光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统及方法，包括扫描平移台，待成像样品，激发光源，聚焦透镜、多色仪、MCP位敏阳极探测器；扫描平移台用于放置待成像样品；激发光源用于照射待成像样品；聚焦透镜、多色仪、MCP位敏阳极探测器依次设置于待成像样品受激发光的传播方向；所述的MCP位敏阳极探测器的外侧连接时间信号引出模块；所述MCP位敏阳极探测器的位敏阳极多路输出依次与电荷灵敏前置放大器、光子到达时间和位置同步测量电路、图像重建模块连接；所述时间信号引出模块与光子到达时间和位置同步测量电路连接；所述扫描平移台与图像重建模块连接。本发明专利技术具有更精细的光谱分辨率、可获取更多维信息。

Fluorescence lifetime imaging system and method for simultaneous measurement of photon arrival time and position

The invention relates to a fluorescence lifetime imaging system and method for synchronous measurement of photon arrival time and position, including a scanning translator, a sample to be imaged, an excitation light source, a focusing lens, a polychromatic apparatus, a MCP position sensitive anode detector, a scanning translator for placing the sample to be imaged, and an excitation light source for irradiating the sample to be imaged. The focusing lens, the polychromatic apparatus and the MCP position sensitive anode detector are arranged in the propagation direction of the stimulated light of the image sample in turn; the MCP position sensitive anode detector is connected with the time signal extraction module on the outer side of the MCP position sensitive anode detector; and the position sensitive anode multiplex output of the MCP position sensitive anode detector is in turn connected with the charge sensitive preamplifier and the photon arrival time. The time signal extraction module is connected with the photon arrival time and position synchronous measuring circuit, and the scanning translation table is connected with the image reconstruction module. The invention has finer spectral resolution and more dimensional information.

【技术实现步骤摘要】
光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统及方法
本专利技术涉及荧光寿命成像
，尤其涉及一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，同时涉及了该系统的成像方法。
技术介绍
荧光寿命成像(FLIM)是利用像素点处测得的荧光寿命长短作为该像素对应灰度值的一种新型荧光成像技术，与基于荧光强度的分析和成像技术相比，一般不受诸如激发激光、荧光染料漂白、荧光染料分布不均等荧光强度干扰因素的影响。因此荧光寿命成像技术能够对处于不同状态的生物组织或不同种类生物组织提供更清晰的对比度，并可定量测量荧光团及其所处微环境参数。荧光寿命成像技术已成功应用于细胞生物学、分析化学和临床诊断等领域。荧光寿命成像技术主要有频域和时域两大类。频率调制法是通过比较荧光信号相对于调制激光信号的相移和调制度来进行测量，多用于纳秒级以下的荧光寿命成像测量。随着生物医学的需求，出现了纳秒、皮秒甚至飞秒量级的时域荧光寿命成像的技术。时域主要包括门控探测(Time-GatedDetection)、时间相关单光子计数(TCSPC)和扫描相机成像(Streak-FLIM)是三种实现方法。