CN101808577B - 小动物成像舱和床系统 - Google Patents

Abstract

在一种小动物成像系统(10)中，提供至少一个模态(12)和入舱台(36)。入舱台(36)提供工作空间(47)和入舱端口(48)，用于准备和固定等候成像的麻醉动物。为了再现位置，提供对象模具(26)，该模具将对象保持在对象床(16)上可再现位置中。还为等候扫描的对象提供生命体征监测。床(16)包括基准点(28)，以辅助对准类似模态图像和不同模态图像。舱(14)能够封装单个床(16)，或者用于串行成像，舱能够封装多个床配置，例如两个、三个或四个床(16)。为了更好地定位和用户接近容易，定位器(34)从模态(12)后方定位舱(14)。

Description

小动物成像舱和床系统

本申请涉及小动物的诊断成像。更具体而言，本申请涉及对多次扫描的成像变量的控制，以辅助成像研究的定量化和可复现性，并将利用其特定参考加以描述。不过要理解，本申请也可以应用于其他诊断成像应用。

如果利用个体或对象组的可再现成像进行研究，可以加强对疾病体内模型的研究。希望对影响成像的因素进行目标控制，以进行结果的定量化和确认。各种生物功能影响成像，如果要将结果用在定量研究中，希望通过可能长的时间段并跨越不同成像步骤控制或监测这些功能。现有的监测器和控制设置起来单调乏味且容易出错，并且不能在成像流程之间移动。

小动物成像模态，例如PET和CT，为引入遗传改变的动物中的疾病模型成像提供了极难得的机会。例如，小动物PET是一种对体内的生化、生理和药理过程提供有价值认识的功能成像模态。当前的应用包括在诸如心脏和脑的要害器官中的灌注、代谢和基质应用、基因表达、肿瘤生物学和血管发生学、缺氧和凋亡等。另一方面，小动物CT是一种提供高的骨骼和软组织对比度的结构成像模态。其用于筛分解剖学异常、血管发生学中从正常组织鉴别出肿瘤、借助造影剂使新血管形成可视化等。

利用小动物PET和小动物CT工作的研究人员对诸如小鼠和老鼠的小动物进行成像。对疾病的体内模型进行研究和确认需要随着时间的过去对同一动物或动物组进行顺序成像。这种研究的共同目的是利用两种成像模态提供的互补信息对比和跟踪疾病的进展。因此，没有图像配准就不能进行试验结果的定量化和精确评估，图像对准在同一坐标空间中对准所获取的体积。考虑到当前小动物核、CT核MRI装置的实际和逻辑上的限制，通常一次对单只动物成像，而如果能够同时对多个动物成像将是有益的，以便包括一个或多个控制动物和/或平行处理多个动物，以提高通量。

本申请提供了一种新的改进的小动物成像处理机，克服了上述问题等。

根据一方面，提供了一种诊断成像系统。至少一个成像模块采集所述模块的成像区中的对象的诊断成像数据，所述模块具有至少第一入舱(docking)接口。用户在入舱台准备所述对象，以准备在成像模块中进行成像。入舱台具有至少第二入舱接口。至少一个动物舱封入对象并与第一和第二入舱接口进行接口相连。舱可以采取不同尺寸和形状，以在相同舱中或不同模态中容纳不同类型的动物(例如老鼠、小鼠)、额外的动物(例如两只老鼠、两只、三只或四只小鼠)。

根据另一方面，提供了一种成像系统，包括：至少一个成像模块，其用于采集所述模块的成像区中的对象的诊断成像数据，所述模块具有至少第一入舱接口；入舱台，在所述入舱台准备对象以在所述成像模块中成像，所述入舱台具有至少第二入舱接口；至少一个动物舱，所述动物舱装入一个或多个对象并与所述第一和第二入舱接口接口相连，其中，所述入舱台包括引入室，其用于在所述舱中固定动物之前麻醉所述动物。

