一种基于相干探测的多光子超深度组织成像设备及其检测成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相干探测的多光子超深度组织成像设备及其检测成像方法，其将多光子成像技术与光学相干层析成像技术相结合，实现对被测样本的超深度、高分子特异性成像；设备包括超短脉冲飞秒激光光源、光调制单元、光学相干显微单元，其中光调制单元调制输入激光生成连续谱激光，光学相干显微单元用于对生物样本进行相干探测，系统可以同时探测组织的OCT和SH

【技术实现步骤摘要】
一种基于相干探测的多光子超深度组织成像设备及其检测成像方法


[0001]本专利技术属于光学显微成像
，具体涉及一种基于相干探测的多光子超深度组织成像设备及其检测成像方法。

技术介绍

[0002]生物组织的大深度成像能帮助我们更全面地检测组织的各种病理变化。例如，在人体皮肤中，表皮层底部细胞的功能失调是产生黑色素瘤、基底细胞癌、鳞状细胞癌等皮肤癌的主要原因，这些细胞会在癌症第二阶段渗透到皮肤更深的真皮层，最后到达皮下脂肪。研究表明，如果在早期阶段发现癌症并及时治疗，那么存活率可以达到97％。对皮肤表皮层和真皮层的高分辨成像，有助于早期发现和实时监控癌细胞的转移，结合及时的医学治疗，能够有效降低皮肤癌的死亡率。然而，常规二次谐波成像在组织散射等因素的影响下成像深度只能达到表皮层，扩展二次谐波的成像深度对监控和治疗皮肤癌等疾病有重大意义。
[0003]光学相干层析成像(OCT)通过探测生物组织内部不同深度的后向散射或反射的光信号和参考光产生的干涉信号，获得样品内部微观结构的层析图像，可以实现微米量级分辨率和毫米量级成像深度的在体成像，在生物医学领域发挥重要作用。由于光学相干层析成像的对比度来源于生物折射率的变化，但由于不同病理状态下由细胞代谢引起的折射率变化不大，因此该成像方式缺乏对分子的特异性识别能力。

