專利名稱：仿ct掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及小動(dòng)物分子成像領(lǐng)域，尤其是面向小動(dòng)物分子成像的時(shí)域熒光擴(kuò)散層析系統(tǒng)和時(shí)間分辨光學(xué)層析系統(tǒng)，具體涉及仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
分子影像學(xué)是應(yīng)用影像學(xué)方法對(duì)活體狀態(tài)下的生物過(guò)程在細(xì)胞和分子水平進(jìn)行的定性和定量的研究，是以體內(nèi)特異性分子作為成像對(duì)比度的產(chǎn)生機(jī)制，通過(guò)影像在細(xì)胞或分子水平反映體內(nèi)的生理和病理變化過(guò)程。分子影像學(xué)的優(yōu)勢(shì)可以主要概括為三點(diǎn)其一，分子影像技術(shù)可將基因表達(dá)、生物信號(hào)傳遞等復(fù)雜的過(guò)程變成直觀的圖像，使人們能更好地在分子細(xì)胞水平上了解疾病的發(fā)生機(jī)制及特征；其二，能夠發(fā)現(xiàn)疾病早期的分子細(xì)胞變異及病理改變過(guò)程；其三，可在活體上連續(xù)觀察藥物或基因治療的機(jī)理和效果。分子影像技術(shù)作為一種在活體(in vivo)的探測(cè)方法，具有連續(xù)、快速、遠(yuǎn)距離、無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)，而更可能提供體內(nèi)分子或細(xì)胞的三維圖像。它可以揭示病變的早期分子生物學(xué)特征，推動(dòng)了疾病的早期診斷和治療，也為臨床診斷引入了新的概念。
光學(xué)分子成像是重要的分子影像模態(tài)，兼有超靈敏度、高特異性、實(shí)時(shí)性和標(biāo)記靈活性等多種優(yōu)點(diǎn)，特別適合基于小動(dòng)物病理模型的生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究。。尤其近紅外光譜技術(shù)(Near-Infrared Spectroscopy，NIRS)在生物組織在體成像應(yīng)用上發(fā)展十分迅速。近紅外光與生物組織的作用主要表現(xiàn)為散射和吸收，其中在600-900nm波段范圍內(nèi)具有明顯的非相關(guān)吸收譜特征，形成了一個(gè)生物組織“光學(xué)診斷窗”，在此基礎(chǔ)上建立的擴(kuò)散光學(xué)層析技術(shù)(DiffuseOptical Tomography，DOT)可以獲得組織體深部與病生理指標(biāo)密切相關(guān)的光學(xué)參數(shù)三維定量信息。與此同時(shí)，隨著光學(xué)分子影像學(xué)在生物學(xué)研究的不斷深入應(yīng)用，建立在DOT方法與特異性分子熒光標(biāo)記技術(shù)相結(jié)合基礎(chǔ)之上的光學(xué)分子層析技術(shù)則成為光學(xué)分子成像最前沿的研究領(lǐng)域，包括熒光層析(Fluorescence Molecular Tomography，F(xiàn)MT)和生物自發(fā)光層析(Bioluminescence Tomography，BLT)兩種基本模態(tài)。FMT通過(guò)激發(fā)光和發(fā)射熒光兩個(gè)波段上同時(shí)激發(fā)光-熒光測(cè)量和熒光擴(kuò)散層析過(guò)程，產(chǎn)生反映組織體內(nèi)部特異分子生化過(guò)程強(qiáng)度及其微環(huán)境特征的熒光參數(shù)的空間分布，包括發(fā)射率(熒光劑量子效率和吸收系數(shù)之積)和壽命等。根據(jù)激發(fā)方式的不同，F(xiàn)MT具有三種測(cè)量模式時(shí)域(Time Domain，TD)、頻域(FrequencyDomain，F(xiàn)D)和連續(xù)波(Continuous Wave，CW)，其中CW方式原理和實(shí)現(xiàn)上最為簡(jiǎn)單和直接，而FD和TD方式可望實(shí)現(xiàn)更高的功能和指標(biāo)。對(duì)于FD方式雖然可以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)重建，但是當(dāng)應(yīng)用該方式于小動(dòng)物成像時(shí)，需要1GHz以上的調(diào)制頻率來(lái)達(dá)到適當(dāng)?shù)男旁氡?，這么高的頻率下交流幅值幾乎為零，可見(jiàn)FD方式的局限性。因此具備多參數(shù)成像能力且性能優(yōu)良的時(shí)域FMT技術(shù)獲得了廣泛的重視。時(shí)域FMT技術(shù)旨在發(fā)展高靈敏時(shí)間分辨檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)多“角度”激發(fā)下表面熒光瞬態(tài)“投影”的測(cè)量和基于精確光子遷移模型的圖像反演算法，重建復(fù)雜組織體內(nèi)部特定分子靶標(biāo)多熒光參數(shù)(熒光產(chǎn)率和壽命)的空間分布，并通過(guò)時(shí)間分辨信息彌補(bǔ)空間采樣數(shù)量的有限性以有效提高成像質(zhì)量和檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)FMT的應(yīng)用要求。
時(shí)域FMT實(shí)現(xiàn)方案現(xiàn)有采用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)(Time-Correlated Single PhotonCounting，TCSPC)技術(shù)，是一種具有超高靈敏、合理時(shí)間分辨率的離散通道測(cè)量技術(shù)；還有采用時(shí)間選通影像增強(qiáng)CCD相機(jī)(Time-gated Intensifier CCD camera)，是一種具有高空間采樣率的測(cè)量技術(shù)，但其線性度和動(dòng)態(tài)范圍不高，且相較TCSPC技術(shù)在靈敏度和時(shí)間分辨率上也無(wú)優(yōu)勢(shì)。
