一种双通道光学成像系统

1.本发明涉及光学成像系统技术领域，特别是涉及一种双通道光学成像系统。


背景技术：

2.目前，对活体动物模型进行光学成像已经成为生物医学研究中的常用手段，它利用生物组织的自然反射光、标记探针的荧光、荧光素酶的生物发光进行成像，使得研究人员可以实时监控活体生物体内的生理和病理活动。从成像的尺度上看，这类光学系统主要分为对活体动物模型全身成像的小动物活体光学成像系统以及对活体动物模型中局部细胞级分辨率下显微成像的体式显微镜。然而，实验室中常用的小动物活体光学成像系统和体式显微镜都是在可见光波段(400-700nm)进行成像，众所周知，很多生物体都是不透明的，可见光在生物组织内的穿透性很差，因此，可见光波段的光学成像分辨率很差，而且只能局限于活体动物或其创面浅表，这就大大限制了光学成像技术在活体组织内的应用。
3.近红外荧光成像是近年来新兴的一种荧光成像技术，它在近红外波段(800-1700nm)进行成像，由于近红外光的波长长，散射低，在生物组织中的穿透深度更大，因此可以满足哺乳动物活体模型中高分辨率成像的需求，这使得近红外荧光成像成为化学、生物学、医学等领域的研究热点。现在已经有一些能够在近红外波段进行成像的小动物活体成像系统上市，也有几款能够在近红外波段进行成像的体式显微镜实现了产业化。然而，由于近红外波段成像使用的相机与可将光相机的感光芯片根本不同，这就使得现有可见光活体成像与近红外活体成像无法兼容，需要两套设备在不同波段进行成像。另外，小动物活体成像与体式显微镜也无法集成在同一设备中。因此，在一台能够同时实现可见光与近红外光双波段成像，且成像倍率在小动物水平至细胞水平连续可调的光学成像系统将大大降低生物医学研究的设备成本。
4.现有技术公开了一种用于在医疗程序期间对目标成像的光学成像系统。该光学成像系统包括：第一相机，其用于捕获目标的第一图像；第二宽视场相机，其用于捕获目标的第二图像；至少一个路径折叠反射镜，其设置在目标和第二相机的透镜之间的光学路径中；以及用于接收第一图像和第二图像的处理单元，该处理器被配置成：对第一图像和第二宽视场图像中的一个应用图像变换；并且将变换后的图像与图像中的另一个组合以产生目标的立体图像。该专利公开了第一相机、第二相机和反射镜，但是并未公开通过二向色镜将样品光束分为两束光的具体结构，且通过路径折叠反射镜仅能从不同角度获取目标的图像，无法对不同波段的光进行成像。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可以对不同波段进行成像的双通道光学成像系统。
6.为了实现上述目的，现提出的方案如下：
7.一种双通道光学成像系统，包括变焦镜头、反射镜、二向色镜、第一相机和第二相机，其中：
8.样品光束经过所述变焦镜头后，由所述反射镜进入所述二向色镜，所述样品光束被分为第一光束和第二光束，所述第一光束射入所述第一相机进行成像，所述第二光束射入所述第二相机进行成像。
9.可选的，所述样品光束被分为第一光束和第二光束，所述第一光束射入所述第一相机进行成像，所述第二光束射入所述第二相机进行成像，包括：
10.当所述二向色镜为所述长波通二向色镜，所述第一光束为所述近红外光，所述第一相机为所述近红外相机，所述第二光束为可见光，所述第二相机为可见光相机时,所述样品光束经过所述变焦镜头，由所述反射镜进入所述长波通二向色镜，所述样品光束分为所述近红外光和所述可见光，所述近红外光在所述第一相机的所述近红外相机上成像，所述可见光在所述第二相机的所述可见光相机上成像。
11.可选的，所述第一光束射入所述第一相机进行成像，所述第二光束射入所述第二相机进行成像，包括：
12.当所述二向色镜为所述短波通二向色镜，所述第一光束为所述可见光，所述第一相机为所述可见光相机，所述第二光束为近红外光，所述第二相机为近红外相机时，所述样品光束经过所述变焦镜头，由所述反射镜进入所述长波通二向色镜，所述样品光束分为所述近红外光和所述可见光，所述近红外光在所述第一相机的所述近红外相机上成像，所述可见光在所述第二相机的所述可见光相机上成像。
13.可选的，所述第一相机与所述二向色镜之间的距离和第二相机与所述二向色镜之间的距离相等。
14.可选的，所述二向色镜分出的所述第一光束与所述第二光束互相垂直。
15.可选的，还包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片位于所述二向色镜与所述第一相机之间，所述第二滤光片位于所述二向色镜与所述第二相机之间。
16.可选的，所述变焦镜头的数值孔径为0.005～0.101，放大倍率为0.15～7.00，且能够连接4x、5x、10x或20x物镜，将放大倍率进一步提高至65.63，数值孔径提高至0.56。
17.可选的，所述二向色镜的截止波长为800～1000nm。
18.可选的，所述近红外相机感光芯片为ingaas阵列，分辨率为320
×
256或640
×
512，像元尺寸为10μm、15μm或20μm，帧速率大于或等于50hz，响应波长范围为900～1700nm，暗电流小于或等于150e-，读出噪声小于或等于50e-。
