【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及光聲內(nèi)窺的研究領(lǐng)域，特別涉及一種光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
1、清醒小動(dòng)物腦皮層神經(jīng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)神經(jīng)科學(xué)研究至關(guān)重要。在研究過(guò)程中，保持動(dòng)物清醒狀態(tài)具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@能夠更準(zhǔn)確地反映動(dòng)物的自然生理狀態(tài)，避免了麻醉對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的干擾。清醒狀態(tài)下的腦皮層成像能夠提供更真實(shí)、更可靠的數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家們深入理解動(dòng)物的神經(jīng)功能和行為表現(xiàn)。
2、為了克服這一限制，提出了各種方法，已經(jīng)多種成像方式被用于清醒小動(dòng)物的腦皮層成像，如光學(xué)成像、超聲成像以及光聲成像等。其中，光聲成像技術(shù)綜合了光學(xué)和超聲的優(yōu)勢(shì)，具備高選擇性、分辨率和深度穿透能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)清醒小動(dòng)物腦皮層的高分辨率成像。但仍然存在的局限性，這些方法目前的成像視野均局限在一定的微小區(qū)域，無(wú)法進(jìn)行大視野全皮層的成像且腦部為拱形特征無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻分辨率成像。雖然有技術(shù)解決了大視野和腦部弧形的成像限制，但僅局限于固定小鼠腦袋的大型顯微設(shè)備下。目前自由行動(dòng)的小鼠全腦皮層高分辨率高速成像，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)及方法，基于可以產(chǎn)生微納光學(xué)透鏡以及透明超聲換能器，產(chǎn)生大景深小束腰半徑的激發(fā)光束和超大視野覆蓋，同時(shí)保持微型化和輕量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自由行動(dòng)的小鼠的無(wú)干擾大視野高分辨率高速神經(jīng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)。
2、為了達(dá)到上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：
3、第一方面，本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種光聲小動(dòng)物頭戴
4、所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊包括脈沖激光器、單模光纖、擴(kuò)束準(zhǔn)直單元、光纖耦合器、第一準(zhǔn)直單元、第二準(zhǔn)直單元、固定器、多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)和信號(hào)傳輸線；所述光纖耦合器將經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直單元的脈沖激光束耦合進(jìn)入單模光纖；所述第一準(zhǔn)直單元置于單模光纖光輸出端并通過(guò)固定器固定，用于正向光傳輸，將單模光纖輸出光調(diào)整為準(zhǔn)直光；所述第二準(zhǔn)直單元與第一準(zhǔn)直單元共軸對(duì)向放置并與多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)的定子固定，將第一準(zhǔn)直單元輸出的準(zhǔn)直光再次耦合進(jìn)單模光纖；所述多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)的定子與第二準(zhǔn)直單元固定，并可自由旋轉(zhuǎn)；
5、所述信號(hào)激發(fā)和接收模塊包括微納光學(xué)透鏡、透明超聲換能器、放大器和濾波器；所述微納光學(xué)透鏡根據(jù)其設(shè)計(jì)的衍射結(jié)構(gòu)確定焦距，位于單模光纖輸出端，單模光纖輸出發(fā)散光進(jìn)入微納光學(xué)透鏡，其中，光纖端與微納光學(xué)透鏡間設(shè)置透鏡或者透鏡組進(jìn)行光準(zhǔn)直；經(jīng)過(guò)微納光學(xué)透鏡整形后的光束透過(guò)透明超聲換能器照射到樣品上；微納光學(xué)透鏡、透明超聲換能器均置于微型固定支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)；樣品信號(hào)一次通過(guò)放大器、濾波器；
6、所述掃描控制模塊包括微型mems、mems驅(qū)動(dòng)器和fpga；所述微型mems通過(guò)fpga的給定的脈沖信號(hào)和mems驅(qū)動(dòng)器的控制進(jìn)行共振掃描；
7、所述微型固定支撐結(jié)構(gòu)連接可拆卸的小動(dòng)物腦部固定基座；
8、所述圖像重建模塊包括采集卡和計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并處理，完成光聲圖像重建工作。
9、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊中，單模光纖最后的輸出端固定于微型固定支撐結(jié)構(gòu)，單模光纖輸出的發(fā)散光經(jīng)過(guò)微納光學(xué)透鏡被微型mems反射掃描并透過(guò)透明超聲換能器照射到樣品上，激發(fā)光聲信號(hào)，并被透明超聲換能器接收。
10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊的信號(hào)傳輸線包括透明超聲換能器和mems的信號(hào)傳輸線，兩者均通過(guò)多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)傳輸，跟隨小動(dòng)物自由運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。
