本发明专利技术涉及一种能改进多光子成像信噪比、含有单根双包层光纤(DCF)的光纤装置。该装置还包括具有2毫米左右外径的内窥显微镜内的用于聚焦、扫描和信号采集的所有组件。离体和在体实验都证实了这种微型内窥显微镜的前所未有的成像能力。
【技术实现步骤摘要】
相关申请本申请要求以下专利申请的优先权：美国临时专利申请号No.62/169,712(标题为Fiber-Optic Methods and Devices Enabling Multiphoton Imaging with Improved Signal-to-Noise Ratio，2015年6月2日提交)上述专利申请的内容通过引用并入本次申请中并适用于所有目的。
本专利技术与成像领域有关，尤其涉及用于实现增强信噪比的多光子光学成像的光纤光学方法与装置。
技术介绍
由于其固有的光学层析性能、更深的穿透能力和减弱的焦外区域光损伤，多光子显微成像技术，尤其是基于双光子荧光(TPF)和光学二次谐波产生(SHG)信号的显微成像，已经被广泛应用在基础生物和生物医学研究中。然而，由于传统的台式激光扫描显微镜(LSM)无法直接接触和成像动物体内深处的组织，多光子成像技术对活体研究和临床应用的益处还十分有限。为了扩展这一类具有高分辨率的强大成像模式的应用范围，一种小型化的、易弯曲的、成像能力堪比标准激光扫描显微镜的内窥显微装置是非常必要的，并且近年来也有各种各样的内窥显微镜设计问世。不管采用何种光学和机械设计方案，开发一款适合实际临床应用的内窥显微镜系统的核心挑战是尽可能提高系统的检测灵敏度。这里我们把检测灵敏度定量地定义为在给定单位荧光团浓度和单位入射功率成像时系统可以达到的信噪比(SNR)。这是从根本上对系统获取高信噪比双光子图像能力的一种综合全面的度量。具备足够高的检测灵敏度对于临床应用尤其关键，因为：1)在临床应用中会被优先选用的内源性荧光团，比如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，和(或)结构蛋白，比如胶原蛋白纤维，通常存在丰度较低，并且其双光子吸收截面相比外源性的荧光染料或荧光蛋白质要小得多；2)出于安全考虑，临床上可以使用的最大入射功率是有限的。以前的内窥显微镜原型，虽然表现出良好的应用潜力，整体上却依然受困于其匮乏的灵敏度，所以只有在使用外源染色的样品或者非常高的激发光功率(～70毫瓦)的情况下才能获得足够高的图像质量。实现小型化的要求加剧了在内窥显微镜上取得高检测灵敏度的难度。以前有若干设计方案采用了两根光纤：一根单模光纤用于传输激发光、另一根大孔径的多模光纤用于信号收集。这种双光纤设计方案，虽然有利于收集更多的非线性荧光信号，但通常会导致探头尺寸过大，以至于没法穿过市场上商品化的胃镜或结肠镜的介入通道(约2.8–4.0毫米直径)。因此开发一款既能提供高质量图像又能适配市场上的商品化内窥镜介入通道的、更小的显微内窥探头是大有裨益的。
技术实现思路
根据本专利技术的第一个实施例，该装置包括一个外壳。该装置还包括安置于外壳内的单根光波导，用于激发光的传输和出射光的收集。另外，该装置还包括安置于外壳第一端的用作致动器的压电晶体管(PZT)，以及安置于外壳第二端的消色差物镜。根据本专利技术的一个实施例，单根光波导采用了单根光纤的形式。单根光波导可能含有一个或多个单模纤芯和多个包层，其中纤芯(一个或多个)用于将激发光传输至样品，而至少一个包层(和一个或多个纤芯)用于从样品中收集出射(荧)光。单根光波导可以具有纯二氧化硅纤芯、钾掺杂的二氧化硅纤芯、或者一个中空芯。单根光波导也包括一根具有至少一个单模纤芯、一个包层、以及一层低折射系数的涂覆层的光纤。根据本专利技术的另一个实施例，所述物镜在相关的波长范围表现出低色差或无色差，以便提高将出射光耦合回光纤的效率。消色差物镜用于收集主要在长波长(例如750-1060纳米)激发光的聚焦体积内产生的短波长(例如350-600纳米)出射光。消色差物镜还包括一个进一步含有多个具有不同折射率分布(包括渐变折射率透镜/玻璃)和/或不同曲率的镜片、以便校正色差和输入扫描成像光束的场平整度的微型复合透镜。消色差物镜还可以采用一个包含衍射元件/掩模以补偿色差和减少纵向焦点偏移、并同时保持高数值孔径(因此高分辨率)和小尺寸的微型复合透镜的形式。本专利技术的另一个实施例，该装置包含了内置的用于实施二维和三维光束扫描的机制。该内置机制可以采用的形式包括：一根压电晶体管致动的二维光纤扫描器，一个微机电器件致动的二维或三维光纤扫描器，一个内置的深度扫描器，或一个包括压缩弹簧和形状记忆合金丝、用于将部分聚焦光学组件相对于探头其余部分平移的机械扫描器。内置的机构会配备有相应的用于驱动和控制的电子设备。短脉冲光源可以用作激发光源。色散管理模块被用于补偿系统中的光纤和其他光学器件的带来的色散，以便实现短脉冲和良好的信号生成效率。该色散管理模块可以采取的形式包括：一根光子带隙光纤，一对光栅，一对棱镜，或一个光栅透镜对。该装置可以包括一种将出射光从激发光中分离出来的机制。这一从激发光中分离出出射光的机制可以采取分色镜的形式。光探测器被配置成探测出射光，并包含用于预处理和获取信号的电子设备和用于信号数字化和存储数字化的信号的电子设备。