CN115607323A - 一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统。玫瑰红试剂预先注射入脑皮层血管中；刺激飞秒激光器产生特定近红外1070nm的飞秒激光并入射到双光子显微镜系统聚焦于脑皮层血管感兴趣区域；在感兴趣区域ROI内进行重复的螺旋式快速扫描刺激以形成血栓，也对成像激光器产生成像光束处理并聚焦于脑皮层血管进行实时血管成像；成像激光器产生成像光束入射到双光子显微镜系统；控制刺激飞秒激光器和成像激光器按照扫描成像序列进行工作。本发明将1070nm近红外飞秒激光刺激结合双光子显微成像技术以实现各种不同类型、尺寸和深度的血管的精准和快速血栓，是一种全新的且更加有效的靶向血管血栓的形成系统，快速、精准且具有深度选择性。

Description

一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统

技术领域

本发明涉及一种脑皮层血管栓塞的模拟诱导系统，具体为结合近红外飞秒激光激发玫瑰红以诱导快速、精准和具有深度选择性的血管栓塞的模拟诱导系统。

背景技术

研究脑皮层中血管变化对理解健康脑功能活动中血流调控机制及其在脑疾病状态下神经血管及功能稳态的关系至关重要。

传统研究开发了在体的脑皮层血管血栓形成以研究血管功能障碍在健康和疾病状态中的影响，但仍存在关键技术缺陷，例如目标血栓位置的深度选择性以及精准度和速度等。

以往的研究中提出多种系统以实现皮层血管栓塞，使用绿光可以诱导皮层表面单血管栓塞，但受限于空间分辨率和穿透深度，在光血栓过程中可能会造成离焦激光的非目标激发，可能造成目标血栓上层血管的血栓形成。

此外也有研究使用调制的800nm高能量脉冲的飞秒激光直接作用于血管内皮细胞，产生光热损伤以导致凝血级联反应产生血栓，但是可能对血管壁造成光损伤，同时也很难对深部血管进行栓塞，其稳定性和实用性也尚有不足。

总的来说，因为血栓形成的效率、精准度和穿透深度可能会受到激光的波长、功率和扫描模式的影响，所以目前的研究和现有技术缺少完善的皮层深层单血管的精准可靠的血栓模拟诱导系统，特别是兼具深度以及精准度的对深部皮层单血管进行可控的栓塞模拟诱导技术。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种近红外飞秒激光刺激诱导血管栓塞系统。首创的使用了1070nm波长的飞秒激光与双光子显微成像技术相结合，在实时血管成像的同时，通过调制1070nm飞秒激光、呈螺旋式扫描激活血管内玫瑰红试剂产生活性氧损伤血管上皮细胞引起血小板堆积以高精度和深度，快速形成单血管栓塞。

这种技术提供了可实时观测的血栓形成的、且具有高度空间选择性的单血管血栓模拟诱导系统，有望为健康和疾病状态下脑功能研究提供更有效的基础研究手段。

为达到上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案的系统包括：

包括显色试剂，所述显色试剂包括玫瑰红试剂、荧光素葡聚糖染料，预先注射入脑皮层血管中；

包括刺激飞秒激光器，产生特定的近红外1070nm的飞秒激光并入射到双光子显微镜系统；

包括成像激光器，产生特定的920nm的飞秒激光入射到双光子显微镜系统；

包括双光子显微镜系统，对刺激飞秒激光器发出的飞秒激光聚焦于脑皮层血管目标深度下的感兴趣区域，在感兴趣区域ROI内进行特定螺旋式扫描刺激以形成血栓；对成像激光器发出的飞秒激光处理并聚焦于脑皮层血管进行成像；

对成像激光器发出的飞秒激光聚焦于脑皮层血管

包括控制器，控制器分别和刺激飞秒激光器、成像激光器连接，控制刺激飞秒激光器和成像激光器按照特定参数与扫描成像序列进行工作。

所述的刺激飞秒激光器还包括：

包括飞秒激光器，产生1070nm的飞秒激光入射到振镜组；

包括激光功率控制器，调节飞秒激光器发出的飞秒激光的功率；

包括刺激振镜组，经刺激镜组调制后控制激光的出射位置进而入射到双光子显微镜系统；

包括调制器，连接到刺激振镜组，调制器控制刺激振镜组的调制方式，将近红外的飞秒激光调制为以从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式聚焦于脑皮层血管内玫瑰红染料。

