处于中晚期，造成死亡率急剧上升。常规肿瘤诊断的目标是确诊肿瘤实体的存在，但越来越多的研究开始关注肿瘤微环境内部结构和生化物质在其发生发展过程中的作用。

目前用于肿瘤诊断的成像技术主要包括核磁共振（MRI）成像、基于X射线的透视技术和计算机断层扫描（CT）成像、超声成像、基于放射性标记的正电子发射计算机断层成像（PET）和单光子发射型计算机断层成像（SPECT）等。这些成像技术各有优势，又各有不足，但功能互补，共同促进了对癌症的早期精确诊断。

光学成像因具有无辐射、高灵敏度、操作简单、高时间和空间分辨率、价格便宜等优势，现已经发展为生物医学基础研究和临床应用不可或缺的成像技术。其中，基于可见光成像系统，科研工作者已经实现了对肿瘤多种治疗方式的研究，包括光热治疗、光动力治疗等。但是生物组织对可见光具有较高的吸收和散射，导致生物活体成像的穿透深度和分辨率都很低，我们难以对肿瘤早期及预后进行精确的标志物检测和评估。近年来，科研工作者的研究表明，短波红外光在生物组织中具有低散射和低自体荧光等特点，使其在活体深组织、高分辨成像方面具有更大优势。而目前成像系统的最长检测波长只到1700nm，在活体光学成像深度和成像分辨率上都有待进一步提高。此外，现有的成像装置几乎都是单通道成像模式，难以实现可见光区域和短波红外区域的同时荧光成像。因此，为了实现肿瘤诊断、瘤内微环境检测、光刺激治疗以及预后评估等功能的同步进行，开发一种兼顾可见及短波红外波段的超宽波长范围、双通道的活体光学成像系统具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽波段双通道的活体光学成像系统，实现对300~1000 nm和1000~2500 nm波段的双通道同时荧光成像，具有检测范围宽、双通道同时检测、结构简单、成本低廉的特点。

本发明提供的超宽波段双通道的光学成像系统，包括：成像单元，载物台，激发单元，电脑；其中：

所述成像单元，包括可见面阵探测器、短波红外面阵探测器、镜头组、滤光片组及二向色镜组，用于实现超宽波段双通道的活体光学成像；其中：

所述可见面阵探测器检测波长范围为300~1000 nm；

所述短波红外面阵探测器波长范围为1000~2500 nm；

所述镜头组由可见镜头和短波红外镜头组成；

优选的，所述两种镜头具有相同的工作距离，保证成像视野一致；

所述滤光片组由可见通过滤光片和短波红外通过滤光片组成，自由拆卸，方便更换；

所述二向色镜，其45°角高透波长为1000~2500nm，高反波长为300~1000nm；

优选所述两种镜头与二向色镜中心距离一致，以保证成像视野一致；

所述载物台由电动位移台组成，包括水平移动载物台和竖直移动载物台；

所述载物台在空间三个维度上可调，可实现样品检测区域和视野大小的选择；

优选的，所述载物台由电脑软件控制，可调参数有步长、速度及加速度；

所述激发单元，由多台光纤激光器组成，可自由切换，用于激发探针，获得荧光；

优选的，所述光纤为液芯均匀化光纤，使得激光光斑均匀，检测数据更准确；

优选的，所述激光器连接相同的光纤与准直器。

所述准直器固定于所述光学接杆上，光学接杆固定于所述竖直移动载物台上，保证激光照射位置与面阵探测器、镜头组、滤光片组及二向色镜同轴，提高检测结果的准确性。

所述电脑，用于整个系统的各部件的动作，包括控制成像单元中的可见面阵探测器、短波红外面阵探测器，控制载物台，控制激光器。

所述超宽波段双通道的光学成像系统的各个组件的相对位置具体如下：

所述可见面阵探测器水平放置，所述可见镜头通过C口螺纹固定于可见面阵探测器左侧，可见通过滤光片竖直固定于所述可见镜头左侧；所述短波红外面阵探测器竖直朝下放置，且水平高度高于所述可见面阵探测器，位于所述可见面阵探测器左上方；所述短波红外镜头通过C口螺纹固定于短波红外面阵探测器下方，所述短波红外通过滤光片水平固定于所述短波红外镜头下方；所述二向色镜以45°角固定于可见面阵探测器与短波红外面阵探测器的光学中心交叉处，所述二向色镜镀膜一面45°角朝下放置；

