微型化多光子显微系统及其探头和控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种微型化多光子显微系统及其探头和控制方法，该探头包括：变焦器件；扫描仪；光学系统，光学系统位于变焦器件和扫描仪之间，光学系统的设置使变焦器件的实际变焦位置与扫描仪的位置重合，或使实际变焦位置处于变焦器件的位置和扫描仪的位置之间，从而避免了变焦位置与扫描仪的位置之间存在间隔所引起的数值孔径压缩和光焦度与对焦位置对应关系非线性的问题。

【技术实现步骤摘要】
微型化多光子显微系统及其探头和控制方法
本申请涉及多光子成像
，特别是涉及一种微型化多光子显微系统及其探头和控制方法。
技术介绍
目前，大多数细胞生物学主要在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：仅研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。换句话说，必须要求神经元处在其正常生存的大脑环境中才能使其正常运转。然而，大脑是一个高度复杂的器官。使用包括共聚焦显微镜在内的传统的荧光显微系统，由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，无法穿透如此深的组织进行成像。而多光子显微系统特有的非线性光学特性，以及其工作波长处在红外区域等特点，使得多光子成像技术具有更好的光学切片能力和更深的穿透深度。因此，多光子显微系统成为大脑内无创神经成像的首选技术。为了使待观测动物在自由活动的时候直接对其神经元进行成像，科学家开始研发微型化多光子显微系统，使多光子显微系统可以直接固定在自由活动的动物身上，让动物“带着显微系统运动”。但是，现有的微型化多光子显微系统只能对确定工作距离(成像深度)的像面进行成像。如何实现对不同工作距离(成像深度)的像面进行成像，是目前神经成像领域亟待解决的问题。
技术实现思路
第一方面，提供一种微型化多光子显微系统的探头，包括：变焦器件，用于对待观测样本的内部组织进行轴向的激光扫描；扫描仪，用于对所述内部组织进行平面激光扫描；光学系统，位于所述变焦器件和所述扫描仪之间，所述光学系统的设置使所述变焦器件的实际变焦位置与所述扫描仪的位置重合，或使所述实际变焦位置处于所述变焦器件的位置和所述扫描仪的位置之间。第二方面，提供一种微型化多光子显微系统，包括上述微型化多光子显微系统的探头。第三方面，提供一种微型化多光子显微系统的控制方法：控制变焦器件，以对待观测样本的内部组织进行轴向的激光扫描；控制扫描仪，以对所述内部组织进行平面激光扫描；控制所述变焦器件的实际变焦位置，使得所述变焦器件的实际变焦位置与所述扫描仪的位置重合，或使所述实际变焦位置处于所述变焦器件的位置和所述扫描仪的位置之间。本申请的实施例在变焦器件和扫描仪之间设置光学系统，该光学系统的设置使变焦器件的实际变焦位置与扫描仪的位置重合，或使实际变焦位置处于变焦器件的位置和扫描仪的位置之间。实现微型化多光子显微系统对不同工作距离(成像深度)的像面进行成像的前提下，避免了变焦位置与扫描仪的位置之间存在间隔所引起的数值孔径压缩和光焦度与对焦位置对应关系非线性的问题。附图说明图1是现有微型化多光子显微系统示意图。图2是一种可变焦微型化多光子显微系统的局部示意图。图3是本申请提供的一种可变焦的微型化多光子显微系统实施例示意图。图4是本申请提供的一种可变焦的微型化多光子显微系统中的光学系统实施例示意图。图5是将本申请实施例提供的一种微型化多光子显微系统固定在小鼠头部的示意图。图6是本申请实施例提供的一种微型化多光子显微系统固定在可自由活动的小鼠头部的示意图及其观测结果图。图7是对小鼠头部同一位置进行为期一个月的观察的神经元变化图。图8是小鼠在三种不同情况下的活动轨迹图及其运动距离和运动速度的对比图。图9是本申请提供的一种微型化多光子显微系统控制方法实施例示意图。具体实施方式多光子成像技术具有更好的光学切片能力和更深的穿透深度，因此，微型化多光子显微系统广泛应用于对大脑神经元的观察。为便于理解，下面结合图1，对现有微型化多光子显微系统进行举例说明。光线传播路径如图1中灰色部分所示。光线导入装置1用于接收光源输出的光线并导入到微型化多光子显微系统的探头内。可选地，导入的光线可以是激光，例如中心波长为800nm、920nm、1030nm的激光。准直器2用于准直来自光线导入装置1的光线，减少不同频率光线之间的色差，以提高传输效率和激发效率。扫描仪4通过改变光线入射角角度，对动物活体样本内部的组织平面进行二维平面扫描。其中平面扫描指的是在活体样本内部组织某一固定深度的XY平面进行扫描。可选地，扫描仪4可采用微机电扫描仪(MEMS)。MEMS可高速、均匀地进行扫描，且具有大扫描角和大视野。