CN212326380U - 一种微型变焦活体脑成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微型变焦活体脑成像系统。包括微型显微镜、植入透镜和对焦底座；植入透镜通过手术植入实验动物脑部的靶点区域，对焦底座固定于实验动物头部表面，植入透镜和对焦底座之间安装，对焦底座能安装在植入透镜上或者从植入透镜上拆卸取下，微型显微镜安装在对焦底座上或从对焦底座上拆卸取下，微型显微镜通过对焦底座配合安装到植入透镜并进行对焦调整。本实用新型能在任意时间、实验动物任意生理状态下拆装于对焦底座，可让实验动物长时间佩戴，并在多种生理活动情况下对其进行活体脑内成像。

Description

一种微型变焦活体脑成像系统

技术领域

本实用新型涉及了一种荧光显微成像的方法和系统，更具体地，涉及一种微型变焦活体脑成像系统。

背景技术

目前所研究的神经科学的核心问题之一，是探究生物体内的神经活动是如何创造不同的大脑功能以及由这些功能所产生的行为。所以必须在生物体的行为过程中记录神经活动，以此确定神经活动和生物行为过程的因果关系。

在基础医学领域，研究者们一般使用小鼠、大鼠等模式动物，结合一系列的成像技术。现阶段基础医学研究中常用的成像手段为组织切片显微荧光成像技术，即对死亡生物样本固定切片后在宽场荧光显微镜或荧光共聚焦显微镜下得到成像结果。但是此种成像方式只能观测到生物体死亡后的样本，无法展现生物体活体状态下的生理状态。而在活体成像上，一些常用的成像手段包括小动物CT成像，MRI成像以及双光子成像，虽然相比之下能够对活体动物进行成像，但因成像原理的限制，其分辨率和成像色彩上受限较大，且仅能在生物体麻醉状态下进行成像而非自由活动状态下进行成像。

如今一般应用于活体脑成像的手段主要就是钙指示剂结合荧光显微成像技术。细胞动作电位频率变化可以通过钙离子浓度变化表现出来，那么结合钙指示剂产生荧光蛋白并激发产生荧光后，就可以收集这些荧光信号实现成像。然而一般来说，荧光显微镜体积巨大，很难跟随活体动物在自由活动的状态下实时成像；也有一些使用光纤入侵式的传输方式进行荧光激发和收集，但是存在收集视场小，点位固定，分辨率低，信噪比低的缺点；另外有可穿戴的微型的双光子或宽场荧光显微镜，虽然能够实现很好的成像效果，但一方面能够聚焦的深度不深，且无法在一定范围内控制改变聚焦位置，另一方面由于设计原因也有使用不灵活，操作繁琐复杂等缺点。所以现阶段急需一种使用方便的微型变焦活体脑成像系统，在实验动物自由活动时进行实时的荧光显微成像，同时能够在一定范围内自由地控制聚焦深度，满足多层扫描成像的实验结果要求。

实用新型内容

针对现有技术的不足和目前生物研究的使用需求，为了解决背景技术中存在的现有技术缺失问题，本实用新型提供了一种微型变焦活体脑成像系统，可以长时间穿戴于实验动物头部，能够在实验动物自由活动状态下实现实时的荧光显微成像，同时能通过变焦透镜实现多层扫描成像，成像深度深，分辨率高，易操作安装。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型脑成像系统包括微型显微镜、植入透镜和对焦底座；植入透镜通过手术植入实验动物脑部的靶点区域，对焦底座固定于实验动物头部表面，植入透镜和对焦底座之间安装，对焦底座能安装在植入透镜上或者从植入透镜上拆卸取下，微型显微镜安装在对焦底座上或从对焦底座上拆卸取下，微型显微镜通过对焦底座配合安装到植入透镜并进行对焦调整。

本实用新型将脑成像系统分为微型显微镜、植入透镜和对焦底座，使得在对小鼠等对象的实验对象进行活体脑成像实验时能方便地拆装适应并完成各种实验场景和需求下的成像检测，降低了成像系统的使用频率和成本。本实用新型脑成像系统能够长时间穿戴于实验动物头部，对实验动物脑内靶点区域进行成像。

