体内深层组织的显微图像采集系统及显微图像提供方法

技术领域

本发明涉及生物成像技术。

背景技术

开发了一种使用荧光信号的显微内镜(endomicroscopy)来观察深层活体组织中发生的细胞和分子水平的现象。然而，在执行每个微结构的特殊功能的同时，脑或小肠的组织同时有机地连接在一起，并且与其他组织相比，脑或小肠的组织分布在更宽和更深的区域。结果，用常规的光学成像技术对脑组织和其他组织进行成像存在限制。为了克服这种限制，已进行了通过将光学探头插入到活体中来对深层组织的正视图或侧视图进行成像的荧光内窥镜检查(fluorescence endoscopy)的研究。

然而，存在的问题是，在同一点处重复插入光学探头会导致组织受损。因此，难以用常规的荧光内窥镜在细胞水平上对活体的深层组织进行立体重复成像。

尽管有此类限制，但是为了准确地观察发生在深层活体组织中的现象，有必要在维持活体动物的生理和行为特性的同时采集显微图像。另外，为了观察组织随时间的变化，有必要对深层组织重复进行细胞水平的高分辨率成像。因此，需要一种用于研究体内显微成像的新技术。

公开内容

[技术问题]

本发明涉及用于深层组织的体内显微成像的系统和显微成像方法。

一个方面是提供一种显微成像系统，其立体地且重复地采集深层活体组织的显微图像。特别地，将壁玻璃毛细管(wall glass capillary)植入活体动物体内，并且利用插入到壁玻璃毛细管中且然后垂直移动并旋转的内窥镜探头。

另一方面是提供一种显微图像采集系统，其中当内窥镜探头被植入到植入在活体动物体内的壁玻璃毛细管中时，与显微镜装置连接的内窥镜探头在垂直移动并旋转的同时发射多种波长的光，并且显微镜装置获得从深层组织发射的荧光信号以生成显微图像。

又一方面是将方形窗口室(window chamber)植入活体动物体内，并且使用插入到方形窗口室中且然后垂直移动并旋转的内窥镜探头。

[技术解决方案]

根据一个实施例，提供了一种显微图像采集系统。显微图像采集系统包括：显微镜装置，该显微镜装置扫描多种波长的光，将光传输到物镜，并且检测在活体组织处反射并被传输到物镜的荧光信号；内窥镜探头，该内窥镜探头包括透镜，该内窥镜探头被插入到植入活体中的可植入设备中，将来自物镜的入射光传输到下端处的侧开口，并且将从用荧光材料标记的活体组织发射的荧光信号传输到物镜；以及可旋转探头移动设备，该可旋转探头移动设备固定内窥镜探头以旋转或垂直移动所固定的内窥镜探头。

显微图像采集系统可包括：用于传输已穿过物镜的光的梯度折射率透镜(GRIN透镜)；以及用于横向发射从GRIN透镜传输的光的微棱镜。

内窥镜探头可包括耦合透镜、中继透镜和成像透镜。

可旋转探头移动设备可包括探头保持器(probe holder)，该探头保持器用于固定内窥镜探头；旋转架(rotation mount)，该旋转架用于与内窥镜探头互锁并旋转内窥镜探头；以及平移台(translation stage)，该平移台用于垂直和水平移动旋转框架(rotationframe)。

可旋转探头移动设备可通过移动旋转框架来旋转固定到探头保持器的内窥镜探头，并且可通过移动平移台来垂直移动内窥镜探头。

显微图像采集系统还可包括载物台(stage)，该载物台实施有用于使可植入设备植入动物体的立体定向系统，并且可植入设备所附接的板可固定到该载物台。

可植入设备可被植入在被固定到板上的动物体内。

可植入设备可以填充有液体，该液体具有特定的折射率以控制由内窥镜探头发射的光的折射。

显微镜装置可包括：激光光源，该激光光源用于发射多种波长的光；扫描仪，该扫描仪用于使用多个反射镜扫描来自激光光源的光；物镜，该物镜将已穿过扫描仪的光传输到内窥镜探头；光电检测器，该光电检测器按波长检测从内窥镜探头传输的荧光信号中已穿过形成在共焦平面上的针孔的荧光信号；以及计算设备，该计算设备用于通过组合从光电检测器输出的信号来生成图像。

