CN116584889A - 一种小动物活体成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小动物活体成像装置及方法，所述小动物活体成像装置包括：载物台，其上设有多个用于放置小动物的透光窗口；CMOS相机，设于载物台的上方；明场光源，设于所述载物台的上方；荧光光源组件，设于载物台的上方；滤光片轮，转动设于CMOS相机的下方，在滤光片轮的同一圆周上设有若干可透过不同波长的滤光片以及至少一个通孔；大靶面图像传感器，设于载物台的下方并用于朝上拍摄；竖直移动装置，设于载物台的下方并用于驱动大靶面图像传感器竖直移动；水平移动装置，设于载物台的下方并用于驱动竖直移动装置和大靶面图像传感器水平移动。本发明中可通过CMOS相机和大靶面图像传感器分别实现小动物的荧光探针成像和发光探针成像。

Description

一种小动物活体成像装置及方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种小动物活体成像装置及方法。

背景技术

CCD成像方案是通过镜头将样品发出的光信号收集并传送给CCD相机，由于镜头跟被检测样品有一定的距离，因此镜头实际收集的发光信号仅为样品检测侧发出光信号中很小的一部分，在小动物活体成像检测中，小动物身上的发光成像信号非常弱，即使是制冷CCD相机也要长达几分钟的曝光，才能拍摄到信号。

国内图像传感器厂家也是以CMOS芯片为主，部分厂家也做sCOMS芯片，完全没有任何一家公司涉及科学级CCD芯片研发和生产；因此为了降低成本，摆脱对CCD相机的依赖，在小动物活体成像方面，需要设计一种可采用CMOS相机和sCOMS相机进行成像的装置。

发明内容

本发明目的在于为克服现有的技术缺陷，提供一种小动物活体成像装置及方法，可通过CMOS相机和大靶面图像传感器分别实现小动物的荧光探针成像和发光探针成像。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小动物活体成像装置，包括：

载物台，所述载物台上设有多个用于放置小动物的透光窗口；

CMOS相机，设于所述载物台的上方，用于拍摄所述载物台上的小动物；

明场光源，设于所述载物台的上方并用于照射所述载物台上的小动物；

荧光光源组件，设于所述载物台的上方并用于照射所述载物台上的小动物；

滤光片轮，转动设于所述CMOS相机的下方，在所述滤光片轮的同一圆周上设有若干可透过不同波长的滤光片以及至少一个通孔，以在滤光片轮转动的过程中使不同的滤光片或通孔位于CMOS相机的正下方；

大靶面图像传感器，设于所述载物台的下方并用于朝上拍摄；

竖直移动装置，设于所述载物台的下方并用于驱动所述大靶面图像传感器竖直移动；

水平移动装置，设于所述载物台的下方并用于驱动所述竖直移动装置和大靶面图像传感器水平移动。

进一步的，所述荧光光源组件包括多个不同波长的的荧光光源。

进一步的，所述荧光光源对称排列在所述CMOS相机的下方。

进一步的，所述明场光源包括多个单色LED灯。

进一步的，所述载物台上间隔设有五个排列设置的透光窗口。

进一步的，所述透光窗口采用透明的玻璃或亚克力板制成。

进一步的，所述CMOS相机的下端设有镜头。

进一步的，所述的小动物活体成像装置还包括可拆卸设于所述载物台表面上的背景板，以遮蔽所述透光窗口。

第二方面，本发明还提供了一种小动物活体成像方法，采用如第一方面任一项所述的小动物活体成像装置进行成像，包括以下步骤：

S1、先在载物台上放置一块背景板；

S2、将带有荧光探针并麻醉后的小动物放置在背景板上；

S3、打开明场光源，并使滤光片轮上的通孔与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张小动物的外形图像；

S4、关闭明场光源，打开与荧光探针对应的荧光光源，并使滤光片轮上与荧光探针相对应的滤光片与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张荧光图像；

S5、将拍摄得到的外形图像和荧光图像叠加重合，得到荧光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取荧光信号在小动物身上的位置。

第三方面，本发明还提供了另一种小动物活体成像方法，采用如第一方面任一项所述的小动物活体成像装置进行成像，包括以下步骤：

S10、将带有发光探针并麻醉后的小动物一一对应放置在透光窗口上；

S20、打开明场光源，并使滤光片轮上的通孔与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张各位置处小动物的外形图像；

S30、关闭明场光源，通过竖直移动装置和水平移动装置的驱动使大靶面图像传感器紧贴在第一个透光窗口的下方，通过大靶面图像传感器进行拍摄，得到第一张发光信号图像，而后使大靶面图像传感器移动至第二个透光窗口的下方并拍摄得到第二张发光信号图像，直至移动至最后一个透光窗口处并拍摄最后一张发光信号图像；

