CN219320091U - 微纳机器人*** - Google Patents

Abstract

一种微纳机器人***包括：至少一个光源；微纳机器人本体，微纳机器人本体用上转换发光材料修饰，其中，在微纳机器人本体工作期间，微纳机器人本体设置在被测物内并且被光源发射的光信号照射，以形成转换过的辐射信号；至少一个第一超透镜光学装置，用于对光源发射的光信号进行扩束；第二超透镜光学装置，在光路上，设置在光源的下游，用于对上转换发光材料所转换的辐射信号进行聚焦；探测器，用于探测由第二超透镜光学装置所聚焦的辐射信号；其中，第一超透镜光学装置和第二超透镜光学装置均包括基底以及设置在基底上规则排布的超表面结构单元。本实用新型可排除被测物的背景荧光干扰，使得探测信号更准确，对被测物组织几乎无损伤。

Description

微纳机器人***

技术领域

本实用新型涉及医疗成像技术领域，尤其涉及用于活体动物体内成像的微纳机器人***。

背景技术

目前，微纳机器人用于医疗成像从体外研究过渡到体内研究，将微纳机器人与医学成像平台集成的需求日益增长。目前，微纳机器人的工作采用了光学方法，包括导管相机和荧光辐射，它们提供了一定的成像能力。荧光信号被进一步覆盖在动物的实际图片上，从而允许分子成像剂的空间定位。通过用荧光分子显像剂修饰微纳机器人的表面，可以容易地实现微纳机器人成像在体内的广泛应用。

然而，当采用荧光分子显像剂修饰微纳机器人时，一方面产生荧光信号的荧光有机染料具有光漂白性较高以及难以长期成像，导致探测结果产生影响；另一方面被测物内还可能会存在有其他有源性荧光物质，会对探测结果产生干扰，使得最终成像的分辨率和对比度难以提高。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供的用以解决上述技术问题的一种微纳机器人***。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供一种微纳机器人***，包括：

至少一个光源；

微纳机器人本体，微纳机器人本体用上转换发光材料修饰，其中，在微纳机器人本体工作期间，微纳机器人本体设置在被测物内，并且，被光源发射的光信号照射，以形成转换过的辐射信号；

至少一个第一超透镜光学装置，在光路上，设置在光源的下游，用于对光源发射的光信号进行扩束；

第二超透镜光学装置，用于对上转换发光材料所转换的辐射信号进行聚焦；

探测器，用于探测由第二超透镜光学装置所聚焦的辐射信号；

其中，第一超透镜光学装置和第二超透镜光学装置均包括基底以及设置在基底上规则排布的超表面结构单元。

在可能的实施方式中，微纳机器人***还包括带有小孔的遮光板，遮光板在光路上，设置在第二超透镜光学装置的下游。

在可能的实施方式中，微纳机器人***还包括用于滤除特定波长范围的所述辐射信号的滤光装置，滤光装置在光路上，设置在遮光板的下游。

在可能的实施方式中，微纳机器人***包括两个光源和两个第一超透镜光学装置，第一超透镜光学装置分别与两个光源中的一个相对应。

在可能的实施方式中，上转换发光结构为掺杂稀土元素的固体化合物。

在可能的实施方式中，掺杂稀土元素的固体化合物包括氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物和卤化物中的一种或多种。

在可能的实施方式中，超表面结构单元阵列排布于基底表面，超表面结构单元由周期性排布的纳米结构组成。

在可能的实施方式中，超表面结构单元为正六边形或正方形；其中，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构；正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

在可能的实施方式中，纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的一种。

在可能的实施方式中，纳米结构为偏振相关结构，偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱。

在可能的实施方式中，相邻纳米结构之间填充有填充层，填充层包括空气填充或者与纳米结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5的透明或半透明填充材料。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的微纳机器人***，一方面通过上转换发光材料修饰的微纳机器人本体可以在显微成像中避免光漂白性，且能够长期成像；另一方面利用基于超透镜的第一超透镜光学装置和第二超透镜光学装置可以在提高分辨率以及对比度的同时，减少微纳机器人***器材的体积和重量。通过上述结构可对被测物组织几乎无损伤的探测，确保探测信号的准确性。