技术实现思路

[0004]鉴于上述，本专利技术提出了一种基于相干探测的多光子组织超深度成像设备及其检测成像方法，其将多光子显微技术与光学相干显微技术相结合，实现对组织样本的超深度成像与定量表征。
[0005]本专利技术采用以下技术方案实现：
[0006]一种基于相干探测的多光子超深度组织成像设备，包括飞秒激光光源、光调制单元、光学相干显微单元以及计算机，其中：
[0007]所述飞秒激光光源利用钛蓝宝石激光器产生超短脉冲飞秒激光；
[0008]所述光调制单元对超短脉冲飞秒激光进行调制，进而将调制后的激光送入光学相干显微单元；
[0009]所述光学相干显微单元利用输入的调制光对生物样本进行二次谐波
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相干探测，获得毫米级大深度的组织图像；
[0010]所述计算机对所得组织图像进行定量分析，获得反映组织病理特征的结构与功能信息。
[0011]上述技术方案中，进一步地，所述光调制单元包括：
[0012]光隔离器，用于限制激光单方向传输，防止激光反向进入激光器对激光器造成损伤；
[0013]起偏器，用于产生特定偏振方向的偏振光；
[0014]半波片，用于调整偏振光的偏振方向；
[0015]透镜L1，用于将调整偏振方向后的激光耦合进单模光纤；
[0016]单模光纤，用于扩展激光的光谱宽度，产生连续谱激光；
[0017]透镜L2，用于将连续谱激光扩束为具有适配光斑尺寸的激光。
[0018]更进一步的，所述单模光纤产生的连续谱激光的脉冲光谱宽度为45nm。
[0019]进一步地，所述光学相干显微单元包括分光镜、二维扫描振镜、透镜L3、二向色分束器、滤光片、彩色滤光片、反射镜、二向色镜、四分之一波片、棱镜对色散补偿器、非线性晶体、OCT光谱仪以及SH
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OCT光谱仪，其中：所述分光镜用于将输入的调制光分成两路相同的激光，其中一路依次经非线性晶体、棱镜对色散补偿器、四分之一波片打到二向色镜上并原路返回，另一路经二维扫描振镜和透镜L3打到生物样本上并原路返回，进而分光镜将两路返回的激光进行合成，合成光束经二向色分束器再分成两路激光，其中一路经滤光片送入OCT光谱仪，另一路经彩色滤光片送入SH
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OCT光谱仪；所述OCT和SH
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OCT光谱仪将输入光的光谱转换成电信号后送至计算机。
[0020]进一步地，所述非线性晶体用以产生二次谐波，经过非线性晶体的激光通过二向色镜反射作为干涉的参考光与经过生物样本的激光发生干涉，所述棱镜对色散补偿器由棱镜对对插组成，用于补偿色散。
[0021]进一步地，所述光学相干显微单元采用的是频域光学相干显微系统。
[0022]进一步地，所述超短脉冲飞秒激光的中心波长800nm，相干长度5nm。
[0023]上述基于相干探测的多光子超深度组织成像设备的检测成像方法的检测成像方法，通过SH
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OCT光谱仪获取组织特定结构的超深层图像，通过OCT光谱仪获取该结构周围微环境信息，用以全面地检测组织样本的病理变化，所述方法包括如下步骤：
[0024](1)超短脉冲飞秒激光光源发射的激光经过光调制单元和光学相干显微单元，获得被测组织样本某点的强度信息；
[0025](2)通过二维扫描振镜对被测组织样本进行二维扫描，从而获取组织的三维信息；
[0026](3)采用图像分析方法对组织结构与功能进行定量表征，用以定量地评价组织样本的病理特征。
[0027]本专利技术的专利技术原理为：
[0028]多光子成像技术(MPM)是一种新型的非线性光学成像技术，该技术以飞秒激光作为光源，基于生物组织在光源作用下受激产生的荧光和二次谐波等非线性光学效应，具有高分辨率、大成像深度、低细胞损伤和可实现三维成像等特点。
[0029]二次谐波成像技术(SHG)作为多光子成像技术的一种，利用生物组织中非中心对称物质的非线性光学效应，能对样品进行高分辨率成像。二次谐波成像可以直接成像各向异性的生物结构，例如膜、结构蛋白和微管集合等，还被用于研究组织的生理动力学，例如监测小鼠生长的肿瘤中胶原蛋白的修饰、记录神经元细胞中动作电位的变化等，二次谐波成像逐渐成为一种用于生物医学研究的强大成像手段。
[0030]二次谐波信号强度取决于激发光功率的平方，高数值孔径的显微物镜可以增强谐波转换效率。然而，在诸如皮肤等高散射组织样品中，散射降低了二次谐波信号的空间限制；同时，非聚焦区域对二次谐波信号有显著贡献。这些因素降低了二次谐波的成像分辨
率，并限制了常规二次谐波成像的成像深度。
[0031]本专利技术方法创造性地将二次谐波成像技术(SHG)与光学相干层析成像(OCT)结合，可以将二次谐波成像的样品结构敏感性与光学相干层析成像的超深度探测特性相结合，兼具了二次谐波成像与光学相干层析成像的优点，可以在无需高数值孔径严格要求的情况下进行组织超深度成像，极大地扩展了二次谐波成像的成像深度，结合图像分析方法对组织结构进行定量表征，有助于对皮肤癌等疾病的诊断。
[0032]本专利技术与现有技术方案相比，具有如下优点：
[0033]1.本专利技术通过多光子成像技术对生物样本进行探测，同时引入频域相干探测技术实现微弱信号沿轴向分布的同步探测，有望极大地提高成像速度。
[0034]2.频域相干探测的引入，极大扩展了对组织样本成像的深度，获取组织的大深度微环境信息有助于监控疾病的病理变化过程。
[0035]3.多光子成像技术的引入，增强了成像的分子特异性识别能力，能直接成像各向异性的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相干探测的多光子超深度组织成像设备，其特征在于，包括飞秒激光光源、光调制单元、光学相干显微单元以及计算机，其中：所述飞秒激光光源利用钛蓝宝石激光器产生超短脉冲飞秒激光；所述光调制单元对超短脉冲飞秒激光进行调制，进而将调制后的激光送入光学相干显微单元；所述光学相干显微单元利用输入的调制光对生物样本进行二次谐波
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相干探测，获得毫米级大深度的组织图像；所述计算机对所得组织图像进行定量分析，获得反映组织病理特征的结构与功能信息。2.根据权利要求1所述的基于相干探测的多光子超深度组织成像设备，其特征在于：所述光调制单元包括：光隔离器，用于限制激光单方向传输，防止激光反向进入激光器对激光器造成损伤；起偏器，用于产生特定偏振方向的偏振光；半波片，用于调整偏振光的偏振方向；透镜L1，用于将调整偏振方向后的激光耦合进单模光纤；单模光纤，用于扩展激光的光谱宽度，产生连续谱激光；透镜L2，用于将连续谱激光扩束为具有适配光斑尺寸的激光。3.根据权利要求2所述的基于相干探测的多光子超深度组织成像设备，其特征在于：所述单模光纤产生的连续谱激光的脉冲光谱宽度为45nm。4.根据权利要求1所述的基于相干探测的多光子超深度组织成像设备，其特征在于：所述光学相干显微单元包括分光镜、二维扫描振镜、透镜L3、二向色分束器、滤光片、彩色滤光片、反射镜、二向色镜、四分之一波片、棱镜对色散补偿器、非线性晶体、OCT光谱仪以及SH
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OCT...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘智毅，蒋慎益，孟佳，钱书豪，周凌熙，丁志华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：