CN101317765B - 一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：它包括一载物台，设置在所述载物台相对两侧的一对PET探测器，一与所述两PET探测器位置相对垂直，设置在所述载物台第三侧的高灵敏度CCD探测器，一设置在所述高灵敏度CCD探测器与载物台之间的相机滤光器，一斜向设置在所述高灵敏度CCD探测器与其中一个PET探测器之间的普通CCD探测器，与所述高灵敏度CCD探测器相对的所述载物台的第四侧，依次设置有一光开关和光源滤光器、一聚光镜和一光源。本发明可以使用核素和光学标记的探针同时探测生物体的不同分子影像信息，对在体研究生物体内的分子-分子相互作用具有重要意义，也可以使用核素和光学标记的探针同时探测生物体的同一分子类，从不同侧面研究生物体的同一种分子，充分发挥PET成像和荧光学成像的优势。

Description

一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统
技术领域
本发明涉及一种多模态成像系统，特别是关于一种用于小动物或其他物体成像的集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统。
背景技术
分子影像学是在医学影像技术、信息技术、分子生物学、化学、物理学、临床医学基础上发展起来的一门新兴交叉学科。分子影像技术可以在细胞、基因和分子水平上实现生物体内部生理或病理过程的无创实时动态在体成像，从而为疾病相关基因功能定位、细胞生长发育和突变过程的作用机制、新药研发等研究提供有效的信息获取和分析处理的手段。
PET(Positron Emission Tomography正电子发射断层成像术)是一种核医学三维成像技术，目前用于小动物药理学实验研究的小动物PET得到世界上越来越多的科研机构的重视。和通常临床用PET相比，小动物PET特别追求高分辨率和高灵敏度，因此对各种新型C光子探测器及探测器模块的研究非常活跃，例如，基于多丝正比室的H IDAC2PET和VUBRA TPET，基于位置灵敏光电倍增管(PSPM T)的YA PPET和T ierPET。
在体荧光成像(Optical In Vivo Imaging)主要采用生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)两种技术。生物发光是用荧光素酶(Luciferase)基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团(GFP、RFP，Cyt及dyes等)进行标记，利用一套非常灵敏的光学检测仪器，让研究人员能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。通过这个光学检测仪器，可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。这一技术对肿瘤微小转移灶的检测灵敏度极高，不涉及放射性物质和方法，非常安全。因其操作极其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点，在刚刚发展起来的几年时间内，已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面。
多模态成像是目前医学成像的发展趋势，不同模态的成像技术可以提供不同信息，如PET/CT技术，PET图像提供生物体的功能信息，CT图像提供生物体的结构信息，将两种信息结合就可以确切了解在生物体的某个位置的功能状态。单模态成像只能观测一个方面，而多模态成像则可以同时观测生物体内的两个甚至两个以上的组织信息，这对研究生物体内不同系统之间的相互作用至关重要。多模态成像使得实时动态观察生物有机体内的生物反应变化过程成为现实，为深刻认识复杂生命现象的本质打开了黑箱之窗，使得人们可以直观地从基因表达、蛋白质相互作用、信号网络、细胞功能的多层面、多视角、观察研究有机个体发育、遗传进化、重大疾病发生、环境对生命个体影响等生命现象的发生、发展过程，对阐释生命活动的基本规律，揭示疾病发生机理，建立疾病预警系统，提高医疗诊治水平，探询发现新药物具有重大作用。因此对于如何实现将PET成像和荧光成像两种不同功能的成像技术结合在一个成像系统中，从而得到一种新型多模态成像系统的研究具有非常重要的现实意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于小动物或其他物体成像的集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，它将PET和荧光成像两种不同功能的成像技术通过机械结构和布局集成一体，以新的成像机制达到两种分子影像模式并行。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：它包括一载物台，设置在所述载物台相对两侧的一对PET探测器，一与所述PET探测器位置相对垂直，设置在所述载物台第三侧的CCD探测器，一设置在所述CCD探测器与载物台之间的相机滤光器，一斜向设置在所述CCD探测器与其中一个PET探测器之间的普通相机，与所述CCD探测器相对的所述载物台的第四侧，依次设置有一光开关和一光源滤光器、一聚光镜和一光源；所述载物台包括一升降台和滑动设置在所述升降台上的旋转台，所述旋转台包括一固定架，所述固定架上设置有一主动夹持机构，所述主动夹持机构包括一由电机通过传动机构驱动的中空轴，所述中空轴上端通过一麻醉气导管连接气雾麻醉设备，所述中空轴的下端设置有用来固定小动物的夹具；与所述主动夹持机构对应，在所述固定架上还设置有一从动夹持机构，所述从动夹持机构与主动夹持机构同步旋转。