所述微型显微镜的内部光学系统包括LED光源、鼓形透镜、激发滤光片、二向色镜、变焦透镜、自聚焦微型物镜、自聚焦透镜、发射滤光片和相机；LED光源发出的激发光分别经过鼓形透镜，激发滤光片后入射到二向色镜发生反射，二向色镜反射的输出光依次经变焦透镜、自聚焦微型物镜后入射到植入透镜，通过植入透镜聚焦在实验动物脑内的靶点，使神经发出荧光，形成激发光光路；荧光透过植入透镜后原路返回到二向色镜，返回时分别经过自聚焦微型物镜、变焦透镜后入射回到二向色镜发生透折射，二向色镜透折射的输出光再经发射滤光片成像在相机上收集，形成收集光光路；

所述植入透镜包括自聚焦透镜、陶瓷插芯、橡胶裙套；自聚焦透镜的上端与橡胶裙套连接，下端插入陶瓷插芯中，陶瓷插芯轴向长度短于自聚焦透镜轴向长度，通过手术将陶瓷插芯与橡胶裙套一并植入实验动物脑部，自聚焦透镜下端穿过橡胶裙套插装入陶瓷插芯的内孔中。

所述微型显微镜通过变焦透镜改变聚焦深度进行多层扫描成像，同时补偿微型显微镜拆装下带来的自聚焦微型物镜和自聚焦透镜光路重新耦合的对焦误差。

所述变焦透镜被放置在荧光显微成像光路的激发光光路和收集光光路的公共光路上，即二向色镜之后，激发光光路和收集光光路均会经过变焦透镜；变焦透镜通过连接主控板且被主控板进行电压控制以改变焦距，使得激发光光路与收集光光路满足共焦共轭关系，在激发光光路对不同聚焦深度进行激发时，收集光光路也能在同样激发位置进行荧光成像。

当需要对自聚焦透镜植入位置工作距离处上下范围内某一点进行聚焦激发时，只需要通过计算机控制调节控制电压，改变变焦透镜焦距。在收集成像时根据光路可逆原理，这一变焦焦距也能刚好令激发位置的荧光在相机的成像位置上。

所述微型显微镜的外部壳体结构由光学元器件外壳和盖板构成，光学元器件外壳用于对光学系统中的光学元器件进行位置排布与结构固定，盖板用于与光学元器件外壳配合固定元器件，同时为微型显微镜的光学系统创造不受外界杂散光干扰的光路环境，光学元器件外壳和盖板二者通过螺钉紧固方式固定。这一分离式设计也使得微型显微镜中的光学元器件能够根据不同的应用场景，简单的取出并进行更换。

所述LED光源、相机和变焦透镜均连接主控板，且由主控板控制。

主控板是系统控制电路的集成电路，通过控制元器件控制系统的光强，视场，频率，聚焦深度等动态参数。主控板与元件之间通过导线连接，主控板通过长电缆连接到计算机，能够通过计算机给主控板下达指令控制元器件，相机收集到的图像也通过主控板传输到计算机中，并根据系统实现的多层成像结果，通过计算机进行图像拼接与重构。

所述对焦底座用于微型显微镜中的自聚焦微型物镜和植入透镜中的自聚焦透镜进行配合与对焦调整。

所述植入透镜的橡胶裙套插入对焦底座底部调节距离并固定，对焦底座通过牙科水泥被固定在实验动物头部表面，对焦底座顶部有配合孔，配合孔里面埋有圆柱形小磁柱，微型显微镜底部设有磁性材料，圆柱形小磁柱和磁性材料配合相吸使得对焦底座顶部与微型显微镜底部之间通过磁吸方式配合连接，从而实现微型显微镜的快速安装与拆卸；对焦底座中间有一贯通孔，在配合状态下，自聚焦微型物镜和植入透镜的自聚焦透镜均能同轴插入贯通孔中实现进行对准和对焦。

本实用新型的微型显微镜可在任意时间，实验动物任意生理状态下固定于所述对焦底座，或从其上取下。这样结构下能让实验动物长时间佩戴，并在多种生理活动情况下对其进行活体脑内成像。

