CN101147673A - 旋转式扩散荧光层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式扩散荧光层析成像系统，包括半导体激光器、计算机、旋转工作台、步进电机和CCD相机。半导体激光器和半导体制冷盒分别固定在旋转工作台的二个水平臂上，CCD相机位于半导体制冷盒内；样品固定夹固定在支架上，并位于CCD相机与半导体激光器之间；步进电机带动CCD相机和半导体激光器以旋转工作台的竖直杆中心点为中心旋转；计算机向旋转工作台和CCD相机传送控制信号，接收CCD相机传送的图像数据，并对图像数据进行分析处理。本发明系统可以随意控制采集的数据量大小，提高成像效果；能够实现步进电机旋转与制冷电荷藕合相机拍摄控制协同工作。这样可以实现在系统旋转过程中，制冷电荷藕合相机能够稳定有效的采集数据。

Description

旋转式扩散荧光层析成像系统

技术领域

本发明属于生物荧光层析成像技术，涉及基于近红外光扩散性质的旋转式荧光层析成像技术(fluorescence diffuse optical tomography，FDOT)，具体为一种旋转式扩散荧光层析成像系统，它适合于在体无创的检测小动物癌变过程。

技术背景

利用近红外光的扩散性质，对小动物进行在体无创的检测技术是一种很有前途的光学成像技术，相比于显微成像，光学弱相干层析成像技术，它是目前为止成像深度最深的光学成像方式。国外这方面申请有美国专利No.7.107.116，该发明采用的技术手段是将小动物挤压成扁平状，利用半无限介质中的扩散方程来推出实际小动物的光学参数分布。其中也使用了连续光源照射，相机数据采集，但由于光源和相机已经固定，因此所采集的数据量有限，成像质量受到采集数据量的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转式扩散荧光层析成像系统，该系统能够在体，无创，高成像深度的检测小动物癌变过程，可以根据实验需要得到大量数据，从而提高其成像质量，同时，小动物不需挤压，保持它原始形态，从而给医学诊断提供方便。

本发明提供的旋转式扩散荧光层析成像系统，其特征在于：该系统包括半导体激光器、计算机、旋转工作台、步进电机和CCD相机；

旋转工作台为“匚”形，设有两个水平臂和一个竖直杆，竖直杆中心点与支架连接，旋转工作台以竖直杆中心点为中心在竖直平面旋转；半导体激光器和半导体制冷盒分别固定在旋转工作台的二个水平臂上，CCD相机位于半导体制冷盒内；

样品固定夹固定在支架上，并且位于CCD相机与半导体激光器之间，工作时，半导体激光器的激光出射孔、CCD相机的镜头光学中心和位于样品固定夹上的成像样品的中心位于在一条直线上；

步进电机与旋转工作台相连，带动固定在旋转工作台水平臂上的CCD相机和半导体激光器以旋转工作台的竖直杆中心点为中心旋转；

CCD相机和计算机之间通过滑环连接，计算机向旋转工作台和CCD相机传送控制信号，接收CCD相机传送的图像数据，并对图像数据进行分析处理。

本发明系统具有以下技术效果：

(1)由于现有的大部分扩散荧光层析成像系统都是基于光纤的结构。而这种结构由于本身的结构限制，主要指光纤光源与探测光纤的数目固定，使的这种所采集到的数据量比较小，不适合于高精度的扩散荧光层析成像技术。而本发明最明显的特征是旋转式无光纤结构，包括了传动及其控制部分、馈电部分、光源和成像探测器部分。系统所有的电源线和数据线，都通过滑环导出系统，这样避免了系统在旋转过程中数据线，电源线相互缠绕。这种设计可以随意控制采集的数据量大小，从而提高成像效果。

(2)本发明系统能够实现步进电机旋转与CCD相机拍摄控制协同工作。这样可以实现在系统旋转过程中，制冷电荷藕合相机能够稳定有效的采集数据。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为本发明的滑环结构图。

图3为本发明的控制软件流程图

图4为本发明的算法流程图。

图5a为实例一玻璃管样品立体示意图。

图5b为实例一玻璃管样品见面示意图。

图6为实例一本发明对玻璃管样品分析得到的吸收系数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明系统包括半导体激光器1、计算机2、支架3、旋转工作台4、滑环5、步进电机6、样品固定夹7、电荷藕合(CCD)相机8和半导体制冷盒9。

旋转工作台4的结构为“匚”字形，设有两个水平臂和一个竖直杆。竖直杆中心点11与支架3连接。旋转工作台4以竖直杆中心点11为中心在竖直平面旋转。半导体激光器1固定在旋转工作台4的一个水平臂上。CCD相机8位于半导体制冷盒9内，半导体制冷盒9固定在旋转工作台4的另一个水平臂上。

样品固定夹7固定在支架3上，并且位于CCD相机8与半导体激光器1之间。半导体激光器1的激光出射孔、CCD相机8的镜头光学中心和成像样品10的中心，三点在一条直线上。为了能够使CCD相机与成像样品10的距离保持相对恒定，样品固定夹7最好与旋转工作台4的竖直杆中心点11位于同一水平平面上。