显微镜装置可包括多光子显微镜(multi-photon microscopy)。

计算设备可生成荧光图像，该荧光图像表达在特定深度的活体组织上标记的并且在内窥镜探头旋转时由激光光源激发的荧光材料。

计算设备可基于内窥镜探头的旋转和垂直移动位置来立体地生成活体组织的荧光图像。

可植入设备可以是壁玻璃毛细管或方形窗口室，该壁玻璃毛细管或方形窗口室实施有通道，内窥镜探头被插入到该通道中。

根据一个实施例，提供了一种用于通过显微图像采集系统采集显微图像的方法。该方法包括通过内窥镜探头将由显微镜装置生成的多种波长的光发射到活体组织中；以及使用从活体组织发射的荧光信号生成荧光图像，其中荧光图像表达标记在活体组织上的并由多种波长激光激发的荧光材料。多种波长的光从显微镜装置的物镜传输到内窥镜探头的透镜，并且被发射到内窥镜探头的侧开口周围的活体组织，并且荧光信号从内窥镜探头的透镜传输到物镜。内窥镜探头被插入到植入活体组织中的壁玻璃毛细管或方形窗口室中，并且旋转和垂直移动。

生成荧光图像可包括基于内窥镜探头的旋转和垂直移动位置来立体地生成活体组织的荧光图像。

显微镜装置可包括共焦显微镜(confocal microscopy)或多光子显微镜。

[有益效果]

根据一个实施例，由于对活体动物组织执行荧光成像，因此可准确且实时地观察到在活体组织维持生理和行为特性时发生的现象。

根据一个实施例，由于有可能重复采集活体中相同的深层组织的显微图像，因此可重复并长期观察活体的组织随时间的变化。

根据一个实施例，由于内窥镜探头垂直移动和旋转，因此可获得大面积的扩展图像，并且不仅可以获得二维的图像而且可获得三维的三维图像。

根据一个实施例，有可能在长时间内稳定且重复地进入(access)常规荧光内窥镜无法进入的深层组织。因此，根据一个实施例，可长期更准确地识别发生在包括脑组织在内的各种深层组织中的各种疾病或生物学现象。

附图说明

图1是根据一个实施例的显微图像采集系统的配置图。

图2是根据一个实施例的示例性内窥镜探头。

图3是根据一个实施例的示例性可旋转探头移动设备。

图4是根据一个实施例的示例性共焦显微镜设备。

图5是示出根据一个实施例的用于将玻璃管植入活体中的附接颅骨的板(skull-attached plate)的图。

图6是示出根据一个实施例的将老鼠固定到显微图像采集系统的载物台的情况的图。

图7是通过根据一个实施例的由显微图像采集系统采集的老鼠脑组织的示例性图像。

图8是根据一个实施例采集的示例性大面积荧光图像。

图9是根据一个实施例的显微图像采集方法的流程图。

图10是根据另一实施例的植入活体中的示例性可植入设备。

发明的方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例，使得本领域普通技术人员可以容易地实施本发明。然而，本发明可以以各种不同的形式来实施，并且不限于本文描述的示例。在附图中，为了简化说明，省略了与本发明的描述无关的元素，并且在整个说明书中，相似的附图标记表示相似的元素。

在整个说明书中，除非另有明确指示，否则当一个部件被称为“包括”某个元素时，这意味着它还可以包括其他元素而不是排除其他元素。另外，说明书中诸如“......单元(...unit)”、“......组(...group)”，“......模块(...module)”等的术语是指处理至少一个功能或操作的单元，其可用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施。

图1是根据一个实施例的显微图像采集系统的配置图，图2是根据一个实施例的示例性内窥镜探头，以及图3是根据一个实施例的示例性可旋转探头移动设备。

参考图1，显微图像采集系统10包括显微镜装置100、具有一定长度的内窥镜探头200和可旋转探头移动设备300。可旋转探头移动设备300固定内窥镜探头200，使得来自显微镜装置100的物镜的入射光被传输到内窥镜探头200，并且内窥镜探头200被操作以垂直移动或旋转。

壁玻璃毛细管400被植入活体动物的组织中。植入有壁玻璃毛细管400的动物被固定在被实施有立体定向系统的机动载物台上。此后，将固定到可旋转探头移动设备300的内窥镜探头200插入到植入活体动物的组织中的壁玻璃毛细管400中。插入到壁玻璃毛细管400中的内窥镜探头200在由可旋转探头移动设备300垂直移动和旋转的同时向深层组织中发射光，并且将从用荧光材料标记(标示)的深层组织发射的光(荧光信号)传输到显微镜装置100。