所述的成像激光器包括：

包括飞秒激光器，产生920nm激光入射到成像振镜组；

包括激光功率控制器，调节飞秒激光的功率；

包括成像振镜组，经成像振镜组调制后控制激光聚焦到目标血管段激活荧光素葡聚糖染料并扫描成像。

所述脑皮层血管对象的血管类型包括皮层软脑膜动静脉、皮层实质内小动静脉或者皮层实质内毛细血管，血管直径范围为3μm-50μm，深度范围为0-800 μm。

所述的扫描成像序列被设置为是由不断重复循环的时长为5s的刺激-成像序列组成，时长为5s的刺激-成像序列包括3s的扫描刺激期和2s的成像期，

3s的扫描刺激期内，利用刺激飞秒激光器进行刺激；

2s的成像期内，利用成像激光器进行成像。

在3s的扫描刺激期内，以从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式控制刺激飞秒激光器中的飞秒激光器产生连续的飞秒激光，以及控制刺激飞秒激光器中的刺激振镜组带动飞秒激光位置移动进行扫描。

从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式，具体是：飞秒激光器发出的飞秒激光经刺激振镜组和双光子显微镜系统后聚焦点位于脑皮层血管的目标深度的定位点上，定位点为感兴趣区域ROI的中心，通过刺激振镜组带动聚焦点沿以定位点为中心的平面螺旋轨迹进行不间断重复扫描。

单次平面螺旋轨迹的扫描是激光的聚焦点被调制为从选定的感兴趣区域 ROI的中心开始，以连续点扫描的模式以恒定的0.6μs/pixel的超快点扫描速度行进，并以0.5μm/圈的步进沿平面螺旋轨迹向外盘旋到感兴趣区域ROI的外边缘末端。

所述的近红外的飞秒激光的波长为1070nm，即1070nm近红外的飞秒激光。

从双光子显微镜系统出射后的近红外的飞秒激光的激光功率控制为80-200 mW。

所述的脑皮层血管的感兴趣区域ROI为血管壁之内不包含血管壁的血管腔区域。

这样本发明通过聚焦的双光子显微镜系统搭配1070nm近红外的飞秒激光的成像激光对位于不同深度使用荧光素标记的脑皮层血管的目标血管段进行成像和定位，获得结构和血流情况。

本发明通过1070nm近红外的飞秒激光的采用、玫瑰红试剂的配合以及反复螺旋式扫描模式的调制方式的聚焦处理，成功实现了快速高效精确的血管栓塞模拟诱导，不会引起血管壁的损伤，不会对血脑屏障的破坏，避免了500nm 左右的绿光照射带来的贯穿深度影响问题和不准确、不精确的问题以及带来的血管壁损伤、血脑屏障破坏的问题。

本发明的系统下进行模拟诱导血管栓塞，能够非常精确地定位到目标深度位置，能够精确定位到毛细血管，还能够实现实时的边扫描边观察的高实时性要求。

所述的玫瑰红试剂能在飞秒激光刺激下产生活性氧自由基，诱导血管上皮细胞产生损伤后引起血小板聚集而产生栓塞。荧光素葡聚糖染料作为荧光成像试剂在双光子系统下对皮层血管网络结构进行成像以观测血管网络结构和血流情况。

本发明利用商用光学设备提供了一种实用、精准且具有深度选择性的单血管光血栓形成系统，为探索健康和疾病中的神经血管功能提供了重要工具。

本发明在光血栓形成过程中间隔使用多光子成像实时获取血管血流动力学和结构变化的时间序列的图像数据，实时观测血管血流状态直至血栓形成。

本发明所述技术创新地将1070nm近红外飞秒激光刺激结合双光子显微技术以实现各种不同类型、尺寸和深度的血管的精准和快速血栓，是一种全新的且更加有效的靶向血管血栓的形成系统。

和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、高成功率以及快速的血栓形成。1070nm飞秒激光波长在玫瑰红的双光子激发峰附近，故能有效地激发玫瑰红；快速反复的螺旋式扫描能保证目标ROI 内玫瑰红的快速激发，所以所述的近红外飞秒激光刺激诱导血管栓塞技术具有极高的血栓成功率以及快速的血栓形成。

