[发明专利]用于4-D高光谱成像的系统和方法

说明书

描述了用于高光谱成像的系统和方法。高光谱成像系统(300)包括：样本架(370)，被配置为保持样本；光源(3010)，被配置为发射具有一个或多个波长的激发光(402)；二维成像器件(380)；以及光学系统。该光学系统包括：第一空间光调制器(320a)；第一色散元件(340a)；以及第二色散元件(340b)。其中该光学系统被配置为：(i)使用第一空间光调制器(320a)将激发光(402)构造成在样本中的焦平面的共轭平面处的预定二维激发图案；(ii)使用第一色散元件(340a)光谱色散激发光(404)；(iii)使用激发图案(406)照射样本，在焦平面内用沿着第一横向方向色散的具有一个或多个波长的激发图案(406)来照射样本；(iv)从样本收集发射光(408)；(v)使用第二色散元件(340b)光谱色散所收集的发射光(408)；以及(vi)将所收集的发射光(410)聚焦提供给成像器件(380)，使得光谱色散的发射光(410)沿着第二横向方向光谱色散。

相关申请的交叉引用

本申请要求保护在2016年5月27日申请的美国临时申请第62/342,252和在2017年5月27日申请的美国非临时申请第15/607,457号的权益，并通过引用并入其内容。

技术领域

本公开总体上涉及成像领域以及显微镜学系统和方法。更具体地且不限于的是，所公开的实施例涉及通过使用空间光调制器和色散元件进行高光谱成像的系统和方法。

背景技术

高光谱成像是一种遥感光谱学方法，通常用于非医学应用，诸如材料鉴定、天文学、监视和地球物理应用。这是一种将成像的空间分辨率与光谱学的化学特异性组合起来的“成像光谱学”方法。从物体收集的光被色散到各个波长的光谱或窄光谱带中，并且在二维(two-dimensional，2-D)成像传感器上作为一组图像被检测，每个图像代表一个波长或光谱带。因此，由高光谱成像系统收集的数据集通常被称为高光谱立方，以三维(three-dimension，3-D)表示：两个空间方向(x方向和y方向)和一个光谱维度(λ)。

高光谱成像是一种新兴的医学应用技术，诸如疾病诊断和外科手术。生物组织具有能够反映其化学、生物物理和/或形态特性的内在和外在光学特征，诸如内源荧光和外源荧光。高光谱成像可用于研究活组织或组织分割中的生理和/或病理变化，并进一步提供关于组织健康或疾病的信息。例如，高光谱成像可以取代活组织检查作为数字病理工具。通常，冷冻分割活组织检查用于获得关于组织样本的信息，以供肿瘤外科医生在手术期间做出决定。这种活组织检查可能花费大约10到20分钟，并且采用快速染色方案，这使得特征清晰度比标准染色方法差。通过对来自组织样本的自体荧光进行成像并解析自体荧光的光谱特征，高光谱成像可以用作一种更快速的、可允许诊断准确性比冷冻分割活组织检查更高的组织病理学分析工具。此外，高光谱成像可以用作研究和临床试验的实验工具，诸如在免疫组织化学(immunohistochemistry，IHC)染色和荧光原位杂交(fluorescence in situhybridization，FISH)中的应用，其中用具有不同光谱特征的各种荧光团标注的分子针对特定的蛋白质和核酸。

高光谱立方的光谱维度中的信息通常反映荧光团或其他类型的光学标签在给定波长被激发时所发射的波长范围内的光强度。然而，如果光强度作为激发波长和发射波长两者的函数来测量，则可以更精确地识别荧光团、光学标签、荧光团标记分子和/或生物组织的光学特性。此外，在许多医疗应用中，可以使用具有不同光谱特征的各种类型的内在或外在标签，包括荧光团、拉曼标签、光致发光标签或量子点(quantum dot，QD)。测量组合的激发光谱和发射光谱可以增强区分、识别和表征给定类型或各种类型标签的不同标签的能力。