显微镜装置100的物镜与内窥镜探头200之间的位置关系以及内窥镜探头200与壁玻璃毛细管400之间的位置关系被设计成能够进行精细调节。

显微镜装置100可用各种类型的显微镜来实施，并且例如可使用共焦显微镜或多光子显微镜。显微镜装置100用激光扫描方法使荧光材料发光，并且检测从内窥镜探头200传输的光以生成二维(2D)或三维(3D)图像。

内窥镜探头200是在壁玻璃毛细管400的壁的方向上发光的侧视内窥镜。内窥镜探头200将已穿过显微镜装置100的物镜的光传输到活体组织内部的成像区域，并且将从活体组织内部反射的光反向传输到物镜。内窥镜探头200的形状可以是多种多样的。然而，在本发明中，内窥镜探头200可以具有可插入到壁玻璃毛细管400中并可容纳梯度折射率透镜(GRIN透镜)的杆或针的形状。

由于将内窥镜探头200插入到被植入动物组织中的壁玻璃毛细管400中，因此显微图像采集系统10可在不损伤组织的情况下重复地生成深层活体组织的显微图像。

内窥镜探头200的上端与可旋转探头移动设备300结合。此外，内窥镜探头200包括透镜结构，该透镜结构将从物镜入射的光传输到在下端处的侧开口。

参考图2，内窥镜探头200可以制造有GRIN透镜，该GRIN透镜具有附接到其下端的微棱镜以用于侧面成像。考虑到适合观察生物微观结构的条件(包括微创(minimalinvasive))，GRIN透镜的光学条件被优化。光学条件包括GRIN透镜的直径(例如1mm)、长度(例如28.5mm)、操作距离、所附接的微棱镜的尺寸(例如0.7×0.7×0.7mm

可旋转探头移动设备300具有不仅能够使内窥镜探头200旋转而且支持内窥镜探头200的水平移动和垂直移动的精细调节的结构。因此，可旋转探头移动设备300控制(在X轴和Y轴方向上的)平面移动和在Z轴方向上的垂直移动，这在组合式内窥镜探头200和显微镜装置100的物镜之间的位置关系中是重要的。

参考图3，可旋转探头移动设备300可包括：探头保持器，其用于保持内窥镜探头200；旋转架330，其用于精细地旋转探头保持器310；以及平移台350，其用于在X轴、Y轴和Z轴上精细地移动旋转架330。可旋转探头移动设备300可用控制旋转和三轴移动(垂直和水平移动)的构件的组合来实施，并且可以以各种方式设计其详细配置。

壁玻璃毛细管400的制造考虑到可通过GRIN透镜传递给活体组织的光源的操作距离(400μm)。壁玻璃毛细管400可以是例如内径为1.04mm以及外径为1.2mm的非常细的玻璃管。壁玻璃毛细管400可被植入在被固定到板上的动物体内，该板被设计成适于保持颅骨以进行精细轴向调节。壁玻璃毛细管400的下端是封闭的，而上端是开放的，从而内窥镜探头200可以被插入。可对壁玻璃毛细管400的内壁进行表面处理，使得内窥镜探头200可以平滑地移动和旋转。考虑到来自内窥镜探头200的光的折射，壁玻璃毛细管400的内部可以填充有具有特定折射率的液体。

图4是根据一个实施例的示例性共焦显微镜设备。

参考图4，共焦显微镜可以用于显微镜装置100中。

共聚焦显微镜设备100a包括激光光源110a、110b、110c和110d，激光光源110a、110b、110c和110d发射多种波长的光；扫描仪130，其使用多个反射镜在X-Y方向上扫描来自激光光源110a、110b、110c和110d的光；物镜150，其将已穿过扫描仪130的光传递到用荧光材料标记的目标组织；光电检测器170a、170b、170c和170d，光电检测器170a、170b、170c和170d使用针孔按波长检测从物镜150的焦点反射的荧光信号；以及计算设备190，其通过组合由光电检测器170a、170b、170c和170d检测的信号来生成图像。

激光光源110a、110b、110c和110d中的每一个由可见光波段中的四个激光光源组成，并且可以是例如波长为405nm、488nm、561nm和640nm的激光光源。用作激发光源的激光光源的数量和波长可以以各种方式改变。

光路可以被设计成使得从激光光源110a、110b、110c和110d中的每一个发射的光依次通过束通滤波器(beam pass filter，BPF)、灰度滤光器(中性密度滤光器(neutraldensity filter)，NDF)和根据波长使光分束的分束器，且然后被传输到扫描仪130。反射镜(M)可用于改变光路。分束器可以是二向色分束器(DBS)。