19.可选的，所述可见光相机为emccd相机或scmos相机，分辨率为128
×
128～3200
×
3200，像元尺寸为6.5～24μm，帧速率大于或等于18.5hz，响应波长范围为350～1100nm，暗电流小于或等于42e-，读出噪声小于或等于130e-。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.本发明通过使用二向色镜样品光束分成了第一光束和第二光束，并通过第一相机和第二相机对其成像，由于二向色镜会将样品光束分成不同波段的第一光束和第二光束，实现了不同波段的成像，使用时，样品光束经过变焦镜头后，由反射镜进入二向色镜，样品光束被分为第一光束和第二光束，第一光束射入第一相机进行成像，第二光束射入第二相机进行成像，实现了不同波段的成像，无需使用两台设备，节约了研究成本。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的双通道光学成像系统结构示意图；
23.图2是本发明实施例提供的场景一的相机接收850-900nm的荧光信号对样品的脑内血管成像的结果图；
24.图3是本发明实施例提供的场景一的相机接收1100-1700nm的荧光信号对样品的脑内血管成像的结果图；
25.图4是本发明实施例提供的场景二的对样品脑神经显微成像结果图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例一
28.为了实现样品光束在不同波段成像功能，在本发明的一些实施例中，提供了一种双通道光学成像系统,双通道光学成像系统可以包括变焦镜头1、反射镜2、二向色镜3、第一相机5和第二相机7。
29.具体的，二向色镜3可以对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射，样品光束经过变焦镜头1后，可以由反射镜2进入二向色镜3，样品光束被分为第一光束和第二光束，第一光束射入第一相机5进行成像，第二光束射入第二相机7进行成像，在第一相机5和第二相机7上成像的波段可以不同。
30.在上述实施例中，由于本发明使用二向色镜3样品光束分成了第一光束和第二光束，并通过第一相机5和第二相机7对其成像，由于二向色镜会将样品光束分成不同波段的第一光束和第二光束，实现了不同波段的成像，无需使用两台设备，节约了研究成本。
31.进一步的，在本发明的一些实施例中，第一相机5与二向色镜3之间的距离和第二相机7与二向色镜3之间的距离相等。
32.在本发明的一些实施例中，变焦镜头1的数值孔径为0.005～0.101，放大倍率为0.15～7.00，示例如数值孔径可以是0.005、0.008、0.101，放大倍率可以是0.15、5.50、7.00，且能够连接4x、5x、10x或20x物镜，将放大倍率进一步提高至65.63，数值孔径提高至0.56。
33.在本发明的一些实施例中，二向色镜3的截止波长为800～1000nm，示例如截止波长可以是800nm、900nm、1000nm。
34.在本发明的一些实施例中，近红外相机感光芯片为ingaas阵列，分辨率为320
×
256或640
×
512，像元尺寸为10μm、15μm或20μm，帧速率大于或等于50hz，响应波长范围为900～1700nm，示例如响应的波长可以是900nm、1000nm、1700nm，暗电流小于或等于150e-，读出噪声小于或等于50e-。
35.在本发明的一些实施例中，可见光相机为emccd相机或scmos相机，分辨率为128
×
128～3200
×
3200，像元尺寸为6.5～24μm，帧速率大于或等于18.5hz，响应波长范围为350～1100nm，暗电流小于或等于42e-，读出噪声小于或等于130e-，示例如分辨率可以是128
×
128、2400
×
2400、3200
×
3200，像元尺寸可以是6.5μm、18μm、24μm，响应的波长可以是350nm、500nm、1100nm。
36.实施例二
37.本实施例与实施例一的区别在于，在实施例一的基础上，本实施例对双通道光学成像系统作进一步的说明。
38.在本发明的一些实施例中，样品光束被分为第一光束和第二光束，第一光束射入第一相机5进行成像，第二光束射入第二相机7进行成像的过程可以包括：
39.当二向色镜3为长波通二向色镜，第一光束为近红外光，第一相机5为近红外相机，第二光束为可见光，第二相机7为可见光相机时,样品光束经过变焦镜头1，由反射镜2进入长波通二向色镜，样品光束分为近红外光和可见光，近红外光在第一相机5的近红外相机上成像，可见光在第二相机7的可见光相机上成像。
40.具体的，如图1所示，长波通二向色镜可以是透射波段较长的近红外光，并反射波段较短的可见光，即当二向色镜3为长波通二向色镜时，第一光束可以是近红外光，第一相机5对应的可以是近红外相机，第二光束可以是可见光，第二相机7对应的可以是可见光相机时,样品光束可以经过变焦镜头1，由反射镜2进入长波通二向色镜，样品光束被当二向色镜3分为近红外光和可见光，近红外光在第一相机5的近红外相机上成像，可见光在第二相机7的可见光相机上成像。
