(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210935805.X (22)申请日 2022.08.04 (71)申请人 中国科学院深圳先进技 术研究院 地址 518000 广东省深圳市南 山区深圳大 学城学苑大道1068号 (72)发明人 金帆　夏爱国　陈盈妙　郦野　 高超　 (74)专利代理 机构 深圳中一联合知识产权代理 有限公司 4 4414 专利代理师 胡明强 (51)Int.Cl. A61N 5/06(2006.01) C12M 1/36(2006.01) C12M 1/00(2006.01) C12Q 3/00(2006.01) (54)发明名称 光遗传控制系统及其控制方法 (57)摘要 本申请提供了一种光遗传控制系统及其控 制方法， 该系统包括： 图像采集模块， 用于获取活 性微生物样品的连续时刻的明场图像； 数据处理 模块， 用于对 连续时刻的明场图像进行图像预处 理， 得到包含有目标细胞的表型信息的图像； 微 投影模块， 用于对上述图像预处理后的图像进行 调制， 并将调制后的图像投影到显微镜模块， 活 性微生物样品在显微镜模块中的成像与调制后 的图像对应； 数据处理模块还用于生成同步信 号， 控制光源模块、 图像采集模块和微投影模块 同步工作。 该方案通过将图像追踪和显微镜成像 光刺激结合起来， 从而 方便精确定位和追踪目标 细胞， 以及观察目标细胞的变化， 从而实现对活 性微生物样品的目标细胞 连续的光操控。 权利要求书3页 说明书17页 附图4页 CN 115475335 A 2022.12.16 CN 115475335 A 1.一种光遗传控制系统， 其特征在于， 所述系统包括光源模块、 微投影模块、 数据处理 模块、 图像采集模块和显微镜模块； 所述光源模块的输出端与 所述微投影模块的输入端连接； 所述光源模块用于提供光刺 激照明； 所述图像采集模块的输入端与所述显微镜模块的输出端连接； 所述图像采集模块的输 出端与所述数据处理模块的输入端连接； 所述图像采集模块用于获取活性微生物样品的连 续时刻的明场图像； 所述数据处理模块的输出端与所述微投影模块的输入端连接； 所述数据处理模块用 于： 对所述连续 时刻的明场图像进行图像预处理， 得到所述明场图像对应的预处理后的图 像， 所述预处理后的图像中包含有所述活性微生物样品中目标细胞在连续时刻的表型信 息； 所述微投影模块的输出端与所述显微镜模块的输入端连接； 所述 微投影模块用于： 接收来自于所述数据处 理模块的所述预处 理后的图像； 对所述预处理后的图像进行调制， 得到调制后的图像， 所述调制后的图像以光斑承载， 为所述光斑中的图案成像； 将所述调制后的图像投影到显微镜模块中的物镜视场中， 所述活性微生物样品在所述 显微镜模块中的成像与所述调制后的图像对应； 所述数据处 理模块还用于： 生成同步信号， 用于控制所述光源模块、 所述图像采集模块与所述微投影模块同步工 作。 2.如权利要求1所述的系统， 其特征在于， 所述连续时刻包括第一时刻和第二时刻， 第 二时刻晚于第一时刻； 所述表型信息包括静态信息和过程信息； 所述数据处 理模块具体用于： 接收来自于所述图像采集模块的第 一时刻的所述明场图像， 第 一时刻的所述明场图像 是在第一时刻的所述同步信号的触发下， 所述图像采集模块拍摄得到的； 对第一时刻的所述明场图像进行图像预处 理， 得到第一时刻的所述预处 理后的图像； 从第一时刻的所述预处 理后的图像中提取 出所述目标细胞在第一时刻的静态信息； 将第一时刻的所述预处理后的图像发送给所述微投影模块， 用于所述微投影模块执行 调制操作； 接收来自于所述图像采集模块的第 二时刻的所述明场图像， 第 二时刻的所述明场图像 是在第二时刻的所述同步信号的触发下， 所述图像采集模块拍摄得到的； 对第二时刻的所述明场图像进行图像预处 理， 得到第二时刻的所述预处 理后的图像； 从第二时刻的所述预处 理后的图像中提取 出所述目标细胞在第二时刻的静态信息； 对第一时刻的所述明场图像和第 二时刻的所述明场图像进行追踪分析， 得到所述目标 细胞的过程信息 。 