近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统的制作方法

1.本发明涉及生物成像技术领域，特别是涉及一种近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统。


背景技术：

2.研究表明，随着成像波长的增加，尤其是处于近红外区(780～2526纳米)，生物组织对光的吸收和散射有着显著的下降，因此目前有大量针对该波段内荧光材料和荧光成像装置的研究，用于实现活体组织的生物成像。然而随着生物医学和临床研究对于精准检测的要求越来越高，不仅要求对宽场活体以及局部细节放大的定性成像分析，更需要实现对于活体深组织下多种待分析物的定量检测分析，而目前市场上的荧光强度成像装置可以满足定性成像分析要求却无法满足定量检测分析这一要求。
3.相对于荧光强度成像而言，荧光时间分辨成像中的荧光探针固有的光学属性与探针的浓度、激发光照强度和生物组织穿透深度无关，因此为活体以及细胞内多种待分析物的定量分析提供了有力的分析工具。因此，针对目前近红外生物成像技术，需要一种近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统，在满足定性成像分析要求的同时满足定量检测分析这一要求。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的是提供一种近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统，以实现宽场活体以及局部细节放大的定性成像分析要求的同时实现活体深组织下多种待分析物的定量检测分析要求。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：
6.一种近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统，包括：
7.操作平台，用于承载待检测的标本；
8.光学单元，包括近红外荧光强度成像模块和荧光时间分辨成像模块；所述近红外荧光强度成像模块用于进行近红外荧光强度成像；所述荧光时间分辨成像模块用于进行荧光时间分辨成像；
9.切换模块，用于近红外荧光强度成像模块和荧光时间分辨成像模块之间的切换；
10.采集单元，用于采集成像信息并形成图片，以及，在近红外荧光强度成像过程和荧光时间分辨成像过程中，根据所述光学单元与所述操作平台之间的距离进行自动调焦；其中，所述成像信息具体为：近红外荧光强度成像的成像信息，或者，荧光时间分辨成像的成像信息；
11.控制单元，分别与所述操作平台、所述光学单元、所述切换模块和所述采集单元连接，用于控制所述操作平台、所述光学单元、所述切换模块和所述采集单元启停，以及，控制所述操作平台的运动。
12.可选地，所述操作平台包括：
13.操作台；
14.加热孵育单元，设置在所述操作台下方，用于加热所述待检测的标本；
15.运动单元，设置在所述加热孵育单元下方且与所述控制单元连接，用于在所述控制单元的控制下，带动所述操作台进行运动；
16.激光单元，设置在所述操作台侧面，用于向所述待检测的标本发射激光；
17.麻醉单元，设置在所述操作台侧面，用于麻醉所述待检测的标本。
18.可选地，所述运动单元具体为三维运动单元。
19.可选地，所述近红外荧光成像模块和所述荧光时间分辨成像模块设置在所述切换模块下方。
20.可选地，所述近红外荧光成像模块包括：
21.物镜，用于将所述待检测标本反射的激光和激发出的荧光准直为平行光束；
22.滤光片，用于滤除所述平行光束中待检测标本反射的激光；所述滤光片还用于透射所述平行光束中的荧光；所述平行光束中的荧光用于进行近红外荧光强度成像。
23.可选地，所述荧光时间分辨成像模块包括：
24.物镜，用于将所述待检测标本反射的激光和激发出的荧光准直为平行光束；
25.滤光片，用于滤除所述平行光束中待检测的标本反射的激光；所述滤光片还用于透射所述平行光束中的荧光；所述平行光束中的荧光用于进行荧光时间分辨成像。
26.斩波器，用于控制所述平行光束中荧光通过通光孔的频率；
27.所述斩波器包括：
28.转子，所述转子上设置有所述通光孔；
29.电机，与所述转子连接，用于带动所述转子转动；
30.传感器，与所述控制单元连接，用于监测所述转子的起始位置和运动位置信息并传送给所述控制单元。
31.可选地，所述采集单元包括：
32.近红外相机，用于将所述成像信息形成图片；
33.自动调焦组件，设置在所述近红外相机与所述光学单元之间，用于调整所述近红外相机的焦距。