2、可靠安全低损伤。激光激发玫瑰红时所采取的点扫描方式以及玫瑰红的双光子激发特性，使得光聚焦和激发范围被限制在焦点处，避免了焦点周围的不必要的激发；螺旋式激光扫描的ROI被限制在血管管腔内，也避免了激光对血管壁细胞的光热和光损伤影响；螺旋式扫描和成像时期交替进行，也促进了热量的快速散发，减少了光热损伤的影响。

3、灵活的可操作性和深度选择性。所述的近红外飞秒激光刺激诱导血管栓塞技术使用商用的光学设备来实现血栓形成，1070nm激光器是常用且易得的激光器。1070nm激光具有极好的组织穿透能力，在皮层中的能量损失较小，使用较低功率的激光即可穿透皮层，以实现深部血管血栓。

附图说明

图1是具体实施步骤图；

图2是本发明的感兴趣区域ROI及其平面螺旋轨迹的示意图；

图3是实施例的血栓效果示意图；

图4是玫瑰红实验对照图；

图5是螺旋式扫描方式对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

系统包括：

包括玫瑰红试剂，预先注射入脑皮层血管中，用于标记血管内血浆以实现光血栓；通过预先将玫瑰红试剂注射入脑皮层血管中，使得飞秒激光照射到玫瑰红试剂会激发出荧光，进而进行成像。

包括刺激飞秒激光器，产生特定的近红外的飞秒激光并入射到双光子显微镜系统的光学镜头；

刺激飞秒激光器还包括：

包括飞秒激光器，产生近红外的飞秒激光入射到振镜组；

包括刺激振镜组，经刺激镜组反射或者透射调制后控制激光的出射位置进而入射到双光子显微镜系统的光学镜头；

包括调制器，连接到刺激振镜组，调制器控制刺激振镜组的调制方式，将 1070nm近红外的飞秒激光调制为以从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式聚焦于脑皮层血管。

包括双光子显微镜系统，对刺激飞秒激光器发出的飞秒激光聚焦于脑皮层血管，在脑皮层血管目标深度下的感兴趣区域ROI内进行刺激以激发血管内玫瑰红形成血栓；对成像激光器产生成像光束处理并聚焦于脑皮层血管进行成像；

包括成像激光器，成像激光器产生成像光束入射到双光子显微镜系统；成像光束通常为920nm的飞秒激光。

成像激光器包括：

包括飞秒激光器，产生激光入射到成像振镜组；

包括成像振镜组，经成像振镜组反射或者透射调制后控制激光聚焦到目标血管段并扫描。

包括控制器，控制器分别和刺激飞秒激光器、成像激光器连接，控制刺激飞秒激光器中的飞秒激光器和成像激光器中的飞秒激光器按照扫描成像序列进行工作。

扫描成像序列被设置为是由不断重复循环的时长为5s的刺激-成像序列组成，时长为5s的刺激-成像序列包括3s的扫描刺激期以及2s的成像期，

2s的成像期内，利用成像激光器进行成像。

3s的扫描刺激期内，利用刺激飞秒激光器进行刺激：以从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式控制刺激飞秒激光器中的飞秒激光器产生连续的飞秒激光，以及控制刺激飞秒激光器中的刺激振镜组带动飞秒激光位置移动进行扫描。

以从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式，具体是：飞秒激光器发出的飞秒激光经刺激振镜组和双光子显微镜系统的光学镜头后聚焦点位于脑皮层血管的目标深度的定位点上，定位点为感兴趣区域ROI的中心，通过刺激振镜组带动聚焦点沿以定位点为中心的平面螺旋轨迹进行不间断重复扫描，3s的扫描刺激期内的历经平面螺旋轨迹的扫描次数为100到1000次。

单次平面螺旋轨迹的扫描是激光的聚焦点被调制为从选定的感兴趣区域ROI的中心开始，以连续点扫描的模式以恒定的0.6μs/pixel的超快点扫描速度行进，并以0.5μm/圈的步进沿平面螺旋轨迹向外盘旋到感兴趣区域ROI的外边缘末端。

从双光子显微镜系统的光学镜头出射后的近红外的飞秒激光的激光功率为 80-200mW。

具体实施中，近红外飞秒激光，波长为1070nm，重复频率为70MHZ,脉宽为55fs，双光子显微镜系统的光学镜头出射后的激光功率为80-200mW。

如图3所示，脑皮层血管的感兴趣区域ROI为血管壁之内的血管腔区域，而不能覆盖到血管壁。感兴趣区域ROI选定位于目标血管段的血管最大横截面内，边缘紧贴血管壁而不覆盖血管腔以外的区域。所有不同深度的感兴趣区域ROI通过双光子显微系统采集的血管结构和血流信息进行选定。

