專利名稱：活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)顯微技術(shù)可以為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的研究提供從分子水平到細(xì)胞水平，到組織水平的 有效信息，幫助人們?cè)诓煌叨壬显\斷、認(rèn)識(shí)、研究各種復(fù)雜的疾病及其制病機(jī)理。由于生 命體中各種表征極易受到周圍環(huán)境酸堿度、濕度、溫度等等多種復(fù)雜因素的影響，因此大力 發(fā)展在體觀測(cè)手段具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。相對(duì)于離體觀測(cè)，在體觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)更能 真實(shí)反映觀測(cè)目標(biāo)實(shí)際的性質(zhì)、狀態(tài)，檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。活體熒光內(nèi)窺成像技術(shù)采用光纖束 作為載體，經(jīng)人體或其他動(dòng)物體天然通道或手術(shù)微創(chuàng)切口進(jìn)入體內(nèi)對(duì)器官進(jìn)行在體探測(cè)。 小型化的內(nèi)窺成像技術(shù)有能力提供細(xì)胞級(jí)別的實(shí)時(shí)的組織可視化，允許醫(yī)生減少甚至無(wú)需 對(duì)疑似組織進(jìn)行傳統(tǒng)活檢而作出準(zhǔn)確的病理診斷，將極大的簡(jiǎn)化診療過(guò)程，減輕病人痛苦。 基于光纖束的內(nèi)窺系統(tǒng)因掃描裝置在體外實(shí)現(xiàn)、成像分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)而具有較 強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。傳統(tǒng)的基于光纖束的內(nèi)窺系統(tǒng)一般將入射光經(jīng)掃描導(dǎo)光系統(tǒng)傳入光纖束，經(jīng)前 端探頭照明樣品，樣品成像面信號(hào)原路返回，經(jīng)分束器件與入射光分離，進(jìn)入探測(cè)單元， 獲取的主要信息是樣品經(jīng)照射后成像面上各點(diǎn)的漫反射信號(hào)(C.Liang et.al.，Optics Express 9 (13)，821—830 (2001))或熒光強(qiáng)度信號(hào)(E. Laemmel et.al.，Journal of Vascular Research41 (5)，400-411 (2004))，最終可提供成像診斷，已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得 應(yīng)用。這種傳統(tǒng)的成像方法，通常都只有成像診斷，只能提供空間形態(tài)信息。而光譜診斷是 依靠獲取在一定波長(zhǎng)的激光照射下樣品的熒光輻射信號(hào)來(lái)辨別樣品生物化學(xué)成分的信息。 根據(jù)生物組織的自發(fā)熒光或外源熒光標(biāo)記物等的光譜差異性，光譜診斷還能夠給疾病診斷 提供準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。如果將成像診斷與光譜診斷結(jié)合，在同一內(nèi)窺系統(tǒng)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)二者 的獲取，將極大提高探測(cè)的靈敏度，既獲得細(xì)胞水平的樣品形態(tài)信息，又可以提供分子水平 的樣品生物化學(xué)成分信息，豐富了可獲得的樣品信息，可以成為準(zhǔn)確判斷疾病的依據(jù)之一。法國(guó) Mauna Kea Technologies 公司(F. Jean et. al.，Optics Expressl5 (7)， 4008-4017(2007))的熒光內(nèi)窺系統(tǒng)雖然能提供光譜信息，但其獲得的光譜數(shù)據(jù)僅僅是成 像視場(chǎng)內(nèi)所有光譜信息的平均，無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)、區(qū)分視場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的光譜信息。目前唯一能 實(shí)現(xiàn)基于光纖束內(nèi)窺的熒光光譜成像方案是采用棱鏡分光在CCD上來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品各點(diǎn)熒 光發(fā)射光譜的解譜探測(cè)(H. Makhlouf et. al. , Journal of Biomedical Optics 13(4)， 044016-044019(2008))。這種方式雖然可以和C⑶探測(cè)兼容，但是由于使用棱鏡導(dǎo)致光譜 分辨率較低，平均6nm，不利于分辨發(fā)射譜較為接近的不同物質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的適用于光纖束內(nèi)窺的活體熒光內(nèi)窺光譜成像 裝置。通過(guò)采用傅里葉變換光譜探測(cè)技術(shù)與光纖束內(nèi)窺顯微技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成新型的活體熒