11、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述微納光學(xué)透鏡經(jīng)過(guò)衍射光學(xué)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)并制備，將高斯光束變形為大景深高分辨的長(zhǎng)焦光束輸出。
12、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述透明超聲換能器通過(guò)鈮酸鋰或者pvdf膜等壓電材料以及氧化銦錫或者銀納米線等透明電極制備，形成高透光率的壓電接收器件，用于接收被脈沖光激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào)。
13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述掃描控制模塊中，mems固定于微型支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)，根據(jù)成像視野置于微納光學(xué)透鏡和透明換能器之間或者單模光纖和微納光學(xué)透鏡之間；mems驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)線由軟排線引出，經(jīng)多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)傳輸。。
14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述小動(dòng)物腦部基座通過(guò)固定試劑固定于小動(dòng)物腦部；所述單模光纖、微納光學(xué)透鏡、透明超聲換能器和微型mems固定在微型固定支撐結(jié)構(gòu)中。
15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述小動(dòng)物腦部固定基座形狀匹配于整個(gè)小動(dòng)物腦皮層的弧度和視野；微型固定支撐結(jié)構(gòu)固定于小動(dòng)物腦部固定基座上，所述小動(dòng)物腦部固定基座和微型固定支撐結(jié)構(gòu)可進(jìn)行拆分和固定，小動(dòng)物腦部固定基座和微型固定支撐結(jié)構(gòu)與腦部之間空隙填充超聲凝膠。
16、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述放大器和濾波器參數(shù)型號(hào)根據(jù)透明超聲換能器的響應(yīng)靈敏度、主頻、帶寬設(shè)計(jì)；用于將透明超聲換能器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理。
17、第二方面，本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)的成像方法，包括下述步驟：
18、(1)頭戴式系統(tǒng)的固定：將小動(dòng)物腦部固定基座通過(guò)牙科水泥固定于感興趣小動(dòng)物腦部，然后填滿(mǎn)超聲凝膠，將微型固定支撐結(jié)構(gòu)固定于小動(dòng)物腦部固定基座上；
19、(2)激發(fā)及傳輸：脈沖激光通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直單元及光纖耦合器入射到單模光纖中，在單模光纖中傳輸，經(jīng)過(guò)第一準(zhǔn)直單元出射平行光，再次經(jīng)過(guò)可自由旋轉(zhuǎn)的第二準(zhǔn)直單元進(jìn)入單模光纖傳輸，從單模光纖輸出的光經(jīng)過(guò)微納光學(xué)透鏡聚焦，并經(jīng)過(guò)微型mems反射，透過(guò)透明超聲換能器后，聚焦光照射到自由運(yùn)動(dòng)的樣品上激發(fā)出光聲信號(hào)，通過(guò)大景深光束的光柵掃描，獲取大視野均勻分辨率信號(hào)；
20、(3)數(shù)據(jù)采集：樣品吸收光能量產(chǎn)生的光聲信號(hào)，通過(guò)聲傳播介質(zhì)傳輸?shù)酵该鞒晸Q能器被接受，然后通過(guò)采集信號(hào)線，多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)、放大器、濾波器，最后將信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)采集卡，由信號(hào)采集電路上的ac/dc轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換；
21、(4)圖像重建及顯示：計(jì)算機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并處理，完成光聲圖像重建工作。
22、本專(zhuān)利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
23、本專(zhuān)利技術(shù)首次將微納光學(xué)透鏡和透明超聲換能器結(jié)合應(yīng)用于小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)，通過(guò)超表面產(chǎn)生大景深高分辨率激發(fā)光聲，透明超聲換能器接收信號(hào)，克服了頭戴式成像視野小，分辨率不均勻以及質(zhì)量重體積大的限制，提供了覆蓋小動(dòng)物全腦皮層視野的均勻分辨率高質(zhì)量神經(jīng)活動(dòng)成像，可廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研領(lǐng)域。