S40、将上述依次拍摄得到的多张发光信号图像根据大靶面图像传感器的移动距离拼接起来，得到与实际小动物排序和位置相同的发光信号图像；

S50、将拍摄得到的外形图像和拼接组合后得到的发光信号图像叠加重合，得到各位置处的发光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取发光信号在小动物身上的位置。

第四方面，本发明还提供了另一种小动物活体成像装置，包括：

载物台，所述载物台上设有用于放置小动物的透光窗口；

CMOS相机，设于所述载物台的上方，用于拍摄所述载物台上的小动物；

明场光源，设于所述载物台的上方并用于照射所述载物台上的小动物；

荧光光源组件，设于所述载物台的上方并用于照射所述载物台上的小动物；

滤光片轮，转动设于所述CMOS相机的下方，在所述滤光片轮的同一圆周上设有若干可透过不同波长的滤光片以及至少一个通孔，以在滤光片轮转动的过程中使不同的滤光片或通孔位于CMOS相机的正下方；

大靶面图像传感器，紧贴设于所述透光窗口的下方并用于朝上拍摄。

第五方面，本发明还提供了另一种小动物活体成像方法，采用如第四方面所述的小动物活体成像装置进行成像，包括以下步骤：

S100、将带有发光探针并麻醉后的小动物间隔排列放置在透光窗口上；

S200、打开明场光源，并使滤光片轮上的通孔与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张各位置处小动物的外形图像；

S300、关闭明场光源，通过大靶面图像传感器进行拍摄，得到一张与实际小动物排序和位置相同的发光信号图像；

S400、将拍摄得到的外形图像和发光信号图像叠加重合，得到各位置处的发光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取发光信号在小动物身上的位置。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，通过荧光光源和明场光源与CMOS相机和大靶面图像传感器的组合，可用于小动物的荧光探针成像和发光探针成像，其中荧光探针成像信号强，成像曝光时间短，一般为几秒钟，因此采用CMOS相机或sCMOS相机均可满足荧光探针成像的要求；而针对CCD相机拍摄曝光长的问题，可以通过尽可能多的收集光信号来缩短曝光时间，以降低对成像相机的要求，本发明中在发光探针成像检测时可以采用移动装置加大靶面图像传感器的方式对多只小动物进行逐一拍摄，也可以不使用移动装置，直接采用更大靶面的图像传感器对多只小动物进行整体拍摄，并使大靶面图像传感器紧贴在透明窗口的下方进行拍摄，不使用镜头，几乎百分百收集了检测侧样品发出的光信号，曝光时间同样也可以在几秒钟完成，因此采用大靶面图像传感器可满足发光探针成像的要求。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为实施例中小动物活体成像装置的示意图；

图2为实施例中采用小动物活体成像装置进行荧光探针成像时的示意图；

图3为实施例中采用小动物活体成像装置进行发光探针成像时的示意图；

图4为实施例4中小动物活体成像装置的示意图。

具体实施方式

为了更充分的理解本发明的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步介绍和说明；需要说明的是，正文中如有“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的部件等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

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。

实施例

如图1和图2所示，本实施例所示的小动物活体成像装置，该小动物活体成像装置安装于一个机箱内，具体包括载物台2、CMOS相机8、明场光源4、荧光光源组件5、滤光片轮7、大靶面图像传感器11、竖直移动装置12和水平移动装置13.

其中，载物台2上间隔排列设有多个用于放置待检测的小动物3的透光窗口1，方便光源透过透光窗口1照射在待检测的小动物3上，以进行曝光成像。

CMOS相机8设于载物台的上方，用于朝下拍摄载物台2上的小动物3，并在CMOS相机8的下端设有镜头9，该镜头9的镜头视角10可覆盖载物台2上的所有小动物3。

明场光源4设于载物台2的上方并用于照射载物台2上的小动物3，该明场光源4可安装在机箱顶部两侧或机箱内部两侧壁面上，使明场光源4的照射范围可覆盖载物台2上的所有小动物3即可，用于竖直朝下照射或倾斜朝下照射。

荧光光源组件5设于载物台2的上方并用于照射载物台2上的小动物3，该荧光光源组件5安装在机箱的顶部。

滤光片轮7转动设于CMOS相机8的下方，在滤光片轮7的同一圆周上设有若干可透过不同波长的滤光片6以及至少一个通孔(图中未示出)，从而在滤光片轮7转动的过程中，使同一圆周上的不同的滤光片或通孔位于CMOS相机8下端的镜头9正下方，进而可根据不同的检测需要，使不同的滤光片或通孔与CMOS相机8进行使用。

