專利名稱：微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熒光信號檢測領(lǐng)域。具體涉及通過微創(chuàng)的多通道熒光信號實(shí)時 探測系統(tǒng)對活體動物體內(nèi)熒光信號進(jìn)行探測的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
通常，為了探測動物體內(nèi)某種藥物在某器官的濃度變化規(guī)律，或者對于腫 瘤的分期需要間隔時間采集器官內(nèi)血液或組織樣本進(jìn)行體外觀察或檢測。近年 來，隨著熒光分子探針的普遍應(yīng)用，使用熒光分子探針標(biāo)記藥物分子或者腫瘤 細(xì)胞，在體外通過熒光分子斷層成像等技術(shù)獲得探針在動物體內(nèi)的分布情況。
獲取樣本進(jìn)行體外觀察和檢測能夠做到比較精確的定量測量，但是從動 物體內(nèi)獲取樣本無法做到"實(shí)時"和"連續(xù)"，而且通常對同一只動物進(jìn)行取樣的次
數(shù)有一定限制，否則將造成動物死亡。
熒光分子斷層成像能夠無創(chuàng)的對動物體內(nèi)標(biāo)記了熒光分子探針的藥物分 子或腫瘤細(xì)胞進(jìn)行檢測，但由于檢測到的熒光信號經(jīng)過了動物組織的光學(xué)散射， 因此對探針的定位以及濃度的計(jì)算將造成一定偏差，因此這種辦法進(jìn)行的檢測 無法做到精確定量。
因此可見，在實(shí)際應(yīng)用中，有著對于藥物在動物各器官的濃度變化以及腫 瘤分期的在體檢測的需求。因此新型的微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時探測系統(tǒng) 及成像方法在實(shí)際應(yīng)用中具有切實(shí)的意義和需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種新的活體熒光檢測系統(tǒng)。
本發(fā)明的特征在于，含有集束光纖、集束光纖固定裝置、顯微物鏡、二 向色鏡、熒光濾光片、光探測器、激發(fā)光源、激發(fā)光濾光片、以及透鏡組，其 中
集束光纖，集束光纖內(nèi)光纖的根數(shù)等于通道數(shù)，所述每根光纖的長度在
30cm 100cm之間， 一個端部具有針狀硬質(zhì)的光纖尖端，以便通過微創(chuàng)口直接 把所述的針狀硬質(zhì)的光纖尖端插入待檢測的活體動物器官或組織，所述每根光 纖的另一端為平端面，共同構(gòu)成了所述集束光纖的后端面，
集束光纖固定裝置，中心開孔，空的橫截面為方形，該集束光纖從所述孔 中穿過，以便使所述集束光纖內(nèi)各條光纖之間具有固定的位置和角度，
熒光濾光片，為帶通濾光片，中心波長與帶寬的選擇和所述活體動物體內(nèi) 的待觀測熒光目標(biāo)的熒光發(fā)射譜相匹配，并且所述通帶范圍與所述激發(fā)光濾光 片的通帶范圍不交疊，用于濾除激發(fā)光波段的光線，
光探測器，為光電倍增管陣列，所述光電倍增管的數(shù)量不低于所述通道的 數(shù)量，且至少保證每一個光電倍增管與所述的每一條光纖通道一一對應(yīng)，
激發(fā)光源，是一個激光器，輸出激發(fā)光，
激發(fā)光濾光片，為帶通濾光片，中心波長與帶寬的選擇和所述活體動物體 內(nèi)待觀察的熒光目標(biāo)的熒光激發(fā)譜相匹配，
透鏡組，對通過所述激發(fā)光濾光片的激發(fā)光進(jìn)行擴(kuò)束，
二向色鏡，是一個分光平片，為與所述顯微物鏡與熒光濾光片之間，
所述集束光纖的后端面、顯微物鏡、二向色鏡、熒光濾光片、以及光探測器依次水平排列且共軸，軸線為所述系統(tǒng)的主光軸，