其中，门控FLIM收集效率低，难以分辨多指数衰减函数；扫描相机虽然具有极高灵敏度和时间分辨的探测器，但由于受到相机积分时间限制，成像速度很慢。时间相关单光子计数(TCSPC)是一种高精度的光脉冲测量技术，但是由于它一次只能记录激发周期内的一个光子，其余光子被忽略，这影响了光子的收集效率和脉冲信号的测量精度。虽然目前TCSPC采用TAC-ADC或TDC来测量光子到达时间的时间测量精度高，但测量范围非常有限，最大测量范围仅为几百个微秒。此外，生物医学研究和临床诊断中的许多场合都提出了多光谱分辨的要求，目前多光谱荧光寿命成像主要是基于双色分光镜和TCSPC技术的多光谱荧光寿命成像。此种系统中荧光经过一系列双色镜后进行光谱分离，经不同的透镜聚焦后，由不同的单光子点探测器进行探测。这就导致系统光谱分辨通道有限、波长间隔固定，加之TCSPC技术本身存在的成像速率低的问题，使得此系统应用受限。因此，发展光谱分辨率高、成像速度快、价格低廉的多光谱荧光寿命成像技术是目前的趋势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统及方法。为了实现本专利技术的目的,本专利技术采用的技术方案为：一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，包括扫描平移台，待成像样品，激发光源，聚焦透镜、多色仪、MCP位敏阳极探测器，时间信号引出模块，电荷灵敏前置放大器、光子到达时间和位置同步测量电路和图像重建模块；所述的扫描平移台用于放置待成像样品；所述的激发光源用于照射待成像样品；所述的聚焦透镜、多色仪、MCP位敏阳极探测器依次设置于待成像样品受激发光的传播方向；所述的MCP位敏阳极探测器的外侧连接时间信号引出模块；所述MCP位敏阳极探测器的位敏阳极多路输出依次与电荷灵敏前置放大器、光子到达时间和位置同步测量电路、图像重建模块连接；所述时间信号引出模块与所述光子到达时间和位置同步测量电路连接；所述扫描平移台与图像重建模块连接。所述的MCP位敏阳极探测器依次包括入射窗，光电阴极，光电阴极加压电极，陶瓷管壳，级联MCP，级联MCP输入面加压电极，级联MCP输出面加压电极，锗层，陶瓷基底，位敏阳极、位敏阳极加压电极和阳极基底。所述时间信号引出模块包括电阻、电容、电流灵敏前置放大器，所述电阻包括四个依次串联的电阻，从各电阻上方各引出一条支路分别与MCP位敏阳极探测器内部的光电阴极加压电极、级联MCP输入面加压电极、级联MCP输出面加压电极、位敏阳极加压电极连接，所述电容的一端与级联MCP输入面加压电极连接，电容的另一端与电流灵敏前置放大器连接；所述的电流灵敏前置放大器输出光子到达定时信号至光子到达时间和位置同步测量电路。一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像方法，包括以下步骤：1）扫描平移台固定扫描点（X,Y）并将该坐标数据输出至图像重建模块，激发光源发出激光照射待成像样品，使待成像样品发出荧光；2）待成像样品发出的荧光光子经聚焦透镜汇聚后进入多色仪进行分光；3）经多色仪色散后的荧光光子，进入MCP位敏阳极探测器；4）利用MCP位敏阳极探测器的外侧输出信号、位敏阳极多路输出信号进行光子到达时间和位置同步测量；5）图像重建模块根据输入的扫描平移台的坐标、光子到达时间及位置坐标数据进行图像重建。在步骤4）中，所述的光子到达时间和位置同步测量方法，具体步骤如下：1）当MCP位敏阳极探测器探测到光子时，级联MCP输入面加压电极对电容的一端进行充电，电容的另一端跟随充电，产生的携带光子到达时间信息的电流脉冲信号，该信号经电流灵敏前置放大器放大后，输出光子到达定时信号，时间信号引出模块输出光子到达定时信号至光子到达时间和位置同步测量电路；2）MCP位敏阳极探测器探测到光子时，位敏阳极输出的携带光子到达位置信息的多路脉冲信号，经电荷灵敏前置放大器放大后，输出至光子到达时间和位置同步测量电路；3）在光子到达定时信号的同步触发下，光子到达时间和位置同步测量电路对光子到达定时信号与电荷灵敏前置放大器输入的携带光子到达位置信息的多路脉冲信号进行处理后得到光子到达时间和位置坐标，并将连续到达光子的到达时间和位置坐标传输至图像重建模块。图像重建模块包括坐标缓存单元、时间缓存单元、时空分布存储矩阵单元、多光谱荧光寿命曲线重建单元及多光谱荧光寿命伪彩色图像重建单元，所述图像重建方法包括如下步骤：1）计算机USB2.0接口采用乒乓操作的方式连续读取光子到达时间和位置同步测量电路的数据到计算机内存；2）坐标缓存单元缓存光子位置坐标，时间缓存单元缓存光子到达时间；3）时空分布存储矩阵单元以光子为基本类，根据光子的位置坐标所对的波长将光子归入不同的光谱通道，到达时间和位置作为类属性的面向对象的方式存储到矩阵中；4）多光谱荧光寿命曲线重建单元通过将同一位置坐标，即同一波长的荧光光子到达时间等间隔分成若干份，分别统计每个时间段内到达的光子数，以光子到达时间为横坐标，以每个时间段内的光子数为纵坐标，用曲线拟合的方法重建扫描点（X,Y）的该波段荧光寿命曲线。