总的来说，本实用新型提出的技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型的微型变焦活体脑成像光路提供了可通过计算机控制的变焦透镜，能够在成像过程中改变激发光的聚焦深度，激发脑内一定范围内不同深度的荧光，同时对被激发的荧光进行收集成像，从而实现多层扫描成像并传输图像进行图像重构。

(2)本实用新型设计了自聚焦微型物镜与自聚焦透镜分离式的物镜结构方案，更细更长的自聚焦透镜减小了对动物活体组织的损伤，让成像结果更接近于无损情况，也能到达更深的组织位置，提供更好的光学分辨率。自聚焦透镜可以被长时间的埋植在实验动物头部，在不进行成像实验时让动物带着自聚焦透镜自由活动。

(3)本实用新型设计了对焦底座结构，可以与植入透镜结构配合并长时间佩戴在实验动物头部，跟随动物自由活动。同时为自聚焦微型物镜与自聚焦透镜的对焦与配合提供可调节的机械结构环境，微型显微镜可以快速安装于对焦底座上开始成像实验或快速从其上拆下。

(4)本实用新型微型显微镜主体外壳的结构设计方案能够让系统根据不同的应用场景更换相应规格的滤光片等元器件，以匹配具体实验要求。植入透镜的结构设计方案，能够让系统方便拆卸用以回收昂贵且质量较好的自聚焦透镜进行反复使用，或是更换不同长度的自聚焦透镜以满足不同深度的脑内靶点区域的成像。

(5)本实用新型体积小质量轻，对于佩戴本实用新型的实验动物，成像过程基本不会影响它们的自由活动，使成像结果更加接近真实活动情况。

附图说明

图1是本实用新型系统整体示意图；

图2是本实用新型微型变焦活体脑成像光路图；

图3是本实用新型微型显微镜示意图；

图4是本实用新型对焦底座剖面图；

图5是本实用新型植入透镜结构图；

图6是同区域待成像状态示意图；

图7是不同区域待成像状态示意图。

图中，微型显微镜1、植入透镜2、对焦底座3、LED光源4、鼓形透镜5、激发滤光片6、二向色镜7、变焦透镜8、自聚焦微型物镜9、自聚焦透镜10、发射滤光片11、相机12、外壳13、盖板14、配合孔15、贯通孔16、橡胶裙套17、陶瓷插芯18、插针盖19。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型微型变焦活体脑成像系统由微型显微镜1，植入透镜2和对焦底座3三部分组成。

具体实施中，植入透镜2能够通过手术埋植入实验动物头部靶点区域并固定在头部，植入透镜2上部能插入对焦底座3下部，并将对焦底座3固定在实验动物头部表面。微型显微镜1能够通过磁吸的方式随时固定在对焦底座3上部开始对实验动物进行活体脑成像实验；也能够在结束成像实验后轻松取下。

具体实施中，实验动物包括但不限于常用实验动物如小鼠、大鼠、豚鼠和猴子等；系统成像时动物的生理状态包括且不限于自由活动、麻醉和死亡等状态。

如图2所示，本实用新型的微型变焦活体脑成像光路部分，包括LED光源4、鼓形透镜5、激发滤光片6、二向色镜7、变焦透镜8、自聚焦微型物镜9、位于植入透镜2部分的自聚焦透镜10、发射滤光片11、相机12。

LED光源4发出的激发光分别经过鼓形透镜5，激发滤光片6后入射到二向色镜7发生反射，二向色镜7反射的输出光依次经变焦透镜8、自聚焦微型物镜9后入射到植入透镜2，通过植入透镜2聚焦在实验动物脑内的靶点区域，该区域中包含有钙指示剂的神经会受激发产生荧光，这部分光路即为激发光光路；通过计算机改变控制电压，可以改变变焦透镜8的焦距从而改变自聚焦透镜10下的聚焦点的位置，即聚焦深度，以在不改变自聚焦透镜10位置的情况下激发一定范围内不同深度的荧光。