大靶面图像传感器11设于载物台2的下方并用于朝上拍摄，从而可利用大靶面图像传感器11透过透光窗口1对小动物3进行拍摄；竖直移动装置12设于载物台2的下方并用于驱动大靶面图像传感器11竖直移动，使大靶面图像传感器11可朝靠近或远离载物台2的方向移动，以在竖直移动过程中调节大靶面图像传感器11拍摄时的视场大小，且可改变大靶面图像传感器11的进光量；水平移动装置13设于载物台2的下方并用于驱动竖直移动装置12和大靶面图像传感器11水平移动，即通过水平移动使大靶面图像传感器11可在各个透光窗口1之间移动并一一对应拍摄位于相应透光窗口1处的小动物3。

本实施例中，荧光光源组件5包括多个不同波长的的荧光光源，从而可根据实际检测的需求，设计几个或十几个不同波长的光源，以分别对应激发不同颜色的荧光探针；且多个荧光光源对称排列在CMOS相机8的下方两侧，当然在安装时，需要使荧光光源的安装位置不能遮挡镜头的拍摄视角。

本实施例中，该荧光光源可以为通过光纤传导的发光光源，还可以为LED光源、OLED光源或者激光光源中的至少一种，本实施例中对荧光光源的具体形式不进行限定。

作为优选的是，明场光源4包括多个单色LED灯，如绿光LED或红光LED等；作为优选的是，明场光源4除了可以是LED光源外，还可以是OLED光源或者激光光源中的至少一种。

本实施例中，载物台2上间隔设有五个间隔排列设置的透光窗口1，从而可同时对五只小动物3进行活体成像和检测，提高检测效率；作为优选的是，透光窗口1采用透明的玻璃或亚克力板制成，方便光透过。

本实施例中，该小动物活体成像装置还包括放置于载物台2表面上的背景板14，以利用背景板14遮蔽透光窗口1，便于荧光成像检测。

于其它实施例中，竖直移动装置和水平移动装置均可采用丝杠传动机构，还可以采用皮带传动机构或气缸传动机构等，丝杠传动机构、皮带传动机构和气缸传动机构均为现有中常规的传动机构。

实施例2

如图2所示，本实施例所示的一种小动物活体成像方法，采用如实施例1所述的小动物活体成像装置进行荧光探针成像，包括以下步骤：

S1、先在载物台2上放置一块背景板14；

S2、将带有荧光探针并麻醉后的多只小动物3间隔排列放置在背景板14上；

S3、打开明场光源4，并使滤光片轮7上的通孔与CMOS相机8下端的镜头9对应，而后通过CMOS相机8和镜头9透过通孔后进行拍摄，得到一张明场图像，即具有多只小动物外形的外形图像；

S4、而后关闭明场光源4，打开与荧光探针颜色对应的荧光光源，并使滤光片轮7上与荧光探针颜色相对应的滤光片6与CMOS相机8下端的镜头9对应，从而利用滤光片6过滤掉除荧光探针颜色以外的其它光源，而后通过CMOS相机8和镜头9进行拍摄，得到一张荧光图像，即荧光信号图；

S5、因采用同一相机拍摄，可将拍摄得到的外形图像和荧光图像叠加重合，得到荧光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取荧光信号在小动物身上的位置，再通过荧光信号的大小和位置即可做定量分析。

上述中，在整个拍摄成像的检测过程中，需通过外部的麻醉系统向机箱内持续供给麻醉气体，使小动物始终处于麻醉状态。

实施例3

如图3所示，本实施例所示的一种小动物活体成像方法，采用如实施例1所述的小动物活体成像装置进行发光探针成像，包括以下步骤：

S10、此时在载物台2上不需放置背景板，将带有发光探针并麻醉后的多只小动物3一一对应放置在透光窗口1上，即每个透光窗口1上均放置有一只小动物；

S20、打开明场光源4，并使滤光片轮7上的通孔与CMOS相机8下端的镜头9对应，而后通过CMOS相机8和镜头9透过通孔后进行拍摄，得到一张明场图像，即具有多只不同位置处的小动物外形的外形图像；

