一种非接触固定式荧光分子断层成像方法及装置

摘要

本发明涉及一种非接触固定式荧光分子断层成像方法及装置，其特征在于：设置一包括激发光源、光切换部件、多根传光光纤、多个光学镜头、传像光纤和探测器的成像装置，将多根传光光纤和多个光学镜头分别设置在被测物体的周围；通过计算机控制光切换部件，将激发光源发出的激发光通过任一传光光纤照射到被测物体上，并通过各光学镜头将被测物体激发出的荧光成像在传像光纤的各分叉端，然后通过传像光纤的复合端传输给设置在传像光纤出光口处的探测器，依次通过光切换部件将激发光切换至不同位置的传光光纤，重复上述的荧光信号获取过程，实现被测物体边界上360°全角度荧光信号。本发明能够360°全角度、非接触固定地采集被测物体的荧光信号，并且成像效率、质量高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种荧光分子成像方法及装置，特别是关于一种非接触固定式荧光分子断层成像方法及装置。

背景技术

荧光分子断层成像(Fluorescence molecular tomography，亦称为荧光分子层析成像或荧光扩散光层析成像)利用已在生物学和医学研究中大量使用的具有特异性的荧光分子作为探针，用于标记特定分子或细胞，其对生物体内分子水平的变化进行在体观测，并通过图像重建提供目标的分布等信息，从而克服了平面成像的局限性，进而获得了更多有关生物学、医学行为的信息。荧光分子断层成像具有灵敏度较高、快捷简便、费用低、通量相对高等优点，其不仅支持在体研究有关的分子事件，而且满足二十一世纪系统化地观测生命过程的要求。快速的非接触式荧光分子断层成像可增加实验动物的存活率，有利于构建长时间段的实验动物模型，从而提高了实验动物模型的可靠性，因此对于生命科学研究具有重要的现实意义。

美国哈佛大学分子影像研究中心对稳态荧光分子断层成像的研究工作具有代表性，该组提出的早期形式——光纤接触式的荧光分子断层成像装置(RALPHWEISSLEDER等，Shedding light onto live molecular targets，《NATUREMEDICINE》，2003：123-128)，该装置采用成像腔，实验时将动物浸泡在匹配液中，传光光纤接触成像腔。该成像方法获取的激发光源-探测器数据集较小，激发光源探测器数据对仅为10²-10³对，导致了重建图像的质量较差。其后，摒弃了接触式光纤的耦合，建立了非接触式荧光分子断层成像装置(Nikolaos Deliolanis等，Free-space fluorescence molecular tomography utilizing 360°geometry projections，《OPTICS LETTERS》，2007：382-384)。如图7所示，将实验动物体111置于旋转台112上，激发光源113发出的激光在实验动物体111横断面上进行扫描，在实验动物体111的另一侧放置CCD相机114，直接拍摄实验动物体111，非接触地获得实验动物体111的边界上荧光信号强度信息的一系列高空间分辨率的图像。在相机114前有一荧光滤光片115，用于滤除激发光，只让荧光通过进入相机114。虽然此方法获得较大数据集，激发光源-探测器数据对可达到10⁶，但是因该方法所采用的相机的视场、景深、曝光时间与生物组织的散射特性等因素的影响，每次只能获取小动物体边界上局部较小范围内的荧光信号图像，所获得荧光信号图像中可用的激发光源-探测器数据对少，并且数据集的有效性较差，有效数据集较小。为了全角度获取实验动物体边界上360°荧光信号的、有效的大数据集，以提高重建图像的质量，须进行旋转实验动物111，小间隔(每隔N度成像一次)地曝光成像，但该种方法会导致成像次数M(M＝360/N)多，从而获取系列荧光图像需要的时间长。

骆清铭等提出了一种非接触旋转式扩散荧光层析成像系统(申请号：200710053739.9，200720087917.5)，在该系统中实验动物体111固定于固定夹上，步进电机带动CCD相机114和半导体激光器围绕实验动物旋转，以获得实验动物体边界上360°全角度的荧光信号。与上述旋转小动物方式的荧光分子断层成像系统一样，该系统存在同样的不足之处，也是获取系列荧光图像需要的时间过长。

