具有选择性体积照射和光场检测的优化容积成像制造技术

一方面，涉及利用使用光场检测的选择性体积照射(SVI)优化容积成像的系统和技术包括：光源，被配置为发射照射光，该照射光经由照射光路传播以照射三维(3D)样本；以及光学系统，相对于光源被布置以接收来自被照射的3D样本的光场，其中该光场经由检测光路传播；其中光源、光学系统或这两者可配置为基于将要被照射的3D样本和将要应用的光场检测(LFD)处理来选择3D样本的3D受限照射的体积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有选择性体积照射和光场检测的优化容积成像相关申请的交叉引用本申请要求2016年2月26日提交的题为“OPTIMIZEDVOLUMETRICIMAGINGWITHSELECTIVEVOLUMEILLUMINAYIONANDLIGHTFIELDDETECTION”的美国专利申请第62/300,469号在35U.S.C.§119(e)下的权益，通过引用将其整体并入本文。
技术介绍
本说明书涉及使用利用诸如显微镜平台的生物分子成像系统使用光场检测来优化容积成像(volumetricimaging)。各种生物处理可以依赖于在跨组织规模三维(3D)空间的细胞之间的紧密的空间-时间协调。因此，存在对于可以以细胞分辨率成像、提供3D分割、并且以足够快的速度以如实地捕获动态处理的容积成像工具的需求。在一些情况下，利用扫描方法来满足对生物容积成像的需求：一次一个点、线或平面收集光学信号，然后分别在3D、2D或1D中扫描激励区域，以覆盖样本的整个3D感兴趣区域。由于扫描处理的顺序性，数据获取速度可能会很慢。而且，由于顺序扫描，3D样本的不同部分的信息在不同时间被收集，因此动态信息可能会丢失或失真。因此，存在对同步的容积实况成像模态的需要，其中单个快照可以捕获组织规模的轴向延伸体积上的空间信息，同时维持单个或几个细胞的分辨率。可以提供同步容积成像能力的现有成像模态是光场显微法(LFM)。然而，LFM技术使用宽场(wide-field)照射，实质上照亮了整个样本，即使在重建中只有样本的一部分被有意义地捕获。因此，宽场照射引入了外来背景和噪声，潜在地降低了最终重建的图像的对比度和准确度。
技术实现思路
本说明书涉及通过在诸如显微法平台的生物医学成像系统中所利用的光场检测使用选择性体积照射(SVI)来优化容积成像的系统和技术。一般来说，本说明书中描述的主题的一个或多个方面可以体现在一个或多个系统中，该一个或多个系统包括：光源，被配置为发射照射光，该照射光经由照射光路传播以照射三维(3D)样本；以及光学系统，相对于光源被布置以接收来自被照射的3D样本的光场，其中该光场经由检测光路传播；其中光源、光学系统或两者可配置为基于将要被照射的3D样本和将要被应用的光场检测(LFD)处理来选择3D样本的3D受限(confined)照射的体积。可以实施本说明书中描述的主题的特定实施例以实现以下优点中的一个或多个。所描述的系统和技术可以实现与提供SVI相关联的优点，其中仅照射3D样本的相关部分，从而显著降低背景信号并为光场图像重建提供更高的对比度和准确度。所公开的技术实施扫描的光学体积SVI，该扫描的光学体积SVI在定义SVI时提供了低至微米级的精度。静态光学体积SVI降低了在成像期间对生物样本的光致损伤的可能性。所公开的技术和系统在传统的显微法平台的结构内使用相同的配置、利用相同的研究下的样本，实施选择性体积照射光场检测(SVI-LFD)成像能力，以除了光场重建的容积图像之外还记录高分辨率的、光学分割的(optically-sectioned)3D图像(使用传统显微法模式)。SVI方法可以提高在光场成像中使用的计算重建的速度和准确度。SVI技术利用更小、更受约束的激励体积，允许更快、更少噪声和更强健的计算重建。实施多视图光场检测(LFD)成像技术，该技术通过组合从多个方向对样本成像而捕获的图像数据来实现最终的容积图像的增强的分辨率。本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。本专利技术的其它特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求中变得显而易见。附图说明图1示出了被采用以使用光场检测来提供选择性体积照射(SVI)的容积成像系统的示例。图2A至2C示出了用于实施本文描述的可应用于各种静态光学体积和扫描的光学体积方法的SVI技术的一般光学几何结构的示例。图2D示出了根据扫描的光学体积方法的用于实施本文描述的SVI技术的光学几何结构的示例。图3A示出了用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的多芯光纤的示例。图3B至3F示出了用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的光学几何结构的示例。图4A至4C示出了用于与使用多视图LFD成像技术的SVI的实施方式一起使用的光学几何结构的示例。各附图中相似的附图编号和指定指示相似的元件。具体实施方式图1示出了被采用以使用光场检测来提供选择性体积照射(SVI)的容积成像系统100的示例。例如，容积成像系统100提供光场能力，诸如支持显微镜样本126的3D重建。根据实施例，可以采用容积成像系统100来以可以捕获动态过程的速度(例如，低分辨率/高速容积)来提供3D分割和以细胞的或更好的分辨率的3D成像。如图1所示，该系统集成了各种硬件、软件和固件部件，它们协调操作以实现实施例的选择性体积照射技术，从而照射样本126的3D受限照射，该样本126是已经被确定为与容积成像实质上相关的3D样本的特定部分。也就是说，3D受限照射是将由用于成像的照射光特别激励的3D样本126的所选择体积。容积成像系统100在图1中示出为包括：容积成像装置105；LFD机构115；网络135；和计算机140。容积成像装置105包括被布置成发射用于照射要被成像的3D样本126的体积的光的系统100的各种部件。在一些实施例中，容积成像系统100被实施为提供对比增强剂的光场成像。