这样本发明通过聚焦的双光子显微镜系统搭配1070nm近红外的飞秒激光的成像激光对位于不同深度使用荧光素标记的脑皮层血管的目标血管段进行成像和定位，获得结构和血流情况。

如图1所示，本发明具体实施的工作过程如下：

包括玫瑰红试剂、荧光素葡聚糖染料预先注射入脑皮层血管中玫瑰红用于标记血管内血浆以实现光血栓；荧光素葡聚糖染料注射入脑皮层血管中，使用飞秒激光照射激发出荧光，进而进行成像。动物附带成像颅窗并使用双光子显微镜配合可调谐成像飞秒激光对血管结构和血流信息进行信号记录和数据采集。

包括双光子显微镜系统，将成像飞秒激光仪器发出的飞秒激光聚焦于特定深度的脑皮层血管。成像飞秒激光器产生激光入射到成像振镜组，调制后控制激光聚焦到目标血管段并扫描。通过激发葡聚糖染料对血管进行造影成像。成像光束通常为920nm的飞秒激光。位于皮层不同深度及具有不同尺寸的血管由双光子成像定位并获取最大横截面的结构和血流信息；根据最大横截面的结构和血流信息内选取目标血管，目标血管管腔内设置选取感兴趣区域ROI，设置感兴趣区域ROI的边缘与血管壁相切并保持在血管腔内。

包括刺激飞秒激光器，产生特定的1070nm近红外的飞秒激光并入射到双光子显微镜系统，经刺激镜组反射调制后控制激光的扫描模式进而入射到显微镜系统的光学镜头；调制器控制刺激振镜组的调制方式，将1070nm近红外的飞秒激光调制为以从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式聚焦于ROI内；进行刺激以激发血管内玫瑰红形成血栓。

包括使用主控电脑控制刺激飞秒激光器及刺激扫描振镜组和成像飞秒激光器及成像扫描振镜组按照扫描成像序列进行工作。扫描成像序列被设置为是由不断重复循环的时长为5s的刺激-成像序列组成，时长为5s的刺激-成像序列包括3s的扫描刺激期以及2s的成像期。3s的扫描刺激期内，刺激飞秒激光在特定功率下被调制为从感兴趣区域ROI的定位点中心出发，激光聚焦点以连续点扫描的模式以恒定的0.6μs/pixel的超快点扫描速度行进，并以0.5μm/圈的步进沿平面螺旋轨迹向外盘旋到感兴趣区域ROI的外边缘末端。扫描过程中，激光不间断重复扫描，大于1000次。确认血栓出现后，终止扫描序列。具体实施中，以开始扫描到实时观测到血栓形成的时间为血栓形成总时长，被控制在5 分钟以内。

具体实施中，近红外飞秒激光，波长为1070nm，重复频率为70MHZ,脉宽为55fs，双光子显微镜系统的光学镜头，控制出射后的激光功率为80-200mW；具体功率数值随深度增加调节

如图2所示，脑皮层血管的感兴趣区域ROI为血管壁之内的血管腔区域，而不能覆盖到血管壁。感兴趣区域ROI选定位于目标血管段的血管最大横截面内，边缘紧贴血管壁而不覆盖血管腔以外的区域。所有不同深度的感兴趣区域 ROI通过双光子显微系统采集的血管结构和血流信息进行选定。

如图3所示，具体实施中，在相邻次1070nm飞秒激光刺激之间的间隔期间，同时使用多光子显微镜配合成像仪器用飞秒激光对大脑皮层中血管的结构和血流情况进行时间序列成像，根据时间序列成像进行观察。通过双光子显微镜系统对产生的荧光进行探测成像，实时观察血栓形成情况和结果，观察到血栓形成超过10秒，扫描过程随后停止，并采用线扫描确认阻塞。

具体实施中的实验对象为大鼠、小鼠、猫和实验用猴等，但不限于此。

对比例1如下：

如图4所示，使用上述1070nm刺激飞秒激光配合920nm成像飞秒激光进行模拟诱导血管血栓，使用上述相同扫描序列参数进行扫描刺激和成像后，没有玫瑰红标记的血管腔内未出现血栓形成，血管对应的血流速度也被未发生改变。

