CN101563026A - 对混浊媒质的成像 - Google Patents

Abstract

一种用于对混浊媒质成像的成像系统包括照射所要成像的对象的辐射源。探测系统探测来自对象的辐射并且包括区分具有各个波长范围的辐射成分的分离模块。分析模块形成各个辐射成分的比较结果。根据各个辐射成分的比较结果重建图像数据集。该比较例如包括(i)高波长辐射成分与低波长辐射成分的水平之比，或者(ii)高波长辐射成分与探测到的辐射的水平的相对差，或者(iiii)高波长辐射成分与低波长辐射成分的水平的相对差。当在相应的造影剂浓度范围上该比较结果相对于其他波长范围更有益于其中一个波长范围时，获得了重建图像的良好对比度。因此，在比较中，波长范围之间的竞争使得该一个波长范围的强度(或者光子数)占优，使得该一个波长范围中的任何对比度不会受到对比度反转的影响。

Description

对混浊媒质的成像

技术领域

本发明涉及一种对混浊媒质成像的成像系统。

背景技术

根据美国专利US6738658获知了医疗光学成像扫描仪形式的成像系统。

已知的医疗光学成像扫描仪特别用于乳房成像。将照明源设置为将光引导到所要成像的对象，即所要成像的胸部。由各组光电探测器同时探测从胸部发出的不同波长范围的光。将滤光器设置在多组光电探测器之一的前面，以限制到达该组光电探测器的光的波长。

将来自经过滤的光电探测器组的数据用于重建胸部的荧光图像。通过使用荧光团形式的造影剂将荧光引入胸部中，该荧光团受到照明源的激发。将来自未过滤的光电探测器组的数据用于重建胸部的吸收图像。在胸部周边内，自动地共同记录该胸部的荧光和吸收图像。随后，从荧光数据中减去吸收数据，以重建包含在施加造影剂之后获得的图像中是新的信息的图像。

发明内容

本发明的目的是提供一种对混浊媒质成像的成像系统，以与造影剂浓度无关地提高图像的对比度。

通过一种用于对混浊媒质成像的成像系统实现该目的，其包括：

-辐射源，其照射所要成像的对象

-探测系统，其探测来自该对象的辐射并且具有区分具有各个波长范围的辐射成分的分离模块

-分析模块，其形成对各个辐射成分的比较结果，以及

-重建单元，其存取对各个辐射成分的比较结果，并且根据该对各个辐射成分的比较结果重建图像数据集。

根据本发明，区分不同波长范围的辐射成分。根据这些辐射成分的比较结果重建图像。本发明的本质是对这些辐射成分的比较避免了在图像中出现由于通过该混浊媒质的辐射的自吸收造成的对比度反转。另一个本质是能够根据其各自的波长范围区分这些辐射成分。值得注意的是，在相应的造影剂浓度范围上，当比较结果对这些波长范围之一相比其他波长范围更有益时，在重建图像中获得了良好的对比度。因此，在比较过程中，波长范围的竞争使得该一个波长范围的强度(或者光子数)占优，因此该一个波长范围中的任何对比度不会受到对比度反转的影响。

各个辐射成分涉及通过混浊媒质传播并且分别主要经历了例如由荧光造影剂造成的强或弱的自吸收的辐射。值得注意的是，各个辐射成分分别涉及来自辐射源的已经透过混浊媒质的经历了由造影剂产生的强烈或微弱自吸收的辐射以及由于照明源对荧光造影剂的激发而生成的辐射。对来自对象的荧光辐射与透过对象的混浊媒质的辐射成分的比较减少了负面影响，尤其减少了由于荧光辐射的自吸收造成的重建图像的对比度反转。

区分具有各个波长范围的各个辐射成分有几种可选方式。一种选择是采用滤光器，其具有对应于所要区分的辐射成分波长范围的各个通带。另一种选择是采用介电反射镜，其在各个波长范围上具有反射率和透射率。而且，对于各个探测器元件组可以采用不同的灵敏度范围，使得各个探测器组主要探测各个辐射成分。可选的是，可以采用分光计、光栅棱镜或者光学散射元件使各个不同的波长范围分离。

将参照从属权利要求中限定的实施例进一步详细阐述本发明的这些及其他方面。

根据本发明的一个方面，区分两个辐射成分，即具有小于最高限额波长的波长的低波长辐射成分以及具有超过阈值波长的波长的高波长辐射成分。在实际的实施方式中，该最高限额波长和阈值波长相等。高波长辐射成分主要涉及由对荧光造影剂的激发生成并且随即通过混浊媒质传播的荧光辐射。注意，因为传播过程中的主要过程是散射和吸收，它们不太依赖于近红外辐射的能量，所以该辐射(例如近红外)的能量分布不随着其穿过组织传播而变化。低波长辐射成分主要涉及来自照明源的透过混浊媒质并且在混浊媒质中部分吸收的辐射。低波长辐射成分和高波长成分的区别还在于荧光辐射的自吸收是主要的和自吸收不是主要的。高波长辐射成分与低波长成分的比较有效消除了混浊媒质中自吸收的影响。因此，根据该比较结果重建的图像具有作为所采用造影剂浓度的增函数的对比度。注意，当避免了对比度反转时，由于通过自动吸收补偿了荧光性而避免了低对比度。因此，改善了图像的诊断质量，因为即使是在低对比度下，细节也未由于对比度反转而模糊并且仍清晰可见。