例如，样本126中对比剂(contrastagent)的光化学物理特性可以通过暴露于照射光而被改变，在样本126的3D选择性体积中呈现增强的对比度。一旦对比剂的性质在选择性体积中已经改变，即使利用传统的宽场照射，也可以实现所述体积的高对比度LFD成像。对比剂可以包括：光激活的或可光转换的荧光蛋白，或者光激活的或可光转换的合成颗粒，诸如但不限于纳米颗粒或量子点。如图所示，容积成像装置105包括：光源106；光学系统110；和显微镜组件125。光学系统110包括一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被布置用于调整装置105的光学几何结构，以提供到3D样本126和到检测机构115的光学路径。作为示例，光学系统110被示出为包括各种光学元件，诸如一个或多个透镜112和镜(mirror)114。然而，在认为必要和/或适当时，光学系统110的各个部件可以被改变或以其它方式被配置，用于实施与期望的SVI-LFD成像技术相对应的光学几何结构。在一些实施方式中，光学系统110是可以改装到显微镜组件125的附加模块，该显微镜组件125例如包括可切换的光学部件和光学几何结构。而且，在一些实施方式中，显微镜组件125可以最初被设计和制造为具有与其一起集成的SVI-LFD能力，并且包括所有必要的部件，诸如光学系统110。附加的透镜和/或其它光学元件可以被组合以形成例如系统100的物镜。例如，这些元件可以通过被安置到显微镜组件125的部分而安装。此外，可以将SVI光臂(lightarm)添加到显微镜组件125。例如，SVI光臂可以通过部分反射分束器或分色镜(用于不同颜色的照射或检测光)耦合到点扫描共焦显微镜。容积成像系统100可以包括容积成像装置105，该容积成像装置105能够被配置用于实施所描述的SVI-LFD成像技术，从而与以照亮或照射整个样本的方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种容积成像装置，包括：光源，被配置为发射照射光，该照射光经由照射光路传播以照射三维(3D)样本；以及光学系统，相对于所述光源被布置以接收来自被照射的3D样本的光场，其中所述光场经由检测光路传播；其中所述光源、所述光学系统或这两者可被配置为基于要被照射的3D样本和要应用的光场检测(LFD)处理来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.26 US 62/300,4691.一种容积成像装置，包括：光源，被配置为发射照射光，该照射光经由照射光路传播以照射三维(3D)样本；以及光学系统，相对于所述光源被布置以接收来自被照射的3D样本的光场，其中所述光场经由检测光路传播；其中所述光源、所述光学系统或这两者可被配置为基于要被照射的3D样本和要应用的光场检测(LFD)处理来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。2.如权利要求1所述的装置，其中，所述检测光路与所述照射光路不共线，并且通过调整所述照射光相对于所述光学系统的3D光学几何结构来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。3.如权利要求2所述的装置，其中，使用线性光学激励来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。4.如权利要求1所述的装置，其中，使用非线性多光子光学激励并调整所述光源相对于所述光学系统的3D光学几何结构来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。5.如权利要求4所述的装置，其中，所述检测光路与所述照射光路共线。6.如权利要求1、2、3或4中任一项所述的装置，其中，使用照射的直接光束整形以产生空间扩展的光体积来选择样本的3D受限照射的体积。7.如权利要求1、2、3或4中任一项所述的装置，包括可切换光学部件和光学几何结构，所述装置是被配置为改装到现有的显微镜的扩展模块，或者是全新设计的显微镜的集成模块，所述显微镜具有多种成像能力，其中所述多种成像能力包括以亚微米至2微米的分辨率在3D中执行高分辨率光学分割。8.如权利要求2、3、4或5中任一项所述的装置，其中，所述光学系统包括公共光学元件，所述公共光学元件被布置为(i)接收经由所述照射光路传播以照射所述3D样本的照射光，(ii)接收来自被照射的3D样本的、经由光检测光路传播的光场，以及(iii)调整所述光源的3D光学几何结构用于选择所述3D样本的3D受限照射的体积。9.如权利要求8所述的装置，其中，所述照射光沿着倾斜角度路径经过所述公共光学元件而传播，并且所述检测光路与所述公共光学元件的光轴共线，与所述照射光路形成大于0的角度theta。10.如权利要求2所述的装置，其中，所述光学系统包括：(i)第一光学元件，被布置为接收经由所述照射光路传播以照射所述3D样本的照射光，以及(ii)第二光学元件，被布置为接收来自被照射3D样本的、经由光检测光路传播的光场，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件被布置为以与所述检测光路成大于零的角度θ来调整所述照射光路的3D光学几何结构，用于选择所述3D样本的3D受限照射的体积。11.一种容积成像系统，包括：如权利要求1至5中任一项所述的装置；LFD检测机构，其相对于所述装置布置以接收来自被照射的3D样本的光场，并且捕获由所述光场投影的LFD成像；计算机，与所述LFD设备通信地耦合，并且被配置为通过执行所述LFD成像的计算重建来生成所述3D样本的容积成像数据。12.如权利要求1、2、3、4、5、6或10中任一项所述的装置，其中，使用(i)所述照射光的聚焦光束整形，以及(ii)所述光源的3D光学几何结构来选择所述3D样...

【专利技术属性】
技术研发人员：TV张，S马达恩，DB霍兰德，SE弗雷泽，
申请(专利权)人：南加州大学，
类型：发明
国别省市：美国,US