利用多个光谱通道的数据可重建多光谱荧光寿命曲线；5）多光谱荧光寿命伪彩色图像重建单元利用扫描完一帧后所得到的各扫描点的多光谱荧光寿命曲线，重建多光谱荧光寿命伪彩色图像。本专利技术的有益效果在于：1.更精细的光谱分辨率。本专利技术中待成像样品发出的复色光经多色仪分光后被面阵探测器接收，光谱分辨通道不受限制，探测器分辨率越高能分辨的光谱越精细，所以本专利技术可获得更高的光谱分辨；2.更多维信息的获取。本专利技术采用光子到达时间和位置同步测量的方法，同步获得待成像样品发出光子的位置、到达时间、波长等数据，利用这些数据除了可获得多光谱荧光寿命曲线外，还可获得光子直方分布、光子相干性、光子高阶相干性，可提供更多研究价值；3.更高的数据测量精度。本专利技术利用探测器工作回路充电信号引出光子到达定时信号，光子到达时间和位置分开测量，时间测量采用宽带宽的电流灵敏前置放大器保全时间信息，位置测量采用电荷灵敏前方保证电荷量的测量精度；4.更快的数据处理速度。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，其特征在于：包括扫描平移台（1），待成像样品（10），激发光源（2），聚焦透镜（3）、多色仪（4）、MCP位敏阳极探测器（5），时间信号引出模块（6），电荷灵敏前置放大器（7）、光子到达时间和位置同步测量电路（8）和图像重建模块（9）；所述的扫描平移台（1）用于放置待成像样品（10）；所述的激发光源（2）用于照射待成像样品（10）；所述的聚焦透镜（3）、多色仪（4）、MCP位敏阳极探测器（5）依次设置于待成像样品（10）受激发光的传播方向；所述的MCP位敏阳极探测器（5）的外侧连接时间信号引出模块（6）；所述MCP位敏阳极探测器（5的位敏阳极多路输出依次与电荷灵敏前置放大器（7）、光子到达时间和位置同步测量电路（8）、图像重建模块（9）连接；所述时间信号引出模块（6）与所述光子到达时间和位置同步测量电路（8）连接；所述扫描平移台（1）与图像重建模块（9）连接。

【技术特征摘要】
1.一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，其特征在于：包括扫描平移台（1），待成像样品（10），激发光源（2），聚焦透镜（3）、多色仪（4）、MCP位敏阳极探测器（5），时间信号引出模块（6），电荷灵敏前置放大器（7）、光子到达时间和位置同步测量电路（8）和图像重建模块（9）；所述的扫描平移台（1）用于放置待成像样品（10）；所述的激发光源（2）用于照射待成像样品（10）；所述的聚焦透镜（3）、多色仪（4）、MCP位敏阳极探测器（5）依次设置于待成像样品（10）受激发光的传播方向；所述的MCP位敏阳极探测器（5）的外侧连接时间信号引出模块（6）；所述MCP位敏阳极探测器（5的位敏阳极多路输出依次与电荷灵敏前置放大器（7）、光子到达时间和位置同步测量电路（8）、图像重建模块（9）连接；所述时间信号引出模块（6）与所述光子到达时间和位置同步测量电路（8）连接；所述扫描平移台（1）与图像重建模块（9）连接。2.根据权利要求1所述的光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，其特征在于：所述的MCP位敏阳极探测器（5）依次包括入射窗（501），光电阴极（502），光电阴极加压电极（503），陶瓷管壳（504），级联MCP（505），级联MCP输入面加压电极（506），级联MCP输出面加压电极（507），锗层（508），陶瓷基底（509），位敏阳极（510）、位敏阳极加压电极（511）和阳极基底（512）。3.根据权利要求1所述的光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，其特征在于：所述时间信号引出模块（6）包括电阻（601）、电容（602）、电流灵敏前置放大器（603），所述电阻（601）包括四个依次串联的电阻，从各电阻上方各引出一条支路分别与MCP位敏阳极探测器（5）内部的光电阴极加压电极（503）、级联MCP输入面加压电极（506）、级联MCP输出面加压电极（507）、位敏阳极加压电极（511）连接，所述电容（602）的一端与级联MCP输入面加压电极（506）连接，电容（602）的另一端与电流灵敏前置放大器（603）连接；所述的电流灵敏前置放大器（603）输出光子到达定时信号（604）至光子到达时间和位置同步测量电路（8）。4.一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像方法，其特征在于：包括以下步骤：1）扫描平移台固定扫描点（X,Y）并将该坐标数据输出至图像重建模块（9），激发光源（2）发出激光照射待成像样品（10），使待成像样品（10）发出荧光；2）待成像样品（10）发出的荧光光子经聚焦透镜（3）汇聚后进入多色仪（4）进行分光；3）经多色仪色散后的荧光光子，进入MCP位敏阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢秋荣，王慧，袁成龙，李冰，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西,36