阅读说明：本技术 基于光刺激的无线超微型显微成像系统 (Wireless ultramicro microscopic imaging system based on light stimulation ) 是由 李卫东 吴正平 魏欢 杨翔宇 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光刺激的无线超微型显微成像系统,涉及显微成像技术领域,解决了现有成像系统成本高、体积大的技术问题,其技术方案要点是该显微成像系统包括无线供电系统、CMOS图像传感器和镜体,无线供电系统省去了有线方式中较为昂贵的换向装置,同时用于传输光刺激命令；CMOS图像传感器采用高集成度的模数转换芯片进行信号采集,电路采用多层板设计,使得设备整体设计体积减小；镜体包括刺激光源,可以实现光刺激。本发明的系统体积小,成本低,使用便捷,能够实时记录荧光图像,实现高精准采集,且传输速度快且稳定,还可以任意光刺激模式。(The invention discloses a wireless ultra-miniature microscopic imaging system based on light stimulation, which relates to the technical field of microscopic imaging and solves the technical problems of high cost and large volume of the existing imaging system; the CMOS image sensor adopts an analog-to-digital conversion chip with high integration level to acquire signals, and a circuit adopts a multilayer board design, so that the overall design volume of the equipment is reduced; the lens body comprises a stimulation light source, and light stimulation can be realized. The system has the advantages of small volume, low cost, convenient use, high transmission speed and stability, can record fluorescence images in real time, realizes high-precision acquisition and can realize any light stimulation mode.)

基于光刺激的无线超微型显微成像系统

技术领域

本公开涉及显微成像系统，尤其涉及一种基于光刺激的无线超微型显微成像系统。

背景技术

传统光学成像系统结构复杂，体积大而且价格昂贵，很难实现自由活动时大脑神经活动成像等方面的研究。显微成像技术在细胞生物学、神经科学等研究中被广泛使用，是神经生物学和医学研究的重要手段。

现有科学研究中的荧光成像系统结构通常由光学通路和电路两部分组成，光学通路通常包括目镜、物镜、光纤、滤光片、消色差镜片、二向色镜、聚光透镜、调节焦距结构单元，电路包括电源管理单元、激发光单元、CMOS成像电源、数据转换及传输单元。以上这些结构组成繁多，很难微型化而适用于自由活动情况下各种科学研究。

在利用功能核磁、PET及CT等大型设备对活动动物大脑神经元成像时也需要固定和束缚，在这种情况下并不能完整真实反映大脑神经活动，而且很多行为学研究无法进行研究。因此，随着荧光分子标记技术的迅速发展，轻便、能自由活动的显微镜技术在研究神经环路、细胞活动等方面的研究日趋紧迫。

另外现有成像设备不具备同时进行光刺激的功能，在研究过程中光刺激设备需要单独提供，给实验和研究带来了很多约束和不便。

发明内容

本公开的技术目的是客服现有技术的不足，提供一种成本低、体积小的基于光刺激的无线超微型显微成像系统，提供了新的设备安装、数据记录和光刺激方式，解决了现有设备中有线传输的解决方案限制了被试体自由活动的问题。

本公开的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于光刺激的无线超微型显微成像系统，包括供电系统、CMOS图像传感器和镜体，所述CMOS图像传感器与所述镜体顶部连接，所述镜体包括垂直设置的竖直杆和水平杆，所述竖直杆上设有消色差透镜，所述消色差透镜两侧对称设有焦距调节模块，所述消色差透镜下方自上而下设有发射滤光片、第一分光镜和自聚焦透镜，所述第一分光镜左侧的所述水平杆上自左至右设有激发滤光片、第二分光镜、半球透镜和激发光源，所述第二分光镜上方设有刺激光源，所述自聚焦透镜设在所述镜体的底部。

进一步地，所述发射滤光片和所述激发滤光片垂直设置。

进一步地，所述第一分光镜和所述第二分光镜与x轴成锐角设置。

进一步地，所述成像系统还包括数据处理模块和数据分析模块，所述数据处理模块与所述CMOS图像传感器连接，所述数据分析模块与所述数据处理模块连接。

进一步地，所述数据处理模块为ATMEL SAM V71微处理器，所述数据处理模块与所述CMOS图像传感器通过无线方式连接。

进一步地，所述成像系统还包括镜体加持器、头部固定板和镜体保护器，所述镜体加持器设在所述镜体上方，所述头部固定板设在所述镜体下方，所述镜体保护器设在所述头部固定板下方。

进一步地，所述供电系统为无线供电系统，所述无线供电系统包括无线供电模块、无线接收模块、轻型锂电池、电源稳压器和电量计。

本公开的有益效果在于：本公开的系统体积小，成本低，使用便捷，能够实时记录荧光图像，实现高精准采集，且传输速度快且稳定，还可以任意光刺激模式；

CMOS图像传感器采用高集成度的模数转换芯片进行信号采集，电路采用多层板设计，使得设备整体设计体积减小，重量减轻在3克左右；

采用无线供电的方式可以省去有线方式中要使用换向装置来解旋信号线，而换向装置较为昂贵，采用无线方式可以省去这部分的开支，同时用于传输光刺激命令；

具有机械的焦距调节模块，能够实现一定范围内的焦距调节。

附图说明

图1为本公开镜体结构示意图；

图2为镜体安装示意图；

图3为系统同步使用示意图；

图中：100-镜体；1-CMOS图像传感器；2-焦距调节模块；3-消色差透镜；4-刺激光源；5-发射滤光片；6-第一分光镜；7-激发光源；8-半球透镜；9-第二分光镜；10-激发滤光片；11-自聚焦透镜；12-镜体加持器；13-头部固定板；14-镜体保护器；15-竖直杆；16-水平杆。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

同样，术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“垂直”、“竖直”、“水平”、“两侧”、“左侧”、“自上而下”、“自左至右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

本公开所述的基于光刺激的无线超微型显微成像系统包括无线供电系统、CMOS图像传感器1和镜体100，CMOS图像传感器1与镜体100顶部连接。图1为镜体100结构示意图，镜体100包括垂直设置的竖直杆15和水平杆16，竖直杆15上设有消色差透镜3，消色差透镜3两侧对称设有焦距调节模块2，消色差透镜3下方自上而下设有发射滤光片5、第一分光镜6和自聚焦透镜11，第一分光镜6左侧的水平杆16上自左至右设有激发滤光片10、第二分光镜9、半球透镜8和激发光源7，第二分光镜9上方设有刺激光源4，自聚焦透镜11设在镜体100的底部。发射滤光片5和激发滤光片10垂直设置，第一分光镜6和第二分光镜9与x轴成锐角设置。

无线供电系统包括无线供电模块、无线接收模块、轻型锂电池、电源稳压器和电量计。无线供电系统的实现使用的是电磁感应技术，对无线供电模块的送电线圈给以一定频率的交流电流信号产生变化的磁场，在无线接收模块中的受电线圈受磁场变换产生电流稳压后给电池充电或给系统供电。其中，电源稳压器选择TI的TPS62170芯片，输出3.3V，作为工作电压供给各个部分；电量计选择LT的LTC2941芯片，对电池电量进行实时监测，并能在电量过低时给出预警。无线供电系统与镜体、CMOS图像传感器都通过无线方式连接。

镜体100的工作过程为：激发光源7产生激发光由半球透镜8聚焦后通过激发滤光片10滤除杂波后通过第一分光镜6，第一分光镜6反射后通过自聚焦透镜11传入被试动物脑内，被试动物脑内钙离子被激发后产生与激发光波长不同的可见光，并经过自聚焦透镜11反射到镜体100内，通过第一分光镜6和发射滤光片5滤除杂波，再经过消色差透镜3消除色差后进入CMOS图像传感器1。

刺激光源4通过第二分光镜9反射，经过激发滤光片10滤除杂波，再通过第一分光镜6反射到自聚焦透镜11进入被试动物脑内，刺激光源4负责调节脑内光环境，与激发光源7不同，不会引起钙离子跃迁与成像。

本成像系统还包括数据处理模块、数据分析模块、镜体加持器12、头部固定板13和镜体保护器14。其中，数据处理模块与CMOS图像传感器1通过无线方式连接，数据分析模块与数据处理模块连接；镜体加持器12设在镜体上方，头部固定板13设在镜体下方，镜体保护器14设在头部固定板13下方，如图2所示。

优选地，CMOS图像传感器1选用ON Semiconductor的CMOS图像传感器MT9V032，像素为752(H)x480(V)，帧率最高可达60fps，数据传输可以选择10位并行数据口传输，也可以8位或10位LVDS串行传输。

优选地，数据处理模块选择ATMEL SAM V71微处理器，主频高达300MHz，拥有多个串行接口，负责与各个部分通信，微处理器集成了带浮点运算单元，可以进行一些简单的处理算法；具有COMS camera并行接口，可以与CMOS图像传感器进行数据的交互；具有SDIO接口，方便快速将数据存入存储设备，存储部分选用高速、高容量、小体积的TF存储卡，读写速度为Class10级别，存储空间64GB，保证一整天的数据存储。同步信号处理部分还采用无线方案进行通信，使用者通过无线方式将同步信号记录到实时采集的信号序列中，同步数据的状态，还可以实现对信号进行低帧率的预览。

优选地，无线方式选择NORDIC nRF24芯片，以超低功耗工作在2.4GHz频段，具有可组网扩展功能，无线通信包括存储控制方案、图像采集参数设置命令协议、光刺激方案通信协议。

优选地，数据分析模块可以进行数据图像读取、图像配准(Image Registration)、计算基线(Calculate Baseline Image)、自动分类(Automated Segmentation)、ΔF/F跟踪提取(ΔF/F Trace Extraction)、反卷积处理(Deconvolution)等，并且还可以进行短时间的图像在线预览。

作为具体实施例地，由此得到的整个系统重量在3克左右，无线供电时，系统安装在被试动物的头部或被研究位置，如图3所示，用于图像采集及保存；在电池供电时，可以允许分两部分安装，镜体部分固定在动物头部或被研究位置，无线供电系统安装在被试动物的背上，无线供电系统部分的体积主要依据被试动物的种类而定，例如安装在小鼠身上的无线供电系统在8克左右。在动物身上安装完成后，CMOS图像传感器采集到的图像可以通过无线方式与其他设备同步传输。

综上，本公开的系统体积较小、成本较低、使用较便捷，能够实时记录荧光图像，且通道采样率可达60fps，采样精度达到1μm/pixel，实现高精准采集，而且传输速度快且稳定，还可以改变刺激光源的波长范围实现任意光刺激模式。

CMOS图像传感器、数据处理模块选用高集成度的模数转换芯片进行信号采集，电路采用多层板设计，使得设备整体设计体积减小，重量减轻在3克左右。

采用无线供电系统可以省去有线方式中的换向装置来解旋信号线。换向装置价格较为昂贵，采用无线方式可以省去这部分的开支，同时用于传输光刺激命令。

具有机械的焦距调节模块，实现了一定范围内的焦距调节。

系统将整个系统安装在被试动物的身上，镜体安装在头部的重量为3克，无线供电时由多圈纱包线绕制而成，系统中电池供电部分重量最低为5克，安装在被试动物的背上，可以最大程度的允许被试动物的自由活动。

以上为本公开示范性实施例，本公开的保护范围由权利要求书及其等效物限定。