CN115719023B - 一种光纤荧光仿生模体及其生成方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤荧光仿生模体及其生成方法、应用，该方法将仿生基质材料、散射粒子均匀混合，并嵌入光纤，固化形成仿体模型；根据目标荧光分子的光谱、光强，选择荧光发射源，荧光发射源出射光束，对出射光束的光谱、光强进行调控，耦合进入光纤，经光纤散射后通过仿体模型传播到自由空间中，以模拟生成荧光信号，得到荧光仿生模体。本发明通过光束、光纤和仿生组织的相互配合，使得仿体模型空间分布具备高可控性和精细三维结构，荧光信号具备高稳定性和多样性，光纤荧光仿生模体具备高仿真度。其实现方法简便，手段灵活，成本较低，可用作荧光成像系统的标准测试模型。

Description

一种光纤荧光仿生模体及其生成方法、应用

技术领域

本发明涉及生物荧光成像技术领域，尤其涉及一种光纤荧光仿生模体(Fluorescence Tissue Phantom)及其构建方法、应用。

背景技术

生物荧光成像在生物研究等方面发挥了巨大的作用，它通过一个光学成像系统，对荧光进行收集和记录，反映生物组织的基本性质。通常，为了衡量一个光学系统的成像性能，首先需要对标准物体进行光学成像。常见的标准物有两种：其一是分辨率测试板，通过收集分辨率测试板反射或者投射的光，依据线对密度，对成像系统的分辨率进行测量表征；其二是荧光微球，可以对光学系统的分辨率、灵敏度、深度成像性能、光照均匀度进行测量表征。分辨率测试板的方法通常用于明场光学成像系统，不适用于荧光成像系统；而荧光微球具备对荧光成像系统中众多光学参数的测评能力，是一种较好的荧光模型，但这种模型难以控制三维空间分布，荧光稳定性低，荧光容易漂白。

仿体通过模拟发光的手段，制作出与真实样本高度相似的光学模型，可用于模拟成像或评测荧光成像系统的性能。当前，仿体的生成有两种常见的方法，包括物理仿体和数字仿体。物体仿体采用固体或液体作为基质材料，通过往材料中混入散射粒子和吸收粒子来模拟组织的光学性质，混入荧光分子来模拟组织发射的荧光。物理仿体可通过倒模的方式模拟特定组织的空间结构，但由于使用了荧光分子，甚至生物分子，因此物理仿体存在不稳定的问题。此外，荧光分子的光谱与实际所要模拟的荧光光谱相似度仍有待提高。数字仿体通过光谱调控结合投影的方式，产生高光谱图像，以数字的方式投影出仿体图像。数字仿体的荧光特性具有较高的稳定性，然而其局限性在于只能产生二维仿体。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光纤荧光仿生模体及其构建方法、应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明实施例的第一方面提供了一种光纤荧光仿生模体的生成方法，所述方法具体包括：

将基质材料、散射粒子均匀混合，并嵌入光纤组件，固化形成仿体模型；

根据目标荧光分子的光谱、光强，选择荧光发射源，荧光发射源出射光束，对出射光束的光谱、光强进行调控，耦合进入光纤组件，经光纤组件散射后通过仿体模型传播到自由空间中，以模拟生成荧光信号，得到荧光仿生模体。

进一步地，将基质材料、散射粒子均匀混合，并嵌入光纤，固化形成仿体模型的过程包括：

在基质材料中加入散射粒子，其中，散射粒子的浓度为1ug/g～1mg/g，得到配置好的仿体材料；将光纤嵌入至配置好的仿体材料中，在80～100℃下进行高温固化，形成仿体模型。

进一步地，将基质材料、散射粒子均匀混合，并嵌入光纤组件，固化形成仿体模型的过程还包括：通过旋涂的方法来控制仿体材料的厚度，以模拟不同深度的荧光信号。

进一步地，所述散射粒子用于模拟光学散射性质。

进一步地，所述基质材料选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯酰胺；所述散射粒子选自二氧化钛、氧化铝。

进一步地，根据目标荧光分子的光谱、光强，选择荧光发射源的过程包括：根据目标荧光分子的光谱、光强特性，选取峰值波段附近的光源作为荧光发射源，使得荧光发射源的光强与目标荧光分子的荧光强度一致。

