光纤化活体荧光激发光谱成像装置

摘要

本发明涉及一种光纤化活体荧光激发光谱成像装置。包括干涉调制光源单元、显微成像单元、光纤束内窥单元、计算机；干涉调制光源单元的光经显微成像单元耦合进入光纤束内窥单元，光纤束内窥单元输出的光照射在样品上，样品经照射后发出的荧光信号，经光纤束内窥单元收集后返回进入显微成像单元，显微成像单元的一端口与计算机相连，所述计算机用于处理所述显微成像单元的电信号以获得目标的荧光激发光谱成像结果。本发明既可以提供样品成像空间形态分布，又能提供成像空间各点精确的荧光激发光谱信息。实现了对生物样品自身不同生物化学成分或多种外源荧光标记物激发光谱的同时观测，为活体细胞功能研究的可视化提供新的实验工具。

说明书

技术领域

本发明光学成像技术领域，特别涉及一种光纤化活体荧光激发光谱成 像装置。

背景技术

细胞在生命周期的多种生理和病理过程中都涉及到细胞功能的变化，在 活体条件下确证细胞的真实功能是从细胞水平揭开生命奥秘、征服疾病的关 键。因此，对在不同生理和病理条件下细胞功能变化的活体检测和研究是目 前生物医学领域研究的一个主要方向，近年来成为生物医学研究的热点。荧 光光谱显微成像技术能够对细胞功能相关的多细胞事件进行并行探测，是活 体细胞功能研究可视化的重要技术手段之一。但利用荧光光谱显微成像技术 进行的活体细胞功能研究目前只能在荧光显微镜下实现，所以活体样品的目 标组织必须以有创方式暴露出来以便观察。但活体组织受创后无法支持长时 程连续观测，大面积创面损伤也使得活体成像动物模型仅限于皮窗、肺窗、 腹股沟淋巴结窗、原发性乳腺窗等几种窗口位置，而且，这还导致无法对同 一活体样品的不同目标组织同时开窗并同步监测，因此，现有的研究手段亟 待技术和方法上的突破。

近年来，光纤及微加工技术的快速发展，促进了各种成像技术的光纤化 以便应用于活体研究。小型化光纤探头式的操作方式，保证了对活体样品的 观察以无创或微创方式进行，因此，可能研究的动物模型可选范围更大，也 能更加灵活地在活体动物上对多个感兴趣区域进行同时观察，实现长时程地 在体探测、定位辨识细胞及组织等多种层次上不同状态间的差异，使得为细 胞功能的活体研究提供结构和功能信息成为可能。其中，利用光纤束实现荧 光光谱显微成像技术的光纤化最具吸引力，因为与其他基于单光纤的方法不 同，它无需在光纤束远端进行空间扫描，使得光纤探头结构简单、外径较小， 操作更加方便。其横向空间分辨率由光纤束相邻光纤纤芯间距及远端小型化 成像透镜共同决定，可以分辨亚细胞级的微观结构变化。其光谱分辨能力主 要以发射光谱为特征参量，光谱分辨率则由光谱成像所采用的发射光谱探测 机制决定。Jean等人[F.Jean,et.al.,Opt.Express15,4008-4017(2007)] 实现了基于光纤束的双色成像系统，提供对整个视场平均后产生的平均发射 光谱信息。Muldoon等人[T.J.Muldoon,et.al.,Opt.Express15, 16413-16423(2007)]设计的光纤化内窥成像系统利用3个滤光片或CCD相机 的Bayer掩膜版可以顺序获取三色成像结果。Gmitro小组[H.Makhlouf,et. al.,J.Biomed.Opt.13,044016-044019(2008)]采用色散方法实现了基 于光纤束的荧光光谱显微成像技术。Tkaczyk小组提出了一种Image mapping  spectroscopy(IMS)技术一次曝光即可实现多光谱内窥成像[R.T.Kester, et.al.,J.Biomed.Opt.16(5),056005(2011)]。Zhang等人提出了一种 成像傅里叶变换内窥光谱仪[H.Zhang,et.al.,Opt.Express20, 23349-23360(2012).],可以获得高光谱分辨率的荧光发射光谱成像结果。上 述方法虽然原理各不相同，但均利用了荧光发射光谱作为光谱特征量来进行 光谱成像，因此都需要在探测器前加入不同元器件来实现对活体组织微弱的 荧光发射信号进行光谱探测，因而降低了系统信噪比。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤化活体荧光激发光谱成像装 置。该装置既可以提供样品成像空间形态分布，又能提供成像空间各点精确 的荧光激发光谱信息。实现对生物样品自身不同生物化学成分或多种外源荧 光标记物激发光谱的同时观测，为活体细胞功能研究的可视化提供新的实验 工具。

为解决上述技术问题，本发明技术方案为：

光纤化活体荧光激发光谱成像装置，包括干涉调制光源单元、显微成像单 元、光纤束内窥单元、计算机；所述干涉调制光源单元的光经所述显微成像 单元耦合进入所述光纤束内窥单元，所述光纤束内窥单元输出的光照射在样 品上，样品经照射后发出的荧光信号，经所述光纤束内窥单元收集后返回进 入所述显微成像单元，所述显微成像单元的一端口与计算机相连，所述显微 成像单元用于将光信号转化为电信号，所述计算机用于处理所述显微成像单 元的电信号以获得目标的荧光激发光谱成像结果。

优选的，所述的干涉调制光源单元由准直光源，带通滤波器，分束器，反 射镜和光学延迟线组成，其中所述准直光源为多色光源或宽带光源，所述带 通滤波器用于仅允许所需激发波长的光通过，所述光学延迟线用于提供光程 扫描功能。采用较大量程的平移台，或者使用光束折叠技术可以实现较大的 光学延迟，从而获得高光谱分辨率。根据不同的应用需求，可以调整光学延 迟线的大小，从而获得可以调节的光谱分辨率。

优选的，所述的显微成像单元由筒镜，二色镜，物镜，成像透镜，带通滤 光片和成像探测器组成；其中所述筒镜，物镜和成像透镜构成全场照明成像 结构，所述二色镜用于仅允许所需激发波长的光反射、发射波长的光透射， 所述带通滤波器用于仅允许所需探测的发射波长的光通过，所述成像探测器 为CCD，CMOS或其它面阵探测器中的一种；

所述光纤束内窥单元与成像探测器关于物镜和成像透镜成共轭物象关 系。

所述成像探测器采用点扫描或先扫描成像方式，这两种方式均可以实现活 体荧光内窥激发光谱成像。

更优选的，所述计算机通过傅里叶变换获得了样品处荧光物质的激发光 谱。

本发明具有如下有益效果：

1、采用激发光谱作为光谱特征量实现荧光活体内窥激发光谱成像，光源 调制避免了样品不必要的光损伤。

2、采用傅里叶变换方法探测样品激发光谱，可并行探测激发光谱，具有 光谱分辨率高（最高达到1nm）、光谱分辨率可调等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说 明。

图1为本发明装置的框图连接示意图。

图2为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发 明的保护范围。

本发明可以通过如下的方式实现：

在图1、图2中，本发明包括干涉调制光源单元1、显微成像单元2、 光纤束内窥单元3、计算机4；所述的干涉调制光源单元1的光经显微成像 单元2后耦合进入光纤束内窥单元3，显微成像单元2的另一端口与计算 机4相连。

在图2中，所述的干涉调制光源单元1由准直光源5，带通滤波器6， 分束器7，反射镜8和光学延迟线9组成，其中准直光源5可以是多色光 源或宽带光源，其中带通滤波器6仅允许所需激发波长的光通过，其中光 学延迟线9提供光程扫描功能。

在图2中，所述的显微成像单元2由筒镜10，二色镜11，物镜12， 成像透镜13，带通滤光片14和成像探测器15组成；其中筒镜10，物镜 12和成像透镜13构成全场照明成像结构，其中二色镜11仅允许所需激发 波长的光反射、发射波长的光透射，其中带通滤波器14仅允许所需探测的 发射波长的光通过，其中成像探测器15可以是CCD，CMOS或其他面阵 探测器。

在图2中，所述的显微成像单元2提供三路端口；一路由干涉调制光 源单元1输出信号进入显微成像单元2与筒镜10相连；从样品返回信号则 从物镜12进入显微成像单元2；光信号经显微成像单元2中成像探测器15 获取后转为电信号交由后端计算机4处理。

如图2所示，从干涉调制光源单元1中的准直光源5发出经带通滤波 器6滤波后的准直激发光，被分束器7分为两路：一路经反射镜8反射后 原路返回分束器7，另一路进入光学延迟线9并被反射后原路返回分束器7， 两路光重叠并发生干涉；经干涉调制的激发光进入显微成像单元2，经筒 镜10会聚、二色镜11反射后聚焦在物镜12的后焦面上，物镜12提供全 场照明将激发光耦合进光纤束内窥单元3的近端；经光纤束内窥单元3的 传输从光纤束内窥单元3的远端输出的光照射在样品16上，样品16经照 射后发出荧光信号，经光纤束内窥单元3的远端收集后进入光纤束内窥单 元3原路返回后端光学系统；荧光信号透射经过二色镜11，被成像透镜13 收集、带通滤波器14过滤掉样品荧光发射波段以外的光后，由成像探测器 15探测，成像探测器15为CCD，CMOS或其它面阵探测器中的一种；成像探 测器采用点扫描或先扫描成像方式，均可以实现活体荧光内窥激发光谱成像。 光纤束内窥单元3与成像探测器15关于物镜12和成像透镜13成共轭物象 关系；成像探测器15将所探测到的光信号转为电信号，交由后端计算机4 通过傅里叶变换处理以获得目标的荧光激发光谱成像结果，即x、y轴的荧 光强度图及空间各点的荧光激发光谱。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通 技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范 围当中。