所述相机滤光器和光源滤光器分别包括一片轮固定架，两所述片轮固定架上分别固定连接所述第一和第三电机，所述第一和第三电机的输出端分别设置一滤光片轮，所述滤光片轮的周向具有若干滤光片。
一光开关固定架，所述光开关固定架上固定连接所述第二电机，所述第二电机的输出端连接一扇形或圆形的光开关旋转板，所述光开关旋转板上设置一透射光纤和一反射光纤。
所述升降台包括一升降台支架，在所述升降台支架上固定连接所述第四电机，所述第四电机的输出端连接一丝杠，所述丝杠上连接一滑块，所述滑块设置在所述升降台支架上的双导轨上，所述滑块上设置有与所述旋转台连接的若干安装孔。
旋转台中的固定架底部固定连接第五电机，所述第五电机的输出端连接一贯通所述固定架的传动轴，所述传动轴上端通过一齿轮链条机构连接所述中空轴。
所述载物台的旋转台上还可以设置有保温机构，所述保温机构包括设置在所述固定架上水平板上的若干温控出气孔和设置在所述固定架下水平板上的若干温控吸气孔，所述出气孔连接热源空气。
与所述上水平板固定小动物的夹具对应，在所述固定架的下水平板顶部也设置有一固定小动物的夹具。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于同时设置了PET探测系统和荧光探测系统，因此可以将PET和荧光成像技术相结合，有机的达到同步的多模式成像，同时获得多模态的信息。2、本发明在结构上将PET探测器于荧光探测器交叉放置，在空间位置上保证两类探测器均能同时观测到被测物，并互不干涉。3、本发明在荧光探测系统的同一视野方向放置了一个普通相机，用于对被测物的外形轮廓成像，获得的信息用于后续图像处理，以达到荧光图像的重建。4、本发明的载物台设置了一个可以带动被测物一起旋转的旋转台，在测量过程中，旋转台带作被测物沿中心旋转，因此保证了两类探测器均能获得被测物的全周信息。5、本发明的载物台由于设置了一个可以带动夹持被测物的旋转台上、下移动的升降台，可以将旋转台升出PET探测系统的探测范围，这样方便与被测物的装卸。6、根据研究的需要(不同的器官，组织，或部位)，可以通过旋转台的上、下移动来调整被测物的位置，使关注的部位置于探测器的最有效探测范围。7、本发明由于将旋转台上设置的转动轴设计为一中空轴，并将中空轴的顶端通过一麻醉期导管连接气雾麻醉设备，将中空轴的底端对准被测物，持续不断地提供气雾麻醉剂，从而使被测物一直处于麻醉状态，保证了多模态成像过程的顺利进行。8、本发明由于设置了恒温系统，因此可以保持创造一个恒温环境，使成像过程中被测物的生命体征始终处于最佳状态。本发明与单模态成像相比，双模态成像可以同时使用核素和光学标记的探针同时探测生物体的不同分子，对在体研究生物体内的分子-分子相互作用具有重要意义，也可以使用核素和光学标记的探针同时探测生物体的同一分子，从不同侧面研究生物体的同一种分子，充分发挥PET成像和荧光学成像的优势。
附图说明
图1是本发明的整体结构与布局示意图
图2是本发明的相机滤光器立体结构示意图
图3是本发明的光开关左视图
图4是图3的主视图
图5是本发明的载物台结构示意图
图6是本发明的升降台立体结构示意图
图7是本发明的升降台左视图
图8是本发明的旋转台立体结构示意图
图9是本发明的旋转台左视图
图10是本发明的齿轮链条机构示意图
图11是本发明的控制系统组成及原理示意图
图12是本发明的工作流程示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明属于多模态成像技术，它包括PET探测系统和荧光探测系统两种不同功能的成像系统，并通过机械结构和布局设计以及相关控制系统将上述两种成像系统有机地结合在一起，以下通过实施例并结合附图对本发明的结构进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括PET探测器1、高灵敏度CCD探测器2(Charge CoupledDevice电荷耦合器件)、相机滤光器3、普通相机4、光源5、光开关6和载物台7。两个相对安装的PET探测器1分别设置在载物台7两侧，组成PET探测系统，用于PET探测。与PET探测器1呈垂直方向在载物台的第三侧安装有一个CCD探测器2，用于荧光成像。在高灵敏度CCD探测器2镜头前端设置有一滤光器3，用于对高灵敏度CCD探测器2进行光波段选择。在相机滤光器3旁边斜向设置有一普通相机4，对待测小动物进行轮廓成像，以构建被测物的三维外形，用于协同PET成像和荧光成像及其算法。与CCD探测器2相对在载物台7的第四侧设置一光源5，光源5与载物台7之间依次设置有一聚光镜51、一光源滤光器52和光开关6。聚光镜51用于对光源5进行聚光，光源滤光器52用于对光源5进行滤光选择。光开关6用于对两个光路的切换，一路为透射光路64，另一路为反射光路65。载物台7用于放置被测物。
