本發(fā)明涉及醫(yī)學成像，更具體而言，涉及一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置及其實現(xiàn)方法。
背景技術：
1、當前活體小動物多模態(tài)成像技術存在顯著技術瓶頸。傳統(tǒng)熒光成像受光子吸收與散射限制，探測深度不足，且生物組織自體熒光與光子散射導致信噪比嚴重下降，同時熒光探針的光譜重疊性進一步削弱多目標檢測能力。拉曼成像雖具備分子特異性優(yōu)勢，但其信號強度弱、成像速度低，難以滿足活體動態(tài)成像需求，凸顯單一成像模式在靈敏度、分辨率和特異性之間的固有矛盾。
2、現(xiàn)有技術通過分立探測器實現(xiàn)多模態(tài)集成，但系統(tǒng)體積龐大且微型化受限，雙探測器的機械定位誤差易受環(huán)境干擾，導致空間配準精度不足。此外，熒光與短波紅外拉曼成像因激發(fā)光源功率差異大、時序同步性差，信號協(xié)同效率顯著降低，無法充分發(fā)揮多模態(tài)融合優(yōu)勢。同時，活體生理運動加劇成像挑戰(zhàn)，不同模態(tài)的幀率差異造成時空數(shù)據(jù)失配，運動偽影導致定量分析誤差增加；提升成像深度的策略往往以犧牲分辨率為代價，形成不可調和的性能矛盾。現(xiàn)有改進方案如光學層析技術、算法補償及雙模探針等，或犧牲分子特異性，或依賴人工標記且效率低下，或引發(fā)生物毒性，均未能從根本上解決多模態(tài)協(xié)同、系統(tǒng)集成及動態(tài)成像精度的核心缺陷。
技術實現(xiàn)思路
1、為克服上述現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供了一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置及其實現(xiàn)方法。該方法能夠有效提高成像靈敏度和分辨率，解決現(xiàn)有技術中存在的信號干擾、成像配準不精確以及多模態(tài)集成難題，實現(xiàn)活體小動物在不同成像模式下的高效、精確成像。
2、為解決上述技術問題，本發(fā)明采取的技術方案為：
3、一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置，包括成像腔、短波紅外激發(fā)模塊、拉曼成像和熒光成像模塊、樣本載臺和麻醉單元，所述樣本載臺設置在所述成像腔內，所述短波紅外激發(fā)模塊設置在所述成像腔拉曼成像和熒光成像模塊側壁上，所述拉曼成像和熒光成像模塊設置在所述成像腔的內頂部，所述短波紅外激發(fā)模塊和拉曼成像和熒光成像模塊均對準所述樣本載臺設置，所述麻醉單元設置在所述成像腔的一側，麻醉單元與成像腔通過管路連通。
4、所述短波紅外激發(fā)模塊包括短波紅外光源、激光調節(jié)裝置、光束整形系統(tǒng)和短波紅外光學濾波片，所述短波紅外激光源輸出波長范圍通常為800-1200nm，用于激發(fā)樣本的拉曼信號，所述激光調節(jié)裝置包括激光功率調節(jié)器，用于調整激光的輸出強度，所述光束整形系統(tǒng)包括光學透鏡和反射鏡，用于調節(jié)激光光束的形狀和光斑大小，所述短波紅外光學濾波片用于濾除可能對拉曼信號產生干擾的雜光。
5、所述拉曼成像和熒光成像模塊包括拉曼和熒光探測系統(tǒng)和多模態(tài)信號融合系統(tǒng)，所述拉曼和熒光探測系統(tǒng)采用近紅外ccd探測，用于采集短波紅外激發(fā)后產生的拉曼和熒光信號，所述多模態(tài)信號融合系統(tǒng)將拉曼成像與熒光成像信號進行時間或空間上的融合，形成綜合圖像。
6、所述樣本載臺中設置有溫控單元，實現(xiàn)在實驗過程中維持樣本的恒溫，樣本載臺在x、y、z軸方向上進行精確調節(jié)，確保樣本能夠準確地定位在激光焦點處。