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1.光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，包括自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊、信號(hào)激發(fā)和接收模塊、掃描控制模塊、微型固定支撐結(jié)構(gòu)以及圖像重建模塊；所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊進(jìn)行信號(hào)激發(fā)、信號(hào)接收以及采樣信號(hào)和掃描控制模塊指令信號(hào)的傳輸，并將信號(hào)最終輸入圖像重建模塊以實(shí)現(xiàn)圖像的重建；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊中，單模光纖最后的輸出端固定于微型固定支撐結(jié)構(gòu)，單模光纖輸出的發(fā)散光經(jīng)過(guò)微納光學(xué)透鏡被微型MEMS反射掃描并透過(guò)透明超聲換能器照射到樣品上，激發(fā)光聲信號(hào)，并被透明超聲換能器接收。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊的信號(hào)傳輸線包括透明超聲換能器和MEMS的信號(hào)傳輸線，兩者均通過(guò)多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)傳輸，跟隨小動(dòng)物自由運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述微納光學(xué)透鏡包括超表面透鏡，超構(gòu)透鏡以及衍射光學(xué)透鏡，經(jīng)過(guò)亞波長(zhǎng)尺度的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行光的相位、
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述透明超聲換能器通過(guò)鈮酸鋰或者PVDF膜以及氧化銦錫或者銀納米線制備，形成高透光率的壓電接收器件，用于接收被脈沖光激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述掃描控制模塊中，MEMS固定于微型支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)，根據(jù)成像視野置于微納光學(xué)透鏡和透明換能器之間或者單模光纖和微納光學(xué)透鏡之間；MEMS驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)線由軟排線引出，經(jīng)多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述小動(dòng)物腦部基座通過(guò)固定試劑固定于小動(dòng)物腦部；所述單模光纖、微納光學(xué)透鏡、透明超聲換能器和微型MEMS固定在微型固定支撐結(jié)構(gòu)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述小動(dòng)物腦部固定基座形狀匹配于整個(gè)小動(dòng)物腦皮層的弧度和視野；微型固定支撐結(jié)構(gòu)固定于小動(dòng)物腦部固定基座上，所述小動(dòng)物腦部固定基座和微型固定支撐結(jié)構(gòu)可進(jìn)行拆分和固定，小動(dòng)物腦部固定基座和微型固定支撐結(jié)構(gòu)與腦部之間空隙填充超聲凝膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述放大器和濾波器參數(shù)型號(hào)根據(jù)透明超聲換能器的響應(yīng)靈敏度、主頻、帶寬設(shè)計(jì)；用于將透明超聲換能器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)的成像方法微納光學(xué)透鏡，其特征在于，包括下述步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，包括自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊、信號(hào)激發(fā)和接收模塊、掃描控制模塊、微型固定支撐結(jié)構(gòu)以及圖像重建模塊；所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊進(jìn)行信號(hào)激發(fā)、信號(hào)接收以及采樣信號(hào)和掃描控制模塊指令信號(hào)的傳輸，并將信號(hào)最終輸入圖像重建模塊以實(shí)現(xiàn)圖像的重建；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊中，單模光纖最后的輸出端固定于微型固定支撐結(jié)構(gòu)，單模光纖輸出的發(fā)散光經(jīng)過(guò)微納光學(xué)透鏡被微型mems反射掃描并透過(guò)透明超聲換能器照射到樣品上，激發(fā)光聲信號(hào)，并被透明超聲換能器接收。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述自由運(yùn)動(dòng)模式光電傳輸模塊的信號(hào)傳輸線包括透明超聲換能器和mems的信號(hào)傳輸線，兩者均通過(guò)多通道中空無(wú)刷電滑環(huán)傳輸，跟隨小動(dòng)物自由運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述微納光學(xué)透鏡包括超表面透鏡，超構(gòu)透鏡以及衍射光學(xué)透鏡，經(jīng)過(guò)亞波長(zhǎng)尺度的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行光的相位、振幅和偏振操縱設(shè)計(jì)或者表面上刻蝕微結(jié)構(gòu)通過(guò)光的衍射和干涉進(jìn)行光束的傳播方向和形狀設(shè)計(jì)方案并制備，將高斯光束變形為大景深高分辨的長(zhǎng)焦光束輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述光聲小動(dòng)物頭戴式成像系統(tǒng)微納光學(xué)透鏡，其特征在于，所述透明超聲換能器通過(guò)鈮酸...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉再毅，郭婷，熊科迪，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：廣東省人民醫(yī)院，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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