3轴侧视共聚焦荧光显微内镜制造技术

一种作为共聚焦显微内镜的光学探针组件包括光学聚焦级和反射镜扫描级，所述光学聚焦级将输出光束聚焦到样本上，所述反射镜扫描级可移动以用于利用侧视配置同时在横向二维平面和轴向方向上扫描所述输出光束。所述侧视配置允许利用更高的成像分辨率以及改善的难以到达受检者体内组织的通道对所述样本进行输出光束照射和荧光成像。

3-axis side view confocal fluorescence microscopy

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】3轴侧视共聚焦荧光显微内镜相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2017年7月24日提交的题为“3轴侧视共聚焦荧光显微内镜(3-AxisSide-viewConfocalFluorescenceEndomicroscope)”的美国临时专利申请第62/536,285号的优先权，其公开内容通过引用以整体并入本文。政府利益的声明本专利技术是在美国国家卫生研究院(NationalInstitutesofHealth)授予的授权第CA142750号的政府支持下完成的。政府在本专利技术中享有某些权利。
本公开总体上涉及使用光学仪器对组织成像的技术，并且更具体地，涉及用于允许使用侧视光学仪器进行二维(2D)和三维(3D)成像的技术。
技术介绍
本文所提供的背景描述是出于总体上呈现本公开背景的目的。在此
技术介绍
部分中所描述的程度范围内，当前署名的专利技术人的工作以及在申请时以其它方式可能未视为现有技术的描述方面，均不明确或暗示地承认为反对本专利技术的现有技术。大部分内部和外部体表被上皮覆盖，其为几百微米大小的薄组织层，并起着强烈生物活性的来源的作用。上皮用作电解质传输的底物，以及组织再生的来源。上皮还用作肿瘤形成的起源。由于上皮的多种不同的生物学功能，研究人员以各种方式对其进行研究。例如，研究人员对小鼠进行基因工程改造来表达光报告基因，这些报告基因被用于研究上皮对传输效应、屏障效应和增殖的调节。这些研究通常通过对离体组织进行组织学分析来验证。然而，这种方法有很多局限性，包括其仅在有限的时间点提供静态信息。相比而言，实时活体显微镜已经被开发用来跟踪先天宿主环境中细胞随时间的运动。特别地，共聚焦显微镜已成为一种上皮光学成像的有效方法。共聚焦显微镜允许进行切片，切片可以穿透到组织内数百微米，这意味着具有适当尺寸和几何形状的仪器可以重复用于监测上皮过程。遗憾的是，常规的共聚焦显微镜设备大且笨重，并且需要大范围的外科手术暴露，这可能会引起显著的创伤。迄今为止，用于研究上皮中细胞行为的共聚焦技术一直受到缺乏可以容易地操纵并准确定位以可视化个体细胞的仪器的限制。通常，共聚焦显微内镜检查使用柔性光纤以最小化侵入性。当前的共聚焦仪器使用仅在水平平面中采集图像的前视光学器件。因为需要与组织牢固接触才能耦合光，所以这种方向限制了其在多种应用中的可用性，包括在检查小动物的上皮时。希望有一种能够以更准确和更灵活的方式检查上皮的改进的共聚焦显微镜仪器。
技术实现思路
本申请描述一种手持式光学设备，其可以用作用于实时三维(3D)光学成像的显微镜系统。更具体地，本申请描述具有侧视光学器件的共聚焦显微内镜，所述侧视光学器件允许将显微内镜精确地定位以对组织进行成像。配置有侧视光学器件的共聚焦显微内镜可以从显微内镜侧面照亮血管，而不是通过在常规设备情况下的端视。结果是可以使用侧面照明成像束对组织成像。此外，由组织中的生物目标产生的荧光也通过侧视来采集。所述侧视配置提供了更小的设计，而没有可能伴随前视显微内镜的对组织进入或组织成像的限制。作为这种组合的侧面照明和侧视的结果，本技术首次提供了对小动物上皮中体内个体细胞的精确可视化，包括例如表达荧光团tdTomato的细胞。而且，具有侧视光学器件的共聚焦显微内镜可以在受检者的更狭窄、更有限的管腔中成像，该管腔迄今为止通过显微内镜成像无法进入。例如，上皮细胞在垂直平面内迁移和分化；并且根据本文教导的侧视共聚焦显微内镜能够在垂直方向上执行光学切片，以通过从显微内镜的侧视照亮并检查组织来研究细胞功能。在示例性实施例中，一种共聚焦显微内镜使用具有侧视光学器件的小型、快速的3轴扫描仪来采集水平或垂直平面中的荧光图像，以使例如体内的个体细胞可视化。根据一实例，一种光学探针扫描组件包括：壳体，其具有被配置为接收光纤束源的近端和用于定位在样本处的远端，所述壳体具有沿从近端到远端延伸的纵向轴线延伸的长度；光学聚焦组件，其被配置为沿轴向光束路径聚焦来自光纤束源的输出光束；以及反射镜扫描组件，其位于物镜后位置处的光学聚焦组件的下游，所述反射镜组件相对于轴向光束路径成一定角度定位，从而使输出光束偏转到横向轴线以从壳体的侧面发射输出光束，反射镜组件被进一步配置为沿第一轴线和第二轴线旋转以沿横向平面扫描输出光束，并且被配置为在第一轴线和第二轴线的平面外平移以沿倾斜平面扫描输出光束。附图说明为了更完整地理解本公开，应当参考以下详细描述和附图，其中，相同的附图标记表示图中的相同元件，并且其中：图1示出根据一实例的示例性光学探针扫描系统的示意图。