CN219038882U - 一种三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三维成像系统，属于电子显微镜技术领域，能够对样品直接进行快速加工，并且精准聚焦，快速找到待测样品的目标位置，最终快速得到想要的三维图像信息；该装置包括扫描电镜子系统、X射线源、X射线探测器、PC端、SEM样品台、垫脚和激光加工子系统；所述SEM样品台上设置有待测样品；所述X射线源和所述X射线探测器分设在所述SEM样品台的两侧；所述扫描电镜子系统设置在所述待测样品正上方；所述激光加工子系统设置在所述待测样品一侧；所述垫脚垫设在所述待测样品与所述SEM样品台之间；所述SEM样品台、所述扫描电镜子系统、所述激光加工子系统均与所述PC端连接。

Description

一种三维成像系统

技术领域

本实用新型涉及电子显微镜技术领域，尤其涉及一种三维成像系统。

背景技术

近年来，电镜技术迅速发展，特别是电镜在生物学中的应用，已不仅停留在单纯直观的描述，而且已开展了由定性到定量，由平面到空间的立体研究。这对深入了解生物材料尤其是细胞成分的空间相对位置和生物大分子的空间结构及其与功能关系，都有十分重大的意义。与此同时，电镜技术正在逐渐与数学和物理学的有关领域结合起来，从而给生物科学工作者提供了很多定量的信息。其中，用傅里叶变换法(以下简称傅氏变换法)进行生物大分子三维重构的电镜技术以及三维冷冻电镜技术使用较为普遍。

三维重构的电镜技术是使用普通透射式电镜在正常的工作电压(50一80千伏)下，样品厚度不宜超过100纳米。因此，在观察组织、器官、大细胞时，需先制成超薄切片。在观察蛋白质分子、病毒时，不需切片，但在制片的干燥过程中，颗粒的细节也会彼此叠加，因此用电镜观察得到的结果实际上是一种平面的二维信息，它不能反映出物体结构中原有的内在的空间关系。要得到立体结构的信息，就需要进行三维重构，即从二维信息中推导出三维信息。

三维冷冻电镜技术采用高压快速液氮冷冻方法使样品包埋在玻璃态的水环境中，这种环境接近于生理状态，保持其天然活性。同时冷冻的速度极快，这就有可能把细胞在其生理活动(例如，肌肉收缩)的某些特定时刻固定下来，并进而显示此时的结构特点，进而可通过不同功能状态的瞬时构像变化来研究生物分子的功能。冷冻电镜获得的是处于天然状态下未经染色的分子的二维投影像。将样品进行不同角度的倾斜所获得的数据进行综合分析，并依据样品的不同特性使用不同的重构技术获得分子的结构。由于样品未经染色，很容易受到电子束的损伤。将样品快速冷冻(样品处于玻璃态)并在低温下观察样品，一定程度上可以减少电子束对样品的损伤，因此称为冷冻电镜。为了使样品能够在整个成像过程中受到的辐射总剂量损伤最小，而又能产生可分辨的图像，大约只有液氦温度≤4.3K或液氮温度≤77K可以用来成像，这样低的辐射剂量会导致图像信躁比(SNR)较低。因此要获得大量的图像来进行矫正和平均以增加SNR从而获得结构信息。

以上两种成熟的方法也存在着不足，其中三维重构的电镜技术使样品厚度不超过100纳米，制样复杂，耗时长；而三维冷冻电镜技术样品预处理过程更加复杂，并且样品没有染色电子束对其有一定的损伤，并且需要在低温下观察样品导致低的辐射量，低的辐射剂量又会导致图像信躁比(SNR)较低，所以得不到高质量结构信息。

授权号CN208420756U的中国专利公开了一种成像系统，该专利技术方案采用聚焦离子束子系统(FIB)对待测样品进行加工处理，一方面聚焦离子束尺寸小，加工效率低，无法快速获得目标区域。另一方面，对样品尺寸有要求，降低了待测样品的使用范围。另一个授权CN212134535U的中国专利也公开了一种成像系统，该成像系统使用离子研磨仪子系统替换了聚焦离子束子系统(FIB)，离子研磨仪可以高速加工待测样品，得到宽且深的切割区域，可以快速获得一个高质量的切割截面，但会生物组织结构造成一定的损伤，使用受限。

因此，有必要研究一种新的三维成像系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种三维成像系统，能够对样品直接进行快速加工，并且精准聚焦，快速找到待测样品的目标位置，最终快速得到想要的三维图像信息。

