利用光聲-熒光互補(bǔ)原理的深層鈣離子濃度監(jiān)測方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無損測試測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用光聲-熒光互補(bǔ)原理的深層鈣離子濃度監(jiān)測方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前主要是通過觀察鈣離子熒光探針的熒光信號(hào)來監(jiān)測鈣離子濃度的變化。然而由于生物組織對(duì)熒光散射的影響，熒光成像方法不能監(jiān)測深層鈣離子濃度的變化。而光聲信號(hào)(光致超聲)受組織散射的影響遠(yuǎn)小于光子所受的影響，因此我們將無損光聲成像技術(shù)與純光學(xué)成像高靈敏度特性和純超聲成像中深穿透特性結(jié)合在一起，克服了光散射限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)活體深層組織的高分辨、高對(duì)比度成像。鈣離子是機(jī)體各項(xiàng)生理活動(dòng)不可缺少的離子。它對(duì)于維持細(xì)胞膜兩側(cè)的生物電位，維持正常的神經(jīng)傳導(dǎo)功能，維持正常的肌肉伸縮與舒張功能以及神經(jīng)、肌肉傳導(dǎo)功能，起著非常重要的作用。鈣離子，作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的第一信使，對(duì)于整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的突觸神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種利用光聲-熒光互補(bǔ)原理的深層鈣離子濃度監(jiān)測方法。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供利用光聲-熒光互補(bǔ)原理的深層鈣離子濃度監(jiān)測裝置。
[0005]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]—種利用光聲-熒光互補(bǔ)原理的深層鈣離子濃度監(jiān)測方法，包括如下步驟:
[0007](I)利用鈣離子熒光探針作為光聲鈣離子探針；
[0008]由于鈣離子熒光探針的熒光強(qiáng)度會(huì)隨著鈣離子的濃度的增加而增強(qiáng)或者減弱。在同一激發(fā)過程中產(chǎn)生的光聲、熒光信號(hào)此消彼長，存在著互補(bǔ)關(guān)系。因此，鈣離子熒光探針的光聲信號(hào)會(huì)隨著鈣離子的濃度增加而減少或者增強(qiáng)。因此，可以通過探測鈣離子熒光探針的光聲信號(hào)強(qiáng)弱的變化，檢測鈣離子濃度大小的變化。又因?yàn)楣饴暡?光聲信號(hào))受組織散射的影響遠(yuǎn)比熒光小，因此利用光聲-熒光互補(bǔ)原理，通過檢測鈣離子熒光探針的光聲信號(hào)可以監(jiān)測深層組織鈣離子的變化。
[0009](2)將鈣離子熒光探針注射到擬檢測的區(qū)域；
[0010](3)光聲熒光信號(hào)激發(fā)源發(fā)出的脈沖激光經(jīng)過顯微物鏡后，聚焦在檢測區(qū)域，使得鈣離子熒光探針產(chǎn)生光聲信號(hào)和熒光信號(hào)；
[0011](4)光聲信號(hào)穿過超聲耦合液后被碗狀中空聚焦超聲探測器接收，然后經(jīng)過信號(hào)放大器放大；熒光信號(hào)經(jīng)過分光鏡和濾光片濾光后被光電倍增管接收;兩路信號(hào)被雙通道并行采集卡同時(shí)采集，再將數(shù)據(jù)傳輸并儲(chǔ)存到帶有采集控制軟件和圖像重建軟件的計(jì)算機(jī)中；