所述二向色鏡的法線方向，與依次透過所述激發(fā)光濾光片、透鏡組的激發(fā)
光束成45度角，且該二向色鏡正位于所述激發(fā)光束和所述系統(tǒng)主軸方向上的熒
光發(fā)射光的正交點(diǎn)上。
相比于現(xiàn)有的設(shè)備和方法，新的微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時檢測系統(tǒng)具 有明顯的優(yōu)勢。新的系統(tǒng)能夠微創(chuàng)的、多通道的、定點(diǎn)的、而且連續(xù)的對動物 體內(nèi)多個器官內(nèi)的熒光濃度進(jìn)行檢測。能夠給出每個檢測位置的熒光強(qiáng)度隨時 間變化曲線，進(jìn)而得到被熒光探針標(biāo)記的藥物的富集、靶向、以及代謝等信息， 或者被熒光探針標(biāo)記的腫瘤細(xì)胞的生長、以及被消滅情況。該系統(tǒng)還可以通過 切換激發(fā)光源、激發(fā)光濾光片、二向色鏡、和熒光濾光片支持各種熒光探針的 檢測應(yīng)用，而且可以通過增加光纖集束數(shù)量來很便捷的升級應(yīng)用于更穸通道的 同時檢測。


圖l示出了本發(fā)明的部件示意圖，其中各部件說明如下
1、 針狀硬質(zhì)光纖尖端，
2、 光纖(多根，其數(shù)量等于系統(tǒng)的通道數(shù))，
3、 光纖集束固定裝置，
4、 顯微物鏡，
5、 二向色鏡(或稱分色片)、或者分光平片(或稱半透射半反射鏡)，
6、 熒光濾光片，
7、 透鏡或透鏡組8、 光源，
9、 激發(fā)光濾光片，
10、 探測器。
圖2示出了光纖集束固定的正方形排列方式 圖3示出了光纖集束固定的三角形排列方式
具體實(shí)施例方式
該系統(tǒng)包含至少一個或多個光源(光源為激光器、大功率LED (發(fā)光二極 管)、激光二極管或其他燈具，也可以是光纖從外部其他光源導(dǎo)入的光，優(yōu)選的 為大功率LED)、激發(fā)光濾光片、熒光濾光片、和二向色鏡組。所述光源、激發(fā) 光濾光片、熒光濾光片、與二向色鏡共同配合，應(yīng)用于對應(yīng)的熒光探針。
該系統(tǒng)包含一個探測器對熒光信號的強(qiáng)度進(jìn)行檢測，可以為PMT (光電倍 增管)陣列、光電二極管陣列、或者CCD (電荷耦合器件)。
該系統(tǒng)在應(yīng)用時，通過注射器針頭的內(nèi)腔、或者微創(chuàng)口直接將針狀硬質(zhì)光 纖尖端插入待檢測的動物器官或組織。
該系統(tǒng)通過光源前方的透鏡和顯微物鏡的配合，將激發(fā)光匯聚導(dǎo)入每一根 光纖，并通過光纖傳遞，進(jìn)而照射到生物組織表面，激發(fā)熒光。熒光再通過光 纖，經(jīng)由顯微物鏡放大，并最終由探測器檢測。
圖1示意性表示了本發(fā)明的微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時檢測系統(tǒng)，具體 各部分說明如下
激發(fā)光產(chǎn)生模塊
此模塊包括光源8、激發(fā)光濾光片9、以及透鏡或透鏡組7。產(chǎn)生用于激發(fā) 熒光標(biāo)記目標(biāo)的窄譜帶激發(fā)光，整形為合適的光束形狀并送入系統(tǒng)主光路(下文介紹)，送入系統(tǒng)主光路的激發(fā)光束與主光路光軸正交。
其中光源8可以為激光器、大功率LED (發(fā)光二極管)、激光二極管、或 其他燈具，也可以是光纖從外部其他光源導(dǎo)入的光，優(yōu)選的為大功率LED。
其中激發(fā)光濾光片9為帶通濾光片，其中心波長以及帶寬的選擇應(yīng)當(dāng)與待 觀測熒光目標(biāo)的激發(fā)譜相適應(yīng)。