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)在空間采樣密度上的缺陷，使系統(tǒng)兼具有超靈敏度和高時(shí)空分辨測(cè)量性能，繼而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的多組分、多參數(shù)成像功能。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)，包括 提供所需波長(zhǎng)超短激光的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器及熒光探針，用于發(fā)出激光脈沖，其中一個(gè)激光器的波長(zhǎng)在熒光探針的激發(fā)光波段，另一個(gè)波長(zhǎng)在熒光探針的熒光波段； 用于將兩種不同波長(zhǎng)的同頻率超短激光脈沖按固定的時(shí)間間隔耦合成一束激光的光纖耦合器； 用于將兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器或其中一個(gè)的出射激光投射到目標(biāo)體的入射光纖； 用于實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式的成像腔及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)； 用于接收來(lái)自目標(biāo)體的反射或透射激光的接收光纖； 用于濾除或衰減相應(yīng)激發(fā)光的濾光片及實(shí)現(xiàn)不同性能濾光片相互切換的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪； 用于接收通過(guò)相應(yīng)濾光片后出射光的檢測(cè)模塊，包括光電子計(jì)數(shù)PMT檢測(cè)器組、8通道路由模塊、多維時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)TCSPC模塊。
兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器工作波長(zhǎng)以及濾光片組波長(zhǎng)設(shè)置分別是與不同熒光染料的激發(fā)和發(fā)射光譜相對(duì)對(duì)應(yīng)，根據(jù)不同熒光探針進(jìn)行的組合如下 1)Cy5.5近紅外熒光染料，其峰值激發(fā)波長(zhǎng)約為670nm，峰值熒光波長(zhǎng)約為700nm，則選用的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)分別為670nm和700nm，濾光片組中有半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm，波長(zhǎng)范圍是680-760nm的8個(gè)帶通濾光片，和一個(gè)截止波長(zhǎng)為690nm的長(zhǎng)通濾波片； 2)吲哚氰綠Indocyanine Green，ICG近紅外熒光染料，其峰值激發(fā)波長(zhǎng)約為780nm，峰值熒光波長(zhǎng)約為830nm，則選用的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)分別為780nm和830nm，濾光片組中有半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm的，波長(zhǎng)范圍是790-870nm的8個(gè)帶通濾光片，及一個(gè)截止波長(zhǎng)為800nm的長(zhǎng)通濾波片； 3)Alexa Fluor 750近紅外熒光染料，其峰值激發(fā)波長(zhǎng)約為750nm，峰值熒光波長(zhǎng)約為785nm，則選用的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)分別為750nm和785nm，濾光片組中有半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm的，波長(zhǎng)范圍是760-840nm的8個(gè)帶通濾光片，及一個(gè)截止波長(zhǎng)為770m的長(zhǎng)通濾波片。
兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器經(jīng)不同長(zhǎng)度的光纖產(chǎn)生固定的時(shí)間間隔后通過(guò)一個(gè)耦合器連接到入射光纖，接收光纖為在入射光纖對(duì)面的同平面位置布置的8個(gè)探測(cè)光纖或光纖束，成像腔置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，實(shí)現(xiàn)不同空間采樣密度的時(shí)間分辨測(cè)量。
8個(gè)探測(cè)光纖或光纖束分別對(duì)應(yīng)通過(guò)8個(gè)12孔濾波輪中的一個(gè)，對(duì)應(yīng)接入8個(gè)PMT檢測(cè)通道中的一個(gè)通道，12孔濾波輪中一個(gè)孔為全透，其余的孔分別設(shè)置熒光長(zhǎng)通濾光片組及不同中心波長(zhǎng)的熒光帶通濾光片組，以及用于激發(fā)光檢測(cè)的中性密度ND衰減片，用于進(jìn)行激發(fā)光、全光譜熒光或多光譜熒光信號(hào)的測(cè)量；8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)一個(gè)8通道路由器接入多維時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)TCSPC模塊。
兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)控制以實(shí)現(xiàn)同步輸出相同頻率的光脈沖，再經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度的光纖產(chǎn)生固定的時(shí)間間隔后通過(guò)耦合器形成一束激光，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)熒光測(cè)量前的DOT測(cè)量獲得該兩波長(zhǎng)下的背景組織光學(xué)參數(shù)值。
入射光纖和接收光纖與目標(biāo)體Ω的邊界面
有一定距離，位于rd處接收光纖的光纖探頭測(cè)得的光流量Γ(rd，t)與成像腔表面輻射率
滿足下列射線理論關(guān)系
其中r為
表面上任意的位置矢量，
和
分別為成像腔表面外法向單位矢量和光纖探頭方向上的單位矢量，V(rd，r)為r點(diǎn)與rd點(diǎn)之間的視見(jiàn)函數(shù)，μa0光在空氣中的衰減系數(shù)，RA為圓柱形目標(biāo)體的半徑。
本發(fā)明系統(tǒng)采用光纖耦合非接觸模式來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)域DOT/FMT原型測(cè)量，其特點(diǎn)在于 1、本發(fā)明的成像腔與光纖支架為內(nèi)外同心圓設(shè)計(jì)，測(cè)量時(shí)麻醉后的荷瘤小鼠以輕微擠壓垂直放入成像腔中，并以光學(xué)匹配液填充間隙。兩個(gè)分別為激發(fā)和熒光波長(zhǎng)的皮秒脈沖激光器通過(guò)一個(gè)耦合器連接到入射光纖，在此對(duì)面的同平面位置布置有8個(gè)探測(cè)光纖或光纖束。成像腔置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，可實(shí)現(xiàn)不同空間采樣密度的時(shí)間分辨測(cè)量，所獲數(shù)據(jù)可按不同平面成組進(jìn)行單平面二維圖像重建，或綜合利用進(jìn)行三維立體重建。
2、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多光譜測(cè)量技術(shù)，出射光纖分別接入8個(gè)PMT檢測(cè)通道，每個(gè)PMT前耦合一個(gè)12孔濾波輪，其中一個(gè)孔為全透，其余的孔分別設(shè)置熒光長(zhǎng)通濾光片組及不同中心波長(zhǎng)的熒光帶通濾光片組，以及用于激發(fā)光檢測(cè)的中性密度(ND)衰減片，可進(jìn)行激發(fā)光、全光譜熒光或多光譜熒光信號(hào)的測(cè)量。
3、本發(fā)明采用了單通道多維TCSPC測(cè)量模式，8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)一個(gè)8通道路由器接入多維TCSPC模塊，進(jìn)行高速時(shí)間分辨測(cè)量。
4、本發(fā)明中入射與出射光纖均為非接觸測(cè)量模式，如圖6所示光源光纖和檢測(cè)光纖與目標(biāo)體Ω的邊界面
有一定距離，即用光纖非接觸模式激勵(lì)目標(biāo)體和檢測(cè)光信號(hào)。位于rd處的光纖探頭測(cè)得的光流量Γ(rd，t)與成像腔表面輻射率
滿足下列射線理論關(guān)系
其中r為
表面上任意的位置矢量，
和
分別為成像腔表面外法向單位矢量和光纖探頭方向上的單位矢量，V(rd，r)為r點(diǎn)與rd點(diǎn)之間的視見(jiàn)函數(shù)，μa0光在空氣中的衰減系數(shù)，RA為圓柱形目標(biāo)體的半徑。
5、本發(fā)明的光源系統(tǒng)采用兩個(gè)分別為激發(fā)和熒光波長(zhǎng)的皮秒脈沖激光器通過(guò)一個(gè)耦合器連接到入射光纖。共同使用時(shí)兩個(gè)波長(zhǎng)有固定的時(shí)間間隔，通過(guò)熒光測(cè)量前的DOT測(cè)量可獲得該兩波長(zhǎng)下的背景組織光學(xué)參數(shù)值。將此光學(xué)參數(shù)作為熒光層析圖像重建時(shí)背景的先驗(yàn)值，可以大幅度地提高熒光層析圖像的分辨率和量化精度。
6、本發(fā)明的非接觸測(cè)量模式，不但有效簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，排除不必要的系統(tǒng)誤差和繁瑣的耦合標(biāo)定過(guò)程，且使得數(shù)據(jù)采集變得靈活多樣?？赏ㄟ^(guò)控制掃描離散角度間隔和范圍實(shí)現(xiàn)高密度采集和重點(diǎn)區(qū)域強(qiáng)調(diào)，從而有效的彌補(bǔ)TCSPC技術(shù)在空間采樣密度上的不足，使系統(tǒng)兼具有超靈敏度和高時(shí)空分辨測(cè)量性能，繼而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的多組分、多參數(shù)成像功能。
圖1為仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)框圖。
圖2光源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪及光電倍增管組結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪中濾光片分部示意圖。
圖5成像腔及掃描控制方案示意圖。
圖6光纖非接觸測(cè)量模式層析平面示意圖。
具體實(shí)施例方式 發(fā)展仿CT掃描的非接觸工作模式在基于TCSPC技術(shù)的時(shí)域FMT測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上具有特別重要的意義一方面，與所有非接觸測(cè)量模式一樣，它可有效簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，排除不必要的系統(tǒng)誤差和繁瑣的耦合標(biāo)定過(guò)程；另一方面，非接觸式測(cè)量使得數(shù)據(jù)采集變得靈活多樣，可通過(guò)控制掃描離散角度間隔和范圍實(shí)現(xiàn)高密度采集和重點(diǎn)區(qū)域強(qiáng)調(diào)，從而有效的彌補(bǔ)TCSPC技術(shù)在空間采樣密度上的不足，使系統(tǒng)兼具有超靈敏度和高時(shí)空分辨測(cè)量性能，繼而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的多組分、多參數(shù)成像功能。