由于光路可逆原理，激发光光路与收集光光路共焦共轭，即聚焦激发的位置变化后，激发的荧光位置也会相应的变化到相机12的成像位置上。荧光透过植入透镜2后原路返回到二向色镜7，返回时分别经过自聚焦微型物镜9、变焦透镜8后入射回到二向色镜7发生透折射，二向色镜7透折射的输出光再经发射滤光片11成像在相机12上，形成收集光光路。

具体实施中，LED光源4，相机12，变焦透镜8均由计算机同步控制，计算机通过主控板控制元器件来改变系统的光强，视场，频率，聚焦深度等动态参数。主控板与元件之间通过导线连接，主控板通过长电缆连接到计算机。相机收集到的图像也通过主控板传输到计算机中进行数据处理与分析，并根据系统实现的多层成像结果，利用图像重构算法进行图像拼接与重构。

具体实施中，LED光源4采用小功率LED灯作为光源，功率约为2.56mW～5.50mW，具备功率小，能耗低和使用寿命长等优点，同时降低对靶点区域神经细胞的光漂白和光毒性。

具体实施中，在不改变自聚焦透镜10植入深度的情况下，变焦透镜8可以通过调整光路设计令激发光的聚焦点在100μm的范围内变化。

具体实施中，相机12的成像分辨率不低于200万像素。

如图3所示，微型显微镜1的机械结构包括光学元器件外壳13和盖板14。根据外壳13的设计结构，图2光路中的各光学元器件均可按照光路设计的位置排布放入外壳13中并进行固定。盖板14可以将外壳13的侧面进行封闭以固定放入的元器件，同时也能阻止外界杂散光进入光路系统，提高系统的信噪比。二者通过螺钉紧固的方式固定，当需要根据不同的应用场景需要不同参数的滤光片，二向色镜等器件时，可以轻松将盖板拆下并更换元器件。

具体实施中，微型显微镜1的材料不限于塑料，聚醚醚酮(PEEK)，3D打印材料等，高约15mm，底面约12mm×7mm，配合安装各光路零件后整个装置总重不超过2g。

如图4和图1所示，对焦底座3包括配合孔15和贯通孔16。配合孔15呈三角式分布，孔中埋入磁性小圆柱，可以与微型显微镜1底部通过磁吸方式进行配合，微型显微镜1可以轻松放置在对焦底座上并固定。贯通孔16用于自聚焦微型物镜9和自聚焦透镜10的对准配合，贯通孔与两者同轴布置，并且可以进行轴向移动以便调焦。可以使用牙科水泥将对焦底座3固定在实验动物头部，在不需要进行成像实验的时候取下微型显微镜1，令实验动物仅携带着对焦底座3和植入透镜2进行自由活动，减少实验动物负担。

如图4和图5所示，植入透镜2结构包括自聚焦透镜10、陶瓷插芯18、橡胶裙套17和插针盖19。自聚焦透镜10的上端与橡胶裙套17连接，下端插入陶瓷插芯18中，陶瓷插芯18和自聚焦透镜10的长度根据应用场景选择设定，陶瓷插芯18轴向长度略短于自聚焦透镜10轴向长度，通过手术将陶瓷插芯18与橡胶裙套17一并植入实验动物脑部，自聚焦透镜10下端穿过橡胶裙套17插装入陶瓷插芯18的内孔中，自聚焦透镜10上端位于橡胶裙套17上端口并和自聚焦微型物镜9同轴布置。对焦底座3底面开设有用于橡胶裙套17嵌装入内的凹槽。

这样，自聚焦透镜10上端可以插入橡胶裙套17中心的小孔进行固定，橡胶裙套17可以插入贯通孔16的底部配合。自聚焦透镜10的下端可以放入陶瓷插芯18中，陶瓷插芯18起到保护套和固定套的作用，与自聚焦透镜10一同植入实验动物脑部。当需要更换不同规格的自聚焦透镜10时，可以将自聚焦透镜10取出并将插针盖19插入陶瓷插芯18以免实验动物脑内组织受到外界的破坏和污染。