其中透鏡或透鏡組7，在使用激光器作為光源時，需要實(shí)現(xiàn)光束的擴(kuò)束， 為透鏡組構(gòu)成的激光擴(kuò)束鏡；在使用其他光源時，需要實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直，為單 透鏡或透鏡組。
用于切換光源和激發(fā)光濾光片的裝置和配套控制器(圖中未標(biāo)出)，實(shí)現(xiàn)光 源和激發(fā)光濾光片的切換，以適應(yīng)不同的熒光標(biāo)記目標(biāo)的成像需要。 主光路及熒光檢測模塊
此模塊包括探測器IO、熒光濾光片6、 二向色鏡5、以及顯微物鏡4。用于 將激發(fā)光匯聚導(dǎo)入光纖2，并同時將光纖束傳出的熒光信號投射到探測器上的探 測單元進(jìn)行檢測。
其中包括探測器10可以為PMT (光電倍增管)陣列、光電二極管陣列、 或者CCD (電荷耦合器件)，優(yōu)選的為PMT (光電倍增管)陣列，以提供更高 的靈敏度、更高的信噪比以及易于實(shí)現(xiàn)更快的采樣率，更加有利于對于微弱熒 光信號的探測和信號的時間分辨率。當(dāng)使用PMT陣列或者光電二極管陣列作為 探測器時，陣列中PMT或者光電二極管的數(shù)量不得少于使用的光纖2數(shù)量(通 道數(shù))，也即保證每一根光纖對應(yīng)至少一個探測器單元，以實(shí)現(xiàn)多通道的實(shí)施測
其中熒光濾光片6為帶通濾光片，其中心波長與帶寬的選擇應(yīng)當(dāng)與待觀測熒光目標(biāo)的熒光發(fā)射譜相適應(yīng)，并且其通帶范圍與激發(fā)光濾光片的通帶范圍不 可交疊，用以濾除激發(fā)光波段的光線。
其中二向色鏡(或者分光平片)5在光路中成45度放置(與主光路光軸和 激發(fā)光產(chǎn)生模塊的光軸均成45度角)，用以反射激發(fā)光波段的光子并且透射熒 光波段的光子，當(dāng)使用二向色鏡時，其轉(zhuǎn)折波長應(yīng)介于激發(fā)光濾光片和熒光濾 光片的通帶范圍之間，優(yōu)選的為二向色鏡。
微創(chuàng)多通道激發(fā)光及熒光傳遞模塊
此模塊包括光纖l、 2、和光纖集束固定裝置3。以下說明中，以"前端面" 表示光纖的針狀硬質(zhì)插入尖端1 一端的端面，以"后端面"表示光纖靠近顯微物鏡 一端的端面。
光纖2為20 100cm長的柔性光纖，每根光纖的外徑小于0.5mm，兩端光 學(xué)平面拋光處理。使用時將若干根光纖組合起來構(gòu)成光纖集束，如圖2或圖3 所示，使用的光纖根數(shù)也即系統(tǒng)的探測通道數(shù)。
針狀硬質(zhì)光纖尖端1長度為3 6cm，用于通過注射器枕頭內(nèi)腔或者直接通 過微創(chuàng)口插入待檢測動物的器官和組織。
系統(tǒng)操作方法
1、 根據(jù)成像針對的熒光探針光譜學(xué)特征，切換為對應(yīng)的光源、激發(fā)光濾光 片、熒光濾光片和二向色鏡。
2、 使用注射器對動物待觀察器官或組織進(jìn)行穿刺，如果進(jìn)行動物腦部觀察， 需要進(jìn)行開顱手術(shù)操作。通過注射器的內(nèi)腔或直接通過微創(chuàng)口將光纖尖端送達(dá) 待觀測部位。
3、 使用探測器對多通道信號進(jìn)行采集。
權(quán)利要求
