[发明专利]一种基于迭代优化波前整形的活体组织荧光成像系统

说明书

一种基于迭代优化波前整形技术的活体组织荧光成像系统，包括有光源模块（1）、谱烧孔模块（2）、快速相位调制模块（3）、活体组织模块（4）、信号采集与优化模块（5）。该系统将快速调制迭代优化波前整形技术和超快响应晶体的谱烧孔技术结合在一起，既大大提高了迭代优化波前整形技术的聚焦速度，又保证了能够用很短的时间有效地收集生物组织内部的反馈信号，同时获得足够高的成像分辨率，从而实现真正意义上的光在活体生物组织内部聚焦与动态成像。

技术领域

本发明属于荧光成像领域，涉及一种基于迭代优化波前整形技术的活体组织荧光成像系统。

背景技术

对活体组织进行成像在医学检测方面有着广泛的应用前景，在实际的应用中，该成像技术需同时满足活体组织内部成像、快速成像和高分辨率成像三个条件。同时满足这三个条件是一个光学成像难题，波前整形技术为解决该难题的一种方法。

目前，发展较为成熟的基于波前整形的光聚焦成像技术主要有三种：传输矩阵测量技术、光学相位共轭技术和迭代优化技术。其中，传输矩阵测量技术是使用一定维度大小的传输矩阵来模拟实际的散射介质，但是该方法适用于光传输路径不变的散射介质，不适用于活体生物组织成像。光学相位共轭技术是使用探测器对通过散射介质的光波的相位进行记录，并用相位共轭镜对此光波进行相位共轭的波前整形技术。该技术的优点是聚焦成像速度快，但是光学相位共轭成像系统非常复杂，在实际应用中难以满足条件，并且需要超声信号在生物组织内部标记参考点，因此系统的成像分辨率受限于超声焦点的大小，成像分辨率在几十微米量级（X. Xu, H. Liu, L. V. Wang, Time-reversed ultrasonicallyencoded optical focusing into scattering media, Nat. Photonics, 2011, 5(3):154-157.）。迭代优化波前整形技术是使用迭代优化算法对光学波前的相位或振幅进行调制，再根据目标位置的反馈信号逐个确定最优调制相位或振幅掩模的波前整形方法。该方法实验装置相对简单且成像分辨率高，但是聚焦时间较长，远大于活体生物组织的的退相干时间。为了缩短聚焦成像时间， Ashton S. Hemphill等人（A. S. Hemphill, J. W.Tay, L. V. Wang, Hybridized wavefront shaping for high-speed, high-efficiencyfocusing through dynamic diffusive media, J. Biomed. Opt., 2016, 21(12):121502.）提出一套基于相位优化的混合型波前整形方案。该方案同时使用空间光调制器（SLM）和数字微镜阵列（DMD），结合电光调制器和数字延迟器等器件对光的相位进行高速调制，并使用光电探测器收集反馈信号，成功实现了光穿过散射介质并在其外部聚焦。其聚焦时间是8ms，这是迄今为止速度最快的迭代优化型波前整形方案，然而该方案只能实现在散射介质外部的聚焦，无法实现在活体生物组织内部的指定位置聚焦成像。在2014年L. V.Wang等人首次将非线性光声效应引入到迭代优化型波前整形中，实现了非侵入性散射介质内部的光聚焦。（Lai P , Wang L , Tay J W , et al. Photoacoustically guidedwavefront shaping for enhanced optical focusing in scattering media[J].Nature Photonics, 2015, 9(2):126-132. ）该方法打破了超声焦点对聚焦成像分辨率的限制，实现了在散射介质内部的聚焦，但是整个优化过程持续了几个小时。由上述可知，目前现有的技术方案只能同时满足活体组织内部成像、快速成像和高分辨率成像三个条件中的一个或两个，无法投入到实际应用中。

因此，能在活体生物组织内部实现快速高分辨率聚焦成像的技术具有非常重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术无法同时满足组织内部成像、快速成像和高分辨率成像三个条件的问题 ，本发明提出一种基于迭代优化波前整形技术的活体组织荧光成像系统。