3.如权利要求2所述的系统， 其特征在于， 所述微投影模块包括微投影芯片、 透镜和同 轴放大光路； 所述微投影芯片的输入端与所述光源模块的输出端以及所述数据处理模块的输出端权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115475335 A 2连接； 所述微投影芯片的输出端与所述同轴放大电路的输入端连接； 所述微投影芯片用于 对来自于所述数据处 理模块的所述预处 理后的图像进行调制， 得到所述调制后的图像； 所述透镜的输入端与 所述同轴放大电路的输出端连接； 所述透镜的输出端与 所述显微 镜模块的输入端连接； 所述同轴放大光路， 用于接收来自于所述微投影芯片的所述调制后的图像， 并将所述 调制后的图像经 过所述透镜投影到所述显微镜模块的物镜 视场中。 4.如权利要求3所述的系 统， 其特征在于， 所述微投影芯片为DMD芯片； 或者， 所述微投 影芯片包括空间光调制器、 第一 起偏镜和第二 起偏镜； 所述第一起偏镜设置在所述空间光调制器之前， 是所述空间光调制器的起偏镜； 所述 第二起偏镜设置在所述空间光调制器之后， 是 所述空间光调制器后的线偏振分束立方； 所述空间光调制器， 用于从所述数据处理模块接收所述预处理后的图像， 并对所述预 处理后的图像进行相位调制， 得到图案化的光斑， 所述图案化的光斑中的图案成像即为所 述调制后的图像。 5.如权利要求1所述的系统， 其特 征在于， 所述 光源模块包括激光 光源和多模光纤； 所述激光光源的输出端与 所述多模光纤的输入端连接； 所述激光光源用于生成多个波 长的激光； 所述多模光纤的输出端与 所述微投影模块的输入端连接； 所述多模光纤用于对所述多 个波长的激光进行耦合和扩束， 形成激光光斑； 所述激光光斑用于照射所述活性微生物样 品中的所述目标细胞。 6.如权利要求5所述的系统， 其特征在于， 所述多个波长包括分别对应红、 绿、 蓝三种 颜 色分量的波长 。 7.如权利要求5所述的系统， 其特 征在于， 所述同步信号还用于： 控制马达震动， 所述马达震动时， 带动所述多模光纤的盘卷 抖动。 8.如权利要求1至7中任一项所述的系统， 其特征在于， 所述同步信号具体用于： 控制所 述光源模块与所述微投影模块同步工作， 照亮所述 目标细胞； 同时控制所述图像采集模块 对所述活性 微生物样品进行拍摄， 得到所述明场图像。 9.如权利要求1至7中任一项所述的系统， 其特 征在于， 所述同步信号还用于： 控制所述图像采集模块， 所述光源模块与所述微投影模块同步工作， 得到宽场荧光图 像。 10.如权利要求2至4中任一项所述的系统， 其特征在于， 所述静态信 息包括长度、 位置、 大小或荧光 强度中的至少一项； 所述过程信息包括生长 分裂信息或位置变化信息中的至少 一项。 11.一种光遗传控制方法， 其特 征在于， 包括： 获取活性微生物样品在连续 时刻的多个明场图像， 所述多个明场图像是在对所述活性 微生物样品中的目标细胞进行光刺激时拍摄得到的； 对所述多个明场图像进行处 理， 得到所述目标细胞在所述连续时刻的表型信息； 根据所述目标细胞在所述连续时刻的表型信息， 对所述目标细胞进行光遗传控制。 12.如权利要求11所述的控制方法， 其特征在于， 所述表型信 息包括静态信 息和过程信 息； 所述对所述多个明场图像进行处理， 得到所述活性生物样品中目标细胞在所述连续时权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115475335 A 3