根据另一方面，提供了一种诊断成像方法。将清醒的动物放在引入室中以麻醉动物。将麻醉的动物固定到对象支撑。利用模具固定和定位动物。在支撑周围放置罩，封装所述动物。在准备动物之后，对动物成像之前的时间内将所述支撑收入入舱台的入舱接口处。从入舱台取出支撑并利用成像模态的入舱接口进行入舱。开始对支撑上的动物进行至少一个诊断成像序列。在完成成像序列之后，从支撑取走动物。动物在后麻醉室中恢复清醒，以使动物从麻醉恢复知觉。

一个优点是增大对象通量。

另一优点在于能够控制影响研究可复现性或可定量性的变量，例如，但不限于体核温度和麻醉深度。

另一优点是能够同时对多个动物成像以能够进行比较研究。

另一优点在于改善了对可用于评估研究结果的生理参数的监测。

另一优点在于使用被监测参数来发出可能影响成像结果或对象健康的警报或提醒。

另一优点在于成像研究者能够在成像步骤之间自由移动，允许更有效地使用实验室面积。

另一优点在于更精确地配准诊断图像。

另一优点在于改善了所收集成像数据的分析的统计置信度。

另一优点在于对等候成像动物的环境控制。

在阅读并理解以下详细说明的基础上，本领域的普通技术人员将会理解本发明的其他优点。

本发明可以具体化成各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤的组合。附图仅用于例示优选实施例，不应视为限制本发明。

图1是根据本申请的动物成像系统的示意图；

图2是动物成像舱的侧视图；

图3是两床实施例的透视图；

图4是四床实施例的透视图；

图5是具有对应定位模具的动物支撑床的侧视图；

图6示出了图5的床的示范性基准点；

图7示出了示范性工作流程时间线；

图8示出了本申请硬件方面的关系；

图9为图1的系统的一种可能实施方式的示意图。

参考图1，示出了示范性小动物成像系统10。本申请构思的系统具有用于正电子发射层析摄影(PET)、计算断层摄影(CT)、单光子发射计算层析摄影(SPECT)的模块、其他诊断成像模块、动物准备以及用于可视化、图像配准、对接和分析功能的计算机工作站。各模块组合在罩之内，所述罩允许进行灵活的配置，由空间和通量的问题决定，有着肩并肩配置的各种组合。还构思了公共的动物定位器，以及可以进出定位器的动物支持物。如图1所示，在肩并肩配置中，通过入舱特征实现精确的图像配准，在动物支持物入舱和出舱时，入舱特征提供了定位精度和可重复性。使用基准标记可以获得额外的图像配准。

参考图2并继续参考图1，成像模态12负责成像数据采集。如上所述，模态12可以是任何成像模态，包括但不限于PET、SPECT、CT和MRI的一种或多种。图1中所示的为不同于第一模态12的第二模态12′。动物舱14在成像期间容纳一个或多个动物。舱14通常包括一个或多个支持物或床16、柱形罩18、生理参数传感器20、用于麻醉的设备22，例如动物鼻子适合的鼻锥，以及支持物侧的入舱接口24。优选通过设计入舱接口24，使得在把支持物插入成像模态12中时施加最小的插入/扭转力。优选在将动物从一个模态转移到另一个模态时不干扰动物的位置。入舱接口24提供了与舱14之间的监测、加热和麻醉接口。可以基于监测结果检测动物舱14的连接以及处理机内部是否有动物。例如，如果没有来自舱14的ECG或呼吸信号，则假设舱内没有动物。如果在舱14内没有检测到动物，可以认为舱14是断开连接的。这种检查可能会造成例如用户界面性质的调节，从而根据检测到动物的数量限制所有显示/输入的信息。而且，可以使用这种信息识别模态12的当前配置。

这一接口24优选支撑多达四个动物，但当然也想到更多接口。通过用统一的入舱接口24配置所有模态和入舱台，用户能够在不同模态和入舱台之间交换支持物。入舱接口功能包括向舱14提供监测、加热和麻醉接口。出于安全的原因，在移除舱14时可以自动关闭麻醉阀，并可以在连接时再次打开，例如止回阀。优选地将舱构造成能抵抗很多次清洗和消毒，例如酒精、蒸汽、辐射等。