进一步地，荧光发射源出射光束，对出射光束的光谱、光强进行调控，耦合进入光纤组件的过程包括：

荧光发射源出射光束，经第一光栅分光后，入射到空间光调制器上进行调制，使得荧光发射源出射的光束的光谱特征与目标荧光分子的光谱曲线一致；之后光束经过第二光栅合束，再经耦合透镜耦合进入光纤组件。

进一步地，所述光纤组件按需设置光纤的数量与结构；所述光纤由纤芯和涂覆于纤芯外侧的涂覆层组成；荧光发射源出射的高阶模式的光束在传播过程中发生散射，从光纤的侧面发射出来。

本发明实施例的第二方面提供了一种光纤荧光仿生模体，由上述的光纤荧光仿生模体的生成方法制得。

本发明实施例的第三方面提供了一种光纤荧光仿生模体在评测荧光成像中的应用。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的光纤荧光仿生模体中的光纤组件可以按需设置光纤的数量，光纤在空间中有较大的排列自由度，可以制作成三维标准模型，空间结构可控；

(2)利用光纤侧面发光的性质，替代传统的荧光分子，使得光纤荧光仿生模体具备高度稳定性，可避免光漂白；通过空间光调制器可发射任意波段荧光，具备较高的灵活性；

(3)光纤组件嵌入仿体材料中，能够制成三维组织仿体；光纤细小，可用于模拟微小管道内的荧光；用于仿体的组织材料和荧光信号与真实样本相似度高，该光纤荧光仿生模体与实际组织相似度高；

(4)利用该光纤荧光仿生模体，可评测荧光成像系统的灵敏度、深度成像能力、分辨率、光照均匀度、照明串扰等参数，进行荧光成像系统性能表征。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明实施例的光纤荧光仿生模体示意图；

图3是本发明实施例的光纤侧面发射荧光方式及光纤荧光标准模型示意图；

图中，1-光纤；2-仿组织层；3-玻璃片；4-光源；5-第一光栅；6-空间光调制器；7-第二光栅；8-耦合透镜；102-纤芯；103-涂覆层；104-光纤支撑结构；105-镜面反射片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

通过光谱调控的手段控制荧光的光谱、光强性质,再将光束耦合进光纤中，通过光纤的侧面发光，准确模拟荧光信号的光谱特性和光强特性；此外，采用硅胶基质材料模拟组织的散射和吸收，并将光纤嵌入组织中，生成光纤荧光仿生模体。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种光纤荧光仿生模体的构建方法，所述方法具体包括以下步骤：

(1)：将基质材料、散射粒子均匀混合，并嵌入光纤组件，固化形成仿体模型。

具体地，在基质材料中加入散射粒子，其中，散射粒子的浓度为1ug/g～1mg/g，得到配置好的仿体材料；将光纤嵌入至配置好的仿体材料中，在80～100℃下进行高温固化，形成仿体模型。

在本实例中，所述基质材料选自聚二甲基硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯酰胺；所述散射粒子选自二氧化钛、氧化铝。

示例性地，基质材料选用硅胶基质材料，将硅胶基质材料与固化剂按10：1的质量比例配置，同时在硅胶基质材料中加入散射粒子，其中，散射粒子的浓度为0.1mg/g，得到配置好的仿体材料；将光纤嵌入至配置好的仿体材料中，在80℃下进行高温固化，形成仿体模型。

将光纤嵌入至配置好的仿体材料的过程包括：通过拉伸制得柱形或锥形的光纤，依据所要固定光纤的直径大小，在支撑装置(本实例中采用玻璃片3)的表面蚀刻出相应大小的凹槽，再将光纤嵌入凹槽内，并通过胶水实现固定；光纤固定在玻璃片3上，之后以玻璃片3为基本单位，再进行片间装调，最终构建出仿体模型。

所述步骤(1)还包括：通过旋涂的方法来控制仿体材料的厚度，以模拟不同深度的荧光信号。

(2)：根据目标荧光分子的光谱、光强，选择荧光发射源，荧光发射源出射光束，对出射光束的光谱、光强进行调控，耦合进入光纤，经光纤散射后通过仿体模型传播到自由空间中，以模拟生成荧光信号，得到荧光仿生模体。

具体地，根据目标荧光分子的光谱、光强特性，选取峰值波段附近的光源作为荧光发射源4，使得荧光发射源的光强与目标荧光分子的荧光强度一致。荧光发射源出射光束，经第一光栅5分光后，入射到空间光调制器6上进行调制，使得荧光发射源4出射的光束的光谱特征与目标荧光光谱曲线一致；之后光束经过第二光栅合束7，再经耦合透镜8耦合进入光纤1。

