[發(fā)明專利]光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210262747.5
• 申請(qǐng)日: 2012-07-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102743159A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田捷;董迪;秦承虎;楊鑫;郭進(jìn);馬喜波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所
• 主分類號(hào): A61B5/00
• 分類號(hào): A61B5/00
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于分子影像技術(shù)領(lǐng)域，涉及光學(xué)成像理論、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、數(shù)學(xué)建模等學(xué)科知識(shí)，尤其是一種適用于生物學(xué)科對(duì)小尺寸物體進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、無(wú)創(chuàng)、在體的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)

光學(xué)投影斷層成像(OPT)技術(shù)是利用光線在小尺寸生物體中沿直線傳播的特點(diǎn)，發(fā)射可見(jiàn)光線穿透樣本，或者采用激光激發(fā)樣本產(chǎn)生熒光，然后用相機(jī)采集多個(gè)角度的樣本投影視圖，進(jìn)行三維成像。具體來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行光學(xué)投影斷層成像時(shí)，需要對(duì)樣本進(jìn)行多角度掃描，一般采用電控轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)樣本進(jìn)行步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)到一個(gè)角度采集一幅或多幅投影圖像。光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)圓軌道掃描最終采集到的數(shù)據(jù)是一系列不同角度下光線穿過(guò)樣本的二維投影圖像，通過(guò)相應(yīng)的重建算法便可得到三維圖像。通過(guò)上述這種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高分辨率、結(jié)構(gòu)功能一體化、無(wú)輻射的對(duì)小尺度對(duì)活體生物進(jìn)行細(xì)胞水平的定性和定量研究，實(shí)現(xiàn)生物體的實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)、動(dòng)態(tài)、在體成像。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，以完成小尺度生物樣本的投影圖獲取、圖像的分析處理，能夠?qū)π〕叨葘?duì)活體生物進(jìn)行定性和定量研究，實(shí)現(xiàn)生物體的實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)、動(dòng)態(tài)、在體成像。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，包括：光源模塊，用于提供照射樣本的白光或激光；樣本承載定位模塊，用于樣本位置的調(diào)整以及帶動(dòng)樣本旋轉(zhuǎn)以采集多個(gè)角度的投影數(shù)據(jù)；信號(hào)采集模塊，用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的匯聚，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選擇性采集；中央控制模塊，用于協(xié)調(diào)各部分的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光源的開(kāi)閉和強(qiáng)度調(diào)節(jié)，平移臺(tái)的中心校正，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的參數(shù)設(shè)置，EMCCD相機(jī)的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；以及設(shè)備外圍模塊，用于為成像提供一個(gè)抗干擾的穩(wěn)定環(huán)境。

上述方案中，所述光源模塊由鹵素?zé)?、激光器2和激光擴(kuò)束器3構(gòu)成；其中，鹵素?zé)?發(fā)出白光，用于生物樣本的結(jié)構(gòu)成像；激光器2發(fā)出激光，用于生物樣本的特異性成像；白光或激光均是通過(guò)光纖導(dǎo)出至指定位置，激光被導(dǎo)出至激光擴(kuò)束器3，激光擴(kuò)束器3用于將激光器發(fā)出的光擴(kuò)展為均勻準(zhǔn)直的光束，經(jīng)過(guò)激光擴(kuò)束器3將光束擴(kuò)展為可覆蓋掃描樣本的均勻光斑。

上述方案中，所述生物樣本的結(jié)構(gòu)成像即透射式光學(xué)投影斷層成像，在該透射式光學(xué)投影斷層成像中光線直接穿過(guò)樣本，利用樣本對(duì)光線的吸收特性，獲得樣本的三維解剖結(jié)構(gòu)像。在透射式光學(xué)投影斷層成像中，鹵素?zé)?發(fā)出的白光光束方向與EMCCD相機(jī)的主光軸方向平行。

上述方案中，所述生物樣本的特異性成像即發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像，在發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像中，當(dāng)激光照射到樣本上，激發(fā)樣本上的熒光染料或熒光蛋白發(fā)射出波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光信號(hào)，后續(xù)的EMCCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)通過(guò)窄帶濾波片濾去激發(fā)光，僅采集熒光信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行三維重建，從而重建出熒光染料或熒光蛋白在樣本上的分布信息，實(shí)現(xiàn)分子特異性成像。在發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像中，所述激光的光束方向與EMCCD主光軸方向垂直，采用激光的光束方向與EMCCD主光軸方向垂直的方式對(duì)樣本進(jìn)行照射。

上述方案中，所述激光器2采用輸出為固定波長(zhǎng)的連續(xù)波激光器，通過(guò)信號(hào)線連接至中央控制模塊，以實(shí)現(xiàn)光源控制，通過(guò)中央控制模塊控制激光器2的開(kāi)閉和輸出功率的大小。

上述方案中，所述樣本承載定位模塊由毛細(xì)玻璃管4、匹配液槽5和機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6構(gòu)成；其中，毛細(xì)玻璃管4用于固定樣本；匹配液槽5用于盛放特定匹配液，以減少光線在生物體表發(fā)生折射和反射效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣本被浸泡在光學(xué)匹配液中；機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6用于實(shí)現(xiàn)樣本上下、前后、左右和旋轉(zhuǎn)四個(gè)自由度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，前三個(gè)自由度上下、前后、左右用于精確控制樣本的位置在顯微裝置的焦平面附近，第四個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)是為了相機(jī)能采集多個(gè)角度的樣本投影視圖，以便三維重建。

上述方案中，所述毛細(xì)玻璃管4在固定樣本時(shí)有兩種固定方式，當(dāng)樣本為體型較大的果蠅時(shí)采用吸附方式固定樣本，將樣本粘在毛細(xì)玻璃管4的一端；當(dāng)樣本為體型較小的線蟲(chóng)時(shí)采用封裝方式固定樣本，將樣本封閉在毛細(xì)玻璃管中。

上述方案中，所述毛細(xì)玻璃管4由硼硅酸鹽材料制成，匹配液槽5由透明的硼硅玻璃制成，用于盛放特定的匹配液，以減少光線在生物體表發(fā)生折射和反射效應(yīng)，匹配液的折射系數(shù)與生物組織的折射率相近，匹配液槽的光學(xué)系數(shù)與匹配液系數(shù)相近。