本發(fā)明涉及關(guān)聯(lián)成像與生物成像，尤其涉及一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代生物學(xué)研究中，對(duì)生物樣本的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行精確成像至關(guān)重要。從細(xì)胞內(nèi)分子的相互作用到組織器官的生理病理變化，清晰、準(zhǔn)確且高分辨率的成像能夠?yàn)榧膊≡\斷、藥物研發(fā)、生命機(jī)制探索等諸多領(lǐng)域提供關(guān)鍵信息。傳統(tǒng)的生物成像技術(shù)，如光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等，在分辨率、對(duì)比度、成像深度以及對(duì)生物樣本的損傷程度等方面存在各自的局限性。隨著生物學(xué)研究不斷向微觀和動(dòng)態(tài)方向深入，迫切需要開發(fā)新的成像技術(shù)來滿足日益增長的研究需求。

2、傳統(tǒng)的生物成像方案中，通常選用紅外波段的激光來進(jìn)行生物成像實(shí)驗(yàn)。雖然紅外光的穿透能力強(qiáng)，但是紅外探測器響應(yīng)速度慢，靈敏度低。通過紅外上轉(zhuǎn)換的方式可以將紅外信號(hào)上轉(zhuǎn)換到可見光，再用相對(duì)成熟的可見光波段的探測器進(jìn)行探測，相對(duì)提高了成像的質(zhì)量。但上轉(zhuǎn)換的方式相對(duì)來說比較煩瑣。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境來說，傳統(tǒng)的成像方法極易受到復(fù)雜環(huán)境的影響，成像質(zhì)量較差。且探測器自身的噪聲也會(huì)淹沒成像的信號(hào)，從而降低成像的信噪比。

3、因此，有必要提供一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)及方法，來解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)及方法，憑借超聚束光源獨(dú)特的多光子統(tǒng)計(jì)特性，結(jié)合時(shí)間相關(guān)單光子成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)高靈敏圖像重構(gòu)，充分挖掘其在關(guān)聯(lián)成像研究方面的潛力，從而克服現(xiàn)有成像技術(shù)在抗噪聲干擾研究方面的局限性，為生物樣本的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程的研究提供一種創(chuàng)新的、高分辨率且高靈敏度的成像解決方案。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，包括超聚束光發(fā)射模塊、由信號(hào)光路和參考光路組成的關(guān)聯(lián)成像模塊和探測器測量模塊、外界噪聲模塊和信號(hào)處理模塊，超聚束光發(fā)射模塊包括超聚束光源和設(shè)置在超聚束光源一側(cè)的反射鏡對(duì)；

3、超聚束光源經(jīng)過反射鏡對(duì)準(zhǔn)直后通過光學(xué)分束鏡后形成信號(hào)光路和參考光路進(jìn)入關(guān)聯(lián)成像模塊和探測器測量模塊，外界噪聲模塊包括發(fā)光二極管和信號(hào)發(fā)生器，發(fā)光二極管的噪聲光源與信號(hào)光路合束后與參考光路的光束均通過單光子探測器進(jìn)入探測器測量模塊后通過信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理計(jì)算，信號(hào)處理模塊包括單光子計(jì)數(shù)器和電腦，單光子計(jì)數(shù)器與電腦連接。

4、優(yōu)選的，關(guān)聯(lián)成像模塊的信號(hào)光路中，光學(xué)分束鏡的另一側(cè)水平設(shè)置有透鏡組，透鏡組包括第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，第一透鏡和第二透鏡之間設(shè)置有生物樣品，第二透鏡和第三透鏡之間設(shè)置有二向色合束鏡；

5、關(guān)聯(lián)成像模塊的參考光路中，光學(xué)分束鏡的正下方設(shè)置有第四透鏡，第三透鏡和第四透鏡的另一側(cè)均分別設(shè)置有單光子探測器一和單光子探測器二。

6、優(yōu)選的，發(fā)光二極管設(shè)置在二向色合束鏡的正下方，信號(hào)發(fā)生器設(shè)置在發(fā)光二極管的一側(cè)。

7、優(yōu)選的，二向色合束鏡的尺寸設(shè)置為25mm×36mm，厚度為5mm，高透膜tabs＞85％，tavg＞90％，波長范圍為390-533nm，高反膜rabs＞90％，ravg＞95％，波長范圍為565-800nm。

8、優(yōu)選的，第一透鏡和第二透鏡的直徑設(shè)置為25.4mm，焦距設(shè)置為100mm，增透膜設(shè)置為400-700nm，第三透鏡和第四透鏡的直徑設(shè)置為25.4mm，焦距設(shè)置為50mm，增透膜設(shè)置為400-700nm。

9、優(yōu)選的，光學(xué)分束鏡的尺寸為20mm，分光比為90:10(r:t)，增透膜設(shè)置為400-700nm。

10、優(yōu)選的，單光子探測器的檢測波長范圍為400-1060nm，峰值光子探測效率>65％，光子計(jì)數(shù)率＞35mcps，死時(shí)間為25ns，工作溫度在5-70℃之間。

11、優(yōu)選的，超聚束光源發(fā)出的超聚束光的波長范圍為400-1000nm，重頻為40mhz，反射鏡對(duì)在400nm-750nm波段的反射率大于96％。

