[發明專利]超高靈敏度熒光顯微探測與處理系統

無效

• 申請號: 00133544.8
• 申請日: 2000-11-10
• 公開（公告）號: CN1353305A
• 公開（公告）日: 2002-06-12
• 發明（設計）人: 李勤;俞信;馬瑜;胡新奇
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 北京理工大學專利代理事務所
• 代理人: 付雷杰

本發明屬于熒光顯微成像探測與處理技術。

目前在生物醫學領域中已經有很多發展成熟的用于各種發光現象的檢測儀器，為推動生物發光的研究發揮了重要作用。同時，在應用過程中又不斷提出新問題，對探測儀器提出新的要求，也促進了探測儀器的發展，僅熒光顯微成像系統近年來又有了長足進步。

所謂熒光顯微成像技術包含兩方面的含義。首先，顯微技術研究的對象是以細胞為代表的微觀對象，細胞作為有機體結構與生命活動的基本單位，具有獨立的、有序的自控代謝體系，在生命科學研究中具有不可替代的位置，對細胞生命活動基本規律的研究是一切生命科學的重要基礎。對細胞形態結構的觀察主要有光學顯微鏡技術，電子顯微鏡技術和掃描隧道顯微鏡；盡管光學顯微鏡的分辨率不及后兩者，但是由于電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡只能觀察死細胞，而且對實驗條件和操作條件的要求都非常嚴格，儀器的價格也非常昂貴，在細胞學研究中光學顯微鏡仍然是最重要的觀察工具。

熒光顯微成像技術的另一方面是熒光成像。熒光顯微鏡依據受激熒光的原理，利用一定波長的光使樣品受到激發，產生不同顏色的熒光，以用來觀察和分辨樣品中某些物質及其性質，在生物學和醫學中有著廣泛的用途。當細胞中某些固有物質(如蛋白質、DNA等)或細胞中有外部引進的熒光物質如熒光標記物、光敏化劑等在受到外部短波長光的激發時，會發出比激發波長略長的另一種波長的熒光。用熒光顯微鏡觀察吸收了熒光物質的細胞，就能夠觀察到熒光物質在細胞內部的分布情況，如果能夠通過圖象采集系統得到分布圖象，就成為熒光顯微成像技術。它與常規的顯微鏡所得到的細胞染色圖象不同，從另一個側面反映了細胞內部物質的分布和組成。盡管光學顯微鏡的分辨極限一般只能達到微米量級，熒光顯微鏡借助于熒光標記物對不同細胞器的特異性結合，可以觀察到一些較小的亞細胞結構。

80年代以來，光電技術和計算機技術的飛速發展，為熒光顯微技術的進步創造了良好的條件，許多新型熒光顯微鏡應運而生，其中具有代表性的有：激光共聚焦熒光顯微鏡，時間分辨熒光顯微鏡，偏振熒光顯微鏡，三維成像熒光顯微鏡和快速多光譜熒光顯微鏡等。這些熒光顯微鏡的出現為生物醫學的發展提供了新的手段和方法。

進入90年代以后，由于科學研究的需要又使熒光顯微成像技術面臨新的問題。第一，由于生物學中對細胞的研究趨向于近真實條件，為盡量減少外界環境對細胞正常生理狀態的影響，這就要求采用更低濃度的熒光標記物，減弱激發光的強度等；但是普通熒光顯微鏡的靈敏度不高，很難獲得微弱的熒光圖像。第二，盡管細胞是生物體的基本單位，其內部結構仍然可分為許多細微結構；如果需要進一步分析這些結構，層析技術是必需的；目前能夠實現細胞層析技術的只有激光共聚焦熒光顯微鏡。但由于第三，一般的熒光顯微鏡無法定量地給出圖像發光的強度數值，而大量的科學研究，如細胞第二信使(如Ca²⁺)實驗機理的分析，需要定量顯示。第四，由于熒光圖像是由暗背景上分布的亮斑組成，現有熒光顯微鏡不能準確判斷熒光在細胞中的發光位置；第五，需要研究細胞熒光圖像的動力學特征，以及適合熒光圖像特點的圖像處理軟件。

針對這些問題，使得熒光顯微鏡的發展向快速采集，高分辨率，高靈敏度，寬動態范圍，多功能化的方向發展。除了前面提到的激光共聚焦熒光顯微鏡得到進一步的完善外，一些著名的顯微鏡生產廠家，如Olympus，Zeiss等都先后推出了以光電倍增管為探測器的高靈敏度的熒光顯微鏡，我國自行研制的同類產品至今沒有推向市場。此類高精度儀器不僅價格昂貴，而且維持運轉的費用也相當可觀，非一般的用戶所能承受。因此，研制適用于科研和一般觀察需要，充分利用現有實驗基礎的新型微弱光信息探測儀器，就成了一個急待解決的問題。

為此，將圖象融合技術引入顯微圖象的探測與處理，提供了一種具有圖象融合處理功能的超高靈敏度熒光顯微探測與處理系統。該系統運用了信號檢測與評估的方法對小樣本光子圖像進行統計處理，得到信噪比改善的光子圖像。該系統中還增加了對光子圖象進行計算機模擬的功能。