[發明專利]一種高速三維雙光子熒光成像系統及其成像方法和應用

在審

• 申請號: 201611141431.5
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN108209861A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 徐強
• 申請（專利權）人: 凝輝（天津）科技有限責任公司
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種高速三維雙光子熒光成像系統及其成像方法和應用，其中所述高速三維雙光子熒光成像系統包括雙光子顯微鏡、近紅外飛秒激光器、X軸掃描裝置、Y軸掃描裝置、Z軸掃描裝置和圖像識別裝置；所述X軸掃描裝置設置為包括共振掃描鏡；所述Y軸掃描裝置設置為包括檢流計掃描鏡；所述Z軸掃描裝置設置為包括高速壓電掃描裝置，所述高速壓電掃描裝置設置為通過振動物鏡實現高數值孔徑聚焦光斑沿Z軸方向的移動。本發明采用該系統，簡單實用，通過Z軸高速掃描與X軸的共振掃描鏡及Y軸的檢流計掃描鏡相配合，并借助兩次三維成像及優化三維成像空間的方法進一步提高三維成像速度，從而解決了掃描速度過慢的問題，且避免了對聲光偏轉器件的使用。

技術領域

本發明涉及雙光子熒光成像技術領域，尤其涉及一種高速三維雙光子熒光成像系統及其成像方法和應用。

背景技術

哺乳動物大腦皮層的神經細胞通過大量的樹突相互連接組成神經網絡，從而形成了大腦計算功能的物質基礎。近期研究表明，樹突自身能夠主動地產生電尖峰脈沖，故被認為具有主動處理外界輸入信息的能力，使得大腦的計算能力擴大。因此，通過對樹突行為的深入研究，有助于理解大腦神經回路的運行模式和信息處理機制。但是，現有的對神經細胞的研究技術在實際操作過程中存在如下問題：

1、目前，神經科學領域廣泛采用的研究技術是膜片鉗電生理技術，該技術采用微電極接觸神經細胞，適用于記錄單個神經細胞的胞體、軸突和樹突的電位，具有很高的時間和空間分辨力，然而由于微電極尺寸的限制，該方法難以實現對樹突棘和突觸等細小功能部位的探索，同時也無法記錄神經細胞群的電生理活動。

2、隨著科學技術的發展，雙光子熒光成像技術被廣泛應用于神經科學領域的多個方面，該技術具有激發區域小，成像深度高，焦點外光漂白作用小等優勢。因此，商用雙光子顯微鏡被用于記錄單個神經細胞鈣離子的尖峰傳播，大腦視覺皮層內的神經細胞均呈三維分布形態，而該顯微鏡采用二維掃描，每次只能獲取單個神經細胞中某一部位的鈣離子熒光濃度隨時間變化的信息，如果需要測量單個神經細胞的不同樹突或神經細胞群的鈣離子動力學變化，只能采用分時記錄的方法，無法完成同時觀測需求。

3、為了系統性地了解大腦皮層神經網絡互聯結構，探索神經細胞鈣離子的動力學現象，同時記錄神經細胞群大量樹突上的鈣離子尖峰傳播現象，一些研究組采用了Z軸焦點調制和隨機掃描方法，以實現高速三維雙光子熒光成像。這其中，隨機掃描方法需要采用聲光偏轉器件，而聲光偏轉器件是一種強色散元件，超短激光脈沖通過聲光偏轉器件后無論從時間還是空間上都會產生展寬效應，因此往往需要復雜的光學補償技術，另外，聲光偏轉器件本身的時間和空間分辨率相互制約，基于聲光偏轉器件的雙光子成像技術仍然需要聲光偏轉器件本身性能的提高。

發明內容

本發明的主要目的在于解決現有技術中存在的問題，提供一種簡單實用，通過Z軸高速掃描與X軸的共振掃描鏡及Y軸的檢流計掃描鏡相配合，并借助兩次三維成像及優化三維成像空間的方法進一步提高三維成像速度，從而解決了掃描速度過慢的問題，且避免了對聲光偏轉器件的使用的高速三維雙光子熒光成像系統及其成像方法和應用。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種高速三維雙光子熒光成像系統，其中所述高速三維雙光子熒光成像系統包括雙光子顯微鏡、近紅外飛秒激光器、X軸掃描裝置、Y軸掃描裝置、Z軸掃描裝置和圖像識別裝置；

所述X軸掃描裝置設置為包括共振掃描鏡，所述共振掃描鏡用于實現所述雙光子顯微鏡對檢測樣品X軸方向的掃描，且該共振掃描鏡設置為電性連接所述圖像識別裝置；

所述Y軸掃描裝置設置為包括檢流計掃描鏡，所述檢流計掃描鏡實現了檢測樣品Y軸方向的線性掃描，且該檢流計掃描鏡設置為電性連接所述圖像識別裝置；

所述Z軸掃描裝置設置為包括高速壓電掃描裝置，所述高速壓電掃描裝置設置為通過振動物鏡實現高數值孔徑聚焦光斑沿Z軸方向的移動，且該高速壓電掃描裝置設置為電性連接所述圖像識別裝置，所述高速壓電掃描裝置用于實現Z軸方向的線性掃描；