分子光谱成像仪转让专利
申请号 : CN200810036683.0
文献号 : CN101285764B
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 李庆利 , 薛永祺
申请人 : 华东师范大学
摘要 :
本发明公开了一种应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域的分子光谱成像仪，特点是光源通过光纤连接到色散单元，色散单元通过光纤连接到暗场聚光镜作为显微镜的照明；图像传感器CCD的信号电缆连接到计算机，计算机的控制线连接到色散单元控制器，色散单元控制器连接到色散单元。计算机通过控制色散单元改变光源波长并通过图像传感器CCD采集图像数据，最后获得样本的分子光谱数据。本发明技术指标高，不需要推帚部件，成像速度快，易与普通显微镜结合使用；成像光谱范围宽，覆盖了可见光和近红外，有利于生物组织的检测和分析。
权利要求 :
1.一种分子光谱成像仪，包括光源(1)、光纤(2)、色散单元(3)、显微镜(4)、计算机(5)和色散单元控制器(6)，其特征在于：显微镜(4)含有依次成光路连接的暗场聚光镜(7)、载物台(8)、物镜(10)、变焦透镜(11)、成像透镜(12)、接口镜头(13)及图像传感器(14)，其连接方式为：光源(1)通过光纤(2)与色散单元(3)连接，色散单元(3)通过光纤连接到暗场聚光镜(7)作为显微镜(4)的照明；图像传感器(14)的信号电缆连接到计算机(5)，计算机(5)的控制线连接到色散单元控制器(6)，色散单元控制器(6)连接到色散单元(3)；所述色散单元(3)为声光调谐滤波器或液晶可调谐滤波器。
2.根据权利要求1所述的分子光谱成像仪，其特征在于所述显微镜(4)为普通光学显微镜中的荧光显微镜或者倒置显微镜。
3.根据权利要求1所述的分子光谱成像仪，其特征在于所述光源(1)对样本进行透射照明或者反射照明。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种样本分析装置，特别是一种分子光谱成像仪。用于医学、材料等领域。
背景技术
在医学诊断领域，传统医学成像诊断显示的是生物组织病变的解剖变化，这种成像方法已经不能适应生命科学和病理学发展的新要求。如何从细胞水平甚至分子水平研究疾病发生发展机制并探讨诊断和治疗疾病的有效方法，已经成为影像学、生物学和临床医学的热点。
作为分子影像学的一部分，分子光谱成像技术融合了光谱分析和光学成像两项传统光学诊断技术。光谱分析通常可以获得样本上某一点在某一感兴趣波长范围的完整光谱数据，这是一种单点测量技术，可以对测量点的生化组分信息进行分析。光学成像技术则是记录样本灰度或者彩色的图像，从形态上对样本进行分析。分子光谱成像技术则融合了两者的优点，可以同时提供生物组织样本图谱两方面的信息。在一定的处理分析算法支持下，可以真正实现对生物组织进行“在哪处、有什么、有多少”的综合分析目标，对检测目标进行定性、定量和定位的描述，从而实现对某些病理变化的早期诊断；随着仪器空间分辨率和光谱分辨率的提高，可以从细胞或分子角度对生物组织进行生理和病理变化的分析，并对某些细胞和分子实现自动分析。分子光谱成像技术及其数据处理分析方法可以为肿瘤和其他疾病的发病机理、临床诊断、病情检测和疗效评估的研究提供有效的新方法和新手段；可以极大加快药物的研发速度和缩短预临床研究的时间，也可以应用于药物的毒副作用、疗效的定量评估、给药途径以及药物剂量学和动物种类对药物疗效影响的研究；可以促进基因功能、细胞动力、生命发育等基础生命科学的研究，这些都直接关系到病人的治疗与保健，对于提高人口健康水平及人民生活质量具有重要意义。
在材料学、微电子学等领域，由于分子光谱成像仪可以提供样本的图像和光谱两方面的信息，可以对样本进行更为精细化的分析，因此也有着良好的应用前景。
经对现有技术文献的检索分析发现，中国专利申请号：200410017031.4，《显微高光谱成像系统》公开的技术方案是：把显微成像技术和高光谱成像技术相结合的一种集成系统，包括光学显微镜、光谱仪、面阵CCD相机以及专用数据采集与处理软件。可提供图谱合一微观光谱图像，能广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域中。
该技术方案是一种推帚式的显微高光谱成像系统，该系统利用步进电机驱动载物台进行平动，实现物方推扫。而在实际使用过程中，这种推扫的方式带来两个问题：一是推扫是一种机械运动，速度比较慢，使图像采集时间较长；二是推扫运动使得操作繁琐，可靠性不高，不利于作为通用设备使用。由于几乎所有有机物的主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找到信号，且谱图稳定，因此将该系统应用于生物要本的分析，还有必要将其成像的范围扩展到进红外区；另外，该系统的空间分辨率和光谱分辨率还有必要进一步提高，以提高分析精度。
作为分子影像学的一部分，分子光谱成像技术融合了光谱分析和光学成像两项传统光学诊断技术。光谱分析通常可以获得样本上某一点在某一感兴趣波长范围的完整光谱数据，这是一种单点测量技术，可以对测量点的生化组分信息进行分析。光学成像技术则是记录样本灰度或者彩色的图像，从形态上对样本进行分析。分子光谱成像技术则融合了两者的优点，可以同时提供生物组织样本图谱两方面的信息。在一定的处理分析算法支持下，可以真正实现对生物组织进行“在哪处、有什么、有多少”的综合分析目标，对检测目标进行定性、定量和定位的描述，从而实现对某些病理变化的早期诊断；随着仪器空间分辨率和光谱分辨率的提高，可以从细胞或分子角度对生物组织进行生理和病理变化的分析，并对某些细胞和分子实现自动分析。分子光谱成像技术及其数据处理分析方法可以为肿瘤和其他疾病的发病机理、临床诊断、病情检测和疗效评估的研究提供有效的新方法和新手段；可以极大加快药物的研发速度和缩短预临床研究的时间，也可以应用于药物的毒副作用、疗效的定量评估、给药途径以及药物剂量学和动物种类对药物疗效影响的研究；可以促进基因功能、细胞动力、生命发育等基础生命科学的研究，这些都直接关系到病人的治疗与保健，对于提高人口健康水平及人民生活质量具有重要意义。
在材料学、微电子学等领域，由于分子光谱成像仪可以提供样本的图像和光谱两方面的信息，可以对样本进行更为精细化的分析，因此也有着良好的应用前景。
经对现有技术文献的检索分析发现，中国专利申请号：200410017031.4，《显微高光谱成像系统》公开的技术方案是：把显微成像技术和高光谱成像技术相结合的一种集成系统，包括光学显微镜、光谱仪、面阵CCD相机以及专用数据采集与处理软件。可提供图谱合一微观光谱图像，能广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域中。
该技术方案是一种推帚式的显微高光谱成像系统，该系统利用步进电机驱动载物台进行平动，实现物方推扫。而在实际使用过程中，这种推扫的方式带来两个问题：一是推扫是一种机械运动，速度比较慢，使图像采集时间较长；二是推扫运动使得操作繁琐，可靠性不高，不利于作为通用设备使用。由于几乎所有有机物的主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找到信号，且谱图稳定，因此将该系统应用于生物要本的分析，还有必要将其成像的范围扩展到进红外区；另外，该系统的空间分辨率和光谱分辨率还有必要进一步提高，以提高分析精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种分子光谱成像仪，它可应用于样本生化分析，该分子光谱成像仪使用声光调谐滤波器(AcoustoOptic Tunable Filter，AOTF)或者液晶可调谐滤波器(Liquid CrystalTunable Filter，LCTF)作为色散单元，避免了推扫运动，可以实现快速成像；成像的光谱范围可以包括可见光和近红外两部分；结合智能识别分析算法，可实现对样本的自动分析。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种分子光谱成像仪，它包括显微镜、照明光源、色散单元、CCD、计算机。显微镜可以是普通光学显微镜、荧光显微镜或者倒置显微镜，具有依次成光路连接的载物台、显微物镜、变焦透镜和成像透镜等。色散单元实现对光源的分光，它是声光调谐滤波器(AOTF)或者液晶可调谐滤波器(LCTF)。
光路连接：光源经过光纤连接到色散单元，色散单元经光纤连接到显微镜的照明部件，载物台上的样本被照明后依次经过显微镜物镜、变焦和成像透镜，最后成像于图像传感器(CCD)上。
电路连接：计算机上的数据采集和控制卡连接到色散单元控制部件和CCD上。该数据采集和控制卡可以使色散单元调节光源工作于不同的波长，同时将CCD的图像采集并记录下来。
通过连续采集样本不同波长的图像，最后即可获取样本的高光谱图像数据，即图像立方体。该数据立方体既包含了样本的显微图像数据，也包含了样本的光谱数据。
所述的照明光源是透射式或者反射式。
本发明具有以下优点：
a、技术指标高
光谱范围：400-1500nm
光谱分辨率：＜5nm
波段数：＞240
空间分辨率：＜500nm
b、不需要推帚部件，成像速度快，容易与普通显微镜结合使用。
c、成像光谱范围宽，覆盖了可见光和近红外，更有利于生物组织的检测和分析。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种分子光谱成像仪，它包括显微镜、照明光源、色散单元、CCD、计算机。显微镜可以是普通光学显微镜、荧光显微镜或者倒置显微镜，具有依次成光路连接的载物台、显微物镜、变焦透镜和成像透镜等。色散单元实现对光源的分光，它是声光调谐滤波器(AOTF)或者液晶可调谐滤波器(LCTF)。
光路连接：光源经过光纤连接到色散单元，色散单元经光纤连接到显微镜的照明部件，载物台上的样本被照明后依次经过显微镜物镜、变焦和成像透镜，最后成像于图像传感器(CCD)上。
电路连接：计算机上的数据采集和控制卡连接到色散单元控制部件和CCD上。该数据采集和控制卡可以使色散单元调节光源工作于不同的波长，同时将CCD的图像采集并记录下来。
通过连续采集样本不同波长的图像，最后即可获取样本的高光谱图像数据，即图像立方体。该数据立方体既包含了样本的显微图像数据，也包含了样本的光谱数据。
所述的照明光源是透射式或者反射式。
本发明具有以下优点：
a、技术指标高
光谱范围：400-1500nm
光谱分辨率：＜5nm
波段数：＞240
空间分辨率：＜500nm
b、不需要推帚部件，成像速度快，容易与普通显微镜结合使用。
c、成像光谱范围宽，覆盖了可见光和近红外，更有利于生物组织的检测和分析。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明光路示意图
图2为本发明光路示意图
具体实施方式
实施例
下面以图1、图2为实施例，说明本发明的结构特征，技术性能和效果，而不是用来限定本发明的范围。
本实施例中，显微镜4包括暗场聚光镜7、载物台8、物镜10、变焦透镜11和成像透镜12，他们依次成光路连接，所使用的显微镜4为普通光学显微镜，也可以是荧光显微镜或者倒置显微镜。光源1经过光纤2首先连接到色散单元3，然后经过暗场聚光镜7作为样本9的照明，照明部件可以是透射型结构，也可以为反射型结构。色散单元控制器6连接到计算机5的数据采集和控制卡，根据计算机5的控制信号对色散单元3进行控制。在显微镜4三目镜筒上连接一个C-Mount接口镜头13，然后连接到CCD14，使显微镜4与CCD14之间达到光学匹配；CCD14信号电缆连接到计算机5的数据采集和控制卡，完成图像数据的采集。
本实施例中，显微镜4采用Nikon 90i生物显微镜，色散单元3使用AOTF。工作时，光源1经过光纤2连接到色散单元3，在计算机5的控制下对光源1进行色散，再经过光纤2连接到暗场聚光镜7，最后照射到处于载物台8上的样本9，样本9的像依次通过显微镜物镜10、变焦透镜11、成像透镜12、C-Mount接口镜头13而在CCD14上成像。计算机5通过色散单元控制器6使照明光源1处于不同的波长，则计算机5的数据采集卡采集CCD14上不同波长的样本图像，即可以获取样本9的高光谱图像数据。
运行于计算机5上的数据采集和分析软件主要实现以下功能：仪器定标、分子光谱数据采集、实时图像显示、硬件配置和控制、图像数据格式转换、智能识别和分析等。
本发明可以获取样本的分子光谱数据，并对样本从图像和光谱两个方面进行分析。在医学领域，这些分子光谱数据可以为研究疾病的发病机理、早期诊断、治疗效果评价以及新药物开发提供新思路和实验依据。因此，本发明用于样本的定量检测和分析具有重要的实际应用价值。
下面以图1、图2为实施例，说明本发明的结构特征，技术性能和效果，而不是用来限定本发明的范围。
本实施例中，显微镜4包括暗场聚光镜7、载物台8、物镜10、变焦透镜11和成像透镜12，他们依次成光路连接，所使用的显微镜4为普通光学显微镜，也可以是荧光显微镜或者倒置显微镜。光源1经过光纤2首先连接到色散单元3，然后经过暗场聚光镜7作为样本9的照明，照明部件可以是透射型结构，也可以为反射型结构。色散单元控制器6连接到计算机5的数据采集和控制卡，根据计算机5的控制信号对色散单元3进行控制。在显微镜4三目镜筒上连接一个C-Mount接口镜头13，然后连接到CCD14，使显微镜4与CCD14之间达到光学匹配；CCD14信号电缆连接到计算机5的数据采集和控制卡，完成图像数据的采集。
本实施例中，显微镜4采用Nikon 90i生物显微镜，色散单元3使用AOTF。工作时，光源1经过光纤2连接到色散单元3，在计算机5的控制下对光源1进行色散，再经过光纤2连接到暗场聚光镜7，最后照射到处于载物台8上的样本9，样本9的像依次通过显微镜物镜10、变焦透镜11、成像透镜12、C-Mount接口镜头13而在CCD14上成像。计算机5通过色散单元控制器6使照明光源1处于不同的波长，则计算机5的数据采集卡采集CCD14上不同波长的样本图像，即可以获取样本9的高光谱图像数据。
运行于计算机5上的数据采集和分析软件主要实现以下功能：仪器定标、分子光谱数据采集、实时图像显示、硬件配置和控制、图像数据格式转换、智能识别和分析等。
本发明可以获取样本的分子光谱数据，并对样本从图像和光谱两个方面进行分析。在医学领域，这些分子光谱数据可以为研究疾病的发病机理、早期诊断、治疗效果评价以及新药物开发提供新思路和实验依据。因此，本发明用于样本的定量检测和分析具有重要的实际应用价值。