还有产生非常好结果的特定的比较实施方案，其中对比度随着造影剂浓度增大。注意，这是通过利用高波长辐射成分与低波长辐射成分的水平比来获得的。该比值随着造影剂浓度增加而以至少一个或两个数量级单调递增。另一种实施方案是基于重建(i)高波长辐射成分与低波长辐射成分的强度水平之差与(ii)高波长辐射成分的强度水平之比。该相对比值也随着造影剂浓度而以至少两个数量级线性增大。再一种模式的重建基于高波长辐射成分与低波长辐射成分的水平的相对差。在这种模式中，随着造影剂浓度以至少两个数量级大致对数增大。

根据本发明的另一个方面，该成像系统提供有重建基于探测到的辐射的总水平，即两个(或更多个)辐射成分的水平之和的选择。当应用低的造影剂浓度时，该选择是尤其有效的。在如此低的造影剂浓度下，自吸收不会发生或者仅略微发生，使得不太可能发生对比度反转。另一方面，探测到的辐射的总水平的信噪比(SNR)高于单独的辐射成分的SNR。因此，使用所谓的所有辐射成分总和水平的全光谱获得了具有更好SNR的重建图像。

而且，注意本发明的成像系统尤其被指定对至少部分由混浊媒质形成的对象成像，辐射主要通过散射通过该混浊媒质传播。混浊煤质中可能存在不均匀性，其影响了辐射的传播。特定的实例是生物组织，例如女性乳房。本发明的成像系统尤其用于对女性乳房成像，以显示不均匀性(例如良性或者恶性的肿瘤)的存在。为了对生物组织(例如女性乳房)进行光学X射线断层扫描，近红外辐射是特别适合的，这是因为生物组织对于400nm到1400nm的波长范围的吸收是合理地低但是散射非常高，尤其是在600nm到950nm之间的波长范围获得特别好的结果。

有多种方式存取各个辐射成分的水平。根据所采用的探测技术，能够测量辐射成分的强度或者信号幅度。

本发明还涉及一种成像方法，尤其是权利要求6所述的数字光学X射线断层扫描方法。本发明的该光学成像方法实现了在对混浊媒质进行成像过程中，避免了在造影剂浓度增大时的对比度反转。本发明还涉及权利要求7所述的计算机程序。本发明的计算机程序能够在数据载体上提供，例如CD-rom盘，或者本发明的计算机程序能够从数据网络(例如万维网)上下载。当安装到用于对混浊媒质成像的成像系统中包含的计算机中时，使该成像系统能够根据本发明工作并且因为避免了对比度反转，所以获得了更好的图像质量。

附图说明

下文中，将参照所述实施例以及相应附图阐述本发明的这些及其他方面，在附图中：

图1表示了本发明的对混浊媒质成像的系统的示意图，以及

图2示意性地表示了本发明成像系统的探测器模块的实例的其他细节。

具体实施方式

图1表示了本发明的对混浊媒质成像的系统的示意图。值得注意的是，图1的成像系统是能够生成所要成像的对象内部的图像的数字光学X射线断层摄影系统。值得注意的是，图1图示的对混浊媒质成像的系统是光学乳房X射线照相系统。该光学乳房X射线照相系统包括载体11，例如具有患者床或者患者台的形式，其上所要检查的患者(特别是乳房1需要检查的女性)处于俯卧位(即面向下)，从而使一个乳房悬于具有测量杯形式(图1中不可见)的检查空间2中。然后，使该测量杯充满匹配液，该匹配液具有与女性乳房的光学散射和吸收特性非常类似的光学散射和吸收特性。

将多个光纤23(例如总共510条)的一端与该测量杯相连。将一半光纤的另一端与探测器模块5相连，一半光纤的另一端与光纤开关12相连。该光纤开关12能够将来自三个不同激光器24的光引导到256个源光纤23的任意一个中(255个源光纤连接到测量杯，1个源光纤直接连接到探测器光纤)。这样，源光纤23中的任意一个能够在测量杯中提供圆锥形光束。通过适当切换光纤开关12，随后所有源光纤将圆锥形光束发射到乳房组织中。

来自选定源光纤的光被匹配液和乳房散射，并且被255个探测器模块探测。当采用荧光造影剂时，来自源光纤的光激发该荧光造影剂以发射(略微)更长波长的荧光。该探测器模块设置为还探测来自所检查患者尤其是女性乳房的荧光和透射光。该探测器光纤通常设置为到达测量杯壁周围的各个环中的探测位置。该环沿着测量杯的长轴(通常是垂直的)放置。光在乳房组织中的衰减是强烈的，这意味着与反射(或者反向散射)光相比，仅有有限量的光子能够穿过乳房。因此，探测器应该覆盖了大的动态范围(大约9个数量级)。将光电二极管用作探测器模块中的光传感器5。前端探测器电子器件包括这些光电二极管之一和放大器。放大器的放大因数能够在几个值之间切换。该机器首先在最低放大率时测量，如果需要则提高放大率。该探测器受到计算机14的控制。

