CN102151122B - 激发荧光分子成像系统及一次荧光成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是激发荧光分子成像系统及一次荧光成像方法，该系统及方法包括图像处理部和图像采集部，图像采集部中控制器与相机、镜头调节马达、发射滤光轮、激发滤光轮、激发光源、白光灯及三个方向的电控平移台连接，控制镜头调节马达改变镜头的焦距和光圈，控制发射滤光轮及激发滤光轮转动分别切换发射滤光片和激发滤光片到作用位，控制激发光源和白光灯的开闭，控制三个方向的电控平移台的电机轴移动；图像处理部与图像采集部的相机连接，接收荧光图像和白光图像，并对荧光图像自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计处理，将处理后的荧光图像与白光图像叠加后得到的激发荧光分子的图像，可应用于荧光图像获取与分析、药物研发等领域。
Description
技术领域
本发明属于分子成像技术领域，涉及光学成像理论、计算机图像处理技术、数学建模等学科知识的激发荧光成像系统及一次荧光成像方法。
背景技术
随着基因组学、蛋白组学和疾病基因组学的迅速发展，疾病的诊断正在从传统的疾病表征观察、常规的生化实验检测，发展到多种基因和分子水平的微观特征认识，其中利用分子成像技术可以从基因、蛋白质水平深刻认识疾病的发生、发展过程，能够实现现有微观分析所无法取代的整体、连续、无创的特异检测方法，生物在体分子成像理论及其技术将会提供全新的预防、诊断和治疗手段。与传统的医学成像技术相比较而言，分子成像学着眼于构成疾病或病变的基础变化和基因分子水平的异常，而不是对由基因分子改变所构成的最终结果进行成像。在特异的分子探针的帮助下，分子成像技术可以在细胞、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详细的定性、定位、定量资料以及有效的信息获取和分析处理的手段。
激发荧光成像的原理可以描述为：当外源光照射到带有荧光团的生物组织上时，荧光团吸收光能使得电子跃迁到了激发态，电子从激发态回到基态的过程中会释放出荧光，该荧光较吸收的光向红端移动，即发射的荧光比吸收的外源光的能量低，荧光在组织体内传播并有一部分达到体表，从体表发出的荧光被探测器接收到，从而形成荧光图像。一般而言，荧光团发射出的荧光经过组织体散射，光的强度已经很弱，用肉眼很难观测到，因此需要在完全避光的暗箱中进行成像，并且要求探测器的灵敏度要高，通常利用一个低温制冷的高度灵敏的CCD相机来探测组织体表的荧光光子。CCD相机的另一个优势是空间分辨率较高。
目前，国外已经有成型激发荧光成像系统。这些系统大多只针对小动物的荧光成像，因此一般只可在垂直方向调节物距(探测器与被检测物体之间的距离)，而不能水平二维移动至被检测目标的中心，因此不能用于较大被检测目标的荧光成像，大大限制其应用。此外，由于白光图像和荧光图像的获取过程中，需要进行开闭白光灯、开闭激发光源、转动激发滤光轮和发射滤光轮等操作，以及荧光图像的分割、伪彩色添加、荧光和白光图像的叠加及结果保存等繁琐操作，增加了用户的负担。
发明内容
为了解决现有的激发荧光系统存在的问题，本发明的目的是提供一种激发荧光分子成像系统。
为了实现所述目的，本发明提供一种激发荧光分子成像系统，该系统的技术方案具有图像采集部和图像处理部；其中：图像采集部包括相机、镜头、镜头调节马达、发射滤光轮、多个发射滤光片、激发滤光轮、多个激发滤光片、光纤、激发光源、白光灯、载物台、暗箱、三个方向的电控平移台和控制器；相机的转接口与镜头的转接口连接，镜头的进光口与发射滤光轮的作用位连接，多个发射滤光片内嵌于发射滤光轮中；激发光源出口连接光纤的一端，光纤另一端与激发滤光轮的作用位连接，激发滤光片内嵌于激发滤光轮中；暗箱位于三个方向的电控平移台的上方且固定连接发射滤光轮、激发滤光轮和白光灯；载物台和被检测物体位于暗箱内部；载物台和被检测物体相对静止；三个方向的电控平移台的电机轴可在垂直方向