一种用于运动动物的内源光成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于运动动物的内源光成像系统，包括：底座，固定于动物的成像感兴趣区域，并露出成像区域；支架，可拆卸式安装于底座上；图像采集装置，包括封装在一起的微型图像传感器和微型透镜组，图像采集装置固定于支架上，并正对成像区域，图像采集装置与外部图像存储和显示设备连接；以及多波长切换照明装置，包括依次连接的控制器、若干驱动装置、若干LED光源和若干光纤，光纤的一端与LED光源的接口连接，另一端固定于支架上，并均匀分布于图像采集装置的周围。本发明通过外触发不同的LED光源，实现不同波长光的交替照明，并由集成于系统中的微型图像传感器实时采集，使动物佩戴后可以在自由运动的状态下实现实时内源光信号成像。
【专利说明】
一种用于运动动物的内源光成像系统
技术领域
[0001]本发明涉及生物医学领域，特别涉及一种用于运动动物的内源光成像系统。
【背景技术】
[0002]内源光信号成像是一种不对组织进行荧光标记、染色等外源性干预，依靠组织本身的光学特性改变而进行全域成像和分析的技术，其原理是利用可见光波段的主要吸收物质-含氧和去氧血红蛋白在不同波长的吸收特性不同的原理，利用多个波段的光源进行交替照明成像，从而解析出含氧和去氧血红蛋白实时变化情况。在学术研究领域，特别是神经科学领域，内源光成像技术由于突出的成像优势，已经成为一种常见的成像技术。
[0003]由于内源光成像系统需要巨大的光学平台，众多光学元器件，目前绝大部分的成像都是由实验者将动物麻醉并严格固定后进行的。但是麻醉剂的使用会不可避免地影响动物的生理和病理状态，从而影响实验结果。此外，麻醉状态限制了研究者可以进行的动物实验研究，例如无法进行行为相关的研究。基于上述原因，已经有学者开始研发用于运动动物的小型成像设备，采用的是光纤传导的成像方式，即通过密集排布的一束光纤将感兴趣区域的图像传导到外部相机进行图像采集。这样的成像设备获得的图像存在由光纤引入的网格，并且光纤排布间隙处的图像信息也会丢失，一旦在动物运动过程中造成某根光纤折损，将直接导致成像坏点。
[0004]另外，内源光成像系统中，不同波长光的照明是通过白光光源照射旋转的滤光轮上的不同滤波片实现的，但是这种机械切换的设备为了保证光的稳定，其切换速度较慢，降低了成像时间分辨率。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种用于运动动物的内源光成像系统，以解决现有的内源光成像系统无法针对运动动物，光纤式成像头成像质量差，且光源切换速度慢的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种用于运动动物的内源光成像系统，包括:
[0007]底座，固定于动物的成像感兴趣区域，并露出成像区域；
[0008]支架，可拆卸式安装于所述底座上；
[0009]图像采集装置，包括封装在一起的微型图像传感器和微型透镜组，所述图像采集装置固定于所述支架上，并正对所述成像区域，所述图像采集装置与外部图像存储和显示设备连接;以及
[0010]多波长切换照明装置，包括依次连接的控制器、若干驱动装置、若干LED光源和若干光纤，所述光纤的一端与LED光源的接口连接，所述光纤的另一端固定于所述支架上，并均匀分布于所述图像采集装置的周围。
[0011]较佳地，每个所述LED光源对应一个驱动装置，每个所述驱动装置均与所述控制器的一个输出端连接。
[0012]较佳地，多根光纤组成一束光纤束，每束所述光纤束与一个所述LED光源的接口连接。
[0013]较佳地，所述光纤束的外部包裹有橡胶材料。
[0014]较佳地，所述底座为上下两端开口的壳体，所述壳体的上表面设有方形凹槽，所述支架的下表面设有与所述方形凹槽匹配的凸起，所述凸起与所述方形凹槽紧密配合。
[0015]较佳地，所述壳体的下表面外周呈圆形，且所述壳体下表面通过牙科水泥粘附于所述动物的成像感兴趣区域。
[0016]较佳地，所述支架采用尼龙材料。
[0017]较佳地，所述底座、支架、图像采集装置以及动物的成像感兴趣区域组成密闭空间。
[0018]较佳地，所述成像区域的成像面位于所述微型透镜组的最佳聚焦面上，所述微型图像传感器的下表面距离成像面的距离为5mm。
[0019]较佳地，所述图像采集装置与所述支架之间设有软性材料。
[0020]与现有技术相比，本发明提供的用于运动动物的内源光成像系统具有如下优点:
[0021]1.本发明将微型图像传感器集成于系统中，无需对实验动物进行麻醉，即可在动物进行自由运动的状态下实现实时内源光信号成像，避免了麻醉剂的影响，同时也避免了通过光纤传导图像造成的图像质量问题；
[0022]2.采用控制器外触发不同的LED光源，实现不同波长光的交替照明，速度快，时间分辨率高。
