使用多路复用的扫描时间聚焦的高速深部组织成像系统技术方案

一种组织成像系统，包括：用于输出激光脉冲的激光模块、配置为将从激光模块接收的激光脉冲分成多个时间延迟的子脉冲的光学延迟模块、用于将子脉冲从光学延迟模块传送到目标体积的望远镜、和配置为响应于由第一子脉冲和第二子脉冲激发目标体积而收集在目标体积内产生的光子的光电探测器。所述系统还可以包括空间多路复用模块，空间多路复用模块配置为从光学延迟模块接收时间多路复用的激光脉冲，并将时间多路复用的激光脉冲分成包括第一子光束和第二子光束的多个子光束，其中，第一子光束和第二子光束相对于在目标体积内的第一深度处形成的第一图像平面在空间上分离，以及相对于在目标体积内的第二深度处形成的第二图像平面在空间上分离。

High Speed Deep Tissue Imaging System with Scanning Time Focus Using Multiplexing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用多路复用的扫描时间聚焦的高速深部组织成像系统相关申请的交叉引用本申请要求2016年10月30日递交的美国临时申请No.62/414,788的优先权，出于所有的目的，将上述申请的说明书以其整体并入本文。
技术介绍
现代神经科学的主要目标是了解神经网络如何执行认知相关的功能。为了实现该目标，同时和独立地记录(为甚至最简单的神经网络的构成块的)大神经元的活动是有用的。然而，由于可用的工具和技术的缺点，这项任务受到了阻碍。一种光学显微镜通过几乎同时记录啮齿类动物大脑中成千上万个神经元的活动来解决这个问题，从而在理解哺乳类动物大脑中信息处理(包括在人脑的各种健康状态和病理状态期间的信息处理)的基本原理上取得重大飞跃。所述显微镜使用了多路复用的扫描时间聚焦(MultiplexedScannedTemporalFocusing，MuST)策略与具有优化脉冲特性的激光系统相结合。MuST是变革性的技术，其将局部微电路桥接到完整皮层网络的水平。然而，对于大皮层体积执行无偏差功能成像仍然是一个挑战，所述大皮层体积例如大于500(微米(μm))×500μm×500μm、具有单细胞分辨率和生理的时间尺度(例如，快于5Hz)。哺乳类动物皮层中的神经网络活动支持复杂的脑功能(诸如感官知觉、运动行为的产生或记忆形成)。为了理解该过程，有必要以高时空分辨率记录理想地包括功能皮层网络的大皮层体积内的所有神经元。在过去的十年中，双光子显微镜(two-photonscanningmicroscopy，2PM)和基因编码的钙指示剂(geneticallyencodedcalciumindicators，GECI)的组合已出现作为神经元活动的光学读数不可或缺的工具。GECI的变型(诸如GCaMP)广泛用于有效且细胞类型特定的神经元的标记以及细胞内钙水平(神经活动的代表)变化的敏感光学记录。然而，传统的双光子扫描显微镜中的机械和光学约束已严重限制了可以捕获神经网络动态的有效体积视场(volumetricfield-of-view，V-FOV)和时间分辨率。双光子扫描显微镜具有几乎衍射极限的光学分辨率、极好的信噪比，并且重要的是，与基于单光子激发的其它高速体积成像方法相比，提高了深度穿透。然而，这些优点的代价是衍射极限激发光斑必须在侧向平面中并沿着轴向方向扫描，以便捕获体积图像，从而导致低的时间分辨率。已知的衍射极限双光子扫描方法具有不同的性能。具体地，假设一典型的350μm×350μm或512像素×512像素的平面，具有1kHz(kilohertz，千赫兹)的扫描频率的标准检流计点扫描(galvanometricpoint-scanning)产生用于双向扫描的大约4Hz(Hertz，赫兹)的帧速率(也可以称为成像系统的“时间分辨率”)。克服该速度限制的策略包括使用声光偏转器(acousto-opticaldeflector，AOD)进行随机访问扫描，这是一种设计用于以高达约50kHz/N的速率成像的方法，其中N为点的数量。作为第二种可能性，使用AOD或共振扫描器的快速平面扫描可以显著提高帧速率。例如，典型的8kHz的共振扫描器对于上述350μm×350μm(512像素×512像素)的图像的双向扫描模式将有效实现“视频速率”(例如，30Hz)，但是只能以30Hz的帧速率覆盖大约5到10个单独的z-平面或轴向地每秒覆盖大约50μm。即使未来机器扫描速度有所提高，荧光饱和度也可能最终对整体扫描速度施加限制，因为扫描速度的这种提高必须伴随着照明强度的提高，以便维持有用的信噪比水平。