[0012](5)檢測樣品與盛放超聲耦合液的超聲耦合杯一起放置于三維掃描平臺(tái)上，由裝有電機(jī)控制軟件的計(jì)算機(jī)控制樣品的三維移動(dòng);每采集完一個(gè)點(diǎn)的光聲信號(hào)，三維掃描平臺(tái)水平方向有序移動(dòng)一步；當(dāng)掃描完一個(gè)平面后，平臺(tái)再縱向移動(dòng)一步；以對(duì)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，用于重建三維圖像;最終獲得三維光聲信號(hào)強(qiáng)度分布，以獲取鈣離子濃度分布；
[0013](6)鈣離子熒光探針的光聲信號(hào)被采集后，通過最大值投影算法重建出鈣離子探針光聲信號(hào)強(qiáng)度分布圖像，根據(jù)光聲信號(hào)強(qiáng)度判斷鈣離子的濃度變化；
[0014](7)通過探測單點(diǎn)的鈣離子熒光探針的光聲信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)時(shí)監(jiān)測該點(diǎn)鈣離子濃度的變化。
[0015]步驟(I)中所述的鈣離子熒光探針優(yōu)選為Rhod-2，但不限定上述探針。
[0016]所述步驟(2)中所選擇的鈣離子熒光探針在和鈣離子結(jié)合前后吸收光譜無明顯變化。
[0017]步驟(3)中所述的光聲熒光信號(hào)激發(fā)源為脈沖激光器，輸出激光波長根據(jù)鈣離子熒光探針的激發(fā)波長來選擇。
[0018]步驟(3)中所述的脈沖激光器為輸出激光脈沖寬度是納秒或者皮秒的激光器，輸出波長為532nm、675?lOOOnm，重復(fù)頻率20Hz?1KHz0
[0019]步驟(4)中所述的電機(jī)控制軟件為Labview軟件，程序自行編寫。
[0020]步驟(5)中所述的超聲耦合液為水；
[0021]步驟(5)中所述的碗狀中空聚焦超聲探測器的主頻為1MHz，中空聚焦探頭。
[0022]步驟(5)中所述的采集控制軟件和圖像重建軟件均為Labview軟件，程序自行編與;
[0023]步驟(6)中所述的最大值投影算法是通過Matlab軟件自行編寫。
[0024]步驟(7)中所述的探測單點(diǎn)，利用高重復(fù)頻率(1KHz)的脈沖激光器和高采樣率的采集卡200M/s。
[0025]利用光聲-熒光互補(bǔ)原理的深層鈣離子濃度監(jiān)測裝置，是根據(jù)上述方法構(gòu)建的。所述的檢測裝置包括光聲熒光信號(hào)激發(fā)源、碗狀中空聚焦超聲探測器、光電倍增管、反射鏡、分光鏡、擴(kuò)束透鏡組、顯微物鏡、超聲耦合杯、樣品臺(tái)、三維掃描平臺(tái)、濾光片、信號(hào)放大器、雙通道并行采集卡、帶有采集控制軟件和圖像重建軟件以及電機(jī)控制軟件的計(jì)算機(jī)。
[0026]所述的光聲焚光信號(hào)激發(fā)源為輸出激光脈沖寬度是納秒或者皮秒的脈沖激光器，激光輸出后經(jīng)過反射鏡將光傳輸至顯微物鏡上，顯微物鏡將光聚焦在樣品上。
[0027]所述的碗狀中空聚焦超聲探測器的碗狀中空超聲探頭固定在顯微物鏡下方，使顯微物鏡與超聲探頭同軸，光能從探頭中間的小孔穿過探頭聚焦于超聲探頭的焦點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)光、聲共焦。激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào)被超聲探頭接收。
[0028]所述顯微物鏡固定于碗狀中空聚焦超聲探測器內(nèi)部，并保證顯微物鏡與碗狀中空聚焦超聲探測器共焦點(diǎn)；所述盛放超聲耦合液的超聲耦合杯位于樣品正上方，碗狀中空聚焦超聲探測器和光電倍增管置于超聲耦合杯的正上方，其中光電倍增管在碗狀中空聚焦超聲探測器的上方；
[0029]所述光聲熒光激發(fā)光源、信號(hào)放大器、光電倍增管、三維掃描平臺(tái)、雙通道并行采集卡與帶有采集控制軟件和圖像重建軟件以及電機(jī)控制軟件的計(jì)算機(jī)依次電氣相連；
[0030]所述的信號(hào)放大器的放大倍數(shù)為70dB，帶寬為50KHz?500MHz;
[0031]所述的信號(hào)放大器優(yōu)選為多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器；
[0032]所述的顯微物鏡為平場物鏡，放大倍數(shù)為4倍、10倍、20倍、40倍、100倍，成像質(zhì)量只與放大倍數(shù)有關(guān)，倍數(shù)越高則質(zhì)量越好。