34.可选地，所述加热孵育单元包括：
35.开关，与所述控制单元连接；
36.加热片，与所述开关连接，用于产生热量；
37.第一温度传感器，与所述控制单元连接，用于监测所述加热片并将温度信息传递给所述控制单元。
38.可选地，所述的近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统还包括避光结构；所述避光结构用于容纳所述操作平台、所述光学单元、所述切换模块、所述采集单元和所述控制单元。
39.可选地，所述避光结构还包括：
40.第二温度传感器，与所述控制单元连接，用于监测所述避光结构内的温度并将温度信息传递给所述控制单元；
41.补光系统，用于对明场环境下的所述待检测的标本进行补光。
42.根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：
43.本发明实施例提供了近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统，包括操作平台、光学单元、切换模块、采集单元和控制单元。操作平台承载待检测的标本，在控制单元的控制下，操作平台与光学单元之间的距离可进行调整，而随着距离的变化，采集单元可进行自动调焦。因此，若操作平台与光学单元之间的距离变大，采集单元会进行自动调焦，调焦后，其成像视野将随之变大，从而可达到宽场活体的成像效果；而若减小二者间的距离，采集单元亦会进行自动调焦，调焦后，其成像视野会变小，聚焦于局部细节，从而可达到局部细节放大的效果。也即，在本发明实施例中，可实现操作平台的运动与采集单元间的自动调焦联动，达到宽场活体以及局部细节放大的效果。
44.同时，切换模块可对近红外荧光强度成像模块与荧光时间分辨成像模块这两种成像模块进行自由切换：当需要进行定性分析，可切换至近红外荧光强度成像模块进行定性分析；而当需要进行定量分析时，可切换至荧光时间分辨成像模块进行定量分析；从而将两种成像模块结合在一起，既可以进行近红外荧光强度成像定性分析又可以实现荧光时间分辨成像定量检测分析。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本发明实施例近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统的结构示意图；
47.图2为本发明实施例的近红外荧光强度成像模块、荧光时间分辨成像模块和切换模块的结构示意图；
48.图3为本发明实施例操作平台的结构示意图。
49.符号说明：
50.操作平台-1，操作台-11，加热孵育单元-12，运动单元-13，近红外荧光强度成像模块-2，荧光时间分辨成像模块-3，切换模块-4，滑块-41，滑轨-42，采集单元-5，避光结构-6。
具体实施方式
51.本技术实施例描述的结构以及场景是为了更加清楚的说明本技术实施例的技术方案，并不构成对于本技术实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着新场景的出现，本技术实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
52.需要说明的是，本技术中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示例子、例证或说明。本技术中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
53.本发明实施例的目的是提供一种近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统，以解决现有的荧光强度成像装置可以满足定性成像分析要求却无法满足定量检测分
析要求的问题，实现了宽场活体以及局部细节放大的定性成像分析要求的同时实现了活体深组织下多种待分析物的定量检测分析要求。
54.图1示出了上述近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统的一种示例性结构，包括操作平台1、光学单元、切换模块4、采集单元5和控制单元。
55.其中，操作平台1用于承载待检测的标本。
56.待检测的标本可以通过工作人员手动添加；待检测的标本可为固体、液体或活体。
57.在一个示例中，操作平台1包括操作台11和运动单元13。
58.在另一个示例中，操作台11具体可为载物台，载物台的设计可多样，只要其可以承载待检测的标本即可。