单个动物舱14能够支撑几个不同的床16配置。一个舱14可以容纳直到两张(2)鼠床16，或者，一个舱14可以容纳直到四张(4)鼠床16，亦即可以在一个舱中容纳一只、两只、三只或四只老鼠。图3中示出了两床实施例，图4中示出了四床实施例。除了至少一个床底座之外，每个舱接口24还提供与测量传感器20连接的一个或多个插座、用于空气和麻醉的流体接口等。床16可以是异形床或平板床。为了提高热效率，优选在每个动物周围使用独立且尽可能小的筒18，而不是用一个大筒18罩盖所有动物，尽管后一种实施例决不是不可能的。筒18优选容易移除。还提供孔，通过孔能够插入或拉出用于同位素注射和/或任选的测量和物理交互的导管。

平板床类型允许动物技师利用不标准测量或非通用动物或动物配置工作。技师能够自由地放置不同大小和重量的不同动物。板床16上的鼻锥22优选是可更换的，以容纳不同大小的动物。鼻锥22优选对无线电半透明的，且紧密地罩盖动物头部。此外，例如，如果使用注射麻醉，可以拆除鼻锥22。板床16在每侧装备有用于安装运动束缚的孔。

在另一实施例中，床16是形式适合的异形床。异形床16优选地有几种类型，每种针对不同动物种类(老鼠、小鼠)和大小(小、中、大)得到调节。床的曲线允许容易而可重复地定位动物，无论是时间上相隔很远的扫描中的同样对象，还是不同的对象。运动束缚被集成到床中，以防止在扫描期间或之间重新布置对象。还考虑到用与床16集成的束缚来取代传统的缠绕带子和移除带子。

参考图5，为了在可再现位置上定位对象并辅助图像的配准，用对象制成模具26。硅橡胶是目前可用于制造模具的材料，具有很好的耐化学性和耐高温性(205℃以及更高)。诸如小鼠和老鼠的小动物重量基本是标准的，在大小和形状上变化很小。例如，无胸腺小鼠的平均体重为20克，标准偏差很小，为2克。通过将动物放在硅橡胶容器中标尺的较大端上，技师能够生产出动物身体的外部模具26。然后固化模具26并附着到小动物成像床16。在需要的时候，可以类似地制备和可互换地使用专门适合被成像动物(例如小鼠、老鼠、豚鼠等)一般形状的一组模具。对放在成像床16上同一模具26中的不同动物成像保持它们的形状、取向和位置较为类似，这显著简化了顺序采集的同一动物体积的对象内刚性和弹性匹配以及对象间的配准。

为了进一步辅助对象内和对象间图像的配准，将非辐射性基准标记28附着到床16，以为基于图像的刚性或弹性配准技术提供支持。图6中示出了示范性基准标记28。固体铜可以充当CT、PET和SPECT中的基准标记。在CT中可以看到铜的小球或线30，而这些相同的标记的中子激活产生正电子发射铜-64，供PET和SPECT探测。铜容易加工成期望的形状，在激活之前容易处理且操作安全。具有球形形状的基准标记28的中心容易被霍夫变换或另一图像处理技术检测到，所述另一图像处理技术例如是边缘检测和随后的形心计算。该过程是全自动、鲁棒而可靠的。在检测出基准标记28的中心之后，可以向顺序采集的图像应用用于刚性配准的最小二乘法算法，以校正全局刚性对准。一旦将部分图像大致对准，就可以应用弹性匹配来校正体积间的非刚性形变，在这种情况下，形变将受到专门适合被成像动物形状的支持物模具26的约束。基准标记28的基部32可以被制造成仅在需要时才附着标记28。还优选将基准点28放在非线性和非平面位置上。任选地，基准点28包括填充有MR可成像物质的空心铜球，所述物质例如是硫酸铜、掺杂水、含氢凝胶或塑料等。

诸如ECG和呼吸探头的传感器20优选地与床16集成。或者，可以将传感器手工施加到对象上。SpO₂和加热元件也可以是床16的部分。床上的位置标记(即：像尺子的标记)在将对象固定到床16上时有助于再现位置。假定在脑成像中希望严格地重新定位，则可以包括立体定向帧。为了能够在对象固定到床16的同时接近对象而不干扰对象位置，优选地在将动物固定到床16时让动物的尾部、腿部和眼睛可接近。希望对曾与动物接触的元件进行高压灭菌，使得那些特定部件优选能抵抗高温蒸汽清洁和消毒。