本發(fā)明是仿CT掃描模式，即光纖非接觸模式下的FMT/DOT測(cè)量系統(tǒng)。圖1為仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。其由光源系統(tǒng)1、入射光纖2，成像腔3、出射光纖4、檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)11等部分組成。具體光纖非接觸模式下的FMT/DOT測(cè)量過(guò)程描述如下。
A.當(dāng)Cy5.5為熒光染料時(shí)，該系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程(即系統(tǒng)的兩個(gè)激光波長(zhǎng)分別為670nm和700nm)。
1、在通過(guò)熒光測(cè)量前，先利用兩波長(zhǎng)進(jìn)行DOT測(cè)量，從而獲得該兩波長(zhǎng)下的背景組織光學(xué)參數(shù)值。如圖2所示激發(fā)波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器13的波長(zhǎng)為670nm，熒光波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器14的波長(zhǎng)為700nm。兩個(gè)激光器開(kāi)關(guān)由相關(guān)軟件進(jìn)行控制，其頻率相同且通過(guò)功率合成器12同步后接到多維TCSPC模塊10的同步信號(hào)端。兩個(gè)激光器所發(fā)出的同步激光以由不同長(zhǎng)度的光纖接至光纖耦合器15(同步信號(hào)頻率選為40MHZ，兩個(gè)波長(zhǎng)激光脈沖時(shí)間間隔選為12.5ns。由于光纖內(nèi)徑材料為石英(折射率為1.54)，因此兩個(gè)激光器到光纖耦合器的光纖長(zhǎng)度應(yīng)相差約為2.4米)，從而使得兩種不同波長(zhǎng)激光以固定的時(shí)間間隔混成同一束激光出射到入射光纖2(芯徑62.5μm)。
2、入射光纖2將激光打在成像腔3(由半透明有機(jī)玻璃制成，直徑約2-3cm)上，如圖5所示成像腔3與光纖支架45(直徑4cm)為內(nèi)外同心圓設(shè)計(jì)，測(cè)量時(shí)麻醉后的荷瘤小鼠以輕微擠壓垂直放入成像腔3中，并以光學(xué)匹配液填充間隙，在此對(duì)面101.25°～258.75°的同平面位置(設(shè)入射光在0°角位置)布置有8個(gè)出射光纖4(探測(cè)光纖，芯徑500μm)，相互間隔角為22.5°。成像腔置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)46上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式。由出射光纖4將探測(cè)光信號(hào)導(dǎo)入檢測(cè)模塊。
3、8個(gè)出射光纖4接入馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪組16-23，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中孔33是全透過(guò)孔；孔34是衰減為30dB的中性密度濾光片；孔35是衰減為50dB的中性密度濾光片；在測(cè)量熒光前進(jìn)行DOT測(cè)量，則通過(guò)濾光輪控制器24調(diào)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪，調(diào)至孔33/34/35得到適當(dāng)衰減后的光信號(hào)。
4、如圖3所示將馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪組出射的光信號(hào)送入帶有制冷功能的PMT檢測(cè)器25-32，PMT將實(shí)驗(yàn)中的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號(hào)。8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)8通道路由模塊9接入到多維TCSPC模塊10，對(duì)輸入的電子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并按通道地址信號(hào)存入相應(yīng)的內(nèi)存塊，得到從8個(gè)通道測(cè)得的探測(cè)面出射的8條雙波長(zhǎng)激發(fā)光的時(shí)間擴(kuò)展曲線。
5、雙波長(zhǎng)DOT測(cè)量后，進(jìn)行FMT測(cè)量即熒光測(cè)量，僅開(kāi)啟激發(fā)波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器13(波長(zhǎng)為670nm)。激光經(jīng)入射光纖2至成像腔3，通過(guò)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)46旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式。再由出射光纖4導(dǎo)入檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)濾光輪控制器24調(diào)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪，其中孔36為截止頻率為690nm的長(zhǎng)通濾光片；孔37-44是半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm的8個(gè)帶通濾光片(波長(zhǎng)范圍是680-760nm)；通過(guò)對(duì)孔36-44的不同選擇得到全光譜熒光或多光譜熒光信號(hào)。再通過(guò)PMT將實(shí)驗(yàn)中的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號(hào)。8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)8通道路由模塊9接入到多維TCSPC模塊10，對(duì)輸入的電子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并按通道地址信號(hào)存入相應(yīng)的內(nèi)存塊，從而得到從8個(gè)通道測(cè)得的探測(cè)面出射的8條熒光時(shí)間擴(kuò)展曲線。