计算机14还控制激光器、光纤开关和流体分配系统。将计算机、测量杯、光纤、探测器、光纤开关以及激光器全部安装到如图1所示的床中。

图2示意表示了本发明的成像系统的探测器模块实例的其他细节。光纤23与探测器模块8的输入端侧的输入信道光学耦合。该探测器模块8设有针对各个输入信道的介电反射镜120形式的分离模块。每个介电反射镜对于低波长成分基本上是反射的，并且对于高波长成分基本上是透射的。这些介电反射镜例如市场上可以买到的光学部件。波长小于阈值波长的光被反射并且波长大于阈值波长的光被透射。例如，当采用NIR96010(SIDAG)染料作为造影剂时，可以在740nm波长实施激光激发，并且在760nm到850nm波长范围内出现荧光发射。通过将阈值和最高限额波长设定在780nm到790nm范围内获得了良好的结果。被反射的低波长成分朝高能探测子模块121反射，该子模块121包括对于低波长成分敏感的光传感器。实际上，该高能探测子模块和低能子模块装配有相同或者类似类型的光传感器，其具有覆盖了高波长和低波长范围的本征灵敏度范围，并且为高能和低能子模块提供不同的光学输入滤光器。光学输入滤光器针对低波长和高波长范围分别具有通带。在预滤光器122处过滤激发造影剂的激光23(对于SIDAG而言大约为690nm)。该预滤光避免了荧光信号被来自激发激光23的信号所支配。在本实例中，该预滤光器122过滤小于大约750nm的所有波长。其余光谱由造影剂生成，并且该光谱同样分成下部和上部波长范围，从而将自吸收主导区域(λ＜λ_T)与非主导区域(λ＞λ_T)分开，其中λ_T为阈值波长。

将透射的高波长成分传送到低能探测子模块122，其包括对于高波长成分敏感的光传感器。例如对介电反射镜适当地涂敷，以获得所需的波长反射率和透射率。该高能探测子模块输出表示来自所要成像对象的低波长辐射成分强度的空间分辩分布的电子输出信号。低能探测子模块输出表示来自所要成像的对象的高波长辐射成分强度的空间分辩分布的电子输出信号。将各个探测子模块的电子输出信号施加到实施比较的分析模块6。例如，简单地通过计算其比值来实施低波长成分与高波长成分之间的比较。明显的是，值得注意该比值在荧光造影剂的宽浓度范围上更有利于低波长成分。将通过分析模块进行的比较应用于重建模块。例如，该分析模块为大量各个源和探测位置对提供低波长成分与高波长成分的比值。这些单独的探测位置实际上是探测光纤的光纤顶端在所要成像的对象表面上的位置。这些位置相对于对象，例如女性乳房。源位置实际上是选定的将激光施加到对象的光纤(相对于对象)的位置，该对象例如女性乳房。通过比较，重建模块重建所要成像的对象内部的图像。值得注意的是，该重建包括代数重建，可以采用反向变换或者Rytov近似。

Claims (7)

1.一种用于对混浊媒质成像的成像系统，其包括：

-辐射源，其照射所要成像的对象，

-探测系统，其探测来自该对象的辐射并且具有区分具有各个波长范围的辐射成分的分离模块，

-分析模块，其形成对各个辐射成分的比较结果，以及

-重建单元，其存取对各个辐射成分的比较结果，并且根据该对各个辐射成分的比较结果重建图像数据集。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其中该分离模块至少区分波长范围小于最高限额波长的低波长辐射成分和波长范围比阈值波长大的高波长成分。

3.根据权利要求2所述的成像系统，其中

-该分析模块设置为形成低波长辐射成分与高波长成分的比较结果，该比较结果为：

(i)高波长辐射成分与低波长辐射成分的水平之比的形式，或者

(ii)高波长辐射成分与探测到的辐射的水平的相对差的形式，或者

(iii)高波长辐射成分与低波长辐射成分的水平的相对差的形式。

4.根据权利要求2所述的成像系统，其中

-该重建模块设置为存取探测到的辐射的水平并且提供有基于该探测到的辐射的水平重建图像的选择。

5.根据权利要求4所述的成像系统，其中

-提供控制单元来根据所应用的造影剂浓度激活所述基于探测到的辐射的水平重建图像的选择。

6.一种对混浊媒质成像的方法，包括：

-照射所要成像的对象，

-探测来自该对象的辐射并且区分具有各个波长范围的辐射成分，

-形成各个辐射成分的比较结果，以及

-根据各个辐射成分的比较结果，由各个辐射成分的比较结果重建图像数据集。

7.一种计算机程序，包括以下指令：

-探测来自对象的辐射并且区分具有各个波长范围的辐射成分，

-形成各个辐射成分的比较，以及

-由各个辐射成分的比较结果重建图像数据集。

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