尽管存在不依赖点状双光子激光扫描的其它三维(threedimensional，3D)成像方法，但是大多数方法要么仅通过提供小的V-FOV而不是实现细胞级成像分辨率，要么由于它们易于散射而仍旧远远不能达到上述性能目标。可以通过限制对目标位置的扫描来提高帧速率的随机访问扫描方法需要关于神经元位置的先验知识，并因此难以应用于清醒的动物，因为神经元逐帧移动。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面的组织成像系统包括：激光模块，所述激光模块用于输出激光脉冲；光学延迟模块，所述光学延迟模块被配置为将从所述激光模块接收的激光脉冲分成多个时间延迟的子脉冲；望远镜，所述望远镜用于将所述子脉冲从所述光学延迟模块传送到目标体积；以及光电探测器，所述光电探测器被配置为响应于由第一子脉冲和第二子脉冲激发所述目标体积而收集在所述目标体积内产生的光子。所述子脉冲包括第一子脉冲和第二子脉冲，其中，所述第二子脉冲相对于所述第一子脉冲延迟多于3。所述第一子脉冲可以聚焦在所述目标体积内的第一深度处并且所述第二子脉冲可以聚焦在所述目标体积内的第二深度处，其中，所述第二深度不同于所述第一深度。可替选地，所述第一子脉冲和所述第二子脉冲可以聚焦在所述目标体积内的同一深度处，但是指向相邻的平面。所述光学延迟模块优选地包括分束器、至少两个光学路径、以及光学组合器，所述分束器被配置为将所述激光脉冲分成所述多个子脉冲；所述至少两个光学路径用于在所述第一子脉冲和所述第二子脉冲之间引入时间延迟；所述光学组合器用于组合所述第一子脉冲和所述第二子脉冲以形成包括所述第一子脉冲和所述第二子脉冲的时间多路复用的激光脉冲(temporallymultiplexedlaserpulse)；其中，所述望远镜将所述时间多路复用的激光脉冲传送到所述目标体积。所述光学路径可以通过自由空间传播或通过光纤引入所述时间延迟。所述光学延迟模块还优选地包括具有第一发散度的第一聚焦透镜以及具有第二发散度的第二聚焦透镜，所述第一聚焦透镜用于将从所述分束器接收的所述第一子脉冲聚焦到所述目标体积内的所述第一深度，所述第二聚焦透镜用于将从所述分束器接收的所述第二子脉冲聚焦到所述目标体积内的所述第二深度。所述组织成像系统还优选地包括空间多路复用模块，所述空间多路复用模块被配置为从所述光学延迟模块接收所述时间多路复用的激光脉冲。所述空间多路复用模块包括分束器，所述分束器用于将所述时间多路复用的激光脉冲分成包括第一子光束和第二子光束的多个子光束。所述第一子光束和所述第二子光束相对于在所述目标体积内的所述第一深度处形成的第一图像平面在空间上分离以及相对于在所述目标体积内的所述第二深度处形成的第二图像平面在空间上分离。所述空间多路复用模块还优选地包括扫描器，所述扫描器用于对所述第一子光束和所述第二子光束进行角度偏转，从而所述第一子光束和所述第二子光束分别在所述第一图像平面的第一聚焦区域和所述第二图像平面的第二聚焦区域上扫描。在该方面中，所述激光模块被配置为输出包括以第一重复率发射的光脉冲的激光束，其中，所述第一重复率至少为1MHz且每个脉冲的持续时间小于10ps。所述空间多路复用模块还优选地包括控制器，所述控制器被配置为以基于所述第一重复率的速率移动所述扫描器，使得由所述激光模块输出的光在所述目标体积内的聚焦光斑在第一方向上偏转大约如下宽度：在所述第一方向上在所述激光模块发射的连续脉冲之间聚焦光斑的宽度。所述系统还优选地包括时间聚焦光栅，所述时间聚焦光栅用于从所述扫描器接收角度偏转的第一子光束和第二子光束，并用于将角度偏转的所述第一子光束和所述第二子光束中的光脉冲分散成它们各自的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种成像系统，包括：激光模块，所述激光模块用于输出激光脉冲；光学延迟模块，所述光学延迟模块被配置为将从所述激光模块接收的激光脉冲分成包括第一子脉冲和第二子脉冲的多个子脉冲，并且在所述第一子脉冲和所述第二子脉冲之间引入时间延迟；望远镜，所述望远镜用于将所述子脉冲从所述光学延迟模块传送到目标体积；以及光电探测器，所述光电探测器被配置为响应于由所述第一子脉冲和所述第二子脉冲激发所述目标体积而收集在所述目标体积内产生的光子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.30 US 62/414,7881.