为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是本实用新型的微纳机器人***所基于的上转换显微成像装置的工作原理图；

图2是本实用新型一种微纳机器人***的结构示意图；

图3A是超表面结构单元为正六边形的示意图；

图3B是超表面结构单元为正方形的示意图；

图3C是纳米结构中纳米柱示意图；

图3D是纳米结构中纳米鳍示意图。

附图标记：

1、微纳机器人本体；2、第一超透镜；3、第二超透镜；4、计算机；5、移动样品台；

6、纳米结构；61、基底；62、填充层；63、纳米鳍；64、纳米椭圆柱；

7、探测器；8、激光器；9、遮光板；10、滤光片；11、分光镜；12、样品台。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

如图1所示，根据本实用新型的微纳机器人***基于上转换显微成像装置的原理工作，其中该上转换显微成像装置的工作原理如下：

激光器8发出连续激光束，激光束通过分光镜11偏转，然后，被分光镜11下游的第一超透镜2聚焦到样品台12上的被测物；从被测物的扫描点上产生的含被测物信息的辐射信号经过第一超透镜2再次聚焦到分光镜11，经分光镜11透射到达第二超透镜3；辐射信号随后被第二超透镜3聚焦，并通过遮光板9的小孔，其中，通过该小孔可以有效消除非焦面上转换发光的干扰，同时避免了焦面内散射光的影响，提高分辨率。然后，经过的小孔后的辐射信号射向滤光片10，进而被过滤掉非工作光，最后进入探测器7的光电倍增管，探测器7将图像数据传输给计算机4的显示器形成图像。

其中，在此介绍的上转换显微成像装置中，样品台12可以选用可移动样品台5，可移动样品台5用以承载和移动放置其上的被测物。具体地，可移动样品台5可选用微型的二维线性马达移动平台，以使可移动样品台5能够在二维方向移动。

本实用新型提供了一种微纳机器人***包括：光源、用上转换发光材料修饰的微纳机器人本体1、第一超透镜光学装置和第二超透镜光学装置。

其中，光源能够发出光信号，优选地，光源可为激光器，激光器8可以产生稳态激光束(激光束可选取近红外波段光束)，将激光束导入光纤，在光纤的端部放置第一超透镜光学装置，用于扩大激光束的截面直径，形成较大的光束照射被测物。

上述结构能够确保上转换发光材料吸收到低能光子。

优选地，在本申请的微纳机器人***中可以设有两个光源，以进一步确保对被测物的充分照射，例如，若被测物为活物时，通过两个光源照射可以保证该活物在其移动的范围内均可被光束覆盖，由此避免了由于活物移动而对测量结果的影响。

此外，微纳机器人本体1的表面用上转换发光材料修饰，其中，在微纳机器人本体1工作期间，所述微纳机器人本体1设置在被测物内，并且，由光源发射的光信号照射，以形成转换过的光。

具体地，微纳机器人本体1设置在被测物内，其上的上转换发光材料被光信号照射后，产生辐射信号。

上转换发光可指稀土离子吸收两个或两个以上低能光子而光一个高能光子的发光现象，通常是将近红外光转化为可见光。通过使用上转换发光材料，相对于现有技术可以排除生物背景荧光干扰，探测信号更准确，且对生物组织几乎无损伤。

上转换发光材料可以采用参杂稀土元素的固体化合物。

利用稀土元素有的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波光。

具体地，参杂稀土元素的固体化合物可采用氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物或卤化物等中的一种或多种。

再次，第一超透镜光学装置，在光路上，设置在光源的下游，用于对光源发射的光信号进行扩束，第一超透镜光学装置可包括第一超透镜2，优选地，第一超透镜2可以选用扩束超透镜。

在本实用新型的微纳机器人***中，在设有两个光源的情况下，设有两个第一超透镜光学装置，分别对应于相应的光源设置其下游，以对从相应光源中射出的光信号进行扩束。以便进一步确保对设置在被测物内的微纳机器人本体1进行充分照射。