3光內(nèi)窺光譜成像系統(tǒng)。這一新型成像系統(tǒng)既可準(zhǔn)確提供樣品成像空間形態(tài)分布，又能提供 成像空間各點(diǎn)精確的熒光發(fā)射光譜信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品自身不同生物化學(xué)成分或多種 外源熒光標(biāo)記物的同時(shí)觀測(cè)，大大提高了光纖束內(nèi)窺鏡的功能。本發(fā)明的技術(shù)方案為活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，包括光源單元、分光單元、掃描導(dǎo)光單元、光纖束內(nèi) 窺單元、光電信號(hào)探測(cè)及采集單元、計(jì)算機(jī)，所述的光源單元由準(zhǔn)直光源和帶通濾波器組 成，準(zhǔn)直光源的光經(jīng)帶通濾波器后進(jìn)入分光單元，分光單元具有兩路端口，分光單元的一路 端口與掃描導(dǎo)光單元相連，掃描導(dǎo)光單元與光纖束內(nèi)窺單元相連，分光單元的另一路端口 與光電信號(hào)探測(cè)及采集單元相連，光電信號(hào)探測(cè)及采集單元與計(jì)算機(jī)相連。其中所述的準(zhǔn)直光源是單色光源、多色光源或?qū)拵Ч庠?。所述的分光單元提供兩路端?；一路由光源單元輸出信號(hào)進(jìn)入分光單元與掃描單 元相連；從樣品返回信號(hào)則從掃描單元經(jīng)分光單元后進(jìn)入光電信號(hào)探測(cè)及采集單元的傅里 葉變換光譜儀。分光單元是分束器或二色鏡。所述的掃描導(dǎo)光單元由掃描裝置和4f系統(tǒng)組成；其中掃描裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的空 間掃描，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像的逐點(diǎn)探測(cè)，4f系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束直徑的調(diào)整，以滿足后續(xù)光 學(xué)器件的入射孔徑要求，掃描裝置和4f系統(tǒng)均可從市場(chǎng)購(gòu)買得到。所述的光纖束內(nèi)窺單元由耦合透鏡、光纖束、及內(nèi)窺探頭單元組成；光束經(jīng)耦合透 鏡會(huì)聚后耦合進(jìn)入光纖束中的單根光纖內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像方式；所述的內(nèi)窺探頭 單元由在封裝套管中的光纖束后端和成像透鏡組合而成，且光纖束后端端面與樣品成像面 關(guān)于成像透鏡成共軛關(guān)系，從光纖束輸出的入射光經(jīng)成像透鏡照射在樣品上，樣品經(jīng)該入 射光激發(fā)產(chǎn)生的熒光輻射經(jīng)成像透鏡耦合進(jìn)入光纖束相應(yīng)的光纖中。其中成像透鏡是單透 鏡或組合透鏡。所述的光電信號(hào)探測(cè)及采集單元由帶通濾波器、傅里葉變換光譜儀、光電探測(cè)器 組成；信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾波后，進(jìn)入傅里葉變換光譜儀，傅里葉變換光譜儀將信號(hào)的光譜 信息調(diào)制成可探測(cè)時(shí)域信號(hào)被光電探測(cè)器探測(cè)，交由后端計(jì)算機(jī)處理。所述的活體熒光內(nèi)窺光譜成像系統(tǒng)中掃描導(dǎo)光單元可替換成圖像傳感器CCD，同 樣可以全場(chǎng)方式實(shí)現(xiàn)同樣活體熒光內(nèi)窺光譜成像功能。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)1、采用傅里葉變換光譜儀探測(cè)樣品激發(fā)光譜，具有光譜分 辨率高(Inm)、光譜分辨率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。2、熒光活體內(nèi)窺光譜成像系統(tǒng)既能提供組織水平的 成像診斷，又能提供分子水平的光譜診斷。


圖1為本發(fā)明裝置的框圖連接示意圖。圖2為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的內(nèi)窺探頭結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