床可以独立移除，以在多动物配置中辅助接近对象。对于老鼠和小鼠对象而言，优选用加热的尾部支持物，因为它们有助于防止尾部血管在冷环境中收缩并改变血流速度。此外，床16包括加热机构33，用于在对象附着到床16时控制对象的温度。这可以是内置的温度控制管路，例如床16基部中的嵌入管路，这种管路允许进行热水或空气的循环。在另一实施例中，床可以包括电阻线圈和电气连接。可以由恒温器控制床的温度，所述恒温器能够打开或关闭水、空气或电阻线圈的加热。

可以包括吸收剂处理成像期间的排泄物；床设计可以容纳一次性材料，或者可以将它们集成到床16中。可以将床16设计成将所有或大部分期望的探针嵌入床16中。或者，可以设计床，使得所有探针都有足够的弹性，使得操作员能够将其放置在需要它们的任何地方。集成传感器20对于标准化成像是有用的，尤其在通量是问题的时候。外部探针可以用于例如复杂研究情形中，在这种情形中更希望以最大的精确性执行给定方案。

再次参考图1，系统10还包括能够接收和收入舱14的动物定位器34。定位器34用于在成像期间将动物舱14最佳地定位于扫描器12的成像区中。舱14具有标识符，以向系统提供唯一的支持物身份。可以在将舱14连接到动物定位器34时读取身份，例如是在插入期间移动通过读取器的条形码。也可以使用固定的激光装置辅助配准。入舱台36在动物舱14处于附着状态等待扫描时提供麻醉和监测。如图所示，入舱台可以包括存储空间38，用于在不使用时存储额外的床16、筒18或其他装置。尽管构思的和图示的动物准备和成像模块是肩并肩的，但动物准备和成像可以位于独立空间中。

模块12、12′、36的肩并肩配置是优选的，因为这有助于工作流程的简化。用户无需在房间内或房间之间不断来回走动。图7中示出了示范性工作流程。具体而言，这是用于PET成像序列的工作流程。在这种工作流程中，在对动物进行实际扫描时存在停机的可能。放射性同位素仅能够这样快地衰变。在这种工作流程中，在正在对一个动物扫描的同时准备下一个动物变得有利，这样使得在第一次扫描完成时，下一个动物准备好成像，而没有额外的准备时间。图7的工作流程或类似的工作流程对于每个动物都会发生，但入舱台36允许这些工作流程相当大程度交迭，这减少了总工作时间并提高了对象的通量。

在例示性范例中，假设典型的动物扫描花费十分钟，包括五分钟的准备时间和五分钟的扫描时间。如果对于每个动物都从头到尾地重复工作流程，扫描六个动物将花费一小时。这包括扫描器不扫描的时间。入舱台36允许对动物预先准备。当正在扫描第一个动物时，将准备第二个动物并保持在入舱台36上。于是，仅在35分钟内就执行了扫描六个动物的同一任务，扫描器仅有的停机是在准备第一个动物时。

在图1的实施例中，系统10包括三个模块，即第一和第二采集模块12、12′和动物准备模块，即入舱台36。当然，也想到过更少或更多数量的模块。优选地，入舱台36增加几个方面的功能。参考图8，示出了动物监测麻醉(AMA)系统40。引入室42提供了放置清醒动物的区域，使得能够在将其固定在动物床16上之前对其进行麻醉。在能够开始成像期间之前，将动物放在引入室42中，在引入室42中，在进行进一步准备工作之前，对动物进行前驱麻醉。麻醉剂是通过粗麻醉接口44提供的。利用依赖于环境或加热器温度的加热器粗略维持对象的温度。在粗略温度调节接口46上执行这一控制路径。

在入舱台36上提供物理工作空间47，以在已经在引入室40中麻醉对象之后将对象附着到床16上并安装所需的传感器20。在入舱台36上紧邻定位器34处提供入舱端口48，用于延长研究之间对象的生命支持和麻醉。优选地，入舱台中入舱端口48的数量与成像设施中可用模态数量匹配(即，每个可用模态一个入舱槽)。早期准备更大数量的动物不会提高成像通量，因为成像时间通常是固定的且是限制通量的因素。因此，被准备的动物不会比必要的情况花费更多麻醉时间。

