一种可用于大样品的高速三维显微成像装置和方法制造方法及图纸

本公开提供了一种具有三维成像能力的显微成像装置和方法，激发装置沿激发主轴方向在样品待测区域内产生可探测的衬度；探测装置沿探测主轴方向探测样品待测区域内产生的衬度；移动机构产生样品与所述激发装置和探测装置的相对运动；移动机构将样品待测区域匀速、连续地移动至成像区域，在样品移动的同时连续采集图像，从而提高体成像速度或通量；并且，在一次成像中使用单个照明脉冲或单次照明扫描，使得一幅图像中每个像素仅被照明一次，且照明时间内样品移动距离小于预设分辨率，从而使移动在成像面上的分量产生的模糊可以忽略。

【技术实现步骤摘要】
一种可用于大样品的高速三维显微成像装置和方法
本专利技术涉及显微成像
，特别是涉及一种以生物和医学为主要应用领域的高通量三维数字显微成像方法和高通量三维数字显微成像装置。
技术介绍
三维数字成像是现代显微成像的重要内容之一。在不降低分辨率的前提下非破坏的成像更多样品是三维显微成像方法的重要追求。一般的，三维数字成像以某种产生衬度响应(如荧光)的方法探测样品(激发)，以某种方法记录这些衬度(光电转换并数字化)，并以待测区域内每一个体单元的衬度数字化为体像素作为最终产出。以此，体像素的数目，即样品待测区域的体积除以体像素对应的体积(由要求的分辨率决定)，和数字化的速度决定了三维数字成像速度的一个上限。然而现有技术的成像速度远未达到这一极限。以现有的主流成像设备400兆像素每秒的数字化(16bit)速度为例，对0.5立方厘米的小鼠大脑成像，三维体像素对应1×1×1微米的单元(亚细胞分辨)的数字成像速度上限应为1250秒，大约21分钟；体像素对应5×5×5微米单元(胞体分辨)则仅需10秒。现有技术中，亚微米分辨率的鼠脑成像代表速度为3天(Gong，H.etal.Nat.Commun.7：12142，2016)，胞体分辨的最新结果约为2小时(LiYe，etal.，Cell，165(7)，16June2016)。以现有技术而言，激发和记录的速度不是瓶颈。造成这一差距的一个重要原因是现有技术无法在成像过程中避免成像中断，从而使有效成像时间缩短。现有成像技术通常采用这样的方案：首先对与成像方向(即探测主轴方向，通常称之为z方向)垂直的一个平面成像——可以是逐点成像或者部分/整个视野同时成像，以扫描共聚焦(scanningconfocal)或光切片(SPIM，有时也缩写为LSM)成像为例；在z方向上根据分辨率要求做相对运动，到达一个新的平面，这一过程约需10毫秒；对新平面成像；重复以上运动与成像，直到在z方向上覆盖样品，完成一个视野内的三维成像，然后在垂直于z的方向上移动到一个新视野，这一过程约需多达数百毫秒；重复以上运动与成像，直到在垂直于z的方向上也覆盖样品，完成样品的三维成像。以上过程中包含了大量的中断成像的过程，每次移动本身花费时间，并要进一步等待启动、停止引起的振动耗散，才能开始继续成像，从而产生长时间的成像中断。在样品体积较大，分辨率要求较高的情况下，上述中断成像的次数以三次方增大，严重影响成像的效率。部分现有技术以电调焦透镜等方案减少中断成像时间，但仅适用于z方向，且尺度有很大限制，对三维数字成像的通量仅有部分的改善。图1A至图1G展示了现有技术实现三维成像通常采用的方案：首先如图1A所示对与成像方向(即探测主轴方向，通常称之为z方向)垂直的一个平面成像——可以是逐点成像或者部分/整个视野同时成像，以扫描共聚焦(scanningconfocal)或光切片(SPIM，有时也缩写为LSM)成像为例；在z方向上根据分辨率要求做相对运动，到达一个新的成像位置如图1B；在成像位置成像如图1C所示；重复以上运动与成像，如图1D所示，直到在z方向上覆盖样品，完成一个视野内的三维成像；然后在垂直于z的方向上移动到一个新视野，如图1E所示；在视野三维成像如图1F所示；重复以上运动与成像，直到在垂直于z的方向上也覆盖样品，完成样品的三维成像如图1G所示。以上过程中包含了大量的中断成像的过程，每次移动本身花费时间，并要进一步等待启动和停顿所引起的振动消失，才能开始继续成像，从而产生长时间的成像中断。我们可以看到，上述中断成像是与移动关联的。在以多次局部成像组合成整体成像的三维成像技术中，一定形式的样品与探测的相对移动是很难避免的，但并不是所有相对运动都要求中断成像。传统三维成像所包含的相对运动可以分成两类：第一类运动：单视野内三维成像过程中不同面的成像，每次数据读取之间发生的较小的相对移动，通常数微米以下；第二类运动：视野转换过程中发生的较大的相对移动，通常百微米以上。参考文献：Gong，H.etal.High-throughputdual-colourprecisionimagingforbrain-wideconnectomewithcytoarchitectoniclandmarksatthecellularlevel.Nat.Commun.7：12142，doi：10.1038/ncomms12142(2016).LiYe，etal.WiringandMolecularFeaturesofPrefrontalEnsemblesRepresentingDistinctExperiences，Cell，Volume165，Issue7，16June2016，Pages1776-1788，ISSN0092-8674，http：//dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.010。公开内容(一)要解决的技术问题本公开主要解决的技术问题是提出三维数字显微成像方法和提供一种三维数字显微成像装置，能够改善有效成像时间从而实现高通量三维数字显微成像，并可应用于较大样品。(二)技术方案本公开提供了一种具有三维成像能力的显微成像装置，包括：至少一个激发装置，用于沿激发主轴方向在样品待测区域内产生可探测的衬度；至少一个探测装置，用于沿探测主轴方向探测样品待测区域内产生的衬度；至少一个移动机构，用于产生样品与所述激发装置和探测装置的相对运动；其中，所述至少一个移动机构用于将样品待测区域匀速、连续地移动至成像区域，所述至少一个探测装置在样品移动的同时连续采集图像；并且，在一次成像中使用单个照明脉冲或单次照明扫描，使得一幅图像中每个像素仅被照明一次，且照明时间内样品移动距离小于预设分辨率。在本公开的一些实施例中，所述相对运动的方向与所述探测主轴方向的不重合。在本公开的一些实施例中，所述相对运动的方向与所述激发主轴方向既不平行也不垂直；所述相对运动的方向与所述探测主轴方向既不平行也不垂直。在本公开的一些实施例中，所述相对运动的方向不与探测主轴方向在样品台表面的投影平行。在本公开的一些实施例中，还包括：成像面调制元件，所述相对运动的方向垂直于所述探测主轴方向。在本公开的一些实施例中，相邻的成像在样品内对应的区域不共面，相邻的成像之间没有重叠。在本公开的一些实施例中，所述至少一个移动机构控制样品的移动速度，使成像面调制一个周期回到初始位置时，样品恰好移动一个视场的距离，使相邻的成像之间没有大量重叠。在本公开的一些实施例中，在所述样品所在环境填充透明物质，所述透明物质与当时所述样品的折射率近似相等。在本公开的一些实施例中，所述至少一个激发装置以脉冲光片照明或扫描光片照明的方式在样品待测区域内产生可探测的衬度。本公开还提供了一种具有三维成像能力的显微成像方法，包括：利用至少一个激发装置，沿激发主轴方向在样品待测区域内产生可探测的衬度；利用至少一个探测装置，沿探测主轴方向探测样品待测区域内产生的衬度，所述探测装置不排除与所述激发装置共用元件；其中，利用至少一个移动机构，产生样品与所述激发装置和探测装置的相对运动；其中，利用所述至少一个移动机构将样品待测区域匀速、连续地移动至成像区域，所述至少一个探测装置在样品移动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有三维成像能力的显微成像装置，包括：至少一个激发装置，用于沿激发主轴方向在样品待测区域内产生可探测的衬度；至少一个探测装置，用于沿探测主轴方向探测样品待测区域内产生的衬度；至少一个移动机构，用于产生样品与所述激发装置和探测装置的相对运动；其中，所述至少一个移动机构用于将样品待测区域匀速、连续地移动至成像区域，所述至少一个探测装置在样品移动的同时连续采集图像；并且，在一次成像中使用单个照明脉冲或单次照明扫描，使得一幅图像中每个像素仅被照明一次，且照明时间内样品移动距离小于预设分辨率。