本实用新型提供一种三维成像系统，包括扫描电镜子系统、X射线源、X射线探测器、PC端、SEM样品台、垫脚和激光加工子系统；

所述SEM样品台上设置有待测样品；

所述X射线源和所述X射线探测器对应性分设在所述SEM样品台的两侧；

所述扫描电镜子系统设置在所述待测样品正上方；

所述激光加工子系统设置在所述待测样品第三侧；

所述垫脚垫设在所述待测样品与所述SEM样品台之间；

所述SEM样品台、所述扫描电镜子系统、所述激光加工子系统均与所述PC端连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述激光加工子系统可移动地设置在所述待测样品的第三侧。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述激光加工子系统可移动设置的具体方式为：沿Y轴方向设置激光切割底座，所述激光切割底座上可转动地设有丝杠，所述丝杠的一端与设置在所述激光切割底座一端的丝杠电机固定连接；Y轴方向为几何数学中通常认为的Y轴方向，即垂直于屏幕的方向；

所述激光加工子系统与Y向滑块固定连接；所述Y向滑块与套设在所述丝杠上的螺母固定连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述垫脚的纵向截面为直角三角形。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述垫脚伸入所述待测样品下方的一角的角度为30-45゜。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述待测样品为方形。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述待测样品在所述垫脚的垫设作用下呈菱形。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述待测样品在所述SEM样品台的作用下实现水平向移动、竖直向移动以及沿竖向轴的转动；

所述竖直向移动的单次移动距离为0.1mm-1cm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述激光加工子系统移动时的调节范围为0.1mm-1cm。所述激光加工子系统平移速度为1cm/s。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本实用新型的方案，聚焦精准、对周围材料影响极小、安全加工并且快速实现大面积待测样品内部结构三维成像。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的三维成像系统结构图；

图2是本实用新型一个实施例提供的激光加工子系统发射的激光束沿Z轴移动示意图；

图3是本实用新型一个实施例提供的样品台添加垫脚结构示意图；

图4是本实用新型一个实施例提供的激光加工子系统对待测样品切割过程的示意图。

其中，图中：

1、扫描电镜子系统；2、X射线源；21、X射线探测器；3、待测样品；4、PC端；5、样品台；51、垫脚；6、激光加工子系统。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种三维成像系统，该成像装置可以快速的、精准的实现大面积待测样品内部结构三维成像分析。如图1和图2所示，该装置包括：Micro-CT子系统、激光加工子系统6、扫描电子显微镜(SEM)子系统(即扫描电镜子系统1)、PC端4(其包括硬件和软件)。

所述Micro-CT子系统包括：X射线源2和X射线探测器21，用于获取整个待测样品的三维图像数据，还用于获取一层层切割后剩余的待测样品的三维图像数据。X射线源2和X射线探测器21分设在待测样品的两侧，X射线源2发射X射线对待测样品进行辐射，X射线探测器21接收X射线信号，探测出信号变化，进而实现对待测样品形貌的CT扫描。

所述激光加工子系统6设置在样品台的一侧且正对待测样品3(待测样品3置于样品台5上)，其包括飞秒激光发生器和数控系统，用于发射激光对待测样品进行切割加工，以使目标区域暴露或即将暴露，得到目标区域的目标截面。

飞秒激光发生器用于产生激光光源。对于激光加工的用途而言，除了少数场合采用YAG固体激光器外，绝大部分采用电-光转换效率较高并能输出较高功率的CO₂气体激光器。数控系统安装在PC端，即属于PC端的一部分，数控系统用于控制样品台实现X、Y、Z轴的运动，同时也控制激光器的输出功率。数控系统还在机械动力方面连接飞秒激光发生器，用于控制激光发生器能够沿Y轴运动。

激光加工子系统6具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域；用飞秒激光对生物组织进行切割，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有生物组织组织损伤。在一些可选的实施方式中，激光加工子系统可转动，发射的激光可以正对着样品台沿Y、Z轴移动。

样品台5采用现有的SEM样品台(其具有水平移动和竖直移动的功能以及转动功能)，其与PC端连接，在PC端的控制下，能够实现沿X、Y、Z轴的移动，并且能够在水平向实现转动，扫描过程中随着激光加工子系统6沿Y轴平移(单次移动范围0.1mm-1cm，平移速度1cm/s；单次移动范围，表示移动精度)，加工第一层样品表面，完成加工后电子显微镜扫描第一层目标截面；然后样品表面沿Z轴上升一定高度(单次调节范围0.1mm-1cm)，接着激光加工子系统6沿Y轴平移到原位置(调节范围1mm-1cm)开始加工第二层样品表面，完成加工后电子显微镜扫描第二层目标截面。然后重复这一系列操作，直至目标区域加工扫描完成即可停止；如图4所示，待测样品3的上部有若干层被切割，每次切割过程都伴随着激光加工子系统6在水平Y轴方向的移动。最后通过PC端进行三维重构得到目标区域的三维图像信息。由于SEM样品台的高性能以及合理的z向调节范围，使得扫描电镜子系统1能够快速精准实现对待测样品的聚焦，进而实现三维成像的快速成像、精准成像，提高成像品质。激光加工子系统可移动设置的具体方式为：沿Y轴方向设置激光切割底座，激光切割底座上可转动地设有丝杠，丝杠的一端与设置在激光切割底座一端的丝杠电机固定连接；Y轴方向为几何数学中通常认为的Y轴方向，即垂直于屏幕的方向；激光加工子系统与Y向滑块固定连接；Y向滑块与套设在丝杠上的螺母固定连接。