6、成像腔每次旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度(一般選為1°)，重復(fù)進(jìn)行上述測(cè)量過(guò)程，直到旋轉(zhuǎn)360°后，通過(guò)電控升降臺(tái)步進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)(一般為1mm)后再重復(fù)旋轉(zhuǎn)測(cè)量的過(guò)程。成像圓柱一般長(zhǎng)5cm，因此升降臺(tái)的步進(jìn)范圍大于5cm。即一般可得到的探測(cè)數(shù)據(jù)量為360×50×8＝144000個(gè)。由于可選用更精密的電控旋轉(zhuǎn)和升降臺(tái)，所以進(jìn)一步提高探測(cè)的空間分辨并不困難。
B.當(dāng)ICG為熒光染料時(shí)，該系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程(即系統(tǒng)的兩個(gè)激光波長(zhǎng)分別為780nm和830nm)。
1、在通過(guò)熒光測(cè)量前，先利用兩波長(zhǎng)進(jìn)行DOT測(cè)量，從而獲得該兩波長(zhǎng)下的背景組織光學(xué)參數(shù)值。如圖2所示激發(fā)波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器13的波長(zhǎng)為780nm，熒光波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器14的波長(zhǎng)為830nm。兩個(gè)激光器開(kāi)關(guān)由相關(guān)軟件進(jìn)行控制，其頻率相同且通過(guò)功率合成器12同步后接到多維TCSPC模塊10的同步信號(hào)端。兩個(gè)激光器所發(fā)出的同步激光以由不同長(zhǎng)度的光纖接至光纖耦合器15(同步信號(hào)頻率選為40MHZ，兩個(gè)波長(zhǎng)激光脈沖時(shí)間間隔選為12.5ns。由于光纖內(nèi)徑材料為石英(折射率為1.54)，因此兩個(gè)激光器到光纖耦合器的光纖長(zhǎng)度應(yīng)相差約為2.4米)，從而使得兩種不同波長(zhǎng)激光以固定的時(shí)間間隔混成同一束激光出射到入射光纖2(芯徑62.5μm)。
2、入射光纖2將激光打在成像腔3(由半透明有機(jī)玻璃制成，直徑約2-3cm)上，如圖5所示成像腔3與光纖支架45(直徑4cm)為內(nèi)外同心圓設(shè)計(jì)，測(cè)量時(shí)麻醉后的荷瘤小鼠以輕微擠壓垂直放入成像腔3中，并以光學(xué)匹配液填充間隙，在此對(duì)面101.25°～258.75°的同平面位置(設(shè)入射光在0°角位置)布置有8個(gè)出射光纖4(探測(cè)光纖，芯徑500μm)，相互間隔角為22.5°。成像腔置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)46上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式。由出射光纖4將探測(cè)光信號(hào)導(dǎo)入檢測(cè)模塊。
3、8個(gè)出射光纖4接入馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪組16-23，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中孔33是全透過(guò)孔；孔34是衰減為30dB的中性密度濾光片；孔35是衰減為50dB的中性密度濾光片；在測(cè)量熒光前進(jìn)行DOT測(cè)量，則通過(guò)濾光輪控制器24調(diào)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪，調(diào)至孔33/34/35得到適當(dāng)衰減后的光信號(hào)。
4、如圖3所示將馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪組出射的光信號(hào)送入帶有制冷功能的PMT檢測(cè)器25-32，PMT將實(shí)驗(yàn)中的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號(hào)。8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)8通道路由模塊9接入到多維TCSPC模塊10，對(duì)輸入的電子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并按通道地址信號(hào)存入相應(yīng)的內(nèi)存塊，得到從8個(gè)通道測(cè)得的探測(cè)面出射的8條雙波長(zhǎng)激發(fā)光的時(shí)間擴(kuò)展曲線。
