專利名稱：活體熒光內窺光譜成像裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學成像技術領域，特別涉及一種活體熒光內窺光譜成像裝置。
背景技術：
光學顯微技術可以為現代醫學的研究提供從分子水平到細胞水平，到組織水平的 有效信息，幫助人們在不同尺度上診斷、認識、研究各種復雜的疾病及其制病機理。由于生 命體中各種表征極易受到周圍環境酸堿度、濕度、溫度等等多種復雜因素的影響，因此大力 發展在體觀測手段具有非常重要的現實意義。相對于離體觀測，在體觀測獲得的數據更能 真實反映觀測目標實際的性質、狀態，檢測結果更準確。活體熒光內窺成像技術采用光纖束 作為載體，經人體或其他動物體天然通道或手術微創切口進入體內對器官進行在體探測。 小型化的內窺成像技術有能力提供細胞級別的實時的組織可視化，允許醫生減少甚至無需 對疑似組織進行傳統活檢而作出準確的病理診斷，將極大的簡化診療過程，減輕病人痛苦。 基于光纖束的內窺系統因掃描裝置在體外實現、成像分辨率高、結構簡單等優勢而具有較 強的實用價值。傳統的基于光纖束的內窺系統一般將入射光經掃描導光系統傳入光纖束，經前 端探頭照明樣品，樣品成像面信號原路返回，經分束器件與入射光分離，進入探測單元， 獲取的主要信息是樣品經照射后成像面上各點的漫反射信號(C.Liang et.al.，Optics Express 9 (13)，821—830 (2001))或熒光強度信號(E. Laemmel et.al.，Journal of Vascular Research41 (5)，400-411 (2004))，最終可提供成像診斷，已在生物醫學領域獲得 應用。這種傳統的成像方法，通常都只有成像診斷，只能提供空間形態信息。而光譜診斷是 依靠獲取在一定波長的激光照射下樣品的熒光輻射信號來辨別樣品生物化學成分的信息。 根據生物組織的自發熒光或外源熒光標記物等的光譜差異性，光譜診斷還能夠給疾病診斷 提供準確的判斷依據。如果將成像診斷與光譜診斷結合，在同一內窺系統上同時實現二者 的獲取，將極大提高探測的靈敏度，既獲得細胞水平的樣品形態信息，又可以提供分子水平 的樣品生物化學成分信息，豐富了可獲得的樣品信息，可以成為準確判斷疾病的依據之一。法國 Mauna Kea Technologies 公司(F. Jean et. al.，Optics Expressl5 (7)， 4008-4017(2007))的熒光內窺系統雖然能提供光譜信息，但其獲得的光譜數據僅僅是成 像視場內所有光譜信息的平均，無法準確探測、區分視場內各點的光譜信息。目前唯一能 實現基于光纖束內窺的熒光光譜成像方案是采用棱鏡分光在CCD上來實現對樣品各點熒 光發射光譜的解譜探測(H. Makhlouf et. al. , Journal of Biomedical Optics 13(4)， 044016-044019(2008))。這種方式雖然可以和C⑶探測兼容，但是由于使用棱鏡導致光譜 分辨率較低，平均6nm，不利于分辨發射譜較為接近的不同物質。
發明內容
本發明的目的在于提供一種新型的適用于光纖束內窺的活體熒光內窺光譜成像 裝置。通過采用傅里葉變換光譜探測技術與光纖束內窺顯微技術結合，構成新型的活體熒
3光內窺光譜成像系統。這一新型成像系統既可準確提供樣品成像空間形態分布，又能提供 成像空間各點精確的熒光發射光譜信息，可實現對生物樣品自身不同生物化學成分或多種 外源熒光標記物的同時觀測，大大提高了光纖束內窺鏡的功能。本發明的技術方案為活體熒光內窺光譜成像裝置，包括光源單元、分光單元、掃描導光單元、光纖束內 窺單元、光電信號探測及采集單元、計算機，所述的光源單元由準直光源和帶通濾波器組 成，準直光源的光經帶通濾波器后進入分光單元，分光單元具有兩路端口，分光單元的一路 端口與掃描導光單元相連，掃描導光單元與光纖束內窺單元相連，分光單元的另一路端口 與光電信號探測及采集單元相連，光電信號探測及采集單元與計算機相連。其中所述的準直光源是單色光源、多色光源或寬帶光源。所述的分光單元提供兩路端口 ；一路由光源單元輸出信號進入分光單元與掃描單 元相連；從樣品返回信號則從掃描單元經分光單元后進入光電信號探測及采集單元的傅里 葉變換光譜儀。分光單元是分束器或二色鏡。