59.运动单元13设置在操作台11下方且与控制单元连接，运动单元13用于在控制单元的控制下带动操作台11进行运动。运动单元13具体为三维运动单元。
60.请参见图3，运动单元13设置在操作台11下方且运动单元13与控制单元之间电连接，在控制单元的控制下，运动单元13可以带动操作台进行运动。三维运动单元可进行x轴方向、y轴方向和z轴方向三个方向的运动；三方向的运动包括任意单个轴方向的运动、任意两个轴方向的运动或三个轴方向同时运动。x轴方向和y轴方向的运动以满足对活体不同部位的定性分析，z轴方向的运动结合后续的采集单元的自动调焦功能，可满足对活体不同成像视野的分析，可以宏观宽场分析，也可针对整体上的局部进行放大分析。本实施例后续还将进行介绍。
61.光学单元包括近红外荧光强度成像模块2和荧光时间分辨成像模块3；近红外荧光强度成像模块2用于进行近红外荧光强度成像；荧光时间分辨成像模块3用于进行荧光时间分辨成像。需要说明的是，荧光时间分辨成像也可称为时间分辨荧光成像。
62.在进行成像检测时，可首先使用近红外荧光强度成像模块2进行定性成像分析，再使用荧光时间分辨成像模块3进行定量检测分析。成像顺序反之亦可，在此不作赘述。
63.切换模块4用于近红外荧光强度成像模块2和荧光时间分辨成像模块3之间的切换。近红外荧光成像模块2和荧光时间分辨成像模块3设置在切换模块4下方。
64.请参见图2的一种示例性结构，切换模块4包括滑块41和滑轨42。滑块41位置固定，滑轨42设置在滑块41下方，近红外荧光强度成像模块2和荧光时间分辨成像模块3设置在滑轨42下方，通过滑轨42在滑块41上的滑动，可实现近红外荧光强度成像模块2和荧光时间分辨成像模块3之间的位置切换，也即，通过滑轨42的滑动，可带动近红外荧光强度成像模块2或荧光时间分辨成像模块3至滑块41的通孔处，操作平台1(载物台)也位于通孔的下方。这样，若近红外荧光强度成像模块2在通孔下方，则可进行近红外荧光强度成像，而若荧光时间分辨成像模块3移动至通孔下方，则可进行荧光时间分辨成像，从而可实现近红外荧光强度成像模式和荧光时间分辨成像模式之间的切换。
65.采集单元5用于采集成像信息并形成图片，以及在近红外荧光强度成像过程和荧光时间分辨成像过程中，根据光学单元与操作平台1之间的距离进行自动调焦；其中，所述成像信息具体为：近红外荧光强度成像的成像信息，或者，荧光时间分辨成像的成像信息。
66.在一个示例中，采集单元5包括近红外相机和自动调焦组件。
67.近红外相机用于将成像信息形成图片。自动调焦组件设置在近红外相机与光学单元之间，自动调焦组件用于调整近红外相机的焦距。
68.操作平台1的运动与采集单元间5的自动调焦联动，可达到宽场活体以及局部细节放大的效果，下面举例说明：
69.在将待检测的标本放在操作平台1上后，首先可使用近红外荧光强度成像模式，也即，通过切换模块4使前述的近红外荧光强度成像模块2位于操作平台1上方，采集单元5中的自动调焦组件根据近红外荧光强度成像模块2与操作平台1之间的距离进行自动调整焦距，使近红外相机采集到成像信息可以清楚地形成图片，进而完成近红外荧光强度成像。
70.然后切换到荧光时间分辨成像模块3位于操作平台1上方，采集单元5中的自动调焦组件根据荧光时间分辨成像模块3与操作平台1之间的距离进行自动调整焦距，使近红外相机采集到成像信息可以清楚地形成图片，进而完成荧光时间分辨成像。
71.在另一个示例中，近红外相机具体可为进口的深度制冷科研级相机，其制冷温度为-85℃，曝光时间可调，可连拍，具备多种可选帧频。自动调焦组件能实现近红外相机从焦点到无穷远距离内的焦距调节。
72.控制单元分别与操作平台1、光学单元、切换模块4和采集单元5连接，控制单元用于控制操作平台1、光学单元、切换模块4和采集单元5的启停，以及，控制操作平台1的运动。
73.上述连接具体可为电连接，其方式可为有线连接或无线连接。有线连接、无线连接的具体实现有多种，在此不作赘述。
74.以包括滑块41和滑轨42的切换模块4为例，控制单元可以通过控制电动机或者液压杆来带动滑轨42运动。
75.下面介绍近红外荧光强度成像模块2和荧光时间分辨成像模块3的具体结构。
76.近红外荧光成像模块2包括物镜和滤光片。
77.物镜用于将待检测标本反射的激光和激发出的荧光准直为平行光束。
78.滤光片用于滤除平行光束中待检测标本反射的激光；滤光片还用于透射平行光束中的荧光；平行光束中的荧光用于进行近红外荧光强度成像。
