本發(fā)明涉及光學(xué)顯微成像，特別是涉及一種掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、共焦顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)是一種新興的實(shí)時無損傷的細(xì)胞水平在體檢測技術(shù)，其在直接定位器官中的病變和惡性腫瘤方面具有卓越的性能。與傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡相比，該系統(tǒng)采用了一對共聚焦共軛針孔，通過濾除激發(fā)點(diǎn)以外的光信號，僅提取焦點(diǎn)處的光信號。這一技術(shù)原理賦予了系統(tǒng)對深層組織進(jìn)行無損傷、實(shí)時三維高分辨率檢測的能力。其在臨床環(huán)境中已經(jīng)展現(xiàn)出潛在的廣泛應(yīng)用場景，涵蓋了諸如食管鱗狀細(xì)胞癌、巴雷特食管、乳糜瀉和結(jié)腸息肉等疾病的在體診斷。

2、目前，共焦顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)的發(fā)展為人體內(nèi)臟器官的疾病提供了先進(jìn)的檢測手段。然而，由于衍射極限的限制，一般成像的橫向分辨率為200nm，限制了對更精細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的觀察和分析。因此，現(xiàn)有共焦顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)在成像過程中存在未能達(dá)到超分辨水平的問題，從而無法準(zhǔn)確檢測病變和惡性腫瘤的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

3、為了克服衍射極限對共焦顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)的制約，一系列新穎的超分辨成像方法應(yīng)運(yùn)而生。其中最具代表性的是掃描結(jié)構(gòu)光超分辨顯微成像技術(shù)(structuredillumination?microscopy，sim)，sim利用電光調(diào)制器對激發(fā)光進(jìn)行調(diào)制，在樣本上形成了累積的正弦或非正弦分布的空間激發(fā)(照明)條紋圖案，通過對多個條紋圖案的疊加來提高成像分辨率。這種方法能夠有效克服衍射極限，有利于實(shí)現(xiàn)超分辨成像。值得強(qiáng)調(diào)的是，sim技術(shù)無需依賴特殊熒光染料而且裝置簡單。這意味著，可以直接使用共焦顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)已經(jīng)常規(guī)使用的染料，無需引入額外的、專門設(shè)計的標(biāo)記物質(zhì)。這不僅有利于降低實(shí)驗(yàn)成本，還保持了實(shí)驗(yàn)的一致性，便易于集成到現(xiàn)有的共焦顯微內(nèi)窺成像技術(shù)中。因此，將sim技術(shù)引入到共焦顯微內(nèi)窺成像技術(shù)具有重要意義，成為本領(lǐng)域的重要研究課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)及方法，將sim技術(shù)與共焦顯微內(nèi)窺成像技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)窺視的同時獲得超分辨率圖像，提高了成像的分辨率，能夠?yàn)榕R床醫(yī)生提供更為精確、全面的影像學(xué)信息，有利于更準(zhǔn)確地檢測病變和惡性腫瘤結(jié)構(gòu)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：沿激發(fā)光傳輸光路依次設(shè)置的激光光源、電光調(diào)制器、第一雙色鏡、針孔濾光器、二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡、第二雙色鏡、物鏡、光纖束，以及沿激發(fā)光激發(fā)樣本得到的熒光反向傳輸光路，經(jīng)所述第一雙色鏡后的光路上的pmt探測器；

4、所述激光光源用于發(fā)出激發(fā)光；所述激光光源發(fā)出的激發(fā)光依次經(jīng)電光調(diào)制器、第一雙色鏡、針孔濾光器、二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡、第二雙色鏡、物鏡、光纖束后照設(shè)在樣本上，激發(fā)光與樣本中的熒光標(biāo)記物相互作用，激發(fā)樣本產(chǎn)生熒光；其中，所述電光調(diào)制器用于以所需的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)形式對激發(fā)光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；

5、樣本產(chǎn)生的熒光依據(jù)光路可逆原則反向傳輸至第一雙色鏡后，由pmt探測器收集。

6、進(jìn)一步地，所述激光光源與電光調(diào)制器之間還設(shè)置有半波片。

7、進(jìn)一步地，所述電光調(diào)制器與第一雙色鏡之間還設(shè)置有反射鏡。

8、進(jìn)一步地，所述針孔濾光器包括沿激發(fā)光傳輸光路依次設(shè)置的第一物鏡、針孔、第二物鏡。

9、進(jìn)一步地，所述管鏡與第二雙色鏡之間還設(shè)置有第一濾光片。

10、進(jìn)一步地，所述第一雙色鏡與pmt探測器之間還設(shè)置有第二濾光片、會聚透鏡。

11、進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還包括計算機(jī)，所述計算機(jī)分別與所述電光調(diào)制器、二維掃描振鏡以及pmt探測器電性連接，所述計算機(jī)控制電光調(diào)制器以所需的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)形式對激發(fā)光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將激發(fā)光調(diào)制成強(qiáng)度非正弦變化的時變光束，然后控制二維掃描振鏡依次將不同強(qiáng)度聚焦的激發(fā)光斑逐點(diǎn)掃描至樣本表面，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)光超分辨重建算法處理熒光信息，獲取樣本的超分辨圖像。

12、另一方面，本發(fā)明還提供一種掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像方法，應(yīng)用于上述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，包括以下步驟：

13、激光光源發(fā)出激發(fā)光；

14、激發(fā)光經(jīng)電光調(diào)制器以所需的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)形式進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，之后經(jīng)第一雙色鏡濾光進(jìn)入針孔濾光器；

15、激發(fā)光經(jīng)針孔濾光器共焦后，通過二維掃描振鏡進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，之后，激發(fā)光經(jīng)過掃描透鏡和管鏡后，通過第一濾光片濾除雜散光，再經(jīng)由第二雙色鏡分光；