所述的掃描導光單元由掃描裝置和4f系統組成；其中掃描裝置實現對光束的空 間掃描，以實現共聚焦顯微成像的逐點探測，4f系統實現對光束直徑的調整，以滿足后續光 學器件的入射孔徑要求，掃描裝置和4f系統均可從市場購買得到。所述的光纖束內窺單元由耦合透鏡、光纖束、及內窺探頭單元組成；光束經耦合透 鏡會聚后耦合進入光纖束中的單根光纖內，以實現共聚焦顯微成像方式；所述的內窺探頭 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 關于成像透鏡成共軛關系，從光纖束輸出的入射光經成像透鏡照射在樣品上，樣品經該入 射光激發產生的熒光輻射經成像透鏡耦合進入光纖束相應的光纖中。其中成像透鏡是單透 鏡或組合透鏡。所述的光電信號探測及采集單元由帶通濾波器、傅里葉變換光譜儀、光電探測器 組成；信號經帶通濾波器濾波后，進入傅里葉變換光譜儀，傅里葉變換光譜儀將信號的光譜 信息調制成可探測時域信號被光電探測器探測，交由后端計算機處理。所述的活體熒光內窺光譜成像系統中掃描導光單元可替換成圖像傳感器CCD，同 樣可以全場方式實現同樣活體熒光內窺光譜成像功能。本發明具有如下特點1、采用傅里葉變換光譜儀探測樣品激發光譜，具有光譜分 辨率高(Inm)、光譜分辨率可調等優點。2、熒光活體內窺光譜成像系統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為本發明裝置的框圖連接示意圖。圖2為本發明裝置的結構示意圖。圖3為本發明的內窺探頭結構示意圖。
具體實施例方式以下結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
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本發明可以通過如下的方式實現在圖1、圖2中，本發明包括光源單元1、分光單元2、掃描導光單元3、光纖束內窺 單元4、光電信號探測及采集單元5、計算機6 ；所述的光源單元1由準直光源7和帶通濾波 器8組成，準直光源7的光經帶通濾波器8后進入分光單元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光單元3相連，掃描導光單元3與光纖束內窺單元4相連，分 光單元2的另一路端口與光電信號探測及采集單元5相連，光電信號探測及采集單元5與 計算機6相連。在圖2中，所述的光源單元1由準直光源7和帶通濾波片8組成，其中準直光源7 可以是單色光源、多色光源或寬帶光源，其中帶通濾波器8僅允許所需激發波長的光通過。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輸出信號進入分光 單元2與掃描導光單元3相連；從樣品返回信號則從掃描導光單元3經分光單元2后進入 光電信號探測及采集單元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現分 束功能的裝置。在圖2中，所述的掃描導光單元由掃描裝置9和4f系統10組成；其中掃描裝置9 實現對光束的空間掃描，以實現逐點探測，4f系統10實現對光束尺寸的調整，以滿足后續 光學器件的入射孔徑要求，掃描裝置和4f系統均可從市場購買得到。在圖2中，所述的光纖束內窺單元由耦合透鏡11、光纖束12、內窺探頭單元13組 成；光束經耦合透鏡11會聚后耦合進入光纖束12中的單根光纖內，以實現共聚焦顯微成像 方式；如圖3所示，所述的內窺探頭單元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成像面關于成像透鏡18成共軛關系，從光纖 束12輸出的入射光經成像透鏡18照射在樣品20上，樣品20經該入射光激發產生的熒光 輻射經成像透鏡18耦合進入光纖束12相應的光纖中。其中成像透鏡18可以是單透鏡或 組合透鏡。在圖2中，所述的光電信號探測及采集單元5由帶通濾波器14、傅里葉變換光譜 儀15、光電探測器16組成；信號經帶通濾波器14濾波后，進入傅里葉變換光譜儀15，傅里 葉變換光譜儀15將信號的光譜信息調制成可探測時域信號被光電探測器16探測，交由后 端計算機6處理。