如图2所示，相机滤光器3包括一个滤光片轮31，滤光片轮31上具有12个滤光片32(仅以此为例，不限于此)，在片轮固定架33上固定连接一电机34，电机34的输出端连接滤光片轮31，通过电机34(或经过传动)带动虑光片轮31旋转，选择不同的滤光片32，从而对光谱进行选择。同样，相对相机滤光器3设置在载物台7对面的光源滤光器52结构设置和原理与上述相机滤光器3相同，故不再赘述。
如图3、图4所示，光开关6包括一扇形或圆形的光开关旋转板61，光开关旋转板61设置在光开关固定架62上，并且其中心连接一电机63，光开关旋转板61上设置有透射光路64和前向光路65两路光纤，分别用于透射和前向光路，通过电机63(或经过传动)带动光开关旋转板61旋转，从而可以使系统达到三种工作模式：透射光、前向光或无外界光源。
如图5、图6、图7所示，载物台7包括一升降台8和一旋转台9，升降台8包括一升降台支架81，升降台支架81上设置有一个采用双导(也可以是单轨)轨滑动的滑块82，滑块82上设置有若干与旋转台9连接的固定孔83，电机84固定连接在升降台支架81上，电机84通过传动丝杠85连接滑块82，滑块82通过电机84(或经过传动)带动传动丝杠85旋转来实现升降运动，滑块82的行程为250mm(仅以此为例，不限于此)。
如图8、图9、图10所示，旋转台9包括一固定架，旋转台9通过旋转台连接板91与滑块82的固定孔83固定，旋转台9的上水平板92上设置有一主动夹持机构10。主动夹持机构10包括一根垂直贯穿上水平板的转动轴101，该转动轴101为一中空轴，通过轴承102安装在上水平板92上，该转动轴101上端设置有与气雾麻醉设备连接的麻醉气导管103，下端设置有用来固定待测小动物11的夹具104。上水平板92上还设置有一传动轴93，传动轴93的下端连接一安装在旋转台9底部的电机94，传动轴93上端通过一齿轮链条机构95连接转动轴101，通过电机94带动传动轴93旋转，从而通过转动轴101带动待测小动物11旋转。下水平板96上也设置有一个用来夹持待测小动物11的从动夹持机构12，从动夹持机构12与主动夹持机构10结构可以相同，也可以不同，且从动夹持机构12与主动夹持机构10是同步旋转的，这样保证了待测小动物11的稳定转动。
上述实施例中，旋转台9上还可以设置一套恒温系统，通过温度传感器监测风源温度将温度信号反馈给恒温控制电路，由恒温控制电路对加热系统进行通断电的控制，从而将风源的温度控制在25°±1°。经过恒温控制的风源通过设置在下水平板96上的干温控吸气孔97，将恒温风源导入旋转台9对待测小动物11进行恒温控制，再通过设置在上水平板92上的温控出气孔98，将恒温风源导出。若实验室的温度为25°±1°的常温，则可以不设置该恒温系统。
上述实施例中，传动轴93与转动轴101之间也可以采用其它的传动方式，比如皮带传动机构。升降台8上的滑块82也可以采用其它的传动方式，比如齿轮机构。
如图11所示，本发明的控制系统为一台计算机13，它依次连接两个PET探测器1、CCD探测器2、普通相机4以及上述实施例中的五个电机，同时还连接三个检测模块，其包括漏光检测模块14、温控检测模块15和门控模块16。三个检测模块通过软件程序将此三次检测排在PET探测系统和荧光探测系统进行采集信号之前，只有三次检测都正常时才能进行下一步的PET探测系统和荧光探测系统的信号采集，无论哪一路检测不正常，计算机13都会进行报警，采集也不能进行。
下面分PET探测系统和荧光探测系统，分别说明本发明的多模态成像原理。
1、PET探测系统
两个PET探测器1对待测小动物11身上的核辐射进行探测，然后通过网线将数据传输给计算机13。
2、荧光探测系统
光源5发出的光经光导进入聚光片51聚焦，经光源滤光器52滤光，再经光开关6进行光路选择。当光开关旋转板61处于初始位置时，光开光6起到挡板的作用，这是因为由于光源5打开需要一定的时间稳定，所以光源5需要一直打开，再安装待测小动物11之前，为了防止光源5的光直接射到高灵敏度CCD探测器2上导致其损坏，这时光开关旋转板61将光源5的光挡住，等到安装待测小动物11后再通过光开关6进行光路选择。
光路选择完成后，计算机13控制启动本发明的荧光探测系统(本发明的PET探测系统和荧光探测系统是同时进行信号采集的)，并由计算机13来控制电机84、94，实现载物台7上旋转台9在升降台8上的上、下移动，旋转台9上、下夹持机构带动待测小动物11的旋转运动。高灵敏度CCD探测器2将采集到的信号通过信号数据线进入计算机13。与此同时，气雾麻醉设备连接的麻醉气导管103不断向待测小动物11施放气雾麻醉剂，必要时可以开启保温机构供热气，以使在对待测小动物11进行多模态成像过程中，维持待测小动物11的生命体征。