一种成像系统，包括：激光模块，所述激光模块用于输出激光脉冲；光学延迟模块，所述光学延迟模块被配置为将从所述激光模块接收的激光脉冲分成包括第一子脉冲和第二子脉冲的多个子脉冲，并且在所述第一子脉冲和所述第二子脉冲之间引入时间延迟；望远镜，所述望远镜用于将所述子脉冲从所述光学延迟模块传送到目标体积；以及光电探测器，所述光电探测器被配置为响应于由所述第一子脉冲和所述第二子脉冲激发所述目标体积而收集在所述目标体积内产生的光子。2.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述光学延迟模块包括：分束器，所述分束器被配置为将所述激光脉冲分成所述多个子脉冲；以及光学组合器，所述光学组合器用于组合所述第一子脉冲和所述第二子脉冲以形成包括所述第一子脉冲和所述第二子脉冲的时间多路复用的激光脉冲；其中，所述望远镜将所述时间多路复用的激光脉冲传送到所述目标体积。3.如权利要求2所述的成像系统，其中，所述光学延迟模块还包括至少两个光学路径，所述至少两个光学路径用于通过自由空间传播或通过光纤在所述第一子脉冲和所述第二子脉冲之间引入所述时间延迟。4.如权利要求2所述的成像系统，其中，所述光学延迟模块还包括：具有第一发散度的第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜用于将从所述分束器接收的所述第一子脉冲聚焦到所述目标体积内的第一深度；以及具有第二发散度的第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜用于将从所述分束器接收的所述第二子脉冲聚焦到所述目标体积内的第二深度。5.如权利要求4所述的成像系统，还包括：空间多路复用模块，所述空间多路复用模块被配置为从所述光学延迟模块接收所述时间多路复用的激光脉冲，所述空间多路复用模块包括用于将所述时间多路复用的激光脉冲分成多个子光束的分束器，所述多个子光束包括第一子光束和第二子光束，所述第一子光束和所述第二子光束相对于在所述目标体积内的所述第一深度处形成的第一图像平面在空间上分离以及相对于在所述目标体积内的所述第二深度处形成的第二图像平面在空间上分离。6.如权利要求5所述的成像系统，其中，所述空间多路复用模块还包括扫描器，所述扫描器用于对所述第一子光束和所述第二子光束进行角度偏转，从而所述第一子光束和所述第二子光束分别在所述第一图像平面的第一聚焦区域和所述第二图像平面的第二聚焦区域上被扫描。7.如权利要求6所述的成像系统，其中，所述激光模块被配置为输出包括以第一重复率和持续时间发射的光脉冲的激光束，并且其中，所述空间多路复用模块还包括控制器，所述控制器被配置为以基于所述第一重复率的速率移动所述扫描器，使得在所述激光模块的连续脉冲的发射之间，由所述激光模块输出的光在所述目标体积内的聚焦光斑在第一方向上偏转大约所述聚焦光斑在所述第一方向上的宽度。8.如权利要求6所述的成像系统，还包括：时间聚焦光栅，所述时间聚焦光栅用于从所述扫描器接收角度偏转的所述第一子光束和所述第二子光束，并且用于将角度偏转的所述第一子光束和所述第二子光束中的光脉冲分散成它们各自的光谱分量。9.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述光电探测器包括：光电倍增管；以及用于聚焦在所述目标体积内产生的所述光子的透镜阵列。10.一种成像系统，包括：激光模块，所述激光模块用于输出激光脉冲；空间多路复用模块，所述空间多路复用模块被配置为从所述激光模块接收所述激光脉冲，所述空间多路复用模块包括分束器，所述分束器用于将所述激光脉冲分成包括第一子光束和第二子光束的多个子光束，所述第一子光束和所述第二子光束相对于在目标体积内的第一深度处形成的第一图像平面在空间上分离；望远镜，所述望远镜用于将所述第一子光束和所述第二子光束从所述空间多路复用模块传送到所述目标体积；以及光电探测器，所述光电探测器被配置为响应于由所述第一子光束和所述第二子光束激发所述目标体积而收集在所述目标体积内产生的光子。11.如权利要求10所述的成像系统，其中，所述空间多路复用模块还包括扫描器，所述扫描器用于对所述第一子光束和所述第二子光束进行角度偏转，从而所述第一子光束和所述第二子光束分别在所述第一图像平面的第一聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿里帕莎·瓦兹里，
申请(专利权)人：维也纳大学，阿里帕莎·瓦兹里，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT