[发明专利]一种多模式光学显微成像装置和显微成像方法

说明书

本发明提供一种多模式光学显微成像装置和显微成像方法，装置包括共轴落射式光学成像系统和图像处理系统，其中，共轴落射式光学成像系统包括光源输出模块、落射式照明模块、微型化高数值孔径物镜、分光聚焦模块和多模式成像模块。本发明能够应用于清醒自由活动状态的实验动物，可同时获取实验动物自由行为过程中高分辨率、稳定的血流变化分布和神经活动分布；采用配准融合技术可以得到同一视场区域多种成像模式融合；基于可植入的微型化物镜，可以实现实验动物浅表或深部组织成像。

技术领域

本发明涉及生物光学成像领域，更具体地，涉及一种多模式光学显微成像装置和显微成像方法。

背景技术

脑功能光学成像技术以其具备的高时空分辨率和多参数信息获取等优势，可以从不同的空间和时间尺度上研究脑功能活动，在神经科学领域中发挥着至关重要的作用。清醒活动动物脑功能光学成像是脑功能光学成像目前的发展趋势之一。长期以来，传统的脑功能光学成像方法大多数都是应用于麻醉动物身上，只有少数的研究是基于清醒活动动物进行的。然而，脑科学研究的主要目的之一就是解释感知与行为控制、学习与记忆等高级神经活动产生的机理，而只有在清醒活动动物身上才能研究动物表达特定外部行为时所对应的脑部功能活动变化。因此，研究者迫切需要能够将脑功能光学成像应用到清醒活动动物上的新技术和方法，从而探讨行为和脑功能活动之间的联系。

目前，神经科学研究中能应用于清醒动物的方法主要有三种：头部受限的传统光学成像方法、基于光纤光学的光学成像方法和基于高度集成的头戴式微型显微镜的方法。

(1)头部受限的传统光学成像方法:头部固定式脑功能光学成像方法比较适用于清醒并且处于安静状态的动物，通过装置的支撑，能够在肢体的运动上给予一定的自由度，甚至允许动物执行一些走动或伸展四肢的动作。同时，由于使用传统的脑功能光学成像方法，在成像方式的拓展上所受限制较小，易于实现多种成像模式的集成。然而，头部固定的成像方式有一个重大的缺点，即从本质上限制了动物的自由行为活动，运动的范围和整套的复杂运动过程都会受到限制。因此，许多行为学范式不能用于头部固定的实验动物。此外，由于实验动物清醒状态下能够忍耐头部固定状态有时间限度，也会制约成像与观测的持续时间。

(2)基于光纤光学的光学成像方法:光纤型的自由活动动物脑功能光学成像方式通过在动物头部安装微型化的显微成像装置，使其成像于传像光纤远端，而将传像光纤的近端固定于成像系统，实现了将脑皮层的图像传递至探测器，动物可以在很大程度上自由活动。用于自由活动动物脑功能成像的光纤成像方法，在技术实现上可以分成两大类。一类是基于单光纤扫描的成像方法，这种方法用于实现双光子荧光成像；另一类是基于传像光纤束的显微成像方法，这种方法能够用来实现多种荧光成像。双光子荧光成像由于其原理上的优势，能够获取更高的空间分辨率水平和更高的穿透深度。然而，其复杂的扫描结构，较低的时间分辨率，极大的限制了其应用，且难以与其他成像模式兼容。基于传像光纤束的显微成像方法能够达到更高的时间分辨率，观测更大的视场范围，具有更大的景深，且不存在复杂的扫描结构，可以兼容多种成像方式。然而，其在成像深度、对背景荧光的抑制和焦平面以外的光漂白上处于劣势，且由于传像光纤束芯径和数量的限制，其成像效果通常难以达到细胞分辨水平。

(3)高度集成的头戴式微型显微镜:高度集成的头戴式微型显微镜将一整套显微成像系统小型化，安装在实验动物的头部，数据通过线缆传输给个人计算机并处理，由于成像系统和实验动物的头部固定在一起，不存在图像转动的问题，并且避免了光纤缠绕，给清醒活动的动物以更大的自由活动空间。然而，受限于微型化显微镜的集成程度，目前的头戴式显微镜只能实现单一的光学成像模式，如宽场荧光成像或双光子荧光成像，而未能实现多种光学成像模式的同步实施。此外，线缆的存在依然在一定程度上限制了实验动物的自由行动过程，无法应用于一些特殊的行为模式中，如捕食、挖掘等。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种多模式光学显微成像装置及显微成像方法。