对比例2如下：

如图5所示，使用1070nm刺激飞秒激光，将其调制为两种扫描方式进行模拟诱导血管血栓，一种扫描方式为常规扫描方式，一种扫描方式为上述螺旋式扫描方式。在不同老鼠的相同脑皮层深度的46根血管中进行测试，结果表明螺旋式扫描方式相对于常规扫描方式具有显著高的成功率以及显著快的血栓形成时间，表明了螺旋式扫描方式的优越性。

由此，本发明在多光子显微镜中使用近红外激光刺激实现了在活体动物脑皮层内深度可选的各种尺寸血管的精确可控的血栓，为脑血管疾病提供了一种实用和准确的血栓模型，为研究神经血管耦合机制，脑小血管疾病及神经退行性疾病等提供了基于单血管和局灶性病变的血管疾病的机制探究以及精准治疗的借鉴。

Claims (10)

1.一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于，系统包括：

包括显色试剂，所述显色试剂包括玫瑰红试剂、荧光素葡聚糖染料，预先注射入脑皮层血管中；

包括刺激飞秒激光器，产生特定的近红外的飞秒激光并入射到双光子显微镜系统；

包括成像激光器，产生飞秒激光入射到双光子显微镜系统；

包括双光子显微镜系统，对刺激飞秒激光器发出的飞秒激光聚焦于脑皮层血管目标深度下的感兴趣区域，在感兴趣区域ROI内进行螺旋式扫描刺激以形成血栓；对成像激光器发出的飞秒激光处理并聚焦于脑皮层血管进行成像；

对成像激光器发出的飞秒激光聚焦于脑皮层血管

包括控制器，控制器分别和刺激飞秒激光器、成像激光器连接，控制刺激飞秒激光器和成像激光器按照扫描成像序列进行工作。

2.根据权利要求1所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：所述的刺激飞秒激光器还包括：

包括飞秒激光器，产生1070nm的飞秒激光入射到振镜组；

包括激光功率控制器，调节飞秒激光器发出的飞秒激光的功率；

包括刺激振镜组，经刺激镜组调制后控制激光的出射位置进而入射到双光子显微镜系统；

包括调制器，连接到刺激振镜组，调制器控制刺激振镜组的调制方式，将近红外的飞秒激光调制为以从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式聚焦于脑皮层血管内玫瑰红染料。

3.根据权利要求1所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：所述的成像激光器包括：

包括飞秒激光器，产生920nm激光入射到成像振镜组；

包括激光功率控制器，调节飞秒激光的功率；

包括成像振镜组，经成像振镜组调制后控制激光聚焦到目标血管段激活荧光素葡聚糖染料并扫描成像。

4.根据权利要求1所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：所述的扫描成像序列被设置为是由不断重复循环的时长为5s的刺激-成像序列组成，时长为5s的刺激-成像序列包括3s的扫描刺激期和2s的成像期，

3s的扫描刺激期内，利用刺激飞秒激光器进行刺激；

2s的成像期内，利用成像激光器进行成像。

5.根据权利要求4所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：在3s的扫描刺激期内，以从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式控制刺激飞秒激光器中的飞秒激光器产生连续的飞秒激光，以及控制刺激飞秒激光器中的刺激振镜组带动飞秒激光位置移动进行扫描。

6.根据权利要求4所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：从定位点中心出发的反复螺旋式扫描模式，具体是：飞秒激光器发出的飞秒激光经刺激振镜组和双光子显微镜系统后聚焦点位于脑皮层血管的目标深度的定位点上，定位点为感兴趣区域ROI的中心，通过刺激振镜组带动聚焦点沿以定位点为中心的平面螺旋轨迹进行不间断重复扫描。

7.根据权利要求6所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：单次平面螺旋轨迹的扫描是激光的聚焦点被调制为从选定的感兴趣区域ROI的中心开始，以连续点扫描的模式以恒定的0.6μs/pixel的超快点扫描速度行进，并以0.5μm/圈的步进沿平面螺旋轨迹向外盘旋到感兴趣区域ROI的外边缘末端。

8.根据权利要求1所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：所述的近红外的飞秒激光的波长为1070nm。

9.根据权利要求1所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：从双光子显微镜系统出射后的近红外的飞秒激光的激光功率控制为80-200mW。

10.根据权利要求6所述的一种近红外飞秒激光模拟诱导血管栓塞系统，其特征在于：所述的脑皮层血管的感兴趣区域ROI为血管壁之内不包含血管壁的血管腔区域。

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