12、一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，具體包括以下步驟：

13、s1：將超聚束光源發(fā)出的532nm的超聚束光經(jīng)過透鏡對(duì)準(zhǔn)直后經(jīng)過光學(xué)分束鏡后形成信號(hào)光路和參考光路，信號(hào)光路經(jīng)過第一透鏡聚焦在待測物體上，透射光強(qiáng)度包含了待測生物樣品的吸收信息；再通過第二透鏡將含待測生物樣品信息的激光轉(zhuǎn)換成平行光；

14、s2：將生物樣品的激光信號(hào)與發(fā)光二極管的噪聲光源通過二向色合束鏡合束后通過第三透鏡耦合到單光子探測器一；

15、s3：參考光路的激光直接通過第四透鏡耦合到單光子探測器二；

16、s4：對(duì)單光子探測器一和單光子探測器二進(jìn)行檢測，通過單光子計(jì)數(shù)器記錄光子的到達(dá)時(shí)間，提取單個(gè)像素的光子軌跡，對(duì)單個(gè)像素的光子軌跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，并在電腦上通過程序統(tǒng)計(jì)單個(gè)像素的關(guān)聯(lián)光子對(duì)，利用關(guān)聯(lián)光子對(duì)的數(shù)目恢復(fù)出生物樣品的圖像。

17、因此，本發(fā)明采用上述一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，憑借超聚束光源獨(dú)特的多光子統(tǒng)計(jì)特性，充分挖掘其在關(guān)聯(lián)成像研究方面的潛力，從而克服現(xiàn)有成像技術(shù)的局限性，為生物樣本的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程研究提供一種創(chuàng)新的、高分辨率且高靈敏度的成像解決方案，同時(shí)結(jié)合時(shí)間相關(guān)單光子成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)高靈敏圖像重構(gòu)。

18、下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，其特征在于：包括超聚束光發(fā)射模塊、由信號(hào)光路和參考光路組成的關(guān)聯(lián)成像模塊和探測器測量模塊、外界噪聲模塊和信號(hào)處理模塊，超聚束光發(fā)射模塊包括超聚束光源和設(shè)置在超聚束光源一側(cè)的反射鏡對(duì)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，其特征在于：關(guān)聯(lián)成像模塊的信號(hào)光路中，光學(xué)分束鏡的另一側(cè)水平設(shè)置有透鏡組，透鏡組包括第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，第一透鏡和第二透鏡之間設(shè)置有生物樣品，第二透鏡和第三透鏡之間設(shè)置有二向色合束鏡；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，其特征在于：發(fā)光二極管設(shè)置在二向色合束鏡的正下方，信號(hào)發(fā)生器設(shè)置在發(fā)光二極管的一側(cè)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，其特征在于：二向色合束鏡的尺寸設(shè)置為25mm×36mm，厚度為5mm，高透膜tabs＞85％，tavg＞90％，波長范圍為390-533nm，高反膜rabs＞90％，ravg＞95％，波長范圍為565-800nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，其特征在于：第一透鏡和第二透鏡的直徑設(shè)置為25.4mm，焦距設(shè)置為100mm，增透膜設(shè)置為400-700nm，第三透鏡和第四透鏡的直徑設(shè)置為25.4mm，焦距設(shè)置為50mm，增透膜設(shè)置為400-700nm。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，其特征在于：光學(xué)分束鏡的尺寸為20mm，分光比為90:10(r:t)，增透膜設(shè)置為400-700nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，其特征在于：單光子探測器的檢測波長范圍為400-1060nm，峰值光子探測效率>65％，光子計(jì)數(shù)率＞35mcps，死時(shí)間為25ns，工作溫度在5-70℃之間。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，其特征在于：超聚束光源發(fā)出的超聚束光的波長范圍為400-1000nm，重頻為40mhz，反射鏡對(duì)在400nm-750nm波段的反射率大于96％。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于超聚束光源的生物關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)及方法，涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，包括超聚束光發(fā)射模塊、由信號(hào)光路和參考光路組成的關(guān)聯(lián)成像模塊和探測器測量模塊、外界噪聲模塊和信號(hào)處理模塊，超聚束光發(fā)射模塊包括超聚束光源和設(shè)置在超聚束光源一側(cè)的反射鏡對(duì)；超聚束光源經(jīng)過反射鏡對(duì)準(zhǔn)直后通過光學(xué)分束后分別通過信號(hào)光路和參考光路進(jìn)入關(guān)聯(lián)成像模塊和探測器測量模塊，外界噪聲模塊中發(fā)光二極管的噪聲光源與信號(hào)光路合束后與參考光路的光束均通過單光子探測器進(jìn)入探測器測量模塊后到達(dá)信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊包括單光子計(jì)數(shù)器和電腦。本發(fā)明解決了可見光在生物組織中穿透深度低、無法用于復(fù)雜環(huán)境中的組織成像問題。

技術(shù)研發(fā)人員：李向東,秦成兵,張雪東,李源源,肖連團(tuán),張國峰,陳瑞云,胡建勇,楊志春,劉星輝,賈鎖堂
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山西大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15