后麻醉室50或“唤醒盒”在对象醒来期间提供生命支持。在这里，与对引入室42中对象所做的相同方式，经由粗略唤醒温度调节器52粗略维持对象的温度。后麻醉室50优选得到良好通风，以加快对象从麻醉中恢复。

将舱14收入接收系统的优选方法是通过正闭锁机构，通过借助放置于定位器34中的致动器施加的轴向力衔接该机构。同样，致动器的衔接不应要求打扰动物。每个舱14上的入舱接口24包括引线，以衔接AMA系统40，包括电气和气体连接。麻醉连接包括“断开连接时自动关闭”功能，以防止麻醉剂损失到环境中。

在流程期间，对象位于成像床16上并附着到入舱台36或成像模态12。经由生命体征探针接口54监测其生理参数。经由麻醉接口56提供并控制麻醉。该接口56可以是气动接口，向舱14中的动物提供麻醉剂并抽取废气，但它还可以包括麻醉剂浓度的电气(自动)控制。而且，基于当前的温度测量值和期望的目标温度值利用温度调节接口58维持动物的体核温度。温度调节接口58优选携带控制信号，控制信号根据每个动物来驱动加热元件。

AMA 40还与一个或多个成像模态12接口相连。在优选实施例中，模态的运行不取决于AMA 40。不过，对于特定的研究而言，为了正确地构建图像需要生理学选通信息。可以在选通接口60上通过选通信号，所述选通接口60对于所有成像模态而言都是相同的。选通接口60优选为TTL(0-12V)接口，其接受活动状态作为用于图像重构的选通事件。

采集、重构和控制子系统62也与AMA 40接口相连。子系统62具有与AMA 40相关的至少两个功能。这些功能包括提供和存储采集到的生命体征数据、控制监测和麻醉功能、图像重构、使生命体征数据与图像数据相互联系等。这些命令和数据是通过监测状态和控制接口64发送的。接口64能够处理所有的监测数据、状态和控制命令。要理解，采集、重构和控制是在物理上分布于系统10的不同部分上的逻辑部件。配电单元66将电功率分配到所有子系统。

系统还包括计算机工作站68。工作站68包括计算机，该计算机控制主要系统功能并为用户提供接口以利用图像和生命体征数据工作。工作站68包括采集控制，以允许开始、暂停、恢复和停止图像采集以及示出关于采集的状态和进度信息。工作站68还与AMA 40接口连接，以便在工作站上显示在几个模态上扫描的多个动物的生命体征以及动物准备的阶段。此外，采集控制和重构用户接口位于工作站68上。工作站68上包括多模态功能，例如PET-CT非刚性配准。在这种情况下，可以经由工作站68实现与CT采集控制的接口连接。优选地工作站68为系统10的所有应用提供移植路径，以使用用于基础设施业务和操作的公共平台。自然地，可以在新准备技术、扫描技术、软件、硬件等变得可用时升级工作站68。或者，AMA40能够在没有关联的工作站68的情况下运行；然而，AMA 40的功能和可及性会更受限制。

工作站68向用户提供信息并允许用户向系统输入数据。任选地，工作站68自身不处理信息，仅仅向/从幕后处理70传递和接收信息，存储数据以及从数据库72检索数据等。工作站68的任务包括提供监测和麻醉结果、输入动物标识和示踪剂注射时间、配置选通脉冲等。为了输入试验信息和配置设置，使用例如键盘或鼠标该的输入装置。工作站不需要是PC；其例如可以是模态12上的显示器74，例如触摸屏。图9以示意形式示出了系统10的一种可能实施方式。