【附图说明】
[0023]图1为本发明一【具体实施方式】中用于运动动物的内源光成像系统的结构示意图；
[0024]图2为本发明一【具体实施方式】中动物佩戴部分的剖视图；
[0025]图3a?3c分别为本发明一【具体实施方式】中内源光成像系统采集到的图像。
[0026]图中:10-底座、20-支架、21-凸起、22-软性材料、30-图像采集装置、40-多波长切换照明装置、41 -控制器、42-LED光源、43-驱动装置、44-光纤、45-橡胶材料。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0028]本发明提供的用于运动动物的内源光成像系统，如图1和图2所示，包括:
[0029]底座10，固定于动物的成像感兴趣区域，并露出成像区域；
[0030]支架20，可拆卸式安装于所述底座10上；
[0031]图像采集装置30，包括封装在一起的微型图像传感器(如CMOS传感器)和微型透镜组，所述图像采集装置30固定于所述支架20上，并正对所述成像区域，所述图像采集装置30与外部图像存储和显示设备(未图示)连接，所述图像采集装置30用于每次光源切换后高速米集图像；以及
[0032]多波长切换照明装置40，包括依次连接的控制器41、若干驱动装置43、若干LED光源42和若干光纤44，所述光纤44的一端与所述LED光源42中间的圆柱形接口连接，所述光纤44的另一端固定于所述支架20上，并均匀分布于所述图像采集装置30的周围，所述多波长切换照明装置40用于为成像区域提供照明光源，并利用控制器41定时切换光源波长，本实施例中，所述控制器41采用单片机。
[0033]本发明将微型图像传感器集成于系统中，无需对实验动物进行麻醉，即可在动物进行自由运动的状态下实现实时内源光信号成像，避免了麻醉剂的影响，同时也避免了通过光纤传导图像造成的图像质量问题;采用控制器41外触发不同的LED光源42，实现不同波长光的交替照明，速度快。
[0034I 较佳地，请重点参考图1，每个所述LED光源42对应一个驱动装置43，每个所述驱动装置43均与所述控制器41的一个输出端连接，具体地，所述控制器41通过向驱动装置43发送高低电平信号，控制多个LED光源42之间的快速切换，以满足多波长时分复用的成像需求。
[0035]成像过程中，单片机向其中一个驱动装置43发送一个高电平信号，向其他驱动装置43发送低电平信号，与高电平信号对应的LED光源42即刻工作，通过光纤44传输照亮成像区域，图像采集装置30实时捕获成像感兴趣区域的图像，并传送至外部图像存储和显示设备；此后，单片机向另一个驱动装置43发送高电平信号，向其他驱动装置43发送低电平信号，与此时高电平信号对应的LED光源42立即开启，其他光源关闭，通过另一光纤44照亮成像区域，由图像采集装置30捕获实时图像并传送，反复重复上述过程进行交替照明和图像米集。
[0036]较佳地，多根光纤44组成一束光纤束，每束所述光纤束与一个所述LED光源42的接口连接，换句话说，所述光纤束的数量与所述LED光源42的数量相同，本实施例中，所述光纤束的外部还包裹有橡胶材料45。
[0037]具体地，请重点参考图1，本实施例中，以LED光源42有2个为例，单片机两个引脚分时向两个驱动装置43发送高电平信号，通过外部触发模式控制两个驱动装置43交替工作，光源发出的光通过光纤44传输到成像系统内。所有光纤44一端分散，单根光纤44的直径为
0.25mm，均匀排布于图像采集装置30的周围，与支架20下表面呈垂直关系，支架20内共排布56根光纤44，光纤44另一端聚集于一起，并被随机分为两束光纤束，每束光纤束的直径为5mm，外部由橡胶材料45包裹，以保护光纤44不被折损，光纤束端口分别垂直插入LED光源42的接口处同尺寸圆柱形槽口中，并用螺丝在侧面进行固定。较佳地，请重点参考图2，所述底座10为上下两端开口的壳体，所述壳体内部为9.25mm X 9.25mm的正方形孔，当然，大小与成像区域一致，所述壳体的上表面设有方形凹槽;所述支架20上表面为9mm X 9mm正方形，所述支架20的下表面设有与所述方形凹槽匹配的凸起21，所述凸起21与所述方形凹槽紧密配合，从而实现底座10与支架20之间的快速安装和拆卸。
[0038]较佳地，请继续参考图2，所述壳体的下表面外周呈圆形，且所述壳体下表面通过牙科水泥粘附于所述动物的成像感兴趣区域，本实施例中，所述底座10为一次性耗材，使用后不必回收利用。
[0039]较佳地，所述支架20采用尼龙材料，以减小支架20的重量，采用3D打印方法成型支架20。
[0040]较佳地，请继续参考图2，所述底座1、支架20、图像采集装置30以及动物的成像感兴趣区域组成密闭空间，实现本系统的严格密封，避免外界光源干扰，使实验动物可在明亮环境中自由运动进行实验，满足更多实验需求。