[0033]所述的雙通道并行采集卡的型號(hào)可以為PCI2400(NI公司生產(chǎn))，但其他型號(hào)，例如研華采集卡也可以用。
[0034]所述的三維掃描平臺(tái)由二維電動(dòng)平臺(tái)和升降臺(tái)構(gòu)成;所述的二維電動(dòng)平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)和移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)前后移動(dòng)，二維電動(dòng)平臺(tái)由兩個(gè)這種電動(dòng)平臺(tái)組成，可以實(shí)現(xiàn)前后左右四個(gè)方向移動(dòng)；在豎直方向主要由升降臺(tái)控制以達(dá)到不同平面的效果。
[0035]所述的采集控制軟件和圖像重建軟件均為Labview軟件，程序自行編寫；
[0036]所述的電機(jī)控制軟件為Labview軟件，程序自行編寫;成像軟件可用Matlab軟件編自行編寫。
[0037]本發(fā)明的原理是:基于光聲-熒光互補(bǔ)原理即鈣離子熒光探針受激輻射的過程只有兩個(gè)途徑:輻射躍迀和非輻射躍迀。熒光成像和光聲成像正是對(duì)這兩個(gè)途徑中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化形式(熒光與光聲)的檢測而實(shí)現(xiàn)的。熒光成像探測的是輻射躍迀的能量(熒光)，而光聲成像探測的是非輻射躍迀的能量(光聲信號(hào))。對(duì)于一般的鈣離子熒光探針而言，受激后的輻射躍迀和非輻射躍迀過程都是同時(shí)發(fā)生并存在著相互競爭機(jī)制，兩者的實(shí)際發(fā)生幾率則由鈣離子的濃度決定。通常鈣離子濃度是有熒光信號(hào)強(qiáng)度來表征的。由于光聲、熒光存在此消彼長的互補(bǔ)關(guān)系，光聲信號(hào)同樣也可以反映鈣離子的濃度變化。而且光聲信號(hào)在組織中的傳輸深度要比熒光深得多達(dá)到lcm。因此，利用光聲-熒光互補(bǔ)原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深層鈣離子濃度的監(jiān)測。這方法將用于神經(jīng)科學(xué)的研究。
[0038]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0039]本發(fā)明的方法與裝置可以實(shí)現(xiàn)深層組織的鈣離子濃度監(jiān)測；操作簡單，監(jiān)測鈣離子熒光探針的靈敏度可以達(dá)到0.15μΜ，能夠監(jiān)測深層組織鈣離子濃度變化。本發(fā)明可以實(shí)時(shí)檢測深層組織鈣離子濃度的變化情況，由此可以通過該變化的快慢而推斷出組織病變程度。
【附圖說明】
[0040]圖1是利用光聲-熒光互補(bǔ)原理的深層鈣離子濃度監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I為帶有采集控制軟件和圖像重建軟件以及電機(jī)控制軟件的計(jì)算機(jī);2為三維掃描平臺(tái)；3為光聲熒光信號(hào)激發(fā)源;4為反射鏡;5為放置樣品的樣品臺(tái)；6為超聲耦合杯;7為碗狀中空聚焦超聲探測器;8為顯微物鏡;9為分光鏡；10為濾光片；11為光電倍增管；12為信號(hào)放大器；13為擴(kuò)束透鏡組。
[0041]圖2是鈣離子濃度和鈣離子探針的光聲、熒光信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0043]實(shí)施例1
[0044]利用光聲-熒光互補(bǔ)原理的深層鈣離子濃度監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
[0045]該監(jiān)測裝置包括:1為帶有采集控制軟件和圖像重建軟件以及電機(jī)控制軟件的計(jì)算機(jī);2為三維掃描平臺(tái)；3為光聲熒光信號(hào)激發(fā)源;4為反射鏡;5為放置樣品