7、所述麻醉單元包括麻醉氣體供應系統(tǒng)、麻醉面罩與通氣系統(tǒng)和實時監(jiān)控系統(tǒng)，所述麻醉氣體供應系統(tǒng)包括麻醉氣體供應器和氣體混合器，麻醉氣體供應器和氣體混合器精確控制麻醉氣體的濃度和流量，麻醉面罩與通氣系統(tǒng)對動物提供氣體通氣支持，所述實時監(jiān)控系統(tǒng)小動物的呼吸頻率、體溫和心率的生理參數(shù)進行監(jiān)測。
8、一種應用于動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置的成像方法，其特征在于，包括以下步驟：
9、s1、短波紅外激發(fā)模塊發(fā)射短波紅外激光，罩設在動物或樣本表面，通過短波紅外光照射的方式激發(fā)樣本的拉曼信號；
10、s2、拉曼成像和熒光成像模塊分別接收拉曼信號和熒光信號，信號經過光學濾波和探測后，由計算機系統(tǒng)進行圖像重建和多模態(tài)融合處理；
11、s3、樣本載臺能夠根據(jù)實驗需求對小動物進行精確的定位和調節(jié)，確保在成像過程中樣本始終處于焦點區(qū)域；
12、s4、麻醉單元提供穩(wěn)定的麻醉支持，確保小動物在整個成像過程中的安靜與穩(wěn)定。
13、所述步驟s1中，通過短波紅外激發(fā)模塊分別發(fā)射短波紅外拉曼激光與熒光激發(fā)光源，在拉曼成像模式下，短波紅外激光激發(fā)樣品產生拉曼散射信號；在熒光成像模式下，激發(fā)光源使樣品發(fā)射熒光信號。
14、所述步驟s2中，激發(fā)后的拉曼信號與熒光信號通過光學元件引導到同一探測模塊，探測模塊根據(jù)當前成像模式的切換，實時捕獲拉曼或熒光信號，捕獲的信號經過信號處理模塊進行放大與濾波，濾除噪聲信號后，將拉曼與熒光圖像信息進行融合，通過控制系統(tǒng)，實時顯示融合后的成像結果，并提供可視化分析功能，幫助研究人員在同一視野下同時獲取小動物的拉曼成像與熒光成像數(shù)據(jù)，提升成像的綜合效果。
15、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：
16、通過采用時間序列切換技術，系統(tǒng)能夠在不同成像模式下精確采集信號，避免了兩種信號之間的干擾。這種精確控制提高了信號的清晰度與精確度，從而提升了整體成像的靈敏度與分辨率，尤其在活體小動物的成像中，能夠清晰觀察到更細微的生物信息；通過在單一探測模塊下進行多模態(tài)集成，并結合時間序列切換與波長選擇技術，本發(fā)明避免了不同成像模式下的信號干擾與配準誤差問題。兩種成像模式能夠高效融合，確保拉曼與熒光圖像數(shù)據(jù)的準確對齊，消除了現(xiàn)有技術中因信號融合帶來的誤差；短波紅外拉曼成像技術具有較好的組織穿透性，特別適用于小動物體內深層結構的成像。通過與熒光成像的結合，本發(fā)明能夠實現(xiàn)對小動物體內不同深度的精確成像，拓寬了研究的深度與廣度；通過結合拉曼與熒光成像模式，研究人員能夠在同一實驗中獲得更全面的生物信息。這種多模態(tài)成像能夠同時提供分子特異性與高分辨率成像數(shù)據(jù)，有助于深入了解細胞和組織的動態(tài)變化，推動生命科學研究的進展；裝置通過采用單一探測模塊，簡化了設備的整體結構，減少了硬件的復雜性。通過時間序列切換與波長選擇，系統(tǒng)實現(xiàn)了不同成像模式下的無縫切換，簡化了操作流程，提高了系統(tǒng)的可操作性和使用效率，能夠在不損傷小動物的前提下，進行高精度的多模態(tài)成像。通過減少動物實驗中的干擾，提升了實驗數(shù)據(jù)的可靠性，為生物醫(yī)學研究提供了更加精確的實驗工具。