这一植入透镜2的设计可以让自聚焦透镜10与陶瓷插芯18一起长时间植入在实验动物脑部，也可以在需要更换不同规格的自聚焦透镜10。在回收自聚焦透镜10时，单独取出自聚焦透镜10，陶瓷插芯18保持在实验动物脑部中，然后将插针盖19插入陶瓷插芯18，避免灰尘等杂物进入污染脑内环境。

具体实施中，使用不同量与不同厚度的牙科水泥可以调节对焦底座3固定的高度，以便于自聚焦透镜10的植入深度对应。

具体实施中，橡胶裙套17的材料为轻型硬质橡胶，能够在自聚焦透镜10插入时很好的保护透镜侧面不受损伤，且能够直接插入对焦底座3底部并固定。

具体实施中，根据所使用的实验动物及所观测的区域位置不同选取不同规格的自聚焦透镜10，规格包括长度以及数值孔径(NA)值等。

本实用新型系统能长时间穿戴于实验动物的头部，进行实时的活体脑成像。

如图6，在不改变成像区域，但需要切换不同活动场景的训练过程中，可以快速方便地将微型显微镜1取下，让实验动物佩戴植入透镜2和对焦底座3进行正常的自由活动；

如图7，在需要改变成像区域的情况下，可以将整套系统包括对焦底座3与植入透镜2取下，仅将陶瓷插芯18保留在实验动物头部，并用插针盖19保护，以便在之后的实验中更换不同规格的自聚焦透镜10。

本系统大部分元器件均可由实验人员根据应用场景更换不同规格的配置。系统主体尺寸小于22mm×8mm×12mm，整体重量小于3g。

本实用新型的具体工作过程如下：

将自聚焦透镜10上端放入橡胶裙套17，下端放入陶瓷插芯18，通过人工手术操作将自聚焦透镜10连带陶瓷插芯18一同植入实验动物脑部特定的待观测区域。

将微型显微镜1与对焦底座3通过磁吸的方式连接形成组合件，自聚焦微型物镜9安装在微型显微镜1中，下端伸入贯通孔16中。将该组合件夹持后套入自聚焦透镜10上端，自聚焦透镜10上端伸入贯通孔16中与自聚焦微型物镜9进行对准调焦。调焦完成后移动之前套在自聚焦透镜10上的橡胶裙套17，将其插入对焦底座3底部，最后将对焦底座与头部表面之间的缝隙用牙科水泥填充即可，将整个装置固定在头部。通过相机检查聚焦点情况，调节变焦透镜8补偿误差。

进行单层成像实验时，计算机控制LED光源4发出激发光，经过鼓形透镜5汇聚成平行光，在经过激发滤光片6滤波后通过二向色镜7将激发光反射经过变焦透镜8后入射到自聚焦微型物镜9中，自聚焦微型物镜9与自聚焦透镜10光路耦合，激发光经自聚焦透镜10入射到脑内特定靶点，激发出荧光形成成像光。

自聚焦微型物镜9接收自聚焦透镜10返回的成像光，并将成像光向上透射穿过变焦透镜8和二向色镜7，经过发射滤光片11滤波后在相机12上成像。相机12接收图像信息后，通过数据线将数据传输至计算机进行数据处理。

进行多层扫描成像实验时，计算机通过主控板控制变焦透镜8改变焦距，对目标位置轴向一定范围内进行多层荧光激发，对每一层激发的荧光均通过上述方法获得图像信息，将数据传输至计算机后进行图像处理与重构。

结束成像实验之后有两种状态：

(1)同区域待成像状态，如图6所示。实验动物在A行为状态下的成像实验完成，行为状态包括但不限于跑步，睡眠，交配等，直接将微型显微镜1从装置上取下用于其他实验动物的脑成像，原实验动物头戴对焦底座3和植入透镜2进行自由活动，保持待成像的脑内靶点区域不变，等待下次在B行为状态下进行成像实验；

