光学投影断层成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光学投影断层成像系统，包括：光源模块，用于提供照射样本的白光或激光；样本承载定位模块，用于样本位置的调整以及带动样本旋转以采集多个角度的投影数据；信号采集模块，用于实现光信号的汇聚，对光信号进行选择性的采集；中央控制模块，用于协调各部分的有序运转，实现光源的开闭和强度调节，平移台的中心校正，旋转台的参数设置，EMCCD相机的参数设置，数据处理以及数据存储；设备外围模块，用于为成像提供一个抗干扰的稳定环境。本发明专利技术无需损失生物组织器官的完整性即可获得高清晰的三维结构像，具有分辨率高、结构功能一体化、无辐射、成本低等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于分子影像
，涉及光学成像理论、计算机图像处理技术、数学建模等学科知识，尤其是一种适用于生物学科对小尺寸物体进行实时、动态、无创、在体的光学投影断层成像系统。
技术介绍
光学投影断层成像(OPT)技术是利用光线在小尺寸生物体中沿直线传播的特点，发射可见光线穿透样本，或者采用激光激发样本产生荧光，然后用相机采集多个角度的样本投影视图，进行三维成像。具体来说，在进行光学投影断层成像时，需要对样本进行多角度扫描，一般采用电控转台对样本进行步进式旋转，每旋转到一个角度采集一幅或多幅投影图像。光学投影断层成像系统圆轨道扫描最终采集到的数据是一系列不同角度下光线穿过样本的二维投影图像，通过相应的重建算法便可得到三维图像。通过上述这种技术，实现高分辨率、结构功能一体化、无辐射的对小尺度对活体生物进行细胞水平的定性和定量研究，实现生物体的实时、无创、动态、在体成像。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种光学投影断层成像系统，以完成小尺度生物样本的投影图获取、图像的分析处理，能够对小尺度对活体生物进行定性和定量研究，实现生物体的实时、无创、动态、在体成像。( 二 )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种光学投影断层成像系统，包括光源模块，用于提供照射样本的白光或激光；样本承载定位模块，用于样本位置的调整以及带动样本旋转以采集多个角度的投影数据；信号采集模块，用于实现光信号的汇聚，对光信号进行选择性采集；中央控制模块，用于协调各部分的有序运转，实现光源的开闭和强度调节，平移台的中心校正，旋转台的参数设置，EMCCD相机的参数设置，数据处理以及数据存储；以及设备外围模块，用于为成像提供一个抗干扰的稳定环境。上述方案中，所述光源模块由卤素灯I、激光器2和激光扩束器3构成；其中，卤素灯I发出白光，用于生物样本的结构成像；激光器2发出激光，用于生物样本的特异性成像；白光或激光均是通过光纤导出至指定位置，激光被导出至激光扩束器3，激光扩束器3用于将激光器发出的光扩展为均勻准直的光束，经过激光扩束器3将光束扩展为可覆盖扫描样本的均匀光斑。上述方案中，所述生物样本的结构成像即透射式光学投影断层成像，在该透射式光学投影断层成像中光线直接穿过样本，利用样本对光线的吸收特性，获得样本的三维解剖结构像。在透射式光学投影断层成像中，卤素灯I发出的白光光束方向与EMCCD相机的主光轴方向平行。上述方案中，所述生物样本的特异性成像即发射式光学投影断层成像，在发射式光学投影断层成像中，当激光照射到样本上，激发样本上的荧光染料或荧光蛋白发射出波长更长的荧光信号，后续的EMCCD相机进行数据采集时通过窄带滤波片滤去激发光，仅采集荧光信号，并对其进行三维重建，从而重建出荧光染料或荧光蛋白在样本上的分布信息，实现分子特异性成像。在发射式光学投影断层成像中，所述激光的光束方向与EMCCD主光轴方向垂直，采用激光的光束方向与EMCCD主光轴方向垂直的方式对样本进行照射。上述方案中，所述激光器2采用输出为固定波长的连续波激光器，通过信号线连接至中央控制模块，以实现光源控制，通过中央控制模块控制激光器2的开闭和输出功率的大小。上述方案中，所述样本承载定位模块由毛细玻璃管4、匹配液槽5和机械运动装置6构成；其中，毛细玻璃管4用于固定样本；匹配液槽5用于盛放特定匹配液，以减少光线在生物体表发生折射和反射效应，实验过程中样本被浸泡在光学匹配液中；机械运动装置6 用于实现样本上下、前后、左右和旋转四个自由度的机械运动，前三个自由度上下、前后、左右用于精确控制样本的位置在显微装置的焦平面附近，第四个自由度旋转是为了相机能采集多个角度的样本投影视图，以便三维重建。