1.一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置，其特征在于：包括成像腔、短波紅外激發(fā)模塊（1）、拉曼成像和熒光成像模塊（2）、樣本載臺（3）和麻醉單元（4），所述樣本載臺（3）設置在所述成像腔內，所述短波紅外激發(fā)模塊（1）設置在所述成像腔側壁上，所述拉曼成像和熒光成像模塊（2）設置在所述成像腔的內頂部，所述短波紅外激發(fā)模塊（1）和拉曼成像和熒光成像模塊（2）均對準所述樣本載臺（3）設置，所述麻醉單元（4）設置在所述成像腔的一側，麻醉單元（4）與成像腔通過管路連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置，其特征在于：所述短波紅外激發(fā)模塊（1）包括短波紅外光源、激光調節(jié)裝置、光束整形系統(tǒng)和短波紅外光學濾波片，所述短波紅外激光源輸出波長范圍通常為800-1200nm，用于激發(fā)樣本的拉曼信號，所述激光調節(jié)裝置包括激光功率調節(jié)器，用于調整激光的輸出強度，所述光束整形系統(tǒng)包括光學透鏡和反射鏡，用于調節(jié)激光光束的形狀和光斑大小，所述短波紅外光學濾波片用于濾除可能對拉曼信號產生干擾的雜光。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置，其特征在于：所述拉曼成像和熒光成像模塊（2）包括拉曼和熒光探測系統(tǒng)和多模態(tài)信號融合系統(tǒng)，所述拉曼和熒光探測系統(tǒng)采用近紅外ccd探測，用于采集短波紅外激發(fā)后產生的拉曼和熒光信號，所述多模態(tài)信號融合系統(tǒng)將拉曼成像與熒光成像信號進行時間或空間上的融合，形成綜合圖像。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置，其特征在于：所述樣本載臺（3）中設置有溫控單元，實現(xiàn)在實驗過程中維持樣本的恒溫，樣本載臺（3）在x、y、z軸方向上進行精確調節(jié)，確保樣本能夠準確地定位在激光焦點處。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置，其特征在于：所述麻醉單元包括麻醉氣體供應系統(tǒng)、麻醉面罩與通氣系統(tǒng)和實時監(jiān)控系統(tǒng)，所述麻醉氣體供應系統(tǒng)包括麻醉氣體供應器和氣體混合器，麻醉氣體供應器和氣體混合器精確控制麻醉氣體的濃度和流量，麻醉面罩與通氣系統(tǒng)對動物提供氣體通氣支持，所述實時監(jiān)控系統(tǒng)小動物的呼吸頻率、體溫和心率的生理參數(shù)進行監(jiān)測。
6.一種應用于如權利要求1所述的動物活體短波紅外拉曼與熒光成像裝置的成像方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.根據(jù)權利要求6所述的一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像方法，其特征在于：所述步驟s1中，通過短波紅外激發(fā)模塊（1）分別發(fā)射短波紅外拉曼激光與熒光激發(fā)光源，在拉曼成像模式下，短波紅外激光激發(fā)樣品產生拉曼散射信號；在熒光成像模式下，激發(fā)光源使樣品發(fā)射熒光信號。
8.根據(jù)權利要求6所述的一種動物活體短波紅外拉曼與熒光成像方法，其特征在于：所述步驟s2中，激發(fā)后的拉曼信號與熒光信號通過光學元件引導到同一探測模塊，探測模塊根據(jù)當前成像模式的切換，實時捕獲拉曼或熒光信號，捕獲的信號經過信號處理模塊進行放大與濾波，濾除噪聲信號后，將拉曼與熒光圖像信息進行融合，通過控制系統(tǒng)，實時顯示融合后的成像結果，并提供可視化分析功能，幫助研究人員在同一視野下同時獲取小動物的拉曼成像與熒光成像數(shù)據(jù)，提升成像的綜合效果。