在现有的非接触式荧光分子断层成像中，CCD相机114与激发光源113必须和实验动物体111相对旋转，以获得实验动物体111边界上360°全角度荧光信号，如果系统成像时间长，不但影响了实验动物体111的存活，不利于构建在体长时段的小动物模型，而且实验成像效率低，难以实现高通量实验，限制了荧光分子断层成像的应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种成像速度快、成像质量高的非接触固定式荧光分子断层成像方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种非接触固定式荧光分子断层成像方法，其特征在于：设置一包括激发光源、光切换部件、多根传光光纤、多个光学镜头、传像光纤和探测器的成像装置，将多根传光光纤和多个光学镜头分别设置在被测物体的周围；通过计算机控制光切换部件，将激发光源发出的激发光通过任一传光光纤照射到被测物体上，并通过各光学镜头将被测物体激发出的荧光成像在传像光纤的各分叉端，然后通过传像光纤的复合端传输给设置在传像光纤出光口处的探测器，依次通过光切换部件将激发光切换至不同位置的传光光纤，重复上述的荧光信号获取过程，实现全角度获取被测物体边界上360°荧光信号。

在所述探测器的前端设置有一荧光滤光片。

在各所述光学镜头的前端设置一荧光滤光片。

在所述光切换部件的前端设置有一激发光滤光片。

实现上述方法的装置包括设置在被测物体的周围的多根传光光纤和多个光学镜头，各所述光学镜头的成像平面处分别设置有一传像光纤的分叉端，所述传像光纤复合端的出光口处设置有一探测器；各所述传光光纤的另一端共同连接一个光切换部件，所述光切换部件的进光侧设置有一激发光源。

所述探测器的前端设置有一荧光滤光片

各所述镜头的前端设置一荧光滤光片。

所述激发光源为一波长为671纳米、输出功率为200毫瓦的半导体激光器。

所述光切换部件的前端设置有一激发光滤光片。

所述激发光源为一150瓦的卤钨灯。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明方法是将传光光纤和镜头间隔固定在被测物体周围，通过计算机控制光切换部件，将激发光依次切换到设置在不同角度的传光光纤上，以照射被测物体激发产生荧光，因此无论是被测物体，还是荧光成像设备都是固定非接触式设置的，与现有技术相比，系统运行稳定，可以大范围、非接触并固定式地激发被测物体内荧光物质的发光，获取更多稳定的荧光信号。2、本发明由于是通过计算机控制光切换部件，因此可以通过增加传光光纤和传像光纤的数量，提取更多有效的激发光源—探测器数据对，构建更大的激发光源—探测器数据集，提高重建图像的质量。3、本发明方法是将激发光源发出的激发光经光切换部件切换入相应的传光光纤，由传光光纤导引至不同位置，因此可以通过计算机实现快速切换激发光入射点，提高了成像速度。4、本发明由于在被测物体周围设置了多部光学镜头，每一个光学镜头仅拍摄物体的一部分，因此可以缩短拍摄距离，将光学镜头的光圈开到最大，使更多的被测物体的荧光信号通过光学镜头进入探测器，从而缩短了曝光时间，进一步提高了成像速度。本发明能够360°全角度、非接触固定地采集被测物体的荧光信号，并且成像效率、质量高。

附图说明

图1是本发明中激发光源、光切换部件和传光光纤的组成示意图

图2是本发明中光学镜头、传像光纤和探测器的组成示意图

图3是本发明中传像光纤的结构示意图

图4是本发明荧光滤光片位于光学镜头前端的示意图

图5是本发明激发滤光片位于激发光源和光切换部件之间的示意图

图6是本发明荧光滤光片位于探测器前端的示意图

图7是现有技术中荧光分子成像装置的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图3所示，本发明方法是设置一包括激发光源1、光切换部件2、多根传光光纤3、多个光学镜头4、传像光纤5和探测器6的成像装置，将多根传光光纤3和多个光学镜头4分别设置在被测物体7的周围。首先通过计算机(图中未示)控制光切换部件2，将来自激发光源1的激发光通过任一传光光纤5照射到被测物体7上，并通过各光学镜头4将被测物体7激发出的荧光成像在传像光纤5的各分叉端8，然后通过传像光纤5的复合端9传输给设置在传像光纤5出光口处的探测器6，依次通过光切换部件2将激发光切换至不同位置的传光光纤3，重复上述的荧光信号获取过程，实现全角度获取被测物体7边界上360°荧光信号。下面通过具体实施例对本发明方法进行进一步描述。

实施例1：

如图4、图5所示，本实施例的装置包括一设置在被测物体7的周围的24根传光光纤31～324和4个光学镜头41～44，在各光学镜头41～44的成像平面处分别设置有一传像光纤5的分叉端，传像光纤51～54复合端的出光口处设置有一探测器6；各传光光纤31～324的另一端共同连接一个光切换部件2，光切换部件2同时连接一计算机，用于接收计算机的指令，以将激发光切换到任一传光光纤31～324。在光切换部件2的进光侧设置有一激发光源1，在光切换部件2的前端设置有一激发光滤光片10，这样使能够激发被测物体7内荧光物质发光波段的激发光进入光切换部件2，而滤除其它杂光。同时在各光学镜头41～44的前端分别设置了一个荧光滤光片11，用于滤除激发光等干扰，仅使荧光进入光学镜头41～44内。

上述实施例中，激发光源1可以采用一150瓦的卤钨灯光源，切换部件2可以采用一现成的切换器，传光光纤31～324可以选用玻璃光纤或石英光纤。光学镜头41～44采用四个光圈f2.0的镜头，且光学镜头采光面朝向被测物体7。传像光纤51～54的另一端集束成一复合端13(如图4所示)。探测器6是一个相机，相机可以是数码相机，也可以是其它成像装置。

本实施例使用时，首先来自激发光源1的激发光经激发滤光片10滤光后，到达光切换部件2，通过计算机控制光切换部件2，将激发光通过任一传光光纤31～324照射到被测物体7上，通过各光学镜头41～44将被测物体7激发出的荧光经过荧光滤光片11后，成像在传像光纤的各分叉端81～84，然后通过传像光纤的复合端9传输给设置在传像光纤51～54出光口处的探测器6，依次通过光切换部件2将激发光切换至不同位置的传光光纤31～324，重复上述的荧光信号获取过程，实现全角度获取被测物体7边界上360°荧光信号。

实施例2：

如图6所示，本实施例的装置大部分与实施例1相同，但是本实施例中的激发光源1采用一波长671纳米、输出功率200毫瓦的半导体激光器，因此在光切换部件2的前端不用设置激发光滤光片10。本实施例中的传光光纤3为12根，也可以更多或更少。另外设置在光学镜头41～44前端的各荧光滤光片11也可以不设置，而仅将一个荧光滤光片11设置在探测器6前端。

本实施例使用时，首先通过计算机控制光切换部件2，将来自激发光源1的激发光通过任一传光光纤31～312照射到被测物体7上，并通过各光学镜头41～44将被测物体7激发出的荧光成像在传像光纤的各分叉端81～84，然后通过传像光纤的复合端9经过荧光滤光片11滤除激发光后，传输给设置在传像光纤51～54出光口处的探测器6。计算机通过光切换部件2依次将激发光切换至不同位置的传光光纤31～312，重复上述的荧光信号获取过程，实现全角度获取被测物体7边界上360°荧光信号。

上述各实施例中，激发滤光片10和荧光滤光片11均是根据被测物体7内的荧光物质的激发波长不同，来选择不同的滤光片。光学镜头4与传像光纤5上的分叉端8的数目相同，但该数目可以根据需要进行选择。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。