如图12所示，本发明计算机13的功能包括系统控制、数据处理、算法和图像处理。通过计算机13控制载物台7的升降和旋转，控制光开关6的旋转从而对光源的工作方式进行选择，通过控制相机虑光器3和光源虑光器52的旋转来对CCD探测器2和光源5的光谱进行选择。通过计算机13控制恒温系统从而对载物台7的温度进行恒温控制，以保证小动物的小动物的生命体征始终处于最佳状态。通过漏光检测电路14来检测开启CCD探测器2之前光亮程度，以保护CCD探测器2。计算机13对PET探测器1检测到的信息进行数据处理及算法。计算机13通过普通相机来提取待测小动物11的总体轮廓，再通过CCD探测器2来进一步检测患处，进行图像处理。
上述实施例中的电路控制部分中的一些控制方式是可以变化的，由于控制部分非本发明需要保护的内容，故在此不再赘述。
上述实施例用以说明本发明的具体结构特征，但本发明的内容并不局限于上述各实施例的描述，任何基于本发明原理和技术方案所表示的结构特征所进行的等效变换的结构，均不应排除在本发明保护范围之外。

Claims (10)

1.一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：它包括一载物台，设置在所述载物台相对两侧的一对PET探测器，一与所述PET探测器位置相对垂直，设置在所述载物台第三侧的CCD探测器，一设置在所述CCD探测器与载物台之间的相机滤光器，一斜向设置在所述CCD探测器与其中一个PET探测器之间的普通相机，与所述CCD探测器相对的所述载物台的第四侧，依次设置有一光开关和一光源滤光器、一聚光镜和一光源；
所述载物台包括一升降台和滑动设置在所述升降台上的旋转台，所述旋转台包括一固定架，所述固定架上设置有一主动夹持机构，所述主动夹持机构包括一由第五电机通过传动机构驱动的中空轴，所述中空轴上端通过一麻醉气导管连接气雾麻醉设备，所述中空轴的下端设置有用来固定小动物的夹具；与所述主动夹持机构对应，在所述固定架上还设置有一从动夹持机构，所述从动夹持机构与主动夹持机构同步旋转。
2.如权利要求1所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：所述相机滤光器和光源滤光器分别包括一片轮固定架，两所述片轮固定架上分别固定连接第一和第三电机，所述第一和第三电机的输出端分别设置一滤光片轮，所述滤光片轮的周向具有若干滤光片。
3.如权利要求1所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：所述光开关包括一光开关固定架，所述光开关固定架上固定连接第二电机，所述第二电机的输出端连接一扇形或圆形的光开关旋转板，所述光开关旋转板上设置一透射光纤和一反射光纤。
4.权利要求2所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：所述光开关包括一光开关固定架，所述光开关固定架上固定连接第二电机，所述第二电机的输出端连接一扇形或圆形的光开关旋转板，所述光开关旋转板上设置多个光纤，分别用于透射成像和反射成像。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：所述升降台包括一升降台支架，在所述升降台支架上固定连接第四电机，所述第四电机的输出端连接一丝杠，所述丝杠上连接一滑块，所述滑块设置在所述升降台支架上的双导轨上，所述滑块上设置有与所述旋转台连接的若干安装孔。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：旋转台中的固定架底部固定连接第五电机，所述第五电机的输出端连接一贯通所述固定架的传动轴，所述传动轴上端通过一齿轮链条机构连接所述中空轴。
7.如权利要求5所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：旋转台中的固定架底部固定连接第五电机，所述第五电机的输出端连接一贯通所述固定架的传动轴，所述传动轴上端通过一齿轮齿条机构连接所述中空轴。
8.如权利要求1或2或3或4所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：所述载物台的旋转台上还设置有保温机构，所述保温机构包括设置在所述固定架上水平板上的若干温控出气孔和设置在所述固定架下水平板上的若干温控吸气孔，所述出气孔连接热源空气。
9.如权利要求5所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：所述载物台的旋转台上还设置有保温机构，所述保温机构包括设置在所述固定架上水平板上的若干温控出气孔和设置在所述固定架下水平板上的若干温控吸气孔，所述出气孔连接热源空气。
10.如权利要求7所述的一种集成核素成像与荧光成像的双模式成像系统，其特征在于：所述载物台的旋转台上还设置有保温机构，所述保温机构包括设置在所述固定架上水平板上的若干温控出气孔和设置在所述固定架下水平板上的若干温控吸气孔，所述出气孔连接热源空气。
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