[发明专利]一种深层散射介质中的三维成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种在深层散射介质中进行三维成像的系统及方法。利用超短脉冲线聚焦光束激发产生双光子荧光，实现对散射介质中，尤其是生物组织内部，荧光标记物的三维空间分布成像。该发明适用于生物学、医学，生物物理和环境科学等领域的研究和应用。

背景技术

荧光显微技术以其高灵敏度、高空间分辨率、丰富的分子对比机制成为生物医学研究中必不可少的设备。由于光的散射效应的存在，普通的荧光显微镜只能对很薄（<10微米）的样品或者是样品表面很薄的一层进行成像，才能得到较理想的高分辨图像。对于散射介质内的荧光体的显微成像，目前要借助共聚焦或双光子激发等手段，来去除焦点以外各处发出的荧光影响，同时结合激光扫描成像技术来实现。

激光扫描成像技术采用的是扫描聚焦的光斑来逐点激发产生荧光，并同时进行数据采集，图像是由计算机按扫描的顺序重建而得到。这种逐点扫描的方式对于三维的厚组织的成像存在明显的不足。首先是获取三维图像的低效性：比如对于一块厚组织成像，要获得一幅512x512x200的三维图像，如果扫描的速度是1k行/秒，大致需要2分钟时间，在这段时间内被观察的对象很有可能早已改变了原先所在的位置，甚至于已完全离开了扫描观察的区域，使得很多快速的动态过程无法观测。其次是无法实时得到三维视场的体视效果，因为得到全部三维信息需要对整个视场范围进行200次幅扫描（每幅512x512）。传统的体视显微技术可以实时得到体视效果，但是无法对散射介质中的荧光体进行成像。

针对上述问题我们提出了用线聚焦的光束替代普通扫描荧光显微成像技术中的点聚焦光束，来实现散射介质中的立体成像。实现线聚焦的最常用方法是用透镜聚焦一个圆锥形的波前，在聚焦区域产生所谓的准贝塞尔光束，这种光束在有限的聚焦区域里具有贝塞尔光束的特性。贝塞尔光束具有“无衍射”的特性，即其光场分布的粗细不随光束的传播而变化，而且其居于中心的中心光瓣的束腰大小接近于衍射极限的大小。另外，贝塞尔光束在遇到障碍物时，中心光束会自行修复其缺失，具有“自愈和”的特性。

发明内容

为了解决现有的三维技术采用逐点扫描获取三维图像的低效性且无法对散射介质中的荧光体进行成像的技术问题，本发明提供一种深层散射介质中的三维成像系统及方法，本发明提出了用线聚焦的光束替代普通扫描荧光显微成像技术中的点聚焦光束，来实现散射介质中的三维成像。

本发明的技术解决方案：

一种深层散射介质中的三维成像系统，其特殊之处在于：包括沿光路传播方向依次设置的光源、贝赛尔光束产生及扫描装置、荧光收集系统、信号探测部件以及图像采集系统，

所述光源为激光器，

所述贝塞尔光束产生及扫描装置包括沿光路设置的平移台、锥镜、第一透镜1、振镜以及4f系统；所述4f系统包括第二透镜和第三透镜，所述第二透镜放置在振镜的反射光路上，第二透镜2和第三透镜3之间的距离L=f2+f3，其中f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，所述锥镜放置在平移台上，所述锥镜与第一透镜之间的距离等于第一透镜的焦距f1，所述振镜8放置在第一透镜和第二透镜的焦点重合处，

所述信号探测部件的输入端朝向荧光收集系统的荧光输出端，所述信号探测部件的输出端与图像采集系统的输入端连接。

上述荧光收集系统包括双色镜以及物镜，所述双色镜放置在第三透镜的透射光路上，所述物镜放置在双色镜的透射光路上，物镜的另一端放置有样品。

上述信号探测部件为光电倍增管或单光子探测器。

还包括准直扩束系统，所述准直扩束系统设置在光源和贝赛尔光束产生及扫描装置之间，所述准直扩束系统包括沿光源传输方向设置的扩束器5和光阑6。

还包括聚光镜13和第二光电倍增管15，所述聚光镜设置在样品的一侧，与物镜相对，所述聚光镜的透射端朝向第二光电倍增管15。

一种深层散射介质中的三维成像方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】光源产生一束激光；

2】将激光转变为准贝塞尔光束；

3】将准贝塞尔光束通过第一透镜聚焦，在振镜上产生准贝塞尔光束的傅立叶频谱，形成两个正交的扫描光场；

4】将扫描光场通过双色镜后透射至物镜焦区，在物镜的焦区产生聚焦的、在z方向线状延伸的准贝塞尔光束；

5】获取图像：

5.1】转动振镜，准贝塞尔光束作为激发光对样品做垂直光轴的横向扫描，收集所产生的荧光并进行光电转换，通过图像采集系统得到样品的第一幅两维图像；