16、之后，激發(fā)光經(jīng)物鏡聚焦通過光纖束將激發(fā)光傳輸?shù)綐颖颈砻?，然后，激發(fā)光與樣本中的熒光標(biāo)記物相互作用，激發(fā)熒光標(biāo)記物產(chǎn)生熒光；

17、樣本產(chǎn)生的熒光被光纖束收集并原路反向傳輸回到針孔濾波器前面的第一雙色鏡，由第二濾光片過濾，經(jīng)會聚透鏡會聚，最后被pmt探測器收集；

18、pmt探測器將熒光信息傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，計算機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)光超分辨重建算法處理熒光信息，獲取樣本的超分辨圖像。

19、進(jìn)一步地，所述激發(fā)光的波長根據(jù)需要激發(fā)的熒光標(biāo)記物的性質(zhì)確定。

20、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

21、本發(fā)明將共焦顯微內(nèi)窺成像技術(shù)與掃描結(jié)構(gòu)光超分辨顯微成像技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建出掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，電光調(diào)制器對激發(fā)光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生強(qiáng)度非正弦變化的時變光束，被調(diào)制的激發(fā)光經(jīng)共焦成像光路(針孔濾波器)后，結(jié)合二維振鏡逐點(diǎn)掃描，經(jīng)物鏡會聚后到達(dá)光纖束；最終在樣本中形成累積條紋，使樣本的高頻信息混頻到顯微鏡可探測通帶內(nèi)；樣本激發(fā)出的熒光原路返回，到達(dá)pmt探測器，收集熒光信號；對探測的圖像進(jìn)行頻譜分析，獲得超分辨率圖像?？梢?，本發(fā)明通過在光路中加入電光調(diào)制器進(jìn)行非正弦調(diào)制，在樣本上形成了累積的非正弦分布的空間激發(fā)(照明)條紋圖案，通過對多個條紋圖案的疊加來提高成像分辨率。

22、本發(fā)明突破了現(xiàn)有技術(shù)的束縛，通過結(jié)構(gòu)光的掃描和共焦技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在體內(nèi)窺視的同時獲得超分辨率圖像，以更準(zhǔn)確地檢測病變和惡性腫瘤結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)的應(yīng)用前景涵蓋了醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域的多個方面，為臨床醫(yī)生提供了更為精確、全面的影像學(xué)信息，為患者提供更早、更準(zhǔn)確的診斷和治療方案。

技術(shù)特征：

1.一種掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，包括：沿激發(fā)光傳輸光路依次設(shè)置的激光光源（1）、電光調(diào)制器（3）、第一雙色鏡（5）、針孔濾光器、二維掃描振鏡（9）、掃描透鏡（10）、管鏡（11）、第二雙色鏡（13）、物鏡（14）、光纖束（15），以及沿激發(fā)光激發(fā)樣本（16）得到的熒光反向傳輸光路，經(jīng)所述第一雙色鏡（5）后設(shè)置的pmt?探測器（19）；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，所述激光光源（1）與電光調(diào)制器（3）之間還設(shè)置有半波片（2）。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，所述電光調(diào)制器（3）與第一雙色鏡（5）之間還設(shè)置有反射鏡（4）。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，所述針孔濾光器包括沿激發(fā)光傳輸光路依次設(shè)置的第一物鏡（6）、針孔（7）、第二物鏡（8）。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，所述管鏡（11）與第二雙色鏡（13）之間還設(shè)置有第一濾光片（12）。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一雙色鏡（5）與pmt?探測器（19）之間還設(shè)置有第二濾光片（17）、會聚透鏡（18）。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括計算機(jī)（20），所述計算機(jī)（20）分別與所述電光調(diào)制器（3）、二維掃描振鏡（9）以及pmt?探測器（19）電性連接，所述計算機(jī)（20）控制電光調(diào)制器（3）以所需的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)形式對激發(fā)光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將激發(fā)光調(diào)制成強(qiáng)度非正弦變化的時變光束，然后控制二維掃描振鏡（9）依次將不同強(qiáng)度聚焦的激發(fā)光斑逐點(diǎn)掃描至樣本（16）表面，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)光超分辨重建算法處理熒光信息，獲取樣本（16）的超分辨圖像。

8.一種掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像方法，其特征在于，應(yīng)用于權(quán)利要求1-7任一所述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像方法，其特征在于，所述激發(fā)光的波長根據(jù)需要激發(fā)的熒光標(biāo)記物的性質(zhì)確定。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及光學(xué)顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種掃描結(jié)構(gòu)光共焦超分辨顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)及方法，激光光源發(fā)出的激發(fā)光依次經(jīng)過電光調(diào)制器、第一雙色鏡、針孔濾光器、二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡、第二雙色鏡、物鏡、光纖束后照設(shè)在樣本上，激發(fā)光與樣本中的熒光標(biāo)記物相互作用，激發(fā)樣本產(chǎn)生熒光；樣本產(chǎn)生的熒光依據(jù)光路可逆原則反向傳輸至第一雙色鏡后，由PMT探測器收集。本發(fā)明將SIM技術(shù)與共焦顯微內(nèi)窺成像技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)窺視的同時獲得超分辨率圖像，提高了成像的分辨率，能夠?yàn)榕R床醫(yī)生提供更為精確、全面的影像學(xué)信息，有利于更準(zhǔn)確地檢測病變和惡性腫瘤結(jié)構(gòu)。

技術(shù)研發(fā)人員：王美婷,姜炳春,黃雪瑩,宗瀟,江靖雯,劉愛坤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東科技學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23