1、微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，含有集束光纖、集束光纖固定裝置、顯微物鏡、二向色鏡、熒光濾光片、光探測器、激發(fā)光源、激發(fā)光濾光片、以及透鏡組，其中集束光纖，集束光纖內(nèi)光纖的根數(shù)等于通道數(shù)，所述每根光纖的長度在20cm～100cm之間，一個端部具有針狀硬質(zhì)的光纖尖端，以便通過微創(chuàng)口直接把所述的針狀硬質(zhì)的光纖尖端插入待檢測的活體動物器官或組織，所述每根光纖的另一端為平端面，共同構(gòu)成了所述集束光纖的后端面，集束光纖固定裝置，中心開孔，孔的橫截面為方形，該集束光纖從所述孔中穿過，以便使所述集束光纖內(nèi)各條光纖之間具有固定的位置和角度，熒光濾光片，為帶通濾光片，中心波長與帶寬的選擇和所述活體動物體內(nèi)的待觀測熒光目標(biāo)的熒光發(fā)射譜相匹配，并且所述通帶范圍與所述激發(fā)光濾光片的通帶范圍不交疊，用于濾除激發(fā)光波段的光線，光探測器，為光電倍增管陣列，所述光電倍增管的數(shù)量不低于所述通道的數(shù)量，且至少保證每一個光電倍增管與所述的每一條光纖通道一一對應(yīng)，激發(fā)光源，是一個激光器，輸出激發(fā)光，激發(fā)光濾光片，為帶通濾光片，中心波長與帶寬的選擇和所述活體動物體內(nèi)待觀察的熒光目標(biāo)的熒光激發(fā)譜相匹配，透鏡組，對通過所述激發(fā)光濾光片的激發(fā)光進(jìn)行擴(kuò)束，二向色鏡，是一個分光平片，為與所述顯微物鏡與熒光濾光片之間，所述集束光纖的后端面、顯微物鏡、二向色鏡、熒光濾光片、以及光探測器依次水平排列且共軸，軸線為所述系統(tǒng)的主光軸，所述二向色鏡的法線方向，與依次透過所述激發(fā)光濾光片、透鏡組的激發(fā)光束成45度角，且該二向色鏡正位于所述激發(fā)光束和所述系統(tǒng)主軸方向上的熒光發(fā)射光的正交點(diǎn)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時檢測系統(tǒng)，其特征 在于，所述的針狀硬質(zhì)的光纖尖端通過注射器針頭內(nèi)腔插入待檢測的活體動物 的器官或組織。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時檢測系統(tǒng)，其特征 在于，所述激發(fā)光源為大功率LED、激光LED、以及燈中的任何一種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時檢測系統(tǒng)，其特征 在于，所述的光探測器為光電二極管或CCD器件。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時檢測系統(tǒng)，其特征 在于，所述集束光纖固定裝置內(nèi)中心孔的橫截面為六邊形或圓形。
全文摘要
微創(chuàng)多通道活體熒光信號實(shí)時檢測系統(tǒng)屬于活體動物熒光檢測的技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，依次水平排列的集束光纖、集束光纖固定裝置、顯微物鏡、與水平成45度角的二向色鏡、熒光濾光片、以及光探測器共軸，形成熒光發(fā)射光路，激發(fā)光源、激發(fā)光濾光片、透鏡組成垂直排列，形成激發(fā)光路，所述激發(fā)光與所述二向色鏡成45度角，且與所述熒光發(fā)射光正交于所述二向色鏡的中心，本發(fā)明能夠微創(chuàng)的、多通道的、定量的、連續(xù)的對活體動物多個器官或組織內(nèi)的熒光目標(biāo)的濃度進(jìn)行檢測。
文檔編號A61B5/00GK101612035SQ20091008899
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者碩 毛, 凈 白, 陳欣瀟 申請人:清華大學(xué)