基于OCT技术的神经活动观测方法及系统技术方案

一种基于OCT技术的神经活动观测方法及系统。本发明专利技术提供一种利用Ca离子指示剂进行神经活动观测的OCT系统，使OCT技术可以用于观测神经活动，以观测获得不同空间位置神经组织活动的活跃情况。该方案中的Ca离子指示剂，区别于传统方法，利用Ca离子指示剂对激发光源的吸收强度而不是传统的对激发荧光的强度来表征Ca离子浓度，从而间接的表征神经活动强度以供OCT系统观测。本发明专利技术能够解决传统OCT系统因荧光信号的非相干性所造成的无法观测神经组织样品的神经活动的问题。

Neural activity observation method and system based on OCT technology

【技术实现步骤摘要】
基于OCT技术的神经活动观测方法及系统
本专利技术涉及光学成像
，具体而言涉及一种基于OCT技术的神经活动观测方法及系统。
技术介绍
光学相干断层扫描技术(又称光学相干层析技术，OpticalCoherencetomography，OCT)，是一种利用两路相干光的干涉现象实现光学响应信号观测的技术。参考图1所示，OCT技术将相干光源发出的光波通过耦合器分为两路：一路由A端点进入，从B端点输出；另一路从A端点进入从C端点输出。其中，A-C一路作为参考臂，在参考臂中，入射光经过一定光程到达反射镜，被反射镜反射后原路返回，参考臂A-C的光路参数是设定的。另一路A-B作为样品臂，在样品臂中，入射光经过一定光程到达样品，被样品不同深度的位置散射后原路返回。样品臂A-B的光路参数是不确定的，其不确定的点在于样品不同深度的散射系数不同，这样，参考臂中返回的光便携带了对应样品不同深度的散射系数的信息。两路光原路分别由B端点和C端点返回后再次在耦合器相遇。虽然样品臂A-B返回的光波中携带了样品的光学响应信息，但这些不同深度的信息是混在在一起的，只有通过解调才能把不同深度所对应的散射光信号分别提取出来。OCT技术采用相干解调的方式。当通过设置参考臂A-C的光路参数确定了参考光的光程L时，只有光程在L(即样品特定深度位置)附近相干长度限定范围内的样品臂光信号可以与参考光发生可分辨的干涉现象。由此，设置在耦合器的输出端D端点的探测器能够检测到的干涉信号，对其进行解调，即能够由样品特定深度的散射光信号获得相应的光学响应信号。通过预设或者扫描参考臂的光程L，可以通过对探测器所获得的对应不同光程L的干涉信号进行采集，相应的得到样品不同深度的散射光信号，经过信号处理即可得到样品光学响应的纵向分布特征。在此基础上，配合振镜等横向扫描机构，还可以得到横向光学响应特征。将纵向及横向两个维度的光学响应特征经过计算处理，可以对样品进行3D模型重构，得到对样品光学响应所对应的形貌结构较为完整的表征。但是，现有的OCT技术不能用于观测神经活动。其原因主要是OCT观测的对象是不同深度层面的光学响应，即，散射光。对于神经细胞来说，它是否处于神经兴奋状态，并不会对应有光学响应上的区别。这使得神经活动不能成为传统OCT技术的观测对象。虽然，神经科学界目前能够通过电压敏感或者钙(Ca)离子敏感的指示剂把把伴随神经活动而产生的表面电压变化或者Ca离子浓度变化表征为荧光响应，通过观测相应的荧光响应状况而间接的表征神经活动。但是，荧光响应所产生的荧光是外源光，其无法与OCT中的参考臂保持相干性，因而无法被现有OCT技术观测到。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种基于OCT技术的神经活动观测方法及系统，本专利技术利用Ca离子指示剂对激发光源的吸收作用，实现OCT技术下对神经活动的观测，能够获得比传统荧光显微镜更好的观测深度，能够通过OCT技术实现三维观测。本专利技术具体采用如下技术方案。首先，为实现上述目的，提出一种基于OCT技术的神经活动观测方法，其步骤包括：第一步，在待观测的神经组织样品中导入钙离子指示剂；第二步，设置OCT系统的光源至所述钙离子指示剂的激发波段范围；调整OCT系统中相应的各光路的器件至对应所述钙离子指示剂的激发波段范围；第三步，控制所述OCT系统由其样品臂获取所述待观测的神经组织样品在钙离子指示剂的激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂相对应的干涉信号，获得表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的光学响应信号。可选的，上述基于OCT技术的神经活动观测方法，其中，所述神经组织样品处于兴奋状态下或活跃状态下，所述钙离子指示剂更多地吸收所述OCT系统中光源所提供的入射光，具有更低的散射光强度；所述神经组织样品的神经活动处于非兴奋状态下或非活跃状态下，所述钙离子指示剂更少地吸收所述OCT系统中光源所提供的入射光，具有更高的散射光强度。可选的，上述基于OCT技术的神经活动观测方法，其中，表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的光学响应信号包括有所述钙离子指示剂在所述激发波段范围内的散射光强，散射光强度低表征所述待观测的神经组织样品的神经活动活跃程度高，散射光强度高表征所述待观测的神经组织样品的神经活动活跃程度低。可选的，上述基于OCT技术的神经活动观测方法，其中，所述第三步还包括：调节所述OCT系统中参考臂的光程L，由所述OCT系统中样品臂获得对应该光程L的样品深度下，所述钙离子指示剂在激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂光程L相对应的干涉信号，获得对应该光程L的样品深度下表征所述待观测的神经组织样品神经活动的光学响应信号。可选的，上述基于OCT技术的神经活动观测方法，其中，所述第三步还包括：按照预设的扫描顺序，调节所述OCT系统中参考臂的光程L，由所述OCT系统中样品臂获得对应该光程L的样品深度下，所述钙离子指示剂在激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂光程L相对应的干涉信号，获得对应该光程L的样品深度下表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的光学响应信号；上述方法中还包括有第四步，对各光程L所对应的样品深度下表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的光学响应信号进行组合，获得表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的纵向的样品光学响应特征，结合横向扫描手段，如振镜，所获得的横向的样品光学响应特征，将纵向光学响应信号以及通过横向扫描获取的横向光学响应信号进行组合，获得表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的三维光学响应特征。同时，为实现上述目的，本专利技术还提供一种基于OCT技术的神经活动观测系统，其包括：钙离子指示剂，其被导入至待观测的神经组织样品中；OCT系统，其光源的频段被设置至所述钙离子指示剂的激发波段范围内，其各光路的器件被调整至对应所述钙离子指示剂的激发波段范围内；所述OCT系统由其样品臂获取所述待观测的神经组织样品在钙离子指示剂的激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂相对应的干涉信号，获得表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的光学响应信号。可选的，上述基于OCT技术的神经活动观测系统，其中，所述OCT系统中参考臂的光程L，根据需要观测的样品深度而调节：需要观测的样品深度深时增加所述参考臂的光程L，深度浅时缩小所述参考臂的光程L；所述OCT系统中样品臂获得对应光程L的样品深度下，所述钙离子指示剂在激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂光程L相对应的干涉信号，获得对应该光程L的样品深度下表征所述待观测的神经组织样品神经活动的光学响应信号。其中，样品臂获得对应光程L的样品深度下，所述钙离子指示剂在激发波段范围内的散射光，其原理在于：钙离子指示剂的全部散射光中，只有与对应光程L相匹配的样品深度下的散射光信号能够与所述参考臂光程L的光程相匹配，形成相干光，被相干解调而获得其信号。可选的，上述基于OCT技术的神经活动观测系统，其中，所述OCT本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于OCT技术的神经活动观测方法，其特征在于，步骤包括：/n第一步，在待观测的神经组织样品中导入钙离子指示剂；/n第二步，设置OCT系统的光源至所述钙离子指示剂的激发波段范围；调整OCT系统中相应的各光路的器件至对应所述钙离子指示剂的激发波段范围；/n第三步，控制所述OCT系统由其样品臂获取所述待观测的神经组织样品在钙离子指示剂的激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂相对应的干涉信号，获得表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的光学响应信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于OCT技术的神经活动观测方法，其特征在于，步骤包括：
第一步，在待观测的神经组织样品中导入钙离子指示剂；
第二步，设置OCT系统的光源至所述钙离子指示剂的激发波段范围；调整OCT系统中相应的各光路的器件至对应所述钙离子指示剂的激发波段范围；
第三步，控制所述OCT系统由其样品臂获取所述待观测的神经组织样品在钙离子指示剂的激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂相对应的干涉信号，获得表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的光学响应信号。