图2A是根据一实例的经由SMF传递且在轴线上穿过用于聚焦的透镜L2-L3的激发光束的示意图。3轴反射镜M2位于物镜后位置，并以90°反射光束。图2B是示出在一实例中当(图2A的)M2围绕X轴和Y轴旋转时焦点横向移动的示意图。图2C是示出在一实例中当M2在Z轴上平移时焦点沿倾斜平面同时在轴向和横向上移动的示意图。图2D至图2F示出了当M2在Z轴上位于+105μm、0μm和-105μm时光线轨迹模拟分别产生1.51μm、1.12μm和1.53μm的光斑大小。焦点轴向移动到+90μm、0μm和-110μm(200μm)的深度，且横向移动到-101μm、0μm和112μm(213μm)处，从而导致在倾斜平面上292μm的总位移。图2G是根据多个实例的通过像M2的反射镜的不同位置线性移动，焦点的横向和Z轴变化的示意图。图2H是表示光线轨迹模拟的图示，其显示出水平平面中的预期视场(FOV)为700×600μm2，同时X和Y轴的镜面偏转分别为±10°和±8°。图2I是在600×213μm2的水平平面上的倾斜投影的图示，其中在X轴上的横向镜面偏转为±8°并结合了在Z轴上±100μm的轴向位移。图3A示出根据一实例的光线轨迹模拟，其示出了当M2轴向平移时，入射光束在反射器表面上跨越的椭圆区域，其长轴和短轴分别为1800μm和1200μm。图3B是根据一实例的附接到由静电梳状驱动致动器驱动的万向架框架的反射器的图示。如图3C至图3E的示意图所示，根据一实例，图3B的万向架联接至内部(图3C)和外部(图3D)多梁扭转弹簧并分别围绕X轴和Y轴旋转。如图3E所示，根据一实例，图3B的万向架还联接至U形悬挂件，该U形悬挂件用作杠杆以使反射器在Z轴上向平面外移位。图3F是示出根据一实例的用于机械支撑和电连接的芯片上的扫描仪的照片。图3G示出根据一实例的附接到保持器的芯片(厚度为550μm)。根据一实例，芯片的上下边缘(箭头)显示出预期有100μm的间隙以使内径(ID)为3.8mm的不锈钢管穿过。图3H示出根据一实例的图3G的芯片的横向尺寸。图3I示出根据一实例的光学探针扫描组件。图3J示出根据一实例图3的光学探针扫描组件被封装为4.2mm直径的侧视显微内镜，其中L4的平坦表面可以被放置成与组织接触以进行成像。图4A至4C是3轴扫描仪的性能曲线图。对于所示的曲线图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学探针扫描组件，其包括：/n壳体，其具有被配置为接收光纤束源的近端和用于定位在样本处的远端，所述壳体具有沿从所述近端到所述远端延伸的纵向轴线延伸的长度；/n光学聚焦组件，其被配置为沿轴向光束路径聚焦来自所述光纤束源的输出光束；以及/n反射镜扫描组件，其位于物镜后位置处的所述光学聚焦组件的下游，所述反射镜组件相对于所述轴向光束路径成一定角度定位，从而使所述输出光束偏转到横向轴线以从所述壳体的侧面发射所述输出光束，所述反射镜组件被进一步配置为沿第一轴线和第二轴线旋转以沿横向平面扫描所述输出光束，并且被配置为在所述第一轴线和所述第二轴线的平面外平移以沿倾斜平面扫描所述输出光束。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170724 US 62/536,2851.一种光学探针扫描组件，其包括：
壳体，其具有被配置为接收光纤束源的近端和用于定位在样本处的远端，所述壳体具有沿从所述近端到所述远端延伸的纵向轴线延伸的长度；
光学聚焦组件，其被配置为沿轴向光束路径聚焦来自所述光纤束源的输出光束；以及
反射镜扫描组件，其位于物镜后位置处的所述光学聚焦组件的下游，所述反射镜组件相对于所述轴向光束路径成一定角度定位，从而使所述输出光束偏转到横向轴线以从所述壳体的侧面发射所述输出光束，所述反射镜组件被进一步配置为沿第一轴线和第二轴线旋转以沿横向平面扫描所述输出光束，并且被配置为在所述第一轴线和所述第二轴线的平面外平移以沿倾斜平面扫描所述输出光束。


2.根据权利要求1所述的扫描组件，其中所述反射镜扫描组件包括反射器和万向架组件，所述万向架组件连接至所述反射器并且被配置为围绕一个或多个轴线可控制地旋转所述反射器，以沿所述横向平面扫描所述输出光束。


3.根据权利要求2所述的扫描组件，其中所述万向架组件被配置为围绕两个正交轴线可控制地旋转所述反射器，以沿所述横向平面扫描所述输出光束。


4.根据权利要求2所述的扫描组件，其中所述反射镜扫描组件包括一个或多个悬挂件，所述一个或多个悬挂件联接至所述反射器并且被配置为可控制地使所述反射器沿所述横向平面移位。


5.根据权利要求2所述的扫描组件，其中所述反射镜扫描组件包括一个或多个悬挂件，所述一个或多个悬挂件联接至所述反射器并且被配置为可控制地使所述反射器从所述横向平面向平面外移位。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·D·王，段西雨，李海军，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US