如圖2、3所示，從準直光源7經帶通濾波器8濾波后的準直激發光經分光單元2 進入掃描裝置9，掃描裝置9實現光束在空間中的逐點順序掃描探測樣品，隨后4f系統10 改變激發光束直徑大小以滿足后續光纖束耦合透鏡11的入射孔徑要求；經變換后的激發 光束傳遞到光纖束內窺單元4，經耦合透鏡11會聚并耦合進入光纖束12中的單根光纖，以 實現共聚焦顯微成像方式；光纖束后端17端面與樣品20成像面關于成像透鏡18成共軛關 系；經光纖束12的傳輸從光纖束后端17輸出的光經成像透鏡18照射在樣品20上，樣品 20經照射后發出熒光信號，經內窺探頭單元13收集后進入光纖束12相應的單根光纖中原 路返回后端光學系統；熒光信號經分光單元2進入光電信號探測及采集單元5，帶通濾波器 14過濾掉樣品熒光發射波段以外的光后，由傅里葉變換光譜儀15將信號的光譜信息調制 成可探測時域信號被光電探測器16探測，交由后端計算機6處理以獲得該點的熒光發射光 譜。系統逐點探測樣品中掃描空間內的每一點的熒光發射光譜，經計算機6數據處理后可 重建出掃描區域的光譜成像結果，即x、y或ζ軸的熒光強度圖及空間各點的熒光發射光譜。
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所述的活體熒光內窺光譜成像系統如掃描導光單元3，采用CCD可以全場方式實 現同樣活體熒光內窺光譜成像功能。
權利要求
活體熒光內窺光譜成像裝置，包括光源單元、分光單元、掃描導光單元、光纖束內窺單元、光電信號探測及采集單元、計算機，所述的光源單元由準直光源和帶通濾波器組成，其特征在于準直光源的光經帶通濾波器后進入分光單元，分光單元具有兩路端口，分光單元的一路端口與掃描導光單元相連，掃描導光單元與光纖束內窺單元相連，分光單元的另一路端口與光電信號探測及采集單元相連，光電信號探測及采集單元與計算機相連。
2.根據權利要求1所述的活體熒光內窺光譜成像裝置，其特征在于所述的準直光源 是單色光源、多色光源或寬帶光源。
3.根據權利要求1所述的活體熒光內窺光譜成像裝置，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.根據權利要求1所述的活體熒光內窺光譜成像裝置，其特征在于所述的掃描導光 單元由掃描裝置和4f系統組成；其中掃描裝置實現對光束的空間掃描，以實現共聚焦顯微 成像的逐點探測，4f系統實現對光束直徑的調整，以滿足后續光學器件的入射孔徑要求。
5.根據權利要求1所述的活體熒光內窺光譜成像裝置，其特征在于所述的光纖束內 窺單元由耦合透鏡、光纖束、內窺探頭單元組成；光束經耦合透鏡會聚后耦合進入光纖束中 的單根光纖內；所述的內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于成像透鏡成共軛關系，從光纖束輸出的入射光經成像 透鏡照射在樣品上，樣品經該入射光激發產生的熒光輻射經成像透鏡耦合進入光纖束相應 的光纖中；所述的成像透鏡是單透鏡或組合透鏡。
6.根據權利要求1所述的活體熒光內窺光譜成像裝置，其特征在于所述的光電信號 探測及采集單元由帶通濾波器、傅里葉變換光譜儀、光電探測器組成；信號經帶通濾波器濾 波后，進入傅里葉變換光譜儀，傅里葉變換光譜儀將信號的光譜信息調制成可探測時域信 號被光電探測器探測，交由后端計算機處理。
7.根據權利要求1-6之一所述的活體熒光內窺光譜成像裝置，其特征在于所述的將 掃描導光單元替換成圖像傳感器CCD。
全文摘要
本發明涉及活體熒光內窺光譜成像裝置，包括光源單元、分光單元、掃描導光單元、光纖束內窺單元、光電信號探測及采集單元、計算機，所述的光源單元由準直光源和帶通濾波器組成，其特征在于準直光源的光經帶通濾波器后進入分光單元，分光單元具有兩路端口，分光單元的一路端口與掃描導光單元相連，掃描導光單元與光纖束內窺單元相連，分光單元的另一路端口與光電信號探測及采集單元相連，光電信號探測及采集單元與計算機相連。本發明具有如下特點1、采用傅里葉變換光譜儀探測樣品激發光譜，具有光譜分辨率高(1nm)、光譜分辨率可調等優點。2、熒光活體內窺光譜成像系統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A61B5/00GK101904737SQ20101024822
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月9日 優先權日2010年8月9日
發明者付玲, 張紅明, 曾紹群, 袁菁, 駱清銘 申請人:華中科技大學