[发明专利]小动物腹腔镜活体光学分子成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学分子成像技术领域，属于一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统及方法。 

背景技术

目前的所有光学活体成像设备都是在体外进行成像，但很多成像目标，例如很多原位移植瘤，都是在腹腔或者胸腔内，由于外面有胸壁和腹壁组织，所以无论何种探针和标记技术，光学信号(500–800nm)都会被组织吸收和散射，大约每穿过1cm的组织后会衰减约10倍。因此在深部组织的发光信号到体外就会变弱。虽然现有的小动物整体成像设备也在不断推出新型号，以便更好收集捕捉到并清晰成像，最大程度消除背景噪声，还有尝试过在光学成像中还有基于荧光时长的成像，例如通过频域（frequency domain，FD)或者时域（time-domain，TD)成像，其优势在于它不依赖于荧光团的浓度，可以提供一种根据荧光化学特性来测量荧光的方法。但由于频率要求等问题，该系统很难用于小动物成像，其他的光学成像设备包括激光共聚焦成像，光学相干层析成像等，有的也与内镜结合，虽然能很好成像组织结构，但工作距离短，而且都是仅仅能于对皮肤等浅表组织（300μm-500μm）深度的成像，无法对腹腔内实质脏器及深部组织成像。因此目前设备都无法解决在整体成像上光信号难以穿透腹壁胸壁组织并被吸收散射的问题，使体内的模型的成像会受到严重影响，成为体内深部组织光学分子成像无法逾越的障碍，这也是目前小动物活体光学成像的最难以解决的问题，也成为光学成像作为分子成像中一种成像模式的弱点，影响了其在生物医学领域的应用。另外，目前国际上商品化的整体成像设备都是采用传像光纤束，其最大优点是可以实现小尺寸、长工作距离的激光共聚焦内窥镜，但光纤束固有的缺点限制了此类技术的发展。首先是光纤束的芯径像素化结构严重降低了图像的径向分辨率，必须采用复杂的处理算法，才能较好地提高图像分辨率。其次是芯径之间薄的覆层会导致共聚焦扫描和成像时相邻像素之间存在信号串扰，降低了图像对比度。最后，光纤束在使用过程中断丝率会逐步增加，而且无法修复，导致视野黑点越来越多，而且目前设备多采用单根光纤结合末梢MEMS扫描机构实现图像中继，为了获得小尺寸的内窥镜探头尺寸，末梢MEMS器件的尺寸必须设计很小，而且工艺难度较大。因为 采用单根光纤则必须在内窥镜探头末端集成MEMS扫描器，当扫描性能较好时导致末端尺寸较大，而较小尺寸的MEMS扫描器性能较差。另一个主要问题是成像的速度较低（帧频低于10f/s），实时性不够。因为体内器官无法固定，且随着小动物的呼吸及心跳会产生运动，由此带来的运动模糊降低了图像质量，影响了疾病的可靠诊断。 

激光共焦内窥术是最新发展起来的一项技术，可在腔镜下全肝成像过程中进行组织的成像，无需取样实现病理学诊断。通过静脉注射荧光素作为对比剂，采用蓝激光激发，观察上皮组织的细胞形态。但现有技术尚需改进，以便利于肝病诊断。首先是光纤束作为传像系统，最高密度为3万根光纤像素，清晰度不够，且信号之间存在串扰，降低了图像对比度。其次是成像速度较慢，为1-2fps，在体诊断时运动模糊严重影响图像质量。最后，小动物肝脏对蓝光散射严重，导致成像深度不够，且图像的清晰度和对比度也进一步降低。 

发明内容

本发明的目的是提供一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统及方法，它弥补上述三个缺点，首先是设计光组组合传像系统，代替光纤束或单根光纤，将激光耦合进体内组织，并将荧光信号耦合至体外探测器，实现高清晰度成像，图像分辨率接近衍射极限，相邻像素无信号串扰，图像对比度高；其次是采用DMD器件实现可编程对比度扫描功能，通过一次对比度调制的随机栅格扫描成像与一次宽场照明成像，结合图像融合算法，实时重建出体内器官图像，成像速度达到15fps以上，消除由于小动物呼吸，心跳等变化而引起的图像运动模糊，以及消除背景荧光的干扰，包括有自发荧光和焦面外荧光，并且获得深度信息的荧光情况。 

为实现上述目的，本 发明采取以下技术方案： 

一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统，它包括有包括氙灯、可编程对比度调制扫描器（DMD）、成像系统一（CCD-1）、成像系统二（CCD-2）、内窥成像光学系统、滤色转盘一、滤色转盘二、二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二、导光光纤束，其特征在于：在氙灯的前部设置滤色转盘一，滤色转盘一的前端设有耦合系统三（L3），该耦合系统三（L3）的前端设有导光光纤束，该导光光纤束前端设有二色镜转盘一，该导光光纤束正前端以24°的角度对着到可编程对比度调制扫描器（DMD）的数字微镜器件，该可编程对比度调制扫描器（DMD）设置在内窥成像光学系统的正后方；