2.如权利要求1所述的基于OCT技术的神经活动观测方法，其特征在于，所述神经组织样品的神经活动处于活跃状态下，所述钙离子指示剂更多地吸收所述OCT系统中光源所提供的入射光，具有更低的散射光强度；
所述神经组织样品的神经活动处于非活跃状态下，所述钙离子指示剂更少地吸收所述OCT系统中光源所提供的入射光，具有更高的散射光强度。


3.如权利要求1-2所述的基于OCT技术的神经活动观测方法，其特征在于，表征所述待观测的神经组织样品的神经活动的光学响应信号包括有所述钙离子指示剂在所述激发波段范围内的散射光强，散射光强度低表征所述待观测的神经组织样品的神经活动活跃程度高，散射光强度高表征所述待观测的神经组织样品神经活动活跃程度低。


4.如权利要求1-3所述的基于OCT技术的神经活动观测方法，其特征在于，所述第三步还包括：
调节所述OCT系统中参考臂的光程L，由所述OCT系统中样品臂获得对应该光程L的样品深度下，所述钙离子指示剂在激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂光程L相对应的干涉信号，获得对应该光程L的样品深度下表征所述待观测的神经组织样品神经活动的光学响应信号。


5.如权利要求4所述的基于OCT技术的神经活动观测方法，其特征在于，所述第三步还包括：
按照预设的扫描顺序，调节所述OCT系统中参考臂的光程L，由所述OCT系统中样品臂获得对应该光程L的样品深度下，所述钙离子指示剂在激发波段范围内的散射光，解调所述散射光中与所述OCT系统的参考臂光程L相对应的干涉信号，获得对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天远，孙小菡，柏宁丰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32