S30、关闭明场光源4，通过竖直移动装置12和水平移动装置13的驱动使大靶面图像传感器11紧贴在前后排列设置的第一个透光窗口1的下方，通过大靶面图像传感器11进行拍摄，因发光探针可自发光，从而可得到第一张发光信号图像，即第一只小动物3上的发光信号图，而后使大靶面图像传感器11移动至第二个透光窗口1的下方并拍摄得到第二张发光信号图像，即第二只小动物3上的发光信号图，以此方式，直至使大靶面图像传感器11移动至最后一个透光窗口1处并拍摄最后一张发光信号图像，即最后一只小动物3上的发光信号图；

S40、将上述依次拍摄得到的多张发光信号图像根据大靶面图像传感器11的移动距离拼接起来，即相邻两张发光信号图像的距离与相邻两只小动物的距离相同，得到与实际小动物排序和位置相同的组合式发光信号图像；

S50、将拍摄得到的外形图像和拼接组合后得到的组合式发光信号图像叠加重合，得到各位置处的发光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取发光信号在小动物身上的位置，再通过发光信号的大小和位置即可做定量分析；此处中，虽然外形图像和组合式发光信号图像是通过不同相机进行拍摄的，一般不能直接进行叠加，但通过对水平移动装置每次拍摄时的距离进行精确定位，以此通过拼接方式可得到与实际小动物排序和位置相同的组合式发光信号图像，这样不同相机拍摄的图像也可进行上下重合叠加，进而解决了外形图像和组合式发光信号图像之间叠加难的问题。

上述中，在整个拍摄成像的检测过程中，需通过外部的麻醉系统向机箱内持续供给麻醉气体，使小动物始终处于麻醉状态。

实施例4

如图4所示，本实施例所示的一种小动物活体成像装置，包括该小动物活体成像装置安装于一个机箱内，具体包括载物台2、CMOS相机8、明场光源4、荧光光源组件5、滤光片轮7和大靶面图像传感器11。

其中，载物台2上设有用于放置待检测的小动物3的透光窗口1，方便光源透过透光窗口1照射在待检测的小动物3上，以进行曝光成像；可以理解的是，该透光窗口1可以是用于放置多只小动物的大窗口，也可以是只能放置单只小动物的小窗口，在采用小窗口时，可在载物台2设置多个间隔排列设置的透光窗口1，以放置多只小动物后进行同时检测。

CMOS相机8设于载物台的上方，用于朝下拍摄载物台2上的小动物3，并在CMOS相机8的下端设有镜头9，该镜头9的镜头视角10可覆盖载物台2上的所有小动物3。

明场光源4设于载物台2的上方并用于照射载物台2上的小动物3，该明场光源4可安装在机箱顶部两侧或机箱内部两侧壁面上，使明场光源4的照射范围可覆盖载物台2上的所有小动物3即可，用于竖直朝下照射或倾斜朝下照射。

荧光光源组件5设于载物台2的上方并用于照射载物台2上的小动物3，该荧光光源组件5安装在机箱的顶部。

滤光片轮7转动设于CMOS相机8的下方，在滤光片轮7的同一圆周上设有若干可透过不同波长的滤光片6以及至少一个通孔(图中未示出)，从而在滤光片轮7转动的过程中，使同一圆周上的不同的滤光片或通孔位于CMOS相机8下端的镜头9正下方，进而可根据不同的检测需要，使不同的滤光片或通孔与CMOS相机8进行使用。

大靶面图像传感器11紧贴设于透光窗口2的下方并用于朝上拍摄，从而可利用大靶面图像传感器11透过透光窗口1对小动物3进行拍摄；该大靶面图像传感器11拍摄视角需覆盖住整个透光窗口，从而同时拍摄放置在透光窗口1上的小动物。

本实施例所述的小动物活体成像装置在进行荧光探针成像检测时的方法如实施例2所述。

本实施例所述的小动物活体成像装置在进行发光探针成像时，包括以下步骤：

S100、将带有发光探针并麻醉后的多只小动物间隔排列放置在透光窗口上；

S200、打开明场光源，并使滤光片轮上的通孔与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张各位置处小动物的外形图像；

S300、关闭明场光源，通过大靶面图像传感器进行拍摄，得到一张与实际小动物排序和位置相同的发光信号图像；

S400、将拍摄得到的外形图像和发光信号图像上下叠加重合，得到各位置处的发光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取发光信号在小动物身上的位置，再通过发光信号的大小和位置即可做定量分析。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种小动物活体成像装置，其特征在于，包括：

载物台，所述载物台上设有多个用于放置小动物的透光窗口；

CMOS相机，设于所述载物台的上方，用于拍摄所述载物台上的小动物；

明场光源，设于所述载物台的上方并用于照射所述载物台上的小动物；

荧光光源组件，设于所述载物台的上方并用于照射所述载物台上的小动物；

滤光片轮，转动设于所述CMOS相机的下方，在所述滤光片轮的同一圆周上设有若干可透过不同波长的滤光片以及至少一个通孔，以在滤光片轮转动的过程中使不同的滤光片或通孔位于CMOS相机的正下方；