所述载物台放置于二向色镜下方，所述水平移动载物台固定于所述竖直移动载物台上，通过网线连接电脑；所述光纤激光器水平放置于所述载物台左侧，经所述液芯均匀化光纤连接所述准直器，所述准直器固定于所述光学接杆上，所述光学接杆固定于所述竖直移动载物台上。

本发明系统可检测300~2500 nm波段的荧光信号，解决了难以同步实现可见和短波红外活体光学检测的难题，实现超宽波段的光学成像。本发明结合相应荧光探针可以实现活体肿瘤诊断、瘤内微环境检测、光刺激治疗以及预后评估等功能的同步进行，具有检测范围宽、双通道同时检测、操作简单、快速反馈等优点。

根据本发明提供的具体实施例，本发明具有技术效果：本发明提供的超宽波段双通道的活体光学成像系统，通过控制载物台和准直器位置，实现对样本不同部位的原位成像和精细电动对焦；基于双通道装置，对小鼠短波红外波段和可见波段进行不同区域的同步成像，实现治疗、疗效评估与微环境监测的同步进行；通过调节光阑大小，进一步提高成像分辨率，提高成像准确性。超宽波段双通道的活体光学成像系统展现更宽成像波段、双通道同步成像、更高分辨率、更深穿透深度，和更为准确的成像效果，可广泛应用于肿瘤诊断、瘤内微环境检测、光刺激治疗以及预后评估等研究。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超宽波段双通道的活体光学成像系统。

图2为本发明实施例提供的裸鼠腹部血管短波红外成像结果。

图3为本发明实施例提供的裸鼠的肿瘤可见光成像结果。

图中标号：1为短波红外面阵探测器，2为短波红外镜头，3为短波红外滤光片，4为述二向色镜，5为可见面阵探测器，6为可见光镜头，7为可见滤光片,8为水平移动载物台，9为裸鼠，10为竖直移动载物台，11为载物台控制器，12为激光器，13为液芯光纤，14为准直器，15为电脑。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和效果更加清楚，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非限于这些例子。以下所述仅为本发明较好的实施例，仅用于解释本发明，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，凡是本发明的精神和原则之内所做的任何修改、替代或改进均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

图1是本发明实例提供的超宽波段双通道的活体光学成像系统示意图，如图所示，本发明提供的光学系统包括：成像单元、载物台和激发单元。

其中，短波红外面阵探测器1，检测波长范围为1000~2500 nm，芯片口朝下固定于带有10 cm直径的通孔面包板上。

所述短波红外镜头2通过C口螺纹固定于短波红外面阵探测器上。

所述短波红外镜头2的焦距为35 mm。

所述短波红外通过滤光片3（截止波长1100 nm长通滤光片）水平螺旋连接在所述短波红外镜头2上，滤光片直径为25mm，厚度为3.5mm。

所述二向色镜4尺寸为25mm*36mm，镜片与短波红外光路成45°角，镀膜一面朝右下方向安装。

所述二向色镜高透波长为1000~2500 nm，高反波长为300~1000 nm。

所述可见面阵探测器5，检测波长为300~1000nm。

所述可见光镜头6固定于可见面阵探测器上，二者通过标准C口连接。

所述可见光镜头6焦距为35 mm。

所述可见通过滤光片7（截止波长550 nm长通滤光片）竖直螺旋连接在所述可见镜头6上，滤光片直径为25mm，厚度为3.5 mm。

所述载物台为电控三维位移台，黑色吸光面板固定水平移动载物台8上，裸鼠9通过棉绳固定在面板上。

所述水平移动载物台8固定在竖直移动载物台10上。

所述载物台控制器11，连接电脑14。

所述激光器12，激光光源经液芯光纤13由准直器14照射在裸鼠9上。

所述准直器14固定于竖直移动载物台上，保证移动水平移动载物台8时，准直器位置不变，确保移动样品和调节视野时激光功率密度以及照射中心相对位置不变。

可见光探针的水溶液：包胶束的Cy3染料；短波红外荧光探针的水溶液：NaErF₄:Ce@ NaYF₄，二者通过裸鼠9的尾静脉注入到老鼠血管中，注射量分别为100 µL。打开532 nm和980 nm激光器，调节电流优化照射在样品上的功率密度至100 mW/cm²左右，对小鼠进行可见及短波红外荧光成像。

