CN207937361U - 基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，其中周期信号产生器将周期调制信号传输到电源驱动；电源驱动连接激光器发射强度周期调制光至扫描振镜系统；所述扫描振镜系统的两块伺服驱动板分别与两个扫描振镜相连，驱动扫描振镜上的电机，从而带动电机上的高反射的光学镜片转动，调整激光扫描位置；所述的信号产生/采集器与扫描振镜系统连接传输振镜信号并采集荧光电信号；所述光电探测器安装在扫描振镜系统的周围，并与信号发生/采集器相连传输荧光电信号，所述光学模组安装在光电探测器的感光面前。通过本实用新型的结构设计可采集到被测物体的调制荧光信号，与未被主动调制的背景光有效分离，提高成像对比度。

Description

基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统。

背景技术

在肿瘤外科手术中，如何准确的将肿瘤组织切除，保留健康组织，是一个热点研究问题。当前，一种备受关注的方法是：利用靶向荧光剂标记肿瘤，并在肿瘤手术中使用外部光源照射肿瘤，激发靶向荧光剂发出荧光，进而识别肿瘤组织。相比于环境背景光，荧光信号通常不会很强，因此肿瘤部位发出的荧光图像的对比度相对较低。上述方法在使用的时候，通常要将背景光调暗。在本实用新型中，我们提出使用强度周期调制激光来照射连接了靶向荧光剂的肿瘤区域，并利用频率滤波的方法，提取荧光信号。基于上述思路，肿瘤荧光扫描成像系统可以在明亮的背景光下正常工作，为肿瘤外科手术提供更好的帮助。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，利用强度周期调制激光照射连接了靶向荧光剂的肿瘤，以频率滤波的方法提取荧光信号，消除背景光照对荧光成像的影响。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型提出一种基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，包括电源驱动、激光器、周期信号产生器、扫描振镜系统、光电探测器、光学模组、信号产生/采集器；

所述周期信号产生器将周期调制信号传输到电源驱动；

所述的电源驱动连接至激光器，周期电源驱动激光器发射强度周期调制光至扫描振镜系统；

所述扫描振镜系统，包括线性电源、两块伺服驱动板以及两个扫描振镜，线性电源与伺服驱动板连接供电；两块伺服驱动板分别与两个扫描振镜相连，驱动扫描振镜上的电机，从而带动电机上的高反射的光学镜片转动，调整激光扫描位置；

所述的信号产生/采集器与扫描振镜系统连接传输振镜信号至扫描振镜系统的伺服驱动板，并且通过采集卡采集荧光电信号；

所述光电探测器安装在扫描振镜系统的周围，并与信号发生/采集器相连传输荧光电信号。

所述光学模组安装在光电探测器的感光面前。

更进一步具体实施方式中，高反射的光学镜片转动角度与扫描信号的电压值成正比。

更进一步具体实施方式中，还包括空间图像相机，所述空间图像相机，由面阵相机与成像镜头组成，安装在上述扫描成像系统的旁边拍摄视频图像信息。

更进一步具体实施方式中，所述光学模组安装有滤光片与透镜，所述的滤光片安装在光电探测器前，透镜紧贴着滤光片安装，透镜的后焦面与光电探测器的感光面重合。

更进一步具体实施方式中，所述的滤光片与透镜外部为铝制套管，所述的铝制套管通过机械卡具固定在光电探测器的感光面前。

更进一步具体实施方式中，所述激光器为光谱宽度小于5nm的光源。

通过本实用新型的结构设置，其具体的有益效果如下所述：

本实用新型通过周期信号产生器将周期调制信号传输到电源驱动，周期电源驱动激光器发射强度周期调制光至扫描振镜系统，扫描振镜系统的两块伺服驱动板分别与两个扫描振镜相连，驱动扫描振镜上的电机，带动电机上的高反射的光学镜片转动，调整激光扫描位置，信号产生/采集器与扫描振镜系统相连采集荧光电信号，利用强度周期调制激光采集到的荧光强度也是周期性调制的，因此高速光电探测器将收集到周期性的荧光以及未被主动调制的背景光，可以把荧光与背景光有效分离，提高成像对比度。

附图说明

图1为基于白光线光源的高速病理切片扫描成像系统。

标记说明：电源驱动1、激光器2、周期信号产生器3、扫描振镜系统4、光电探测器5、光学模组6、信号产生/采集器7、空间图像相机8、探测物体9；Y轴方向垂直纸面向外。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本实用新型的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本实用新型方案的限制，任何依据本实用新型构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本实用新型的技术方案范畴。

