一种微型变焦活体脑成像系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种微型变焦活体脑成像系统。包括微型显微镜、植入透镜和对焦底座；植入透镜通过手术植入实验动物脑部的靶点区域，对焦底座固定于实验动物头部表面，植入透镜和对焦底座之间安装，对焦底座能安装在植入透镜上或者从植入透镜上拆卸取下，微型显微镜安装在对焦底座上或从对焦底座上拆卸取下，微型显微镜通过对焦底座配合安装到植入透镜并进行对焦调整。本实用新型专利技术能在任意时间、实验动物任意生理状态下拆装于对焦底座，可让实验动物长时间佩戴，并在多种生理活动情况下对其进行活体脑内成像。

【技术实现步骤摘要】
一种微型变焦活体脑成像系统
本技术涉及了一种荧光显微成像的方法和系统，更具体地，涉及一种微型变焦活体脑成像系统。
技术介绍
目前所研究的神经科学的核心问题之一，是探究生物体内的神经活动是如何创造不同的大脑功能以及由这些功能所产生的行为。所以必须在生物体的行为过程中记录神经活动，以此确定神经活动和生物行为过程的因果关系。在基础医学领域，研究者们一般使用小鼠、大鼠等模式动物，结合一系列的成像技术。现阶段基础医学研究中常用的成像手段为组织切片显微荧光成像技术，即对死亡生物样本固定切片后在宽场荧光显微镜或荧光共聚焦显微镜下得到成像结果。但是此种成像方式只能观测到生物体死亡后的样本，无法展现生物体活体状态下的生理状态。而在活体成像上，一些常用的成像手段包括小动物CT成像，MRI成像以及双光子成像，虽然相比之下能够对活体动物进行成像，但因成像原理的限制，其分辨率和成像色彩上受限较大，且仅能在生物体麻醉状态下进行成像而非自由活动状态下进行成像。如今一般应用于活体脑成像的手段主要就是钙指示剂结合荧光显微成像技术。细胞动作电位频率变化可以通过钙离子浓度变化表现出来，那么结合钙指示剂产生荧光蛋白并激发产生荧光后，就可以收集这些荧光信号实现成像。然而一般来说，荧光显微镜体积巨大，很难跟随活体动物在自由活动的状态下实时成像；也有一些使用光纤入侵式的传输方式进行荧光激发和收集，但是存在收集视场小，点位固定，分辨率低，信噪比低的缺点；另外有可穿戴的微型的双光子或宽场荧光显微镜，虽然能够实现很好的成像效果，但一方面能够聚焦的深度不深，且无法在一定范围内控制改变聚焦位置，另一方面由于设计原因也有使用不灵活，操作繁琐复杂等缺点。所以现阶段急需一种使用方便的微型变焦活体脑成像系统，在实验动物自由活动时进行实时的荧光显微成像，同时能够在一定范围内自由地控制聚焦深度，满足多层扫描成像的实验结果要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足和目前生物研究的使用需求，为了解决
技术介绍
中存在的现有技术缺失问题，本技术提供了一种微型变焦活体脑成像系统，可以长时间穿戴于实验动物头部，能够在实验动物自由活动状态下实现实时的荧光显微成像，同时能通过变焦透镜实现多层扫描成像，成像深度深，分辨率高，易操作安装。本技术的技术方案如下：本技术脑成像系统包括微型显微镜、植入透镜和对焦底座；植入透镜通过手术植入实验动物脑部的靶点区域，对焦底座固定于实验动物头部表面，植入透镜和对焦底座之间安装，对焦底座能安装在植入透镜上或者从植入透镜上拆卸取下，微型显微镜安装在对焦底座上或从对焦底座上拆卸取下，微型显微镜通过对焦底座配合安装到植入透镜并进行对焦调整。本技术将脑成像系统分为微型显微镜、植入透镜和对焦底座，使得在对小鼠等对象的实验对象进行活体脑成像实验时能方便地拆装适应并完成各种实验场景和需求下的成像检测，降低了成像系统的使用频率和成本。本技术脑成像系统能够长时间穿戴于实验动物头部，对实验动物脑内靶点区域进行成像。所述微型显微镜的内部光学系统包括LED光源、鼓形透镜、激发滤光片、二向色镜、变焦透镜、自聚焦微型物镜、自聚焦透镜、发射滤光片和相机；LED光源发出的激发光分别经过鼓形透镜，激发滤光片后入射到二向色镜发生反射，二向色镜反射的输出光依次经变焦透镜、自聚焦微型物镜后入射到植入透镜，通过植入透镜聚焦在实验动物脑内的靶点，使神经发出荧光，形成激发光光路；荧光透过植入透镜后原路返回到二向色镜，返回时分别经过自聚焦微型物镜、变焦透镜后入射回到二向色镜发生透折射，二向色镜透折射的输出光再经发射滤光片成像在相机上收集，形成收集光光路；所述植入透镜包括自聚焦透镜、陶瓷插芯、橡胶裙套；自聚焦透镜的上端与橡胶裙套连接，下端插入陶瓷插芯中，陶瓷插芯轴向长度短于自聚焦透镜轴向长度，通过手术将陶瓷插芯与橡胶裙套一并植入实验动物脑部，自聚焦透镜下端穿过橡胶裙套插装入陶瓷插芯的内孔中。所述微型显微镜通过变焦透镜改变聚焦深度进行多层扫描成像，同时补偿微型显微镜拆装下带来的自聚焦微型物镜和自聚焦透镜光路重新耦合的对焦误差。所述变焦透镜被放置在荧光显微成像光路的激发光光路和收集光光路的公共光路上，即二向色镜之后，激发光光路和收集光光路均会经过变焦透镜；变焦透镜通过连接主控板且被主控板进行电压控制以改变焦距，使得激发光光路与收集光光路满足共焦共轭关系，在激发光光路对不同聚焦深度进行激发时，收集光光路也能在同样激发位置进行荧光成像。