41.进一步的，在本发明的一些实施例中，为防止存在光束之间发生互相干扰的情况，二向色镜3分出的第一光束与第二光束可以互相垂直。
42.本实施例的其他结构与实施一相同，此处不再赘述。
43.实施例三
44.本实施例与实施例二的区别在于，在实施例二的基础上，本实施例对双通道光学成像系统作进一步的说明。
45.在本发明的一些实施例中，样品光束被分为第一光束和第二光束，第一光束射入第一相机5进行成像，第二光束射入第二相机7进行成像的过程可以包括：
46.当二向色镜3为短波通二向色镜，第一光束为可见光，第一相机5为可见光相机，第二光束为近红外光，第二相机7为近红外相机时，样品光束经过变焦镜头1，由反射镜2进入长波通二向色镜，样品光束分为近红外光和可见光，近红外光在第一相机5的近红外相机上成像，可见光在第二相机7的可见光相机上成像。
47.具体的，如图1所示，短波通二向色镜可以是透射波段较短的可见光，并反射波段较长的近红外光，即当二向色镜3为短波通二向色镜时，透过二向色镜3的第一光束可以是可见光，第一相机5可以是可见光相机，经二向色镜3反射的第二光束可以是近红外光，第二相机7可以是近红外相机，样品光束可以经过变焦镜头1，由反射镜2进入长波通二向色镜，样品光束被当二向色镜3分为近红外光和可见光，近红外光在第一相机5的近红外相机上成像，可见光在第二相机7的可见光相机上成像。
48.本实施例的其他结构与实施二相同，此处不再赘述。
49.实施例四
50.本实施例与实施例三的区别在于，在实施例三的基础上，本实施例对双通道光学成像系统作进一步的说明。
51.在本技术的一些实施例中，双通道光学成像系统还可以包括第一滤光片4和第二滤光片6，第一滤光片4位于二向色镜3与第一相机5之间，第二滤光片6位于二向色镜3与所述第二相机7之间。
52.具体的，考虑到可以通过调节滤光片选取需要的光束的波段，可以在双通道光学成像系统中增加第一滤光片4和第二滤光片6，第一滤光片4位于二向色镜3与第一相机5之间，第二滤光片6位于二向色镜3与所述第二相机7之间，示例如当第一光束为可见光时，可以调节对应的第一滤光片4为可见光波段的滤光片，当第一光束为近红外光时，可以调节对应的第一滤光片4为近红外光波段的滤光片，当第二光束为可见光时，可以调节对应的第二滤光片6为可见光波段的滤光片，当第二光束为近红外光时，可以调节对应的第二滤光片6为近红外光波段的滤光片。
53.下面以两个具体应用场景说明采用本发明的双通道光学成像系统对活体样品进行成像：
54.场景一、将吲哚菁绿(icg)溶于pbs缓冲液中得到水溶液0.2ml，通过尾静脉注入4周龄的c57小鼠体内，剃掉小鼠头部的毛发。将小鼠麻醉后放置在变焦镜头下，投过皮肤和颅骨对小鼠颅内的血管进行成像。使用的激发波长为808nm，二向色镜截止波长为900nm，两个接收滤光片分别为850nm长波通和1100nm长波通，即两台相机分别接收850-900nm和1100-1700nm的荧光信号，变焦镜头的放大倍率为0.58，数值孔径为0.019，工作距离为86mm。如图2和图3所示，在近红外二区(1000-1700nm)成像的效果远好于近红外一区(700-900nm)，可以清楚的观察到脑内血管分布。
55.由于可见光波段只能局限于活体动物或其创面浅表，本发明的双通道光学成像系统可以仅使用可见光成像或近红外成像。
56.场景二、将irfep染料溶于pbs缓冲液中得到0.2ml溶液，通过脑立体定位注入4周龄的c57小鼠颅内，剃掉小鼠头部的毛发，将小鼠麻醉后放置在变焦镜头下，投过皮肤和颅骨对小鼠大脑进行成像。使用的激发波长为808nm，二向色镜截止波长为900nm，近红外光路接收滤光片为1000nm，即近红外相机接收1000-1700nm的荧光信号，变焦镜头连接20x物镜，整体放大倍率为64.63，有效数值孔径为0.56，工作距离为20mm。如图4所示，在100μm的标尺显示情况下，可以清楚观察到小鼠脑内的神经元连接。
57.需要说明的是，本发明实施例可用于离体的细胞、组织、器官或活体小动物的光学成像，包括但不限于来源于实验动物的未经处理的离体细胞、肿瘤组织、脑组织或心肌组织等，来源于小动物的离体心脏或大脑等，来源于小动物的经过组织透明化处理的离体大脑等，来源于活体小动物的肿瘤组织、心脏或大脑等。本发明实施例可以对进行荧光标记的上述样品进行荧光成像，也可以利用反射光对活体样品进行光学成像。
58.本实施例的其他结构与实施三相同，此处不再赘述。
59.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排
除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
60.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以相互组合，且相同相似部分互相参见即可。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。