第一超透镜2包括基底61以及设置在基底61上规则排布的的超表面结构单元。

然后，第二超透镜光学装置用于将由上转换发光材料所转换的辐射信号进行聚焦，其中，第二超透镜光学装置可为第二超透镜3，例如，第二超透镜3可以选用聚焦超透镜。

第二超透镜3可与第一超透镜2的结构相同，包括基底61以及设置在基底61上规则排布的超表面结构单元。

遮光板9用以消除非焦面上转换发光的干扰，同时避免了焦面内散射光的影响，提高分辨率。

滤光片10可选用带通滤光片，用以过滤非工作光，并使所选取波长范围的光透过。

分光镜11，将入射光分离成反射光和透射光两部分。

探测器7用以接收经过滤光片10过滤后的光信号，通过探测器7与计算装置连接，可以将由探测器7接收到的辐射信号转化成图像信号，以在显示装置上显示。

具体地，计算装置可以为计算机4，显示装置可以为与计算机4连接，用以显示的显示器。

在本实施例中，由光源发射的光信号在上转换显微成像装置中的走向如下：由光源1发出的光信号首先通过第一超透镜光学装置扩束，照射在被测物上，并被被测物的上转换发光材料转换，而后，被测物发射转换过的辐射信号，辐射信号通过第二超透镜3聚焦，聚焦后的辐射信号光束通过遮光板9上的小孔消除了非焦面转换光，并且再由滤光片10过滤掉辐射信号中的非工作光，最后射到探测器7上。

利用第一超透镜光学装置以及第二超透镜光学装置作为照射被测物的光学装置，可以减少上转换显微成像装置的体积和重量，并且，还可以降低整个***的成本。

如图2所示，下面以将小鼠作为被测物为例，对根据本实用新型的微纳机器人***进行说明，可以理解的是，下述内容并非对上述内容的限定。

微纳机器人***可包括：被稀土离子材料修饰的微纳机器人本体1、两个激光器8、两个扩束超透镜(即第一超透镜2)、聚焦超透镜(即第二超透镜3)、小孔板(即带有小孔的遮光板9)、带通滤光片10、探测器7和计算机4。

两个激光器8以及两个扩束超透镜分别相对的置于小鼠的两侧。激光器8向于其对应的扩束超透镜发出激光。通过两个扩束超透镜可以保证在小鼠可移动的范围内，其均可以被激光充分照射，以获得准确的测量结果。

微纳机器人本体1置于小鼠体内。

聚焦超透镜、小孔板、带通滤光片10、探测器7均置于样品台12的上方，并且，聚焦超透镜、小孔板、带通滤光片10和探测器7相对扩束超透镜位置固定，稀土离子产生的光信号依次经过聚焦超透镜、小孔板和带通滤光片10，最后被探测器7上设置的光电倍增管接收，探测器7与计算机4连接。

根据本实用新型的微纳机器人***的工作方式：

首先，分立在小鼠左右的两个激光器8产生近红外光激光束，激光束通过光纤导入，两条光纤端部下游的扩束超透镜将两束激光射向放置小鼠的样品台12。

接着，被置于小鼠内的微纳机器人本体1的稀土离子材料可以产生能够吸收两个或两个以上低能光子而辐射一个高能光子，将近红外光转化为可见光，形成辐射信号。

然后，辐射信号被聚焦超透镜聚焦后，再通过带通滤光片10选取特定的波长的信号，被探测器7接收，探测器7再将信号发送至于其相连的计算机4，最后通过显示器来显示小鼠内部图像。

在本示例中，利用超透镜组进行显微成像，使得显示器所显示的图像具有分辨率高，探测信号准确的优点。

上述实施例中所提及的超透镜，如第一超透镜2和第二超透镜3等，均可包括基底61以及设置在基底61上规则排布的超表面结构单元。

其中，工作波段为近红外光时，基底61的材质为如下中的一种：熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石，晶体硅。