扫描透镜6设置在扫描仪4和物镜10之间的光路上，用于将扫描仪4二维扫描所产生的角度变化的光线转化成位置变化的光线。物镜10用于将导入的光线汇聚到待观测样本内部，从而激发活体样本产生荧光信号。物镜10还用于输出荧光信号。双色镜9设置在物镜10和采集透镜8之间的光路上，用于将激光和荧光信号分开以及输出荧光信号。采集透镜8用于有效收集透过双色镜9的荧光信号。荧光信号输出装置7用于接受通过采集透镜8的荧光信号，并输出荧光信号。可选地，荧光信号输出装置7可以为一种柔性光纤束(SFB)，SFB内各玻璃光纤保持松散状态，以便于由自由活动的活体样本携带，进而最小化活体样本运动引起的扭矩和张力，且不降低荧光信号的收集效率。上文所述的现有微型化多光子显微系统只能对确定工作距离(成像深度)的像面进行成像。如何实现对不同工作距离(成像深度)的像面进行成像，是目前神经成像领域亟待解决的问题。图2展示了一种可变焦的微型化多光子显微系统的实现方式：通过在准直器2和扫描仪4中间设置变焦器件3，使得微型化多光子显微系统实现在Z轴(光轴方向)上的变焦(比如电控对焦调节)，从而对待观测样本的内部组织进行轴向的扫描，进而实现对不同工作距离(成像深度)的像面进行成像。其中轴向的扫描指的是在待观测样本内部组织的Z轴方向上不同位置的扫描。但是，可变焦的微型化多光子显微系统的变焦性能并不理想，原因如下。在理想情况下，经过变焦器件3的光线的变焦位置应与扫描仪4的位置重合，以达到最佳的变焦性能。受限于变焦器件3自身的封装体积，且变焦器件3实际安装在准直器2和扫描仪4之间，因此实际光线产生变焦的位置与扫描仪4的位置会存在一定间距Δ。而该间距Δ会带来两方面负面影响：其一，由于变焦过程中成像的数值孔径会随着变焦量的变化而变化，所以当变焦器件3引入正光焦度时，成像的数值孔径会相应的压缩，进而造成分辨率下降。随着间距Δ的增加，数值孔径的压缩会越来越严重。其二，若实际光线变焦位置与扫描仪4所在位置重合，变焦器件3的光焦度与工作距离(成像深度)是线性的对应关系。但当存在间距Δ时，该对应关系转为非线性对应关系，即不同区间的等量光焦度变化会带来不同的工作距离变化。因此，为了在成像时精确控制对焦位置，变焦器件3的光焦度参数需要进行非线性标定，以得到对应的位置关系，这增加了对焦过程的复杂性。针对上述问题，本申请提供一种微型化多光子显微系统。作为一种实现方式，如图3所示，设置光学系统5。光学系统5将原本距离扫描仪4较远的变焦器件3的原始变焦位置转换到扫描仪4附近的实际变焦位置处，从而减小上述间距Δ，进而减小变焦所引起的数值孔径压缩和光焦度与对焦位置对应关系非线性的问题。需要说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型化多光子显微系统的探头，其特征在于，包括：/n变焦器件，用于对待观测样本的内部组织进行轴向的扫描；/n扫描仪，用于对所述内部组织进行平面扫描；/n光学系统，位于所述变焦器件和所述扫描仪之间，所述光学系统的设置使所述变焦器件的实际变焦位置与所述扫描仪的位置重合，或使所述实际变焦位置处于所述变焦器件的位置和所述扫描仪的位置之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型化多光子显微系统的探头，其特征在于，包括：
变焦器件，用于对待观测样本的内部组织进行轴向的扫描；
扫描仪，用于对所述内部组织进行平面扫描；
光学系统，位于所述变焦器件和所述扫描仪之间，所述光学系统的设置使所述变焦器件的实际变焦位置与所述扫描仪的位置重合，或使所述实际变焦位置处于所述变焦器件的位置和所述扫描仪的位置之间。


2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述光学系统包括焦距相同的第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜位于所述变焦器件和所述第二透镜之间，所述第二透镜位于所述第一透镜和所述扫描仪之间，所述第一透镜和所述第二透镜形成4f系统。


3.根据权利要求2所述的探头，其特征在于：
所述变焦器件的原始变焦位置到所述第一透镜的距离等于所述第一透镜的焦距。


4.根据权利要求2所述的探头，其特征在于：
所述变焦器件的原始变焦位置到所述第一透镜的距离小于所述第一透镜的焦距。


5.根据权利要求1～4中的任一所述探头，其特征在于：
所述变焦器件为液体变焦透镜。


6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴润龙，程和平，王爱民，陈良怡，吴丹磊，胡炎辉，宗伟健，
申请(专利权)人：南京超维景生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32