实施例

在肿瘤手术中，吲哚菁绿是一种被美国食品药物管理局批准用于临床的染料，下面针对该染料，结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，包括如下模块：电源驱动1、激光器2、周期信号产生器3、扫描振镜系统4、光电探测器5、光学模组6、信号产生/采集器7、空间图像相机8、探测物体9；Y轴方向垂直纸面向外。

所述周期信号产生器3将周期调制信号传输到电源驱动1；所述的电源驱动1连接至激光器2，所述激光器为光谱宽度小于5nm的光源。

周期电源驱动激光器2发射正弦光强至扫描振镜系统；所述扫描振镜系统4，包括线性电源、两块伺服驱动板以及两个扫描振镜，线性电源与伺服驱动板连接供电；两块伺服驱动板分别与两个扫描振镜相连，驱动扫描振镜上的电机，从而带动电机上的高反射的光学镜片4a转动，调整激光扫描位置，其中高反射的光学镜片4a转动角度与扫描信号的电压值成正比；

所述的信号产生/采集器7与扫描振镜系统连接传输振镜信号至扫描振镜系统的伺服驱动板，并且通过采集卡采集荧光电信号；所述光电探测器5安装在扫描振镜系统的周围，并与信号发生/采集器相连传输荧光电信号。所述光学模6组安装在光电探测器的感光面前，所述光学模组安装有滤光片与透镜，所述的滤光片安装在光电探测器前，透镜紧贴着滤光片安装，透镜的后焦面与光电探测器的感光面重合，所述的滤光片与透镜外部为铝制套管，所述的铝制套管通过机械卡具固定在光电探测器的感光面前。

空间图像相机8，由面阵相机与成像镜头组成，安装在上述扫描成像系统的旁边拍摄视频图像信息。

所述电源驱动，选用长春新产业型号为PSU-H-LED的电源驱动，该电源由220V交流电供电，由背部的电源输出端将驱动电源传输到激光器，并通过BNC接口接受正弦式周期调制信号。

所述激光器，选用长春新产业型号为MxL-H-760的760nm激光器，功率选择100mw，光强的不稳定性小于1％，该激光是一种高度准直、光谱宽度小于5nm的光源。激光器在电源驱动下，其发射光强可以被周期调制为正弦光强。

所述周期信号产生器，选用美国国家仪器公司型号为USB-6215的产品，该产品通过USB与计算机相连，通过计算机程序可控制其产生周期调制信号，其频率为N Hz(此处N是大于1的整数)，周期调制信号由AO1口与AO GND口输出，上述两个端口分别于电源驱动的BNC接口的信号端与接地端相连。

所述扫描振镜系统，选用美国Thorlabs公司型号为GVSM002的产品，该产品是一种光机电系统，主要包含线性电源，两块伺服驱动板以及两个扫描振镜，两个扫描振镜安装在美国Thorlabs公司的GCM102中两个安装孔中，利用螺纹进行紧固。线性电源由220V的交流电供电，线性电源有两个正负15V电压的输出电缆，分别将这两个电缆连接到两个伺服驱动板的J10端口，通过J10端口的连接，两个伺服驱动板均通电，两个扫描振镜的电缆分别与两个伺服驱动板的J9端口连接，实现扫描振镜的通电。伺服驱动板的J7端口的管脚1,2,7用于连接锯齿波扫描信号，锯齿波扫描信号的正级连接J7口管脚1，负极连接在J7口管脚2和7。扫描振镜的电机上安装高反射的光学镜片，在信号产生/采集器输出的锯齿波扫描信号的驱动下，电机将做相应的运动，并带动镜片转动，其转动角度与锯齿波的电压信号值成正比。激光照射到转动的镜片上后，其出射角也产生改变，实现对探测对象的激光扫描。

所述锯齿波扫描信号，由信号产生/采集器产生的，该锯齿波信号控制激光的扫描位置。

所述扫描振镜系统，在锯齿波扫描信号的驱动下，第一个镜片的转动使得激光沿X方向扫描，第二个镜片的转动使得激光沿Y方向扫描，使得激光可完整的扫描探测物体的二维表面。系统内部将探测物体定义为大量二维离散点，激光在照射每一个离散点的时候，会激发该点的荧光信号。

所述荧光信号，因为激光是周期性调制的，荧光信号也是周期性调制的，其频率与激光的强度调制频率相同。

所述光学模组，其外壳是美国Thorlabs公司型号为SM1M20的铝制套管组成，内部安装有滤光片与透镜。该铝制套管通过机械卡具固定在光电探测器的感光面前。

所述滤光片，选用美国Thorlabs公司型号为FELH0800的产品，该产品是光学镀膜元件，安装在光电探测器前，可反射760nm的光线，透过波长大于800nm的荧光信号，以更高的信噪比通过荧光信号。