79.在一个示例中，物镜将待检测标本反射的激光和激发出的荧光准直为平行光束，但是此时的平行光束还不能成像。滤光片将平行光束中待检测标本反射的激光滤除后并且透射平行光束中的荧光，此时从滤光片透射过的平行光束中的荧光可用于进行近红外荧光强度成像。滤光片包括至少6位不同波长滤光片切换通道，并且每位切换通道支持单片或不同波长的多片叠放，根据检测需要选择合适的波长，在控制单元的控制下滤光片自动切换至相应通道。
80.荧光时间分辨成像模块3包括物镜、滤光片和斩波器。
81.物镜用于将待检测标本反射的激光和激发出的荧光准直为平行光束。
82.滤光片用于滤除平行光束中待检测的标本反射的激光；滤光片还用于透射平行光束中的荧光；平行光束中的荧光用于进行荧光时间分辨成像。斩波器用于控制平行光束中的荧光通过通光孔的频率。
83.斩波器包括转子、电机和传感器。
84.转子上设置有所述通光孔；电机与转子电连接，电机用于带动转子转动；传感器与控制单元电连接，传感器用于监测转子的起始位置和运动位置信息并传送给控制单元。
85.在一个示例中，物镜将待检测标本反射的激光和激发出的荧光准直为平行光束，但是此时的平行光束还不能成像。滤光片将平行光束中待检测标本反射的激光滤除后并且
透射平行光束中的荧光。滤光片包括至少6位不同波长滤光片切换通道，并且每位切换通道支持单片或不同波长的多片叠放，根据检测需要选择合适的波长，在控制单元的控制下滤光片自动切换至相应通道。斩波器在控制单元的控制下与激光单元相配合，当平行光束中的荧光通过通光孔时，此时平行光束中的荧光可用于进行近红外荧光强度成像；当平行光束中的荧光没有通过通光孔时，激光单元在控制单元的控制下发射激光。斩波器可根据检测需要在控制单元的控制下调整转子的转动周期，以满足不同周期内采集成像信息的需要。
86.在介绍完上述结构后，下面介绍操作平台1。
87.在一个示例中，操作平台还可包括加热孵育单元12、激光单元和麻醉单元中的至少一种。当然，操作平台1还可包括其他组成，只要其可用于承载待检测的标本并且可以在上面进行相关检测操作即可。
88.加热孵育单元12设置在操作台11下方，加热孵育单元12用于加热待检测的标本。所述加热孵育单元12包括开关、加热片和第一温度传感器。开关与控制单元电连接；加热片与开关电连接，加热片用于产生热量；第一温度传感器与控制单元电连接，第一温度传感器用于监测加热片并将温度信息传递给控制单元。
89.在一个示例中，控制单元根据第一温度传感器传送的温度信息控制开关的通断，从而控制加热片的启停。加热孵育单元12的温度可由控制单元自由设置，第一温度传感器监控温度变化，当温度出现异常时控制单元自动报警和自动断开开关。
90.激光单元设置在操作台11侧面，激光单元用于向待检测的标本发射激光。
91.在一个示例中，激光单元包括至少三个不同波长的激光器，可根据检测要求选用；激光单元在控制单元的控制下，可以实现自动关闭或打开。
92.麻醉单元设置在操作台11侧面，麻醉单元用于麻醉待检测的标本。
93.在一个示例中，麻醉单元可以提供多个麻醉工位，可同时麻醉多个活体，麻醉量可以根据检测需要进行手工调整，每个麻醉工位可独立打开和关闭。
94.在本发明其他实施例中，上述近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统还包括避光结构6。避光结构6用于容纳操作平台、光学单元、切换模块、采集单元和控制单元。
95.避光结构6还包括第二温度传感器和补光系统。
96.第二温度传感器与控制单元电连接，第二温度传感器用于监测避光结构6内的温度并将温度信息传递给控制单元。补光系统用于对明场环境下的待检测的标本进行补光。
97.在一个示例中，避光结构6用于遮挡光线，提供一个没有光线的活体分析采集的物理环境，避免避光结构6外杂散光的干扰，实现检测背景尽可能暗。第二温度传感器对避光结构6进行温度监控并将温度信息传递给控制单元，保证活体和仪器的安全。若避光结构6内温度失控，控制单元自动断开开关并报警。
98.在另一个示例中，补光系统具体可为led灯，led灯可以设置在避光结构6内部的侧面上。
99.有益效果：
100.综上所述，本发明实施例中的近红外活体荧光强度与荧光时间分辨一体成像系统，可实现操作平台的运动与采集单元间的自动调焦联动，达到宽场活体以及局部细节放
大的效果，实现了宽场活体以及局部细节放大的定性成像分析要求的同时实现了活体深组织下多种待分析物的定量检测分析要求，降低了成像系统的操作难度。
101.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
102.本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明实施例的限制。