光检测器可以采用一个光电倍增管的形式。该装置还可以包括控制装置，成像光束扫描器驱动器，用于控制和同步驱动信号和数据采集、数字化数据、处理并存储数据的数据获取、显示和存储模块。为了将光在自由空间与光纤之间来回耦合而配置的光学器件也包括在本装置当中。附图说明附图提供了可视化表示，以用于更充分地描述本文所公开的代表性实施例，也可以用于帮助本领域的技术人员更好地理解该装置及其固有的优点。在这些附图中，相同的附图标记标识了相应的元件：图1A展示了根据本专利技术研发的一款内窥显微镜实例的透视图。图1B展示了三种不同双包层光纤(DCF)的非线性背景光子出射率随波长的变化谱图。图1C展示了微物镜的透视图。图1D展示了微物镜的后焦点偏移仿真图。图2A显示了本专利技术的一个实施例的系统框架图。图2B展示了在单光纤(SF)和双光纤(DF)补偿方案下，激发光脉冲通过整个系统过程中的光谱演变(890纳米中心波长)。在单光纤补偿方案中通过比较输出光谱(点线25)和激光光谱(实线26)、在双光纤补偿方案中通过比较DCF的输出光谱(虚线24)和SMF的输出光谱(点划线23)，都可以观测到负啁啾脉冲在自相位调制(SPM)效应下光谱被压缩的现象。图2C比较了在两种不同补偿方案下，各个激发功率水平所能产生的双光子信号的强度。图3A和3B显示了从小鼠小肠黏膜同时采集的、对应于如下两个谱段的內源性TPF图像：417-477纳米(伪绿色)和496-680纳米(伪红色)。图3C和3D显示了从小鼠肝脏组织获得的內源性TPF和SHG图像的叠加，对应的光谱频段范围是：496-680纳米(伪绿色)和435-455纳米(SHG信号，伪红色)。图3E和3F分别展示了由米非司酮诱导早产(PTB)的小鼠(图3E)和正常妊娠15天的小鼠(图3F)的宫颈组织切片的SHG图像；每张图都包括四张从不同的位置获取的子图，以更好地揭示胶原蛋白结构的形态学差异。用于获取每张附图的激发条件为：750纳米中心波长30毫瓦(图3A和3B)，890纳米中心波长30毫瓦(图3C和3D)，和890纳米中心波长40毫瓦(图3E和3F)；图3A和3B使用了4帧原始图像的平均，图3C和3D使用了5帧平均，图3E和3F使用了10帧平均。比例尺：10微米。图本文档来自技高网...
【技术保护点】
实现增强信噪比的多光子光学成像的光纤光学装置，其特征在于，包括：外壳；安置在外壳内用于激发光传输和出射光收集的单根光波导；安置在外壳第一端用作致动器的压电晶体管；安置在外壳第二端的消色差物镜。
【技术特征摘要】
2015.06.02 US 62/169,7121.实现增强信噪比的多光子光学成像的光纤光学装置，其特征在于，包括：外壳；安置在外壳内用于激发光传输和出射光收集的单根光波导；安置在外壳第一端用作致动器的压电晶体管；安置在外壳第二端的消色差物镜。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单根光波导可由一根光纤构成。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单根光波导包括一个或多个单模纤芯和多个包层，其中纤芯被用来传输激发光，而至少一个包层(加上一个或多个纤芯)被用来收集从样品中产生的出射光。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单根光波导可从下组中任选一种构成：纯二氧化硅纤芯、钾掺杂的二氧化硅纤芯和中空纤芯。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述的单根光波导由一根包括至少一个单模纤芯、一个包层、和一层低折射率涂覆层的光纤构成。6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述物镜在所关注的波长范围内表现出低色差或者无色差以提高将出射光耦合回光纤的效率。7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述消色差物镜被设定为用于收集在长波长(例如750-1060纳米)激发光的聚焦体积内产生的短波长(例如350-600纳米)出射光。8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的消色差物镜由一个进一步包含了多个具有不同的折射率分布(包括渐变折射率透镜/玻璃)和/或曲率的元件、以便校正色差和扫描输入成像光束的场平坦度的微型复合透镜组成。9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的消色差物镜由一个含有用于补偿色差和降低纵向焦移的衍射元件/掩模、同时保持了高数值孔径(因此高分辨率)和微小尺寸的微型复合透镜构成。10.如权利要求1所述的装置，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李兴德，吴一聪，梁文轩，
申请(专利权)人：李兴德，吴一聪，梁文轩，
类型：发明
国别省市：美国;US
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