5、雙波長(zhǎng)DOT測(cè)量后，進(jìn)行FMT測(cè)量即熒光測(cè)量，僅開(kāi)啟激發(fā)波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器13(波長(zhǎng)為780nm)。激光經(jīng)入射光纖2至成像腔3，通過(guò)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)46旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式。再由出射光纖4導(dǎo)入檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)濾光輪控制器24調(diào)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪，其中孔36為截止頻率為800nm的長(zhǎng)通濾光片；孔37-44是半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm的8個(gè)帶通濾光片(波長(zhǎng)范圍是790-870nm)；通過(guò)對(duì)孔36-44的不同選擇得到全光譜熒光或多光譜熒光信號(hào)。再通過(guò)PMT將實(shí)驗(yàn)中的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號(hào)。8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)8通道路由模塊9接入到多維TCSPC模塊10，對(duì)輸入的電子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并按通道地址信號(hào)存入相應(yīng)的內(nèi)存塊，從而得到從8個(gè)通道測(cè)得的探測(cè)面出射的8條熒光時(shí)間擴(kuò)展曲線。
6、成像腔每次旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度(一般選為1°)，重復(fù)進(jìn)行上述測(cè)量過(guò)程，直到旋轉(zhuǎn)360°后，通過(guò)電控升降臺(tái)步進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)(一般為1mm)后再重復(fù)旋轉(zhuǎn)測(cè)量的過(guò)程。成像圓柱一般長(zhǎng)5cm，因此升降臺(tái)的步進(jìn)范圍大于5cm。即一般可得到的探測(cè)數(shù)據(jù)量為360×50×8＝144000個(gè)。由于可選用更精密的電控旋轉(zhuǎn)和升降臺(tái)，所以進(jìn)一步提高探測(cè)的空間分辨并不困難。
C.當(dāng)Alexa Fluor 750為熒光染料時(shí)，該系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程(即系統(tǒng)的兩個(gè)激光波長(zhǎng)分別為750nm和785nm)。
1、在通過(guò)熒光測(cè)量前，先利用兩波長(zhǎng)進(jìn)行DOT測(cè)量，從而獲得該兩波長(zhǎng)下的背景組織光學(xué)參數(shù)值。如圖2所示激發(fā)波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器13的波長(zhǎng)為750nm，熒光波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器14的波長(zhǎng)為785nm。兩個(gè)激光器開(kāi)關(guān)由相關(guān)軟件進(jìn)行控制，其頻率相同且通過(guò)功率合成器12同步后接到多維TCSPC模塊10的同步信號(hào)端。兩個(gè)激光器所發(fā)出的同步激光以由不同長(zhǎng)度的光纖接至光纖耦合器15(同步信號(hào)頻率選為40MHZ，兩個(gè)波長(zhǎng)激光脈沖時(shí)間間隔選為12.5ns。由于光纖內(nèi)徑材料為石英(折射率為1.54)，因此兩個(gè)激光器到光纖耦合器的光纖長(zhǎng)度應(yīng)相差約為2.4米)，從而使得兩種不同波長(zhǎng)激光以固定的時(shí)間間隔混成同一束激光出射到入射光纖2(芯徑62.5μm)。
2、入射光纖2將激光打在成像腔3(由半透明有機(jī)玻璃制成，直徑約2-3cm)上，如圖5所示成像腔3與光纖支架45(直徑4cm)為內(nèi)外同心圓設(shè)計(jì)，測(cè)量時(shí)麻醉后的荷瘤小鼠以輕微擠壓垂直放入成像腔3中，并以光學(xué)匹配液填充間隙，在此對(duì)面101.25°～258.75°的同平面位置(設(shè)入射光在0°角位置)布置有8個(gè)出射光纖4(探測(cè)光纖，芯徑500μm)，相互間隔角為22.5°。成像腔置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)46上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式。由出射光纖4將探測(cè)光信號(hào)導(dǎo)入檢測(cè)模塊。
3、8個(gè)出射光纖4接入馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪組16-23，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中孔33是全透過(guò)孔；孔34是衰減為30dB的中性密度濾光片；孔35是衰減為50dB的中性密度濾光片；在測(cè)量熒光前進(jìn)行DOT測(cè)量，則通過(guò)濾光輪控制器24調(diào)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪，調(diào)至孔33/34/35得到適當(dāng)衰減后的光信號(hào)。
4、如圖3所示將馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪組出射的光信號(hào)送入帶有制冷功能的PMT檢測(cè)器25-32，PMT將實(shí)驗(yàn)中的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號(hào)。8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)8通道路由模塊9接入到多維TCSPC模塊10，對(duì)輸入的電子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并按通道地址信號(hào)存入相應(yīng)的內(nèi)存塊，得到從8個(gè)通道測(cè)得的探測(cè)面出射的8條雙波長(zhǎng)激發(fā)光的時(shí)間擴(kuò)展曲線。
5、雙波長(zhǎng)DOT測(cè)量后，進(jìn)行FMT測(cè)量即熒光測(cè)量，僅開(kāi)啟激發(fā)波長(zhǎng)皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器13(波長(zhǎng)為750nm)。激光經(jīng)入射光纖2至成像腔3，通過(guò)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)46旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式。再由出射光纖4導(dǎo)入檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)濾光輪控制器24調(diào)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪，其中孔36為截止頻率為770nm的長(zhǎng)通濾光片；孔37-44是半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm的8個(gè)帶通濾光片(波長(zhǎng)范圍是760-840nm)；通過(guò)對(duì)孔36-44的不同選擇得到全光譜熒光或多光譜熒光信號(hào)。再通過(guò)PMT將實(shí)驗(yàn)中的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號(hào)。8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)8通道路由模塊9接入到多維TCSPC模塊10，對(duì)輸入的電子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并按通道地址信號(hào)存入相應(yīng)的內(nèi)存塊，從而得到從8個(gè)通道測(cè)得的探測(cè)面出射的8條熒光時(shí)間擴(kuò)展曲線。
6、成像腔每次旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度(一般選為1°)，重復(fù)進(jìn)行上述測(cè)量過(guò)程，直到旋轉(zhuǎn)360°后，通過(guò)電控升降臺(tái)步進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)(一般為1mm)后再重復(fù)旋轉(zhuǎn)測(cè)量的過(guò)程。成像圓柱一般長(zhǎng)5cm，因此升降臺(tái)的步進(jìn)范圍大于5cm。即一般可得到的探測(cè)數(shù)據(jù)量為360×50×8＝144000個(gè)。由于可選用更精密的電控旋轉(zhuǎn)和升降臺(tái)，所以進(jìn)一步提高探測(cè)的空間分辨并不困難。
權(quán)利要求
1.一種仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，包括
提供所需波長(zhǎng)超短激光的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器及熒光探針，用于發(fā)出激光脈沖，其中一個(gè)激光器的波長(zhǎng)在熒光探針的激發(fā)光波段，另一個(gè)波長(zhǎng)在熒光探針的熒光波段；
用于將兩種不同波長(zhǎng)的同頻率超短激光脈沖按固定的時(shí)間間隔耦合成一束激光的光纖耦合器；
用于將兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器或其中一個(gè)的出射激光投射到目標(biāo)體的入射光纖；
用于實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式的成像腔及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；
用于接收來(lái)自目標(biāo)體的反射或透射激光的接收光纖；
用于濾除或衰減相應(yīng)激發(fā)光的濾光片及實(shí)現(xiàn)不同性能濾光片相互切換的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪；
用于接收通過(guò)相應(yīng)濾光片后出射光的檢測(cè)模塊，包括光電子計(jì)數(shù)PMT檢測(cè)器組、8通道路由模塊、多維時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)TCSPC模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所屬的一種仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器工作波長(zhǎng)以及濾光片組波長(zhǎng)設(shè)置分別是與不同熒光染料的激發(fā)和發(fā)射光譜相對(duì)應(yīng)，根據(jù)不同熒光探針進(jìn)行的組合如下
1)Cy5.5近紅外熒光染料，其峰值激發(fā)波長(zhǎng)約為670nm，峰值熒光波長(zhǎng)約為700nm，則選用的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)分別為670nm和700nm，濾光片組中有半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm，波長(zhǎng)范圍是680-760nm的8個(gè)帶通濾光片，和一個(gè)截止波長(zhǎng)為690nm的長(zhǎng)通濾波片；
2)吲哚氰綠Indocyanine Green，ICG近紅外熒光染料，其峰值激發(fā)波長(zhǎng)約為780nm，峰值熒光波長(zhǎng)約為830nm，則選用的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)分別為780nm和830nm，濾光片組中有半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm，波長(zhǎng)范圍是790-870nm的8個(gè)帶通濾光片，及一個(gè)截止波長(zhǎng)為800nm的長(zhǎng)通濾波片；
3)Alexa Fluor 750近紅外熒光染料，其峰值激發(fā)波長(zhǎng)約為750nm，峰值熒光波長(zhǎng)約為785nm，則選用的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)分別為750nm和785nm，濾光片組中有半高寬為10nm中心波長(zhǎng)間隔為10nm，波長(zhǎng)范圍是760-840nm的8個(gè)帶通濾光片，及一個(gè)截止波長(zhǎng)為770m的長(zhǎng)通濾波片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所屬的一種仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器經(jīng)不同長(zhǎng)度的光纖產(chǎn)生固定的時(shí)間間隔后，通過(guò)一個(gè)耦合器連接到入射光纖，接收光纖為在入射光纖對(duì)面的同平面位置布置的8個(gè)探測(cè)光纖或光纖束，成像腔置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)/升降臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度和升降高度的步進(jìn)間隔控制，實(shí)現(xiàn)不同空間采樣密度的時(shí)間分辨測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所屬的一種仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，8個(gè)探測(cè)光纖或光纖束分別對(duì)應(yīng)通過(guò)8個(gè)12孔濾波輪中的一個(gè)，對(duì)應(yīng)接入8個(gè)PMT檢測(cè)通道中的一個(gè)通道，12孔濾波輪中一個(gè)孔為全透，其余的孔分別設(shè)置熒光長(zhǎng)通濾光片及不同中心波長(zhǎng)的熒光帶通濾光片組，以及用于激發(fā)光檢測(cè)的中性密度ND衰減片組，用于進(jìn)行激發(fā)光、全光譜熒光或多光譜熒光信號(hào)的測(cè)量；8個(gè)PMT檢測(cè)器通過(guò)一個(gè)8通道路由器接入多維時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)TCSPC模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所屬的一種仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)控制以實(shí)現(xiàn)同步輸出相同頻率的光脈沖，再經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度的光纖產(chǎn)生固定的時(shí)間間隔后通過(guò)耦合器形成一束激光，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)熒光測(cè)量前的DOT測(cè)量獲得該兩波長(zhǎng)下的背景組織光學(xué)參數(shù)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所屬的一種仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，入射光纖和接收光纖與目標(biāo)體Ω的邊界面
有一定距離，位于rd處接收光纖的光纖探頭測(cè)得的光流量Γ(rd，t)與成像腔表面輻射率φ(r，
，t)滿足下列射線理論關(guān)系
其中r為
表面上任意的位置矢量，
和
分別為成像腔表面外法向單位矢量和光纖探頭方向上的單位矢量，V(rd，r)為r點(diǎn)與rd點(diǎn)之間的視見(jiàn)函數(shù)，μa0光在空氣中的衰減系數(shù)，RA為圓柱形目標(biāo)體的半徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及小動(dòng)物分子成像領(lǐng)域。為提供具有超靈敏度和高時(shí)空分辨測(cè)量性能，繼而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的多組分、多參數(shù)成像功能的仿CT掃描模式多光譜時(shí)域熒光分子層析測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供所需波長(zhǎng)超短激光的兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器及熒光探針；用于將兩種不同波長(zhǎng)的同頻率超短激光脈沖按固定的時(shí)間間隔耦合成一束激光的光纖耦合器；用于將兩個(gè)皮秒半導(dǎo)體激光器或其中一個(gè)的出射激光投射到目標(biāo)體的入射光纖；用于實(shí)現(xiàn)仿CT掃描模式的成像腔及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；用于接收來(lái)自目標(biāo)體的反射或透射激光的接收光纖；馬達(dá)驅(qū)動(dòng)濾光輪；用于接收通過(guò)相應(yīng)濾光片后出射光的檢測(cè)模塊。本發(fā)明主要應(yīng)用于小動(dòng)物分子成像。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101816552SQ20101016762
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者高峰, 李嬌, 趙會(huì)娟, 張麗敏, 周仲興, 張偉, 易茜 申請(qǐng)人:天津大學(xué)