所述可见光探针，在532 nm激发下可发射出570 nm的荧光；短波红外荧光探针：NaErF₄: Ce @ NaYF₄在980 nm激光照射下可发射出1525 nm短波红外荧光。

调节所述镜头中光阑的光圈大小。光圈越小，得到的画面越清晰，但是荧光越弱。在清晰度与荧光强度之间选择平衡点，达到最佳成像效果。

图2和图3分别为利用成像装置的实例活体血管成像和肿瘤成像结果照片。具体操作过程如下：首先打开短波红外面阵探测器1和可见面阵探测器5，调节水平移动载物台8和竖直移动载物台10，选择合适的成像位置和视野。调节短波红外镜头2和可见光镜头6的焦点位置，实现清晰成像。1100 nm短波红外通过滤光片3水平放置，550 nm可见通过滤光片竖直放置。关掉明场光源，打开激光器12，调节激光器功率大小，对小鼠9腹部血管进行实时动态成像（图2）。由于纳米颗粒的EPR效应，可见光探针经血管部分富集于肿瘤处，可同时对肿瘤进行可见光区域成像检测（图3）。

Claims (6)

1.一种超宽波段双通道的光学成像系统，其特征在于，包括：成像单元，置于成像单元下方的载物台，激发单元，电脑；其中：

所述成像单元，包括可见面阵探测器、短波红外面阵探测器、镜头组、滤光片组及二向色镜组，用于实现超宽波段双通道的活体光学成像；其中：

所述可见面阵探测器检测波长范围为300~1000 nm；

所述短波红外面阵探测器波长范围为1000~2500 nm；

所述镜头组由可见镜头和短波红外镜头组成；

所述滤光片组由可见滤光片和短波红外滤光片组成；

所述二向色镜，其45°角高透波长为1000~2500nm，高反波长为300~1000nm；

所述载物台由电动位移台组成，包括水平移动载物台和竖直移动载物台；所述载物台在空间三个维度上可调，可实现样品检测区域和视野大小的选择；

所述激发单元，由多台光纤激光器组成，可自由切换，用于激发探针，获得荧光；

所述激光器连接相同的光纤与准直器；

所述电脑，用于整个系统的各部件的动作，包括控制成像单元中的可见面阵探测器、短波红外面阵探测器，控制载物台，控制激光器。

2.根据权利要求1所述的超宽波段双通道的光学成像系统，其特征在于，所述两种镜头具有相同的工作距离，保证成像视野一致。

3.根据权利要求1所述的超宽波段双通道的光学成像系统，其特征在于，所述光纤为液芯均匀化光纤。

4.根据权利要求1所述的超宽波段双通道的光学成像系统，其特征在于，所述载物台由电脑软件控制，可调参数有步长、速度及加速度。

5.根据权利要求1所述的超宽波段双通道的光学成像系统，其特征在于，所述准直器固定于所述光学接杆上，光学接杆固定于所述竖直移动载物台上，保证激光照射位置与面阵探测器、镜头组、滤光片组及二向色镜同轴。

6.根据权利要求1-5之一所述的超宽波段双通道的光学成像系统，其特征在于，各个组件的相对位置具体如下：

所述可见面阵探测器水平放置，所述可见镜头通过C口螺纹固定于可见面阵探测器左侧，可见通过滤光片竖直固定于所述可见镜头左侧；所述短波红外面阵探测器竖直朝下放置，且水平高度高于所述可见面阵探测器，位于所述可见面阵探测器左上方；所述短波红外镜头通过C口螺纹固定于短波红外面阵探测器下方，所述短波红外通过滤光片水平固定于所述短波红外镜头下方；所述二向色镜以45°角固定于可见面阵探测器与短波红外面阵探测器的光学中心交叉处，所述二向色镜镀膜一面45°角朝下放置；

所述载物台放置于二向色镜下方，所述水平移动载物台固定于所述竖直移动载物台上，通过网线连接电脑；所述光纤激光器水平放置于所述载物台左侧，经所述液芯均匀化光纤连接所述准直器，所述准直器固定于所述光学接杆上，所述光学接杆固定于所述竖直移动载物台上。

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