所述光纤由纤芯102和涂覆于纤芯外侧的涂覆层103组成；荧光发射源出射的高阶模式的光束在传播过程中发生散射，从光纤的侧面发射出来，经光纤散射后通过仿体模型传播到自由空间中，以模拟生成荧光信号，得到荧光仿生模体。

实施例1

(1)在本实例中，仿体模型中，仿组织层7以PDMS作为仿体的基质材料，PDMS与固化剂的质量比为10：1；二氧化钛作为散射粒子来模拟组织散射，二氧化钛的质量浓度0.1％，相当于简化散射因子10cm^-1。将光纤嵌入至配置好的仿体材料中，通过匀胶机转速来控制仿组织层2的厚度，根据实际测量，在4英寸硅片上涂抹PDMS和二氧化钛的混合物，匀胶机转速设置为800rpm，固化后台阶仪测得薄膜厚度为60微米。将PDMS、固化剂、二氧化钛充分混合之后，放入80度恒温烤箱中加热30分钟成型；得到形成仿体模型。

(2)在本实例中，目标荧光分子为ICG荧光分子，根据目标荧光分子的光谱、光强，选择荧光发射源，荧光发射源出射光束，对出射光束的谱、光强进行调控，耦合进入光纤，经光纤散射后通过仿体模型传播到自由空间中，以模拟生成荧光信号，得到荧光仿生模体。

将光纤1嵌入仿组织层2中，再将光束导入光纤1中，可实现仿体荧光信号生成。为生成ICG荧光，本例采用超连续激光器作为光源4；此波段光束经过第一光栅5分光之后，入射到空间光调制器6上；空间光调制器6对光谱进行调制，使得光束的光谱特征与ICG荧光光谱曲线一致；之后光束经过第二光栅7合束，再经耦合透镜8输入光纤1；光纤1向空间中发射荧光，模拟产生ICG荧光信号。ICG荧光信号经过仿组织层2投射出来，被荧光成像系统收集，实现了对生物组织的模拟效果，即ICG荧光组织仿体；

实施例2

(1)在本实例中，仿组织层2以聚氨酯作为仿体的基质材料，散射粒子为二氧化钛，同时在基质材料中加入氯化血红素作为吸收材料，其中，散射粒子的质量浓度为0.2％，氯化血红素的浓度为20ug/g，得到配置好的仿体材料；将光纤嵌入至配置好的仿体材料中，常温放置2～5天成型，形成仿体模型。

(2)在本实例中，目标荧光分子为亚甲基蓝荧光分子，根据目标荧光分子的光谱、光强，选择超连续激光器作为荧光发射源，荧光发射源出射光束，对出射光束的谱、光强进行调控，耦合进入光纤，经光纤散射后通过仿体模型传播到自由空间中，以模拟生成荧光信号，得到荧光仿生模体。

实施例3

(1)在本实例中，仿组织层2以PDMS作为仿体的基质材料，散射粒子为氧化铝，将硅胶基质材料与固化剂按15：1质量比例配置，散射粒子的质量浓度为0.01％，得到配置好的仿体材料；将光纤嵌入至配置好的仿体材料中，在100℃下进行高温固化30分钟成型，形成仿体模型。

(2)在本实例中，目标荧光分子为荧光素钠分子，根据目标荧光分子的光谱、光强，选择超连续激光器作为荧光发射源，荧光发射源出射光束，对出射光束的谱、光强进行调控，耦合进入光纤，经光纤散射后通过仿体模型传播到自由空间中，以模拟生成荧光信号，得到荧光仿生模体。

如图3中的(a)所示，所述荧光发射源可采用卤素灯、氙灯、LED、激光器等光源，通过耦合器将荧光发射源出射的光线耦合到光纤里。光线在光纤中传播的过程中，高阶模式的光线容易从光纤侧面由纤芯102经过涂覆层103散射出来，形成荧光视觉效果。以绿色荧光蛋白成像为例，将532nm激光耦合进入光纤，荧光成像系统即可对该光纤进行成像。对于光纤数量较多的复杂模型，采用多端光纤输出，再分别耦合进每一根光纤中。

进一步地，所述光纤还可以采用阶梯状的结构，如图3中的(b)所示。光纤支撑结构104整体呈现阶梯状，相邻两个阶梯的间隔一致；示例性地，图中有4个阶梯，当用于荧光成像系统的景深评测时候，代表着对成像系统在成像深度上的4个采样点；依据荧光成像系统的景深测试要求，可设计相应的采样密度以及采样范围，从而实现对荧光成像系统的深度成像能力的评测。