(2)不同区域待成像状态，如图7所示。去除牙科水泥，将微型显微镜1和对焦底座3同时取下用于其他实验动物的脑成像实验。同时取出橡胶裙套17及自聚焦透镜10，将插针盖19插入陶瓷插芯18以保证脑内环境不被污染，原实验动物保持陶瓷插芯植入状态进行自由活动。待需要对该实验动物的脑内不同深度的靶点区域进行成像时，更换不同规格的自聚焦透镜10插入陶瓷插芯18，再按原步骤佩戴微型变焦活体脑成像系统即可进行新的成像实验。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：脑成像系统包括微型显微镜(1)、植入透镜(2)和对焦底座(3)；植入透镜(2)通过手术植入实验动物脑部的靶点区域，对焦底座(3)固定于实验动物头部表面，植入透镜(2)和对焦底座(3)之间安装，对焦底座(3)能安装在植入透镜(2)上或者从植入透镜(2)上拆卸取下，微型显微镜(1)安装在对焦底座(3)上或从对焦底座(3)上拆卸取下，微型显微镜(1)通过对焦底座(3)配合安装到植入透镜(2)并进行对焦调整。

2.根据权利要求1所述的一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：

所述微型显微镜(1)的内部光学系统包括LED光源(4)、鼓形透镜(5)、激发滤光片(6)、二向色镜(7)、变焦透镜(8)、自聚焦微型物镜(9)、自聚焦透镜(10)、发射滤光片(11)和相机(12)；LED光源(4)发出的激发光分别经过鼓形透镜(5)，激发滤光片(6)后入射到二向色镜(7)发生反射，二向色镜(7)反射的输出光依次经变焦透镜(8)、自聚焦微型物镜(9)后入射到植入透镜(2)，通过植入透镜(2)聚焦在实验动物脑内的靶点，使神经发出荧光，形成激发光光路；荧光透过植入透镜(2)后原路返回到二向色镜(7)，返回时分别经过自聚焦微型物镜(9)、变焦透镜(8)后入射回到二向色镜(7)发生透折射，二向色镜(7)透折射的输出光再经发射滤光片(11)成像在相机(12)上收集，形成收集光光路；所述植入透镜(2)包括自聚焦透镜(10)、陶瓷插芯(18)、橡胶裙套(17)；自聚焦透镜(10)的上端与橡胶裙套(17)连接，下端插入陶瓷插芯(18)中，陶瓷插芯(18)轴向长度短于自聚焦透镜(10)轴向长度，通过手术将陶瓷插芯(18)与橡胶裙套(17)一并植入实验动物脑部，自聚焦透镜(10)下端穿过橡胶裙套(17)插装入陶瓷插芯(18)的内孔中。

3.根据权利要求2所述的一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：

所述变焦透镜(8)被放置在激发光光路和收集光光路的公共光路上，激发光光路和收集光光路均会经过变焦透镜(8)；变焦透镜(8)通过连接主控板且被主控板进行电压控制以改变焦距，使得激发光光路与收集光光路满足共焦共轭关系，在激发光光路对不同聚焦深度进行激发时，收集光光路也能在同样激发位置进行荧光成像。

4.根据权利要求2所述的一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：

所述微型显微镜(1)的外部壳体结构由光学元器件外壳(13)和盖板(14)构成，光学元器件外壳(13)和盖板(14)二者通过螺钉紧固方式固定。

5.根据权利要求2所述的一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：

所述LED光源(4)、相机(12)和变焦透镜(8)均连接主控板，且由主控板控制。

6.根据权利要求2所述的一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：

所述植入透镜(2)的橡胶裙套(17)插入对焦底座(3)底部，对焦底座(3)通过牙科水泥被固定在实验动物头部表面，对焦底座(3)顶部有配合孔(15)，配合孔(15)里面埋有圆柱形小磁柱，微型显微镜(1)底部设有磁性材料，圆柱形小磁柱和磁性材料配合相吸使得对焦底座(3)顶部与微型显微镜(1)底部之间通过磁吸方式配合连接，从而实现微型显微镜(1)的快速安装与拆卸；对焦底座(3)中间有一贯通孔(16)，在配合状态下，自聚焦微型物镜(9)和植入透镜(2)的自聚焦透镜(10)均能同轴插入贯通孔(16)中实现进行对准和对焦。

Images