[发明专利]一种双模态拉曼-光学投影断层成像系统

说明书

本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，公开了一种双模态拉曼‑光学投影断层成像系统，将扩束镜扩束后激光束照射样本，由分光镜将各模态光信号进行分离，采用稀疏采样对信号采集，光学透射投影信号采集模块采集样本透射光，形成光学投影图像；多光谱拉曼散射信号采集模块采集样本产生的拉曼散射光；对采集数据进行背景噪声去除；采用基于TV极小化代数重建方法ART重建稀疏采样数据；将经过重建得到的三维结构图像和三维化学组分图像进行融合，获得含有多重信息的三维容积图像。本发明将拉曼光谱成像与光学投影断层成像巧妙结合到同一系统，提供三重信息且信息契合度高；大尺度样本成像速度快，操作简单、灵活。

技术领域

本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，尤其涉及一种双模态拉曼-光学投影断层成像系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：三维容积成像能够实现复杂系统的定量和全局测量，在细胞代谢、脑功能以及发育生物学研究中至关重要。实现三维容积成像最简单的方法是采用光学切片扫描的方式，通过激光器在二维平面扫描以收集二维图像，使激光焦点沿轴向运动以获得三维图像信息。在这种方法中，需要激光束聚焦的轴向切片能力强。共聚焦荧光显微镜与相干拉曼散射显微镜都有这种能力，然而这种切片方法对于样品尺寸的要求十分严格，对于数百个微米厚度的样品来说是十分耗时。光学光片显微镜通过将激光束展宽为薄平面，然后利用薄平面扫描样本并在与激光束成90度方向收集图像，实现样本整个体积的三维成像，以此克服耗时的问题。光学光片荧光显微镜已经实现从单细胞到整个胚胎的生物样品的高分辨率高速三维容积成像。尽管这种方法已经广泛应用，但是其成像过程中所使用的荧光标记物会带来一些严重的问题，如生物系统功能的强烈扰动、非特异性靶向、细胞毒性等。基于自发拉曼效应的拉曼光片显微镜能够进行无标记的三维容积成像，可以避免荧光标记物带来的问题。然而，在光学光片显微成像技术中其图像质量通常随着从样品表面到物镜的距离增加而退化。三维容积成像的另一种方式是断层成像，通过对样品不同角度的透射投影图像进行收集，使用角度相关的图像重建三维容积信息。光学投影断层扫描(Optical Projection Tomography,OPT)可以通过光透射或荧光发射产生三维样本的各向同性的高分辨率图像；但是透射OPT没有化学组分对比度，荧光发射OPT同样受限于荧光标记物的问题。将自发拉曼成像与扩散光学的断层成像融合，提出了自发拉曼断层成像，可以对样本的化学组分进行三维成像，但其空间分辨率低，成像速度较慢。为了解决这个问题基于贝塞尔光束，将受激拉曼显微成像与投影断层成像技术相结合，提出了受激拉曼投影断层成像技术，可以实现微米级分辨率和更好速度的免标记三维容积成像。然而，该方法无法对大尺度样本实现较好的三维成像效果，同时也无法提供样本的结构影像信息。尽管目前已有很多方法可以实现样本的三维容积成像，然而这些方法要么受限于荧光标记物问题，要么受限于成像性能，而且仅能提供结构或化学组分的单一信息，无法同时获取多模态影像信息。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术实现样本的三维容积成像受限于荧光标记物、成像性能，仅能提供结构或化学组分的单一信息，无法同时获取多模态影像信息。1.荧光标记的影响，现有成像过程中所使用的荧光标记物会带来一些严重的问题，如生物系统功能的强烈扰动、非特异性靶向、细胞毒性等；2.成像尺度小，目前能够进行免标记进行三维成像的方式一般只有几百微米的尺度；3.成像过程仅获取单一信息，要么获得结构图像，无法看到分子功能变化，要么获得免标记的功能图像，但是无法确定其结构和位置信息。

解决上述技术问题的难度和意义：

难度：如何以免标记的方式同时获取大尺度样本的结构和化学组分融合图像信息。

意义：免标记方式避免荧光标记物对生物系统造成的影响；大尺度成像方式可以对毫米级样本进行成像且具有微米级分辨率；同时的结构和化学组分成像保证了两种信息的高契合度融合，以此获取样本更为全面的信息。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双模态拉曼-光学投影断层成像系统。