如图3中的(b)所示，光纤组件中采用光纤支撑结构4，所述光纤支撑结构4上可以按需设置有若干条光纤1。光纤支撑结构104上还安装有镜面反射片5，镜面反射片5可以反射激发光，与光纤荧光、背景荧光相比较，可以评测荧光成像系统的荧光串扰。

将光纤1具体安装在光纤支撑结构104的阶梯平面上，光纤通过拉制之后，光纤的纤芯直径逐渐变小，呈现锥状；本例中较大的纤芯直径为1mm，较小的纤芯直径为1μm，三根锥状光纤并排，光纤之间的间隔与光纤直径相同，因此相当于模拟传统分辨率板的0.5线对/毫米至500线对/毫米的范围，可用于荧光成像系统的分辨率测试。

将光纤1还竖直安装在光纤支撑结构104上，可以对平面内的照明光进行收集采样；如图3中的(b)所示，一共有12根光纤，代表着对平面内的照明光进行了3x 4份采样；根据采样数据，可以用于荧光成像系统的照明均匀度的评测；该光纤荧光标准模型具备光谱、光强可调节，易于进行仿生模体溯源。

另一方面的，本发明提供的光纤荧光仿生模体，还可用于荧光成像系统的评测。例如，采用光纤模拟血管，光纤直径范围可以覆盖1mm～1μm，用于模拟不同粗细的血管；将光束耦合进入光纤，模拟血管内发射荧光；通过对光束的光谱、光强进行调控，准确模拟荧光性质；采用光功率计对荧光的辐射量进行探测，对该光纤荧光仿生模体进行标定；采用荧光腹腔镜和白光腹腔镜分别对该光纤荧光仿生模体进行成像，根据成像结果，可比较两个腹腔镜系统的成像性能。

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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤荧光仿生模体的生成方法，其特征在于，所述方法具体包括：

将基质材料、散射粒子均匀混合，并嵌入光纤组件，固化形成仿体模型；

根据目标荧光分子的光谱、光强，选择荧光发射源，荧光发射源出射光束，对出射光束的光谱、光强进行调控，耦合进入光纤组件，经光纤组件散射后通过仿体模型传播到自由空间中，以模拟生成荧光信号，得到荧光仿生模体；包括：

根据目标荧光分子的光谱、光强特性，选取峰值波段附近的光源作为荧光发射源，使得荧光发射源的光强与目标荧光分子的荧光强度一致；荧光发射源出射光束，经第一光栅分光后，入射到空间光调制器上进行调制，使得荧光发射源出射的光束的光谱特征与目标荧光分子的光谱曲线一致；之后光束经过第二光栅合束，再经耦合透镜耦合进入光纤组件。

2.根据权利要求1所述的光纤荧光仿生模体的生成方法，其特征在于，将基质材料、散射粒子均匀混合，并嵌入光纤组件，固化形成仿体模型的过程包括：

在基质材料中加入散射粒子，其中，散射粒子的浓度为1ug/g~1mg/g，得到配置好的仿体材料；将光纤组件嵌入至配置好的仿体材料中，固化形成仿体模型。

3.根据权利要求2所述的光纤荧光仿生模体的生成方法，其特征在于，将基质材料、散射粒子均匀混合，并嵌入光纤组件，固化形成仿体模型的过程还包括：通过旋涂的方法来控制仿体材料的厚度，以模拟不同深度的荧光信号。

4.根据权利要求1或2所述的光纤荧光仿生模体的生成方法，其特征在于，所述散射粒子用于模拟光学散射性质。

5.根据权利要求1或2所述的光纤荧光仿生模体的生成方法，其特征在于，所述基质材料选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯酰胺；所述散射粒子选自二氧化钛、氧化铝。

6.根据权利要求1所述的光纤荧光仿生模体的生成方法，其特征在于，所述光纤组件按需设置光纤的数量与结构；所述光纤由纤芯和涂覆于纤芯外侧的涂覆层组成；荧光发射源出射的高阶模式的光束在传播过程中发生散射，从光纤的侧面发射出来。

7.一种光纤荧光仿生模体，其特征在于，由权利要求1~6任一项所述的光纤荧光仿生模体的生成方法制得。

8.一种权利要求7所述的光纤荧光仿生模体在评测荧光成像中的应用。