步进电机6与旋转工作台4相连，用于驱动旋转工作台4绕竖直杆中心点11旋转，带动固定在旋转工作台4水平臂上的CCD相机8和半导体激光器1以竖直杆中心点11为中心旋转。样品固定夹7和成像样品10始终保持静止。

滑环5也称为旋转电气接口、电气旋转关节，用于解决数据传输线和电力供应传输线的缠绕问题。以CCD相机8和计算机2之间通过滑环5的连接为例说明滑环5的连接方式。

如图2所示，滑环5的主体为圆筒状，引脚14位于圆筒状主体上，与CCD相机8直接相连的数据传输线穿过滑环5中间的通孔16后和引脚14相连。集电环13套在圆筒状主体上，炭刷15与集电环13表面接触，炭刷15上设置有滑环引出线接口12。所有的数据传输线通过滑环引出线接口12与计算机2连接。计算机2用于对旋转工作台4和CCD相机8进行控制，对采集的数据进行分析处理。

下面说明本发明系统的工作原理。

旋转工作台4带动半导体激光器1和CCD相机8对成像样品10扫描成像。半导体激光器1发出的光照亮成像样品10表面时，在成像样品10另一端的CCD相机8会采集从成像样品10射出的荧光光强信号，并通过滑环5将光强信号数据存入计算机2内。旋转工作台4与步进电机6固定连接，实现角度调整自动化。旋转工作台4通过精密加工的蜗轮蜗杆传动，角度全圆无极限调整，可朝一个方向连续旋转，减小重复定位误差的影响。

如图3所示，本发明系统的工作过程为：首先将成像样品10用样品固定夹7夹住，使成像样品10的中心、半导体激光器1的激光出射孔和CCD相机8的镜头光学中心，三点在一条直线上。选择合适的滤光片固定在CCD相机8的镜头前。半导体激光器1发出的光直接照射到样品10表面。然后开启计算机2中的控制软件，在控制软件中设置旋转工作台4的旋转运行相关参数：旋转速度，旋转运行次数，每次旋转的角度，以及多次旋转运行条件下旋转运行间隔的时间。接着点击控制软件中的开始按钮，旋转工作台4将会带动CCD相机8和半导体激光器1绕以成像样品10为中心旋转。例如，设置旋转工作台4的旋转运行次数为12次，每次旋转的角度为30度，旋转运行间隔的时间为5秒。旋转工作台4按照控制程序设定的每隔30度暂停5秒，此5秒时间内CCD相机8将采集成像样品10透射光光强数据。5秒后，旋转工作台4继续旋转，直到旋转12次，CCD相机8和半导体激光器1完成了一次完整的圆周运动。最后，控制软件将采集到的图像数据利用扩散光学层析成像算法进行重构得到样品10光学参数图。

由于本发明系统采集的数据量大，采用的是连续光照射，制冷电荷藕合相机记录样本扩散光光强，因此需要一种合适的扩散荧光层析成像算法来实现对相机获得的光强信息重构，以得到样本光学参数。本系统的扩散光学层析成像算法根据假设模型和采集图像数据得到样品10内部的光学，实现对样品10的图像重建，主要分为三步。图4所示为其算法的主要流程图。

本系统的扩散光学层析成像算法的样品10的假设模型用简单的数学方程可以描述为：

$-D\left(r\right){\▿}^2\mathrm{\Φ}\left(r\right)+{\mathrm{\μ}}_a\mathrm{\Φ}\left(r\right)=\frac{S_0\left(r\right)}{4\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

$2\mathrm{\ρD}\left(r\right)\frac{\∂}{\∂n}\mathrm{\Φ}\left(r\right)+\mathrm{\Φ}\left(r\right)+S\left(r\right)=0---\left(2\right)$

D(r)＝(3(μ_a+(1+g)μ_s))^-1    (3)

Ф(r)代表稳态光强值，D(r)表示样品10的约化传输系数，其中r表示样品10某一点的空间位置。μ_a为样品10吸收系数，μ_s为样品10散射系数。S₀(r)为光源强度。ρ为折射率不匹配系数，n为介质外法向方向，g为各向异性因子。

首先，假设一组样品10光学参数(约化传输系数D(r)和吸收系数μ_a)，带入上述方程(1)(2)(3)，利用有限元方法计算得到光在样品10中传播的过程中光强Ф(r)的分布。

第二，从CCD相机8得到的多幅图像中选取与约化传输系数D(r)的位置相应的图像，提取图像中样品10外表面的光强值Ф(r)，将这组值与假设模型得到的Ф(r)进行比较，当它们之间的差大于误差值的时候判断为假设的约化传输系数D(r)和吸收系数μ_a不符合要求。误差值需设定。于是，通过最小二乘优化算法重新假设一组光学参数(约化传输系数D(r)和吸收系数μ_a)，再进行计算与比较，直到实际光强值与理论上的光强值的差小于误差值的时候，就判断这次假设的光学参数(吸收系数μ_a和约化传输系数D(r))分布为样品10的光学参数分布。从而得到样品10的三维光学参数的分布值D(r)，μ_a和μ_s。