[0041]较佳地，本实施例中，微型图像传感器及一组微型透镜组封装至一个Imm X ImmX1.62mm的长方体图像采集装置30中，两者密闭。所述成像区域的成像面位于所述微型透镜组的最佳聚焦面上，所述微型图像传感器的下表面距离成像面的距离为5mm。
[0042]较佳地，所述图像采集装置30与所述支架20之间设有软性材料22，起到保护图像采集装置30和减少实验动物自由运动所带来震动的目的。
[0043]以下为使用本发明对脑卒中动物大脑皮层进行成像实验和结果:
[0044]本实验所用成像光波长为590nm和635nm，分别为含氧、去氧血红蛋白等吸收波长点和去氧血红蛋白高吸收、含氧血红蛋白低吸收波长点，可通过相应算法计算得到成像区域血红蛋白总量以及去氧血红蛋白的变化情况。
[0(Μ5]实验动物为一只Sprague Dawley大鼠，用水合氯醛对其进行麻醉后，去掉头皮并用牙科钻磨薄头骨，直至头骨呈透明，脑皮层血管清晰可见。手术完成后，给实验动物佩戴本成像系统，并将底座10固定在实验动物头部，正对成像感兴趣区域，即脑卒中缺血区域(此后无需进行麻醉对大鼠的行动进行限制)。对实验动物进行时长为十五分钟的脑卒中模型制备，并在模型制备前五分钟开始采集图像，直到模型制备完成后五分钟。实验结束后取下支架20，底座10为一次性使用物，故不必取下。
[0046]通过相关算法对实验数据进行处理后，得到脑卒中过程中，大鼠脑皮层血氧的实时变化情况，参见图3a至图3c，分别为脑卒中第O分钟、第7分钟和第15分钟去氧血红蛋白相对实验开始前的变化情况的图像。
[0047]由此可知，本发明提供的用于运动动物的内源光成像系统，可通过外触发不同的LED光源42，实现不同波长光的交替照明，并由集成于系统中的微型图像传感器实时采集，使动物佩戴后可以在自由运动的状态下实现实时内源光信号成像。
[0048]显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，包括: 底座，固定于动物的成像感兴趣区域，并露出成像区域； 支架，可拆卸式安装于所述底座上； 图像采集装置，包括封装在一起的微型图像传感器和微型透镜组，所述图像采集装置固定于所述支架上，并正对所述成像区域，所述图像采集装置与外部图像存储和显示设备连接；以及 多波长切换照明装置，包括依次连接的控制器、若干驱动装置、若干LED光源和若干光纤，所述光纤的一端与LED光源的接口连接，所述光纤的另一端固定于所述支架上，并均匀分布于所述图像采集装置的周围。2.如权利要求1所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，每个所述LED光源对应一个驱动装置，每个所述驱动装置均与所述控制器的一个输出端连接。3.如权利要求1所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，多根光纤组成一束光纤束，每束所述光纤束与一个所述LED光源的接口连接。4.如权利要求3所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，所述光纤束的外部包裹有橡胶材料。5.如权利要求1所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，所述底座为上下两端开口的壳体，所述壳体的上表面设有方形凹槽，所述支架的下表面设有与所述方形凹槽匹配的凸起，所述凸起与所述方形凹槽紧密配合。6.如权利要求5所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，所述壳体的下表面外周呈圆形，且所述壳体下表面通过牙科水泥粘附于所述动物的成像感兴趣区域。7.如权利要求1所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，所述支架采用尼龙材料。8.如权利要求1所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，所述底座、支架、图像采集装置以及动物的成像感兴趣区域组成密闭空间。9.如权利要求1所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，所述成像区域的成像面位于所述微型透镜组的最佳聚焦面上，所述微型图像传感器的下表面距离成像面的距离为5mm。10.如权利要求1所述的用于运动动物的内源光成像系统，其特征在于，所述图像采集装置与所述支架之间设有软性材料。
【文档编号】A61B5/00GK105962893SQ201610261640
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】童善保, 陆晓丹, 卢洪阳, 李瑶
【申请人】上海交通大学