大靶面图像传感器，设于所述载物台的下方并用于朝上拍摄；

竖直移动装置，设于所述载物台的下方并用于驱动所述大靶面图像传感器竖直移动；

水平移动装置，设于所述载物台的下方并用于驱动所述竖直移动装置和大靶面图像传感器水平移动。

2.如权利要求1所述的小动物活体成像装置，其特征在于，所述荧光光源组件包括多个不同波长的的荧光光源，且所述荧光光源对称排列在所述CMOS相机的下方。

3.如权利要求1所述的小动物活体成像装置，其特征在于，所述明场光源包括多个单色LED灯。

4.如权利要求1所述的小动物活体成像装置，其特征在于，所述载物台上间隔设有五个排列设置的透光窗口，且所述透光窗口采用透明的玻璃或亚克力板制成。。

5.如权利要求1-4任一项所述的小动物活体成像装置，其特征在于，所述CMOS相机的下端设有镜头。

6.如权利要求5所述的小动物活体成像装置，其特征在于，还包括可拆卸设于所述载物台表面上的背景板，以遮蔽所述透光窗口。

7.一种小动物活体成像方法，采用如权利要求1-6任一项所述的小动物活体成像装置进行成像，其特征在于，包括以下步骤：

S1、先在载物台上放置一块背景板；

S2、将带有荧光探针并麻醉后的小动物放置在背景板上；

S3、打开明场光源，并使滤光片轮上的通孔与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张小动物的外形图像；

S4、关闭明场光源，打开与荧光探针对应的荧光光源，并使滤光片轮上与荧光探针相对应的滤光片与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张荧光图像；

S5、将拍摄得到的外形图像和荧光图像叠加重合，得到荧光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取荧光信号在小动物身上的位置。

8.一种小动物活体成像方法，采用如权利要求1-6任一项所述的小动物活体成像装置进行成像，其特征在于，包括以下步骤：

S10、将带有发光探针并麻醉后的小动物一一对应放置在透光窗口上；

S20、打开明场光源，并使滤光片轮上的通孔与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张各位置处小动物的外形图像；

S30、关闭明场光源，通过竖直移动装置和水平移动装置的驱动使大靶面图像传感器紧贴在第一个透光窗口的下方，通过大靶面图像传感器进行拍摄，得到第一张发光信号图像，而后使大靶面图像传感器移动至第二个透光窗口的下方并拍摄得到第二张发光信号图像，直至移动至最后一个透光窗口处并拍摄最后一张发光信号图像；

S40、将上述依次拍摄得到的多张发光信号图像根据大靶面图像传感器的移动距离拼接起来，得到与实际小动物排序和位置相同的发光信号图像；

S50、将拍摄得到的外形图像和拼接组合后得到的发光信号图像叠加重合，得到各位置处的发光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取发光信号在小动物身上的位置。

9.一种小动物活体成像装置，其特征在于，包括：

载物台，所述载物台上设有用于放置小动物的透光窗口；

CMOS相机，设于所述载物台的上方，用于拍摄所述载物台上的小动物；

明场光源，设于所述载物台的上方并用于照射所述载物台上的小动物；

荧光光源组件，设于所述载物台的上方并用于照射所述载物台上的小动物；

滤光片轮，转动设于所述CMOS相机的下方，在所述滤光片轮的同一圆周上设有若干可透过不同波长的滤光片以及至少一个通孔，以在滤光片轮转动的过程中使不同的滤光片或通孔位于CMOS相机的正下方；

大靶面图像传感器，紧贴设于所述透光窗口的下方并用于朝上拍摄。

10.一种小动物活体成像方法，采用如权利要求9所述的小动物活体成像装置进行成像，其特征在于，包括以下步骤：

S100、将带有发光探针并麻醉后的小动物间隔排列放置在透光窗口上；

S200、打开明场光源，并使滤光片轮上的通孔与CMOS相机对应，而后通过CMOS相机进行拍摄，得到一张各位置处小动物的外形图像；

S300、关闭明场光源，通过大靶面图像传感器进行拍摄，得到一张与实际小动物排序和位置相同的发光信号图像；

S400、将拍摄得到的外形图像和发光信号图像叠加重合，得到各位置处的发光信号与小动物外形叠加的图片，进而获取发光信号在小动物身上的位置。