上述方案中，所述毛细玻璃管4在固定样本时有两种固定方式，当样本为体型较大的果蝇时采用吸附方式固定样本，将样本粘在毛细玻璃管4的一端；当样本为体型较小的线虫时采用封装方式固定样本，将样本封闭在毛细玻璃管中。上述方案中，所述毛细玻璃管4由硼硅酸盐材料制成，匹配液槽5由透明的硼硅玻璃制成，用于盛放特定的匹配液，以减少光线在生物体表发生折射和反射效应，匹配液的折射系数与生物组织的折射率相近，匹配液槽的光学系数与匹配液系数相近。上述方案中，所述机械运动装置6采用电控驱动，通过数据线连接至控制箱，控制箱通过串口连接至中央控制模块，以实现统一控制，通过控制软件控制平移台的移动距离、移动速度和加速度，并控制旋转台的步进角、角位移、角速度和每旋转一步后的等待时间。为了将样本浸泡在光学匹配液中，减少光线的散射，所述机械运动装置6采用旋转台悬挂倒置的方式安装固定旋转台，通过机械连接块将旋转台与三维平移台装置结合在一起。上述方案中，所述信号采集模块由显微镜物镜7、窄带滤波器8、光圈9、显微镜目镜10和EMCXD相机11构成，显微镜目镜10通过标准C 口与EMCXD相机11相连，EMCXD相机11的控制信号和视频信号通过信号线连接至中央控制模块上的PCI板卡，以实现集中控制，通过控制软件控制相机的曝光时间和拍摄间隔，并实时将所拍摄的图像存储至工作站，保存格式为tif文件。上述方案中，所述显微镜物镜7和显微镜目镜10，其放大倍数均可调，以适应不同生物样本的尺寸和不同精度的需求，并根据需要在镜筒中添加了更换滤波片的装置，使系统能同机采集多种光谱的信号。上述方案中，所述EMCXD相机具有高达92%以上的量子效率和电子倍增功能，数据传输速率比常规的科学级CCD相机高数十倍，非常适合于快速OPT成像的要求，同时通过半导体制冷技术降温到_95°C，有效的降低电子噪声的影响。上述方案中，所述中央控制模块由工作站以及工作站与各设备相连的信号线和数据线构成，通过控制软件保证旋转台每旋转一个角度后等待的时间和相机的曝光时间相吻合，以确保多角度投影的获取。上述方案中，所述中央控制模块在实现旋转台和EMCCD相机的配合时，旋转台旋转后的等待时间正好相机拍摄，且旋转台和EMCCD相机的动作周期相同，即旋转台的旋转时间与等待时间之和与EMCCD相机的拍摄时间及停留时间之和相等。上述方案中，所述设备外围模块由暗箱、光学平台以及各个设备的支撑结构构成，光学平台用于保证成像的精度，暗箱用于提供一个相对独立的抗干扰环境。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果I、本专利技术提供的光学投影断层成像系统，无需损失生物组织器官的完整性即可获 得高清晰的三维结构像，其成像视野恰好覆盖组织、胚胎和小模式动物的范围，为小尺寸生物样本提供了一种新的成像工具。2、本专利技术提供的光学投影断层成像系统，具有分辨率高、结构功能一体化、无辐射、成本低等诸多优点，它可以在小尺度对活体生物进行定性和定量研究，实现生物体的实时、无创、动态、在体成像。附图说明图I为依照本专利技术实施例的光学投影断层成像系统的结构示意图；图2为依照本专利技术实施例的光学投影断层成像系统的工作流程图；图中1卤素灯、2激光器、3激光扩束器、4毛细玻璃管、5匹配液槽、6机械运动装置、7显微镜物镜、8窄带滤波器、9光圈、10显微镜目镜、11EMCXD相机、12工作站、13暗箱、14光学平台。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学投影断层成像系统，其特征在于，包括：光源模块，用于提供照射样本的白光或激光；样本承载定位模块，用于样本位置的调整以及带动样本旋转以采集多个角度的投影数据；信号采集模块，用于实现光信号的汇聚，对光信号进行选择性的采集；中央控制模块，用于协调各部分的有序运转，实现光源的开闭和强度调节，平移台的中心校正，旋转台的参数设置，EMCCD相机的参数设置，数据处理以及数据存储；设备外围模块，用于为成像提供一个抗干扰的稳定环境。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，董迪，秦承虎，杨鑫，郭进，马喜波，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：