所述扫描电镜子系统1，设置在待测样品的正上方，并与PC端连接，用于获取目标截面的二维图像并传输给PC端。

所述PC端(硬件和软件)与Micro-CT子系统、激光加工子系统6、扫描电镜子系统以及样品台均连接，控制激光加工子系统的切割动作以及样品台的位置姿态调整，还用于接收Micro-CT子系统和扫描电镜子系统的扫描数据，从而对二维图像进行三维重构，得到目标区域的三维成像。PC端还用于基于加工后的待测样品的三维图像，对目标区域进行导航修正，得到确定扫描区域(即对样品台的位置姿态进行调整)，并确定扫描区域的位置信息为目标区域的位置信息。目标区域的位置信息用于所述激光加工子系统对所述待测样品进行加工。在一些可选的实施方式中，PC端，还用于确定所述三维图像目标区域的位置信息。

本实用新型基于Micro-CT子系统获取待测样品的三维图像，快速确定目标区域，通过激光加工子系统对待测样品进行加工得到目标区域的目标截面，然后通过扫描电子显微镜(SEM)子系统获取所述目标截面的二维图像，最后使用操作PC端(硬件和软件)经过三维重构得到目标区域内部结构的三维图像。由于激光加工子系统可以精准聚焦目标区域，并且精准高速的加工待测样品，得到平滑无毛刺的切割区域，可以快速扫描获取一个高质量的切割截面图像，所以本实用新型提供的一种三维成像系统及系统可以精准、快速、无组织损伤的实现待测样品内部结构三维成像分析。

在本实用新型另一个实施例中，如图3所示，在待测样品下方添加一个垫脚51，可以减少加工体积提高加工效率。垫脚51的纵截面为直角三角形，垫在方形的样品下后使得待测样品一角边朝上，纵截面呈现出菱形。垫脚51的纵截面直角三角形的角度为30-45゜，即将待测样品垫起的角度。针对不同的待测样品或者同一待测样品的不同切割状态、扫描状态，可以通过调整垫脚51的垫入程度(即垫脚插入待测样品底部的横向距离)实现对样品姿态的调整，使之更适合进行切割以及扫描，增加了装置的适用范围。

以上对本申请实施例所提供的一种三维成像系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式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申请的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。

Claims (10)

1.一种三维成像系统，其特征在于，包括扫描电镜子系统、X射线源、X射线探测器、PC端、SEM样品台和激光加工子系统；

所述SEM样品台上设置有待测样品；

所述X射线源和所述X射线探测器对应性分设在所述SEM样品台的两侧；

所述扫描电镜子系统设置在所述待测样品正上方；

所述激光加工子系统设置在所述待测样品的第三侧；

所述SEM样品台、所述扫描电镜子系统、所述激光加工子系统均与所述PC端连接。

2.根据权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于，所述激光加工子系统可移动地设置在所述待测样品的第三侧。

3.根据权利要求2所述的三维成像系统，其特征在于，所述激光加工子系统可移动设置的具体方式为：沿Y轴方向设置激光切割底座，所述激光切割底座上可转动地设有丝杠，所述丝杠的一端与设置在所述激光切割底座一端的丝杠电机固定连接；

所述激光加工子系统与Y向滑块固定连接；所述Y向滑块与套设在所述丝杠上的螺母固定连接。

4.根据权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于，还包括垫脚，所述垫脚垫设在所述待测样品与所述SEM样品台之间；

所述垫脚的纵向截面为直角三角形。

5.根据权利要求4所述的三维成像系统，其特征在于，所述垫脚伸入所述待测样品下方的一角的角度为30-45゜。

6.根据权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于，所述待测样品为方形。

7.根据权利要求4所述的三维成像系统，其特征在于，所述待测样品在所述垫脚的垫设作用下呈菱形。

8.根据权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于，所述待测样品在所述SEM样品台的作用下实现水平向移动、竖直向移动以及沿竖向轴的转动；

所述竖直向移动的单次移动距离为0.1mm-1cm。

9.根据权利要求2所述的三维成像系统，其特征在于，所述激光加工子系统移动时的调节范围为0.1mm-1cm。

10.根据权利要求2所述的三维成像系统，其特征在于，所述激光加工子系统平移速度为1cm/s。

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