扫描仪130可包括多边形旋转镜(rotation mirror)131和检流计镜(galvanometer mirror)133。多边形旋转镜131可扫描X轴，并且检流计镜133可扫描Y轴以生成X-Y光栅扫描图案。扫描仪130使物镜的焦点位置根据激光扫描图案而快速移动。

物镜150将已穿过扫描仪130的光传递到用荧光材料标记的靶组织中。从标记有荧光材料(荧光信号)的深层组织部位发射的光在穿过内窥镜探头200之后进入物镜150，且然后被传输到扫描仪130。物镜150可用40倍放大率的物镜来实施，并且可通过使用适当放大率的透镜来设定成具有各种视野。

荧光信号从扫描仪130被传输到光电检测器170a、170b、170c和170d。光电检测器170a、170b、170c和170d可以是为每个波长单独提供的光电倍增管(PMT)，并且每个波长的荧光信号通过形成在共焦平面上的针孔173a、173b、173c和173d被传递到光电倍增管。针孔可以是形成在共焦面上的细孔或狭缝。从扫描仪130传输的荧光信号可通过二向色分束器(DBS)按波长分束。光电检测器170a、170b、170c和170d中的每一个将输入的荧光信号转换成电信号，以及然后将电信号传输到计算设备190。

计算设备190根据激光扫描图案组合从光电检测器170a、170b、170c和170d接收的电信号，并且生成细胞水平和分子水平的显微图像。计算设备190可包括图像采集卡(framegrabber)。例如，计算设备190可以每秒30帧的速度采集可应用Z轴分割的细胞水平分辨率的2D图像。

特别地，当根据内窥镜探头200在Z轴上的移动或旋转移动从光电检测器170a、170b、170c、170d实时传输信号时，计算设备190可在细胞水平或分子水平对活体动物的深层组织中发生的荧光现象执行实时成像。

图5是示出根据一个实施例的用于将壁玻璃毛细管植入体内的颅骨附接板的图。

参考图5的(a)，壁玻璃毛细管400可以植入被附接到板500的动物体内。另选地，植入的壁玻璃毛细管400可以附接到板500。

为了利用与显微镜装置100组合的内窥镜探头200执行精细的轴向调节，确定板500上的至少一个壁玻璃毛细管插入到其中的孔的位置。另外，壁玻璃毛细管400所附接的动物可通过将板500固定到机动载物台而被立体定向地固定。由于板500，内窥镜探头200和壁玻璃毛细管400机械对准，使得内窥镜探头200可被精确地、稳定地和重复地插入到壁玻璃毛细管400中。

由于将玻璃管植入活体动物体内而引起的出血可能发生毛细管现象，因此在玻璃管插入的技术中，壁玻璃毛细管可在其底端封闭的情况下被插入到活体组织中。特别地，在本发明中，可通过外科手术方法来采集活体组织的显微图像，该外科手术方法在维持活体组织的生理和行为特性的同时将附接到板500的壁玻璃毛细管400插入到脑组织中。

板的形状可根据壁玻璃毛细管插入的位置、壁玻璃毛细管的尺寸和长度、壁玻璃毛细管插入的动物的尺寸和部位以及板固定到的载物台的结构而以各种方式改变。

参考图5的(b)，固定插入到老鼠的脑组织中的壁玻璃毛细管的颅骨附接板500可包括例如玻璃管插入板510和连接到玻璃管插入板510的两端的载物台固定板530和550。玻璃管插入板510具有壁玻璃毛细管可插入到其中的至少一个孔。

参考图5的(c)，壁玻璃毛细管通过玻璃管插入板510的孔进行附接并固定。

图6是示出根据一个实施例的将老鼠固定到显微图像采集系统的载物台上的情况的图，以及图7是根据一个实施例的通过显微图像采集系统采集的老鼠脑组织的示例性图像。

参考图6的(a)，将附接到颅骨附接板500的老鼠放置在显微图像采集系统的载物台600上，并且将颅骨附接板500立体地固定在载物台600上。此后，连接到可旋转探头移动设备300的内窥镜探头200垂直移动并旋转，并且已穿过物镜150的光被传递到内窥镜探头200以扫描壁玻璃毛细管周围的深层组织。

实际上，可将老鼠固定在显微图像采集系统的载物台上，如图6的(b)所示。

为了图像采集，在实验前1小时将DyLight 594结合的凝集素抗体(DyLight594conjugated Lectin antibody)注射到CX3CR1-GFP老鼠中。然后，血管被染色，并且脑组织中的小胶质细胞发射绿色荧光。结果，如图7所示的荧光图像被采集到。在执行内窥镜探头200的垂直移动和旋转移动以及电机载物台600的垂直移动的同时发射具有多种波长的光。结果，可在如图7所示的扩展区域中采集细胞水平的高分辨率图像。