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本發(fā)明可以通過(guò)如下的方式實(shí)現(xiàn)在圖1、圖2中，本發(fā)明包括光源單元1、分光單元2、掃描導(dǎo)光單元3、光纖束內(nèi)窺 單元4、光電信號(hào)探測(cè)及采集單元5、計(jì)算機(jī)6 ；所述的光源單元1由準(zhǔn)直光源7和帶通濾波 器8組成，準(zhǔn)直光源7的光經(jīng)帶通濾波器8后進(jìn)入分光單元2，分光單元2具有兩路端口，分 光單元2的一路端口與掃描導(dǎo)光單元3相連，掃描導(dǎo)光單元3與光纖束內(nèi)窺單元4相連，分 光單元2的另一路端口與光電信號(hào)探測(cè)及采集單元5相連，光電信號(hào)探測(cè)及采集單元5與 計(jì)算機(jī)6相連。在圖2中，所述的光源單元1由準(zhǔn)直光源7和帶通濾波片8組成，其中準(zhǔn)直光源7 可以是單色光源、多色光源或?qū)拵Ч庠?，其中帶通濾波器8僅允許所需激發(fā)波長(zhǎng)的光通過(guò)。在圖2中，所述的分光單元2提供兩路端口 ；一路由光源單元1輸出信號(hào)進(jìn)入分光 單元2與掃描導(dǎo)光單元3相連；從樣品返回信號(hào)則從掃描導(dǎo)光單元3經(jīng)分光單元2后進(jìn)入 光電信號(hào)探測(cè)及采集單元5，分光單元2可以是分束器，也可以是二色鏡或其他可以實(shí)現(xiàn)分 束功能的裝置。在圖2中，所述的掃描導(dǎo)光單元由掃描裝置9和4f系統(tǒng)10組成；其中掃描裝置9 實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的空間掃描，以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)探測(cè)，4f系統(tǒng)10實(shí)現(xiàn)對(duì)光束尺寸的調(diào)整，以滿足后續(xù) 光學(xué)器件的入射孔徑要求，掃描裝置和4f系統(tǒng)均可從市場(chǎng)購(gòu)買得到。在圖2中，所述的光纖束內(nèi)窺單元由耦合透鏡11、光纖束12、內(nèi)窺探頭單元13組 成；光束經(jīng)耦合透鏡11會(huì)聚后耦合進(jìn)入光纖束12中的單根光纖內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像 方式；如圖3所示，所述的內(nèi)窺探頭單元13由在封裝套管19中的光纖束后端17和成像透 鏡18組合而成；光纖束后端17端面與樣品20成像面關(guān)于成像透鏡18成共軛關(guān)系，從光纖 束12輸出的入射光經(jīng)成像透鏡18照射在樣品20上，樣品20經(jīng)該入射光激發(fā)產(chǎn)生的熒光 輻射經(jīng)成像透鏡18耦合進(jìn)入光纖束12相應(yīng)的光纖中。其中成像透鏡18可以是單透鏡或 組合透鏡。在圖2中，所述的光電信號(hào)探測(cè)及采集單元5由帶通濾波器14、傅里葉變換光譜 儀15、光電探測(cè)器16組成；信號(hào)經(jīng)帶通濾波器14濾波后，進(jìn)入傅里葉變換光譜儀15，傅里 葉變換光譜儀15將信號(hào)的光譜信息調(diào)制成可探測(cè)時(shí)域信號(hào)被光電探測(cè)器16探測(cè)，交由后 端計(jì)算機(jī)6處理。如圖2、3所示，從準(zhǔn)直光源7經(jīng)帶通濾波器8濾波后的準(zhǔn)直激發(fā)光經(jīng)分光單元2 進(jìn)入掃描裝置9，掃描裝置9實(shí)現(xiàn)光束在空間中的逐點(diǎn)順序掃描探測(cè)樣品，隨后4f系統(tǒng)10 改變激發(fā)光束直徑大小以滿足后續(xù)光纖束耦合透鏡11的入射孔徑要求；經(jīng)變換后的激發(fā) 光束傳遞到光纖束內(nèi)窺單元4，經(jīng)耦合透鏡11會(huì)聚并耦合進(jìn)入光纖束12中的單根光纖，以 實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像方式；光纖束后端17端面與樣品20成像面關(guān)于成像透鏡18成共軛關(guān) 系；經(jīng)光纖束12的傳輸從光纖束后端17輸出的光經(jīng)成像透鏡18照射在樣品20上，樣品 20經(jīng)照射后發(fā)出熒光信號(hào)，經(jīng)內(nèi)窺探頭單元13收集后進(jìn)入光纖束12相應(yīng)的單根光纖中原 路返回后端光學(xué)系統(tǒng)；熒光信號(hào)經(jīng)分光單元2進(jìn)入光電信號(hào)探測(cè)及采集單元5，帶通濾波器 14過(guò)濾掉樣品熒光發(fā)射波段以外的光后，由傅里葉變換光譜儀15將信號(hào)的光譜信息調(diào)制 成可探測(cè)時(shí)域信號(hào)被光電探測(cè)器16探測(cè)，交由后端計(jì)算機(jī)6處理以獲得該點(diǎn)的熒光發(fā)射光 譜。系統(tǒng)逐點(diǎn)探測(cè)樣品中掃描空間內(nèi)的每一點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜，經(jīng)計(jì)算機(jī)6數(shù)據(jù)處理后可 重建出掃描區(qū)域的光譜成像結(jié)果，即x、y或ζ軸的熒光強(qiáng)度圖及空間各點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜。