【技术特征摘要】
1.一种具有三维成像能力的显微成像装置，包括：至少一个激发装置，用于沿激发主轴方向在样品待测区域内产生可探测的衬度；至少一个探测装置，用于沿探测主轴方向探测样品待测区域内产生的衬度；至少一个移动机构，用于产生样品与所述激发装置和探测装置的相对运动；其中，所述至少一个移动机构用于将样品待测区域匀速、连续地移动至成像区域，所述至少一个探测装置在样品移动的同时连续采集图像；并且，在一次成像中使用单个照明脉冲或单次照明扫描，使得一幅图像中每个像素仅被照明一次，且照明时间内样品移动距离小于预设分辨率。2.如权利要求1所述的具有三维成像能力的显微成像装置，所述相对运动的方向与所述探测主轴方向的不重合。3.如权利要求2所述的具有三维成像能力的显微成像装置，所述相对运动的方向与所述激发主轴方向既不平行也不垂直；所述相对运动的方向与所述探测主轴方向既不平行也不垂直。4.如权利要求3所述的具有三维成像能力的显微成像装置，所述相对运动的方向不与探测主轴方向在样品台表面的投影平行。5.如权利要求2所述的具有三维成像能力的显微成像装置，还包括：成像面调制元件，所述相对运动的方向垂直于所述探测主轴方向。6.如权利要求2至5任一项所述的具有三维成像能力的显微成像装置，相邻的成像在样品内对应的区域不共面，相邻的成像之间没有重叠。7.如权利要求5所述的具有三维成像能力的显微成像装置，所述至少一个移动机构控制样品的移动速度，使成像面调制一个周期回到初始位置时，样品恰好移动一个视场的距离，使相邻的成像之间没有大量重叠。8.如权利要求1所述的具有三维成像能力的显微成像装置，在所述样品所在环境填充透明物质，所述透明物质与当时所述样品的折射率近似相等。9.如权利要求1所述的具有三维成像能力的显微成像装置，所述至少一个激发装置以脉冲光片照明或扫描光片照明...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝清源，毕国强，王浩，刘北明，徐放，丁露锋，杨朝宇，毕达生，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34