超表面结构单元阵列排布于基底表面，超表面结构单元由周期性排布的纳米结构6组成。

超表面结构单元为正六边形或正方形。

阵列的超表面结构单元采用正方形或正六边形，也可以采用正方形或正六边形交错的排布，还可以采用一个区域是正方形，另一个区域是正六边形的方式来形成阵列结构。

应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构6的缺失，使其不满足完整的六边形或正方形。

图3A的超表面结构单元为正六边形时，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构6。

具体地，超表面结构单元包括一个中枢纳米结构6，其周围环绕着个与其距离相等的周边纳米结构6，各周边纳米结构6圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构6组成的正三角形互相组合。

图3B的超表面结构单元为正方形时，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构6。

具体地，超表面结构单元包括一个中枢纳米结构6，其周围环绕着个与其距离相等的周边纳米结构6，组成正方形。

还需要说明的是，纳米结构6在不同波长下所需的相位，可在纳米结构6数据库中查找相位最接近的纳米结构。

纳米结构6可为全介质结构，在工作波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。

纳米结构6为亚波长的人工纳米结构。

具体地，纳米结构6可为偏振相关的结构，如纳米鳍63和纳米椭圆柱64等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。

需要说明的是，纳米椭圆柱64可包括正纳米柱状结构、负纳米柱状结构、中空纳米柱状结构、拓扑纳米柱状结构中的任意一种或多种。

如图3C和3D所示，本实施例中，相邻纳米结构6之间填充有填充层62。填充层62用以间隔两个纳米结构6。

其中，填充层62包括空气填充或者与纳米结构6的折射率不同的其他工作波段的材料，其他工作波段的材料为透明或半透明的材料。

填充层62与纳米偏振相关结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5。例如，填充层62可选用氧化铝。

综上所述，微纳机器人***中，借助超透镜的超表面结构单元，可以使透射光扩束或聚焦，以适用于本实施例，减少微纳机器人***器材的体积和重量。此外，微纳机器人本体用上转换发光材料修饰，而未使用荧光有机染料，可减少对探测结果的干扰，使得最终成像的分辨率和对比度得以提高，确保探测信号的准确性。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种微纳机器人***，其特征在于，包括：

至少一个光源；

微纳机器人本体，所述微纳机器人本体用上转换发光材料修饰，其中，在所述微纳机器人本体工作期间，所述微纳机器人本体设置在被测物内，并且，被所述光源发射的光信号照射，以形成转换过的辐射信号；

至少一个第一超透镜光学装置，在光路上，设置在所述光源的下游，用于对所述光源发射的光信号进行扩束；

第二超透镜光学装置，用于对所述上转换发光材料所转换的所述辐射信号进行聚焦；

探测器，用于探测由所述第二超透镜光学装置所聚焦的所述辐射信号；

其中，所述第一超透镜光学装置和所述第二超透镜光学装置均包括基底以及设置在所述基底上规则排布的超表面结构单元。

2.根据权利要求1所述的微纳机器人***，其特征在于，所述微纳机器人***还包括带有小孔的遮光板，所述遮光板在光路上，设置在所述第二超透镜光学装置的下游。

3.根据权利要求2所述的微纳机器人***，其特征在于，所述微纳机器人***还包括用于滤除特定波长范围的所述辐射信号的滤光装置，所述滤光装置在光路上，设置在所述遮光板的下游。

4.根据权利要求1所述的微纳机器人***，其特征在于，所述微纳机器人***包括两个光源和两个第一超透镜光学装置，所述第一超透镜光学装置分别与两个光源中的一个相对应。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的微纳机器人***，其特征在于，所述超表面结构单元阵列排布于所述基底表面，所述超表面结构单元由周期性排布的纳米结构组成。

6.根据权利要求5所述的微纳机器人***，其特征在于，所述超表面结构单元为正六边形或正方形；其中，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个所述纳米结构；所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个所述纳米结构。

7.根据权利要求5所述的微纳机器人***，其特征在于，所述纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的一种。

8.根据权利要求6所述的微纳机器人***，其特征在于，所述纳米结构为偏振相关结构，所述偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱。

9.根据权利要求6所述的微纳机器人***，其特征在于，相邻所述纳米结构之间填充有填充层，所述填充层包括空气填充或者与所述纳米结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5的透明或半透明填充材料。

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