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所述的活體熒光內(nèi)窺光譜成像系統(tǒng)如掃描導(dǎo)光單元3，采用CCD可以全場(chǎng)方式實(shí) 現(xiàn)同樣活體熒光內(nèi)窺光譜成像功能。
權(quán)利要求
活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，包括光源單元、分光單元、掃描導(dǎo)光單元、光纖束內(nèi)窺單元、光電信號(hào)探測(cè)及采集單元、計(jì)算機(jī)，所述的光源單元由準(zhǔn)直光源和帶通濾波器組成，其特征在于準(zhǔn)直光源的光經(jīng)帶通濾波器后進(jìn)入分光單元，分光單元具有兩路端口，分光單元的一路端口與掃描導(dǎo)光單元相連，掃描導(dǎo)光單元與光纖束內(nèi)窺單元相連，分光單元的另一路端口與光電信號(hào)探測(cè)及采集單元相連，光電信號(hào)探測(cè)及采集單元與計(jì)算機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，其特征在于所述的準(zhǔn)直光源 是單色光源、多色光源或?qū)拵Ч庠础?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，其特征在于所述的分光單元 具有兩路端口為分束器或二色鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，其特征在于所述的掃描導(dǎo)光 單元由掃描裝置和4f系統(tǒng)組成；其中掃描裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的空間掃描，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微 成像的逐點(diǎn)探測(cè)，4f系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束直徑的調(diào)整，以滿足后續(xù)光學(xué)器件的入射孔徑要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，其特征在于所述的光纖束內(nèi) 窺單元由耦合透鏡、光纖束、內(nèi)窺探頭單元組成；光束經(jīng)耦合透鏡會(huì)聚后耦合進(jìn)入光纖束中 的單根光纖內(nèi)；所述的內(nèi)窺探頭單元由在封裝套管中的光纖束后端和成像透鏡組合而成， 且光纖束后端端面與樣品成像面關(guān)于成像透鏡成共軛關(guān)系，從光纖束輸出的入射光經(jīng)成像 透鏡照射在樣品上，樣品經(jīng)該入射光激發(fā)產(chǎn)生的熒光輻射經(jīng)成像透鏡耦合進(jìn)入光纖束相應(yīng) 的光纖中；所述的成像透鏡是單透鏡或組合透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，其特征在于所述的光電信號(hào) 探測(cè)及采集單元由帶通濾波器、傅里葉變換光譜儀、光電探測(cè)器組成；信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾 波后，進(jìn)入傅里葉變換光譜儀，傅里葉變換光譜儀將信號(hào)的光譜信息調(diào)制成可探測(cè)時(shí)域信 號(hào)被光電探測(cè)器探測(cè)，交由后端計(jì)算機(jī)處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，其特征在于所述的將 掃描導(dǎo)光單元替換成圖像傳感器CCD。
全文摘要
本發(fā)明涉及活體熒光內(nèi)窺光譜成像裝置，包括光源單元、分光單元、掃描導(dǎo)光單元、光纖束內(nèi)窺單元、光電信號(hào)探測(cè)及采集單元、計(jì)算機(jī)，所述的光源單元由準(zhǔn)直光源和帶通濾波器組成，其特征在于準(zhǔn)直光源的光經(jīng)帶通濾波器后進(jìn)入分光單元，分光單元具有兩路端口，分光單元的一路端口與掃描導(dǎo)光單元相連，掃描導(dǎo)光單元與光纖束內(nèi)窺單元相連，分光單元的另一路端口與光電信號(hào)探測(cè)及采集單元相連，光電信號(hào)探測(cè)及采集單元與計(jì)算機(jī)相連。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)1、采用傅里葉變換光譜儀探測(cè)樣品激發(fā)光譜，具有光譜分辨率高(1nm)、光譜分辨率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。2、熒光活體內(nèi)窺光譜成像系統(tǒng)既能提供組織水平的成像診斷，又能提供分子水平的光譜診斷。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101904737SQ20101024822
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者付玲, 張紅明, 曾紹群, 袁菁, 駱清銘 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)