参考图7，可通过对深层活体组织进行大面积和多通道成像，对用凝集素549抗体染色的血管和表达GFP的小胶质细胞(GFP-expressing microglia)进行双色成像(dual-color imaging)。

在采集图像之后，可通过组织提取和固定来重新验证插入到脑组织的坐标和深度。

图8是根据一个实施例采集的示例性大面积荧光图像。

参考图8，将涂覆有FITC荧光材料的透镜组织样本施加到显微图像采集系统10，该显微图像采集系统可沿细玻璃管稳定且重复地插入内窥镜探头200，并且结果，可通过内窥镜探头200的垂直移动和旋转来采集大面积荧光图像。

图9是根据一个实施例的显微图像采集方法的流程图。

参考图9，显微图像采集系统10通过内窥镜探头200将显微镜装置100的多种波长的光发射到活体组织中(S110)。将已穿过显微镜装置100的物镜的光传输到内窥镜探头200。

显微图像采集系统10用内窥镜探头200获得从活体组织发射的荧光信号，将该内窥镜探头200插入到植入活体组织中的壁玻璃毛细管中，并且在旋转和垂直移动的同时向活体组织中发射光(S120)。

显微图像采集系统10将从内窥镜探头200获得的荧光信号按波长分束，并且检测分束的荧光信号(S130)。

显微镜图像采集系统10鉴于根据内窥镜探头200的移动位置的荧光信号的检测位置，根据从内窥镜探头200获得的荧光信号生成2D图像或3D图像(S140)。内窥镜探头200的移动位置由内窥镜探头200的旋转移动和垂直移动确定。

图10是根据另一实施例的植入活体中的示例性可植入设备。

参考图10，可将细玻璃管400或方形窗口室410植入活体动物的组织中。

方形窗口室410可制造有室411和上端翼413。室411具有矩形管状形状以形成一定的空间。室411的底部可制成封闭的。另选地，室411的底部可以被制造成敞开的，并且实验者可将薄板附接到室的底表面。将玻璃板附接到室411的侧面。另选地，使室411的侧面敞开，并且实验者可通过光学粘合技术(optic bond)来附接玻璃板。来自可旋转内窥镜探头200的光可通过附接到室411侧面的玻璃板传递到组织。

上端翼413包括固定室411的翼和内窥镜探头200通过其插入室411中的通道。例如，当将方形窗口室410植入脑组织中时，上端翼413可稳定地附接到头部(颅骨)。上端翼413可替代如图3所示的具有复杂结构的板，或者可简单地被实施。

作为参考，在图10中，只要可将内窥镜探头200插入到方形窗口室410中，则内窥镜探头200的尺寸和方形窗口室410的尺寸可进行各种改变。

方形窗口室410可对比壁玻璃毛细管400更宽的平面进行成像。由于方形窗口室410垂直移动，同时平行于玻璃板所附接的表面移动，因此方形窗口室410可对比壁玻璃毛细管400扩展更多的深层组织进行成像。

结果，本发明通过将壁玻璃毛细管400或方形窗口室410植入体内并将内窥镜探头插入到所植入的设备中，使得能够重复进入活体动物的深层组织。特别地，使用壁玻璃毛细管400或方形窗口室410允许在细胞水平上对深层组织中更大的扩展区域进行多通道成像。

如上所述，通过动物组织的荧光成像，显微图像采集系统10可在维持生理和行为特性的同时，实时准确地实时观察在活体组织中发生的现象。

由于可重复采集活体中相同的深层组织的显微图像，因此可重复且长期地观察活体的组织随时间的变化。

由于内窥镜探头垂直移动并旋转，因此显微图像采集系统10可采集大面积的扩展图像，并且不仅可采集2D图像，而且还可采集3D图像。

显微图像采集系统10可稳定地进入常规荧光内窥镜无法进入的深层组织。因此，显微图像采集系统10可识别发生在包括脑组织在内的各种深层组织中的各种疾病或生物学现象。

上述本发明的实施例不仅仅通过装置和方法来实施，而且可通过用于实现对应于本发明的实施例的配置的功能的程序或者记录该程序的记录介质来实施。

尽管已在上面详细描述了本发明的实施例，但是本发明的范围不限于此，并且还提供了本领域技术人员使用随附权利要求中限定的本发明的基本概念的各种修改和改进。它属于权利范围。