所述透镜，选用美国Thorlabs公司型号为LA1951的透镜，该透镜紧贴着滤光片安装，其透镜的后焦面与光电探测器的感光面重合。

所述光电探测器，选用日本Hamamatsu公司型号为C12703的雪崩二极管模块，光电探测器前安装光学模组，在激光扫描待测物体的同时，用于收集探测对象在激光照射后发出的荧光信号，转换为荧光电信号，荧光电信号的频率与周期信号产生器的输出信号频率相同，均为N赫兹，该荧光电信号通过BNC端口输出到信号产生/采集器。

所述信号产生/采集器，选用美国国家仪器公司型号为USB-6366的产品，是一种双功能的电子设备，通过USB与计算机相连，在计算机控制下，可实现两个功能：第一个功能是产生K赫兹(K为大于1的整数)锯齿波扫描信号，通过端口AO0和AO1输出，AO0的正级连接第一个伺服驱动板J7端口的管脚1，AO0的负级连接第一个伺服驱动板J7端口的管脚2和管脚7，AO1的正级连接第二个伺服驱动板J7端口的管脚1，AO1的负级连接第二个伺服驱动板J7端口的管脚2和管脚7；其第二个功能信号采集，利用BNC电缆连接USB-6366的AI0口与雪崩二极管模块C12703的输出口，可采集光电探测器输出的荧光电信号，并利用频率滤波的方法，提取N赫兹频带的荧光电信号，利用频率滤波，可去除背景光对荧光探测的影响。

所述空间图像相机，选用美国Thorlabs公司型号为DCC1545M的CMOS相机，相机前安装美国Thorlabs公司型号为MVL12WA的C口镜头，镜头与相机通过C螺纹口连接成一套拍照设备，并安装在上述扫描成像系统的旁边，在进行激光扫描成像的同时，同步的拍摄待测物体的视频图像信息。

所述探测物体，是注射了吲哚菁绿染料的生物体，该染料会在波长为760nm的强度周期调制激光器的照射下，产生800nm-1000nm的荧光信号，该荧光信号依次经过滤光片以及探测透镜后，到达光电探测器，光电探测器输出荧光电信号到信号产生/采集器中，由于光速极快，相比于激光扫描速度，信号传输时间可忽略不计，荧光信号到达信号产生/采集器时，系统可自动将该信号与此时的锯齿波扫描信号进行配对，获取荧光电信号对应的扫描位置，依次获取所有离散位置点的荧光信号后进行组合，得到荧光扫描图像。

Claims (6)

1.一种基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，其特征在于：包括电源驱动(1)、激光器(2)、周期信号产生器(3)、扫描振镜系统(4)、光电探测器(5)、光学模组(6)、信号产生/采集器(7)；

所述周期信号产生器(3)将周期调制信号传输到电源驱动(1)；

所述的电源驱动(1)连接至激光器(2)，周期电源驱动激光器(2)发射强度周期调制光至扫描振镜系统；

所述扫描振镜系统(4)，包括线性电源、两块伺服驱动板以及两个扫描振镜，线性电源与伺服驱动板连接供电；两块伺服驱动板分别与两个扫描振镜相连，驱动扫描振镜上的电机，从而带动电机上的高反射的光学镜片(4a)转动，调整激光扫描位置；

所述的信号产生/采集器(7)与扫描振镜系统连接传输振镜信号至扫描振镜系统的伺服驱动板，并且通过采集卡采集荧光电信号；

所述光电探测器(5)安装在扫描振镜系统的周围，并与信号发生/采集器相连传输荧光电信号。

所述光学模组(6)安装在光电探测器的感光面前。

2.根据权利要求1所述的基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，其特征在于：高反射的光学镜片(4a)转动角度与扫描信号的电压值成正比。

3.根据权利要求1所述的基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，其特征在于：还包括空间图像相机(8)，所述空间图像相机，由面阵相机与成像镜头组成，安装在上述扫描成像系统的旁边拍摄视频图像信息。

4.根据权利要求1所述的基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，其特征在于：所述光学模组安装有滤光片与透镜，所述的滤光片安装在光电探测器前，透镜紧贴着滤光片安装，透镜的后焦面与光电探测器的感光面重合。

5.根据权利要求4所述的基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，其特征在于：所述的滤光片与透镜外部为铝制套管，所述的铝制套管通过机械卡具固定在光电探测器的感光面前。

6.根据权利要求1所述的基于强度周期调制激光的肿瘤荧光扫描成像系统，其特征在于：所述激光器为光谱宽度小于5nm的光源。