在另一实施例中，可以提供便携式AMA。为了提高入舱台的使用灵活性，优选地将本实施例中的功能限制为入舱能力。在不同的成像设施之间，准备台的尺寸和复杂性可以有显著变化，因此，优选地设施将准备台安排在其适合它们和它们自身需求的地方。然后，可以将入舱台放置在准备台旁边，为准备的动物提供存储空间，或者可以将其放置在常常可能在不同房间中的模态旁边，为更长时间的研究或当在不同模态之间交换动物时提供临时存储空间。这种单元的便携性允许将其放置在任何方便的地方。而且，它与普通AMA单元的功能相似性允许技师早期检测到错误的动物设置或监测以及麻醉缺陷。

已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前述详细说明的前提下，其他人可以想到各种修改和变化。只要修改和变化落入所附权利要求或其等价要件的范围内，本发明意在被视为包括所有这种修改和变化。

Claims (20)

1.一种成像系统，包括：

至少一个成像模块(12)，其用于采集所述模块(12)的成像区中的对象的诊断成像数据，所述模块(12)具有至少第一入舱接口(48)；

入舱台(36)，在所述入舱台准备对象以在所述成像模块(12)中成像，所述入舱台(36)具有至少第二入舱接口(48)；

至少一个动物舱(14)，所述动物舱装入一个或多个对象并与所述第一和第二入舱接口(48)接口相连，

其中，所述入舱台(36)包括引入室(42)，其用于在所述舱(14)中固定动物之前麻醉所述动物。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述至少一个成像模块(12)包括小动物PET扫描器、CT扫描器、SPECT扫描器、MRI扫描器和包含至少两个成像模态的混合式扫描器。

3.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述入舱台(36)包括后麻醉室(50)，在成像期间之后将麻醉的动物放入所述后麻醉室中以允许所述动物从麻醉中恢复过来。

4.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述入舱台(36)包括允许用户准备麻醉的动物以进行成像的工作空间(47)。

5.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述舱(14)包括入舱接口(24)，所述入舱接口与所述成像模块(12)或所述入舱台(36)的所述入舱接口(48)相配合。

6.根据权利要求5所述的成像系统，其中，所述舱(14)的所述入舱接口(24)包括电气连接和流体连接。

7.根据权利要求6所述的成像系统，其中，所述舱(14)包括鼻锥(22)，所述鼻锥由所述流体连接供应，以在成像期间以及预计要成像而固定期间将动物保持在麻醉状态。

8.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述舱(14)包括对象支架(16)，在成像和准备期间麻醉的动物停留于其上。

9.根据权利要求8所述的成像系统，其中，所述对象支架(16)为辅助定位和配准动物的具有形状的支架。

10.根据权利要求8所述的成像系统，其中，所述对象支架(16)包括至少一个传感器装置(20)，所述传感器装置在动物固定于所述支架(16)时测量所述动物的至少一个生物过程。

11.根据权利要求10所述的成像系统，还包括：

警报系统，其在检测到至少一个不正常的生物过程时提醒用户。

12.根据权利要求10所述的成像系统，其中，所述支架(16)包括连接到所述传感器(20)的电引线，所述电引线为所述传感器(20)供电并实现通信。

13.根据权利要求8所述的成像系统，其中，所述对象支架(16)包括用于控制所述舱(14)内的环境的加热元件(33)。

14.根据权利要求13所述的成像系统，其中，所述加热元件(33)包括尾部加温部分，专用于使固定到所述支架(16)上的动物的尾部进行加温。

15.根据权利要求8所述的成像系统，其中，所述对象支架(16)包括可以由所述成像模块(12)成像以辅助进行图像配准的基准点(28)。

16.根据权利要求15所述的成像系统，其中，所述基准点(28)可以在至少两种成像模态中成像。

17.根据权利要求8所述的成像系统，其中，所述舱(14)包括封闭所述支架(16)的可移除的罩(18)。

18.根据权利要求8所述的成像系统，还包括：

与所述对象的尺寸和形状相适合的模具(26)，其用于将所述对象固定在适当的位置并再现对象位置，从而辅助对象间配准和对象内配准。

19.根据权利要求1所述的成像系统，还包括：

连接到所述第一入舱接口(48)的定位器(34)，其用于在所述成像模态(12)中定位所述舱(14)。

20.根据权利要求19所述的成像系统，其中，所述定位器(34)相对于用户将所述舱(14)附接到所述入舱接口(48)的地方从所述模态(12)后方定位所述舱。

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