最后，根据光学参数的分布值D(r)，μ_a和μ_s，在图像重建软件(如Matlab)中重建得到样品10的吸收系数曲线图。

实例1：

半导体激光器1参数为：652nm/50mW，光斑直径0.38mm，180°上下偏移0.355mm。成像样品10为一个圆柱型玻璃管，该玻璃管外直径为25.4mm、管壁厚1mm，玻璃管内装1％的Intrilipid水溶液和两根透明的小塑料管。两塑料管均装有2.0％Intrilipid水溶液，其中一根塑料管17(直径4mm)内加两滴墨水，另一根塑料管18(直径3.6mm)内加一滴墨水。二根塑料管17、18平行，两管的中心轴线相距8.6mm。此成像样品10结构示意图见图5a玻璃管成像样品立体示意图、图5b玻璃管成像样品截面示意图。利用本发明系统采集数据，计算得到成像样品10的吸收系数曲线图，如图6所示。

Claims (4)

1.旋转式扩散荧光层析成像系统，其特征在于：该系统包括半导体激光器(1)、计算机(2)、旋转工作台(4)、步进电机(6)和CCD相机(8)；

旋转工作台(4)为“匚”形，设有两个水平臂和一个竖直杆，竖直杆中心点(11)与支架(3)连接，旋转工作台(4)以竖直杆中心点(11)为中心在竖直平面旋转；半导体激光器(1)和半导体制冷盒(9)分别固定在旋转工作台(4)的二个水平臂上，CCD相机(8)位于半导体制冷盒(9)内；

样品固定夹(7)固定在支架(3)上，并且位于CCD相机(8)与半导体激光器(1)之间，工作时，半导体激光器(1)的激光出射孔、CCD相机(8)的镜头光学中心和位于样品固定夹(7)上的成像样品(10)的中心位于在一条直线上；

步进电机(6)与旋转工作台(4)相连，带动固定在旋转工作台(4)水平臂上的CCD相机(8)和半导体激光器(1)以旋转工作台(4)的竖直杆中心点(11)为中心旋转；

CCD相机(8)和计算机(2)之间通过滑环(5)连接，计算机(2)向旋转工作台(4)和CCD相机(8)传送控制信号，接收CCD相机(8)传送的图像数据，并对图像数据进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：计算机(2)按照下述过程对图像数据进行处理：

(1)将一组样品光学参数带入下述方程(1)(2)(3)，利用有限元方法计算得到光在样品中传播的过程中光强Φ(r)的分布；

$-D\left(r\right){\▿}^2\mathrm{\Φ}\left(r\right)+{\mathrm{\μ}}_a\mathrm{\Φ}\left(r\right)=\frac{S_0\left(r\right)}{4\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

$2\mathrm{\ρD}\left(r\right)\frac{\∂}{\∂n}\mathrm{\Φ}\left(r\right)+\mathrm{\Φ}\left(r\right)+S\left(r\right)=0---\left(2\right)$

D(r)＝(3(μ_α+(1+g)μ_s))^-1    (3)

其中，Φ(r)为稳态光强值，D(r)为样品约化传输系数，r为样品某一点的空间位置；μ_a为样品吸收系数，μ_s为样品的散射系数，S₀(r)为光源强度，ρ为折射率不匹配系数，n为介质外法向方向，g为各向异性因子；

(2)从CCD相机得到的多幅图像中选取与约化传输系数D(r)的位置相应的图像，提取图像中样品外表面的光强值Φ(r)，将这组值与假设模型得到的Φ(r)进行比较，当它们之间的差大于误差值时候判断为假设的约化传输系数D(r)和吸收系数μ_a不符合要求；

(3)通过最小二乘优化算法重新假设一组光学参数，约化传输系数D(r)和吸收系数μ_a，再进行计算与误差值比较，直到实际光强值与理论上的光强值的差小于误差值时候，判断这次假设的光学参数分布为样品的光学参数分布，得到样品的三维光学参数的分布值D(r)，μ_a和μ_s；

(4)根据光学参数的分布值D(r)，μ_a和μ_s，在图像重建软件中重建得到样品的图像。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：滑环(5)的主体为圆筒状，引脚(14)位于圆筒状主体上，与CCD相机(8)直接相连的数据传输线穿过滑环(5)中间的通孔(16)后和引脚(14)相连，集电环(13)套在圆筒状主体上，炭刷(15)与集电环(13)表面接触，炭刷(15)上设置有滑环引出线接口(12)，所有的数据传输线通过滑环引出线接口(12)与计算机(2)连接。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：固定夹(7)与旋转工作台(4)的竖直杆中心点(11)位于同一水平平面上。

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