当需要对自聚焦透镜植入位置工作距离处上下范围内某一点进行聚焦激发时，只需要通过计算机控制调节控制电压，改变变焦透镜焦距。在收集成像时根据光路可逆原理，这一变焦焦距也能刚好令激发位置的荧光在相机的成像位置上。所述微型显微镜的外部壳体结构由光学元器件外壳和盖板构成，光学元器件外壳用于对光学系统中的光学元器件进行位置排布与结构固定，盖板用于与光学元器件外壳配合固定元器件，同时为微型显微镜的光学系统创造不受外界杂散光干扰的光路环境，光学元器件外壳和盖板二者通过螺钉紧固方式固定。这一分离式设计也使得微型显微镜中的光学元器件能够根据不同的应用场景，简单的取出并进行更换。所述LED光源、相机和变焦透镜均连接主控板，且由主控板控制。主控板是系统控制电路的集成电路，通过控制元器件控制系统的光强，视场，频率，聚焦深度等动态参数。主控板与元件之间通过导线连接，主控板通过长电缆连接到计算机，能够通过计算机给主控板下达指令控制元器件，相机收集到的图像也通过主控板传输到计算机中，并根据系统实现的多层成像结果，通过计算机进行图像拼接与重构。所述对焦底座用于微型显微镜中的自聚焦微型物镜和植入透镜中的自聚焦透镜进行配合与对焦调整。所述植入透镜的橡胶裙套插入对焦底座底部调节距离并固定，对焦底座通过牙科水泥被固定在实验动物头部表面，对焦底座顶部有配合孔，配合孔里面埋有圆柱形小磁柱，微型显微镜底部设有磁性材料，圆柱形小磁柱和磁性材料配合相吸使得对焦底座顶部与微型显微镜底部之间通过磁吸方式配合连接，从而实现微型显微镜的快速安装与拆卸；对焦底座中间有一贯通孔，在配合状态下，自聚焦微型物镜和植入透镜的自聚焦透镜均能同轴插入贯通孔中实现进行对准和对焦。本技术的微型显微镜可在任意时间，实验动物任意生理状态下固定于所述对焦底座，或从其上取下。这样结构下能让实验动物长时间佩戴，并在多种生理活动情况下对其进行活体脑内成像。总的来说，本技术提出的技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本技术的微型变焦活体脑成像光路提供了可通过计算机控制的变焦透镜，能够在成像过程中改变激发光的聚焦深度，激发脑内一定范围内不同深度的荧光，同时对被激发的荧光进行收集成像，从而实现多层扫描成像并传输图像进行图像重构。(2)本技术设计了自聚焦微型物镜与自聚焦透镜分离式的物镜结构方案，更细更长的自聚焦透镜减小了对动物活体组织的损伤，让成像结果更接近于无损情况，也能到达更深的组织位置，提供更好的光学分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：脑成像系统包括微型显微镜(1)、植入透镜(2)和对焦底座(3)；植入透镜(2)通过手术植入实验动物脑部的靶点区域，对焦底座(3)固定于实验动物头部表面，植入透镜(2)和对焦底座(3)之间安装，对焦底座(3)能安装在植入透镜(2)上或者从植入透镜(2)上拆卸取下，微型显微镜(1)安装在对焦底座(3)上或从对焦底座(3)上拆卸取下，微型显微镜(1)通过对焦底座(3)配合安装到植入透镜(2)并进行对焦调整。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：脑成像系统包括微型显微镜(1)、植入透镜(2)和对焦底座(3)；植入透镜(2)通过手术植入实验动物脑部的靶点区域，对焦底座(3)固定于实验动物头部表面，植入透镜(2)和对焦底座(3)之间安装，对焦底座(3)能安装在植入透镜(2)上或者从植入透镜(2)上拆卸取下，微型显微镜(1)安装在对焦底座(3)上或从对焦底座(3)上拆卸取下，微型显微镜(1)通过对焦底座(3)配合安装到植入透镜(2)并进行对焦调整。


2.根据权利要求1所述的一种微型变焦活体脑成像系统，其特征在于：
所述微型显微镜(1)的内部光学系统包括LED光源(4)、鼓形透镜(5)、激发滤光片(6)、二向色镜(7)、变焦透镜(8)、自聚焦微型物镜(9)、自聚焦透镜(10)、发射滤光片(11)和相机(12)；LED光源(4)发出的激发光分别经过鼓形透镜(5)，激发滤光片(6)后入射到二向色镜(7)发生反射，二向色镜(7)反射的输出光依次经变焦透镜(8)、自聚焦微型物镜(9)后入射到植入透镜(2)，通过植入透镜(2)聚焦在实验动物脑内的靶点，使神经发出荧光，形成激发光光路；荧光透过植入透镜(2)后原路返回到二向色镜(7)，返回时分别经过自聚焦微型物镜(9)、变焦透镜(8)后入射回到二向色镜(7)发生透折射，二向色镜(7)透折射的输出光再经发射滤光片(11)成像在相机(12)上收集，形成收集光光路；所述植入透镜(2)包括自聚焦透镜(10)、陶瓷插芯(18)、橡胶裙套(17)；自聚焦透镜(10)的上端与橡胶裙套(17)连接，下端插入陶瓷插芯(18)中，陶瓷插芯(18)轴向长度短于自聚焦透镜(10)轴向长度，通过手术将陶瓷插芯(18)与橡胶裙套(17)一并植入...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科，龚薇，武泽楠，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33