和水平方向移动载物台，用以改变被检测物体与相机间的相对位置；控制器与相机、镜头调节马达、发射滤光轮、激发滤光轮、激发光源、白光灯、三个方向的电控平移台连接，通过控制镜头调节马达来改变镜头的焦距和光圈，通过控制发射滤光轮及激发滤光轮转动来分别切换发射滤光片和激发滤光片到作用位，控制激发光源和白光灯的开闭，控制三个方向的电控平移台的电机轴移动；图像处理部与图像采集部的相机连接，接收荧光图像和白光图像，并对荧光图像自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计处理，将处理后的荧光图像与白光图像叠加后得到的激发荧光分子的图像。
为了实现所述目的，本发明的第二方面，是提供一种使用激发荧光分子成像系统的一次荧光成像方法，该一次荧光成像包含以下步骤：
步骤S1：控制器通过控制三个方向的电控平移台的移动来改变相机与被检测物体的相对位置，并控制镜头调节马达改变镜头焦距和光圈的大小，实现相机对被检测物体多级视野大小的清晰成像；
步骤S2：控制器开启白光灯，并控制相机获取白光图像，白光图像反映被检测物体外形信息；
步骤S3：控制器转动发射滤光轮和激发滤光轮，分别选择实验需要的发射滤光片和激发滤光片；控制器开启激发光源，同时关闭白光灯；控制器控制相机获取荧光图像；控制器关闭激发光源；荧光图像反映被检测物体荧光光源的分布信息；
步骤S4：控制器将荧光图像和白光图像传送到图像处理部的前处理模块；前处理模块对荧光图像进行强度校正操作和自体荧光去除处理操作；
步骤S5：分析模块对前处理模块发送的荧光图像依次进行自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计、与白光图像叠加一系列操作，并显示荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像；
步骤S6：存储模块对前处理模块处理后的荧光图像和白光图像进行保存，并对分析模块处理后的，即在荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像进行保存。
本发明的有益效果是：本发明建立了一套应用于激发荧光分子成像的激发荧光分子成像系统及方法。该系统及方法能完成对较大尺寸被检测目标的三维定位，通过软件自动切换不同大小的成像视野并清晰成像，且整个荧光信号图像的采集过程在设定参数后可自动执行，完成白光图像采集、荧光图像采集及与白光图像叠加、荧光图像自动分割、分割区域光子数统计等处理，大大简化了操作步骤和操作流程。本发明系统结构合理，功能显著，操作方便，可广泛应用于荧光图像获取与分析、药物研发等领域，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明激发荧光分子成像系统示意图。
图2为使用激发荧光分子成像系统的一次荧光成像方法流程图。
图3为本发明的发射滤光轮和激发滤光轮的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1示出本发明激发荧光分子成像系统示意图，具有图像采集部和图像处理部，其中：
图像采集部包括相机1、镜头2、镜头调节马达3、发射滤光轮4、多个发射滤光片5、激发滤光轮6、多个激发滤光片7、光纤8、激发光源9、白光灯10、载物台11、暗箱12、三个方向的电控平移台13和控制器14；相机1的转接口与镜头2的转接口连接，镜头2的进光口与发射滤光轮4的作用位31连接，多个发射滤光片5内嵌于发射滤光轮4中；激发光源9出口连接光纤8的一端，光纤8另一端与激发滤光轮6的作用位31连接，激发滤光片7内嵌于激发滤光轮6中；暗箱12位于三个方向的电控平移台13的上方且固定连接发射滤光轮4、激发滤光轮6和白光灯10；载物台11和被检测物体15位于暗箱12内部；载物台11和被检测物体15相对静止；三个方向的电控平移台13的电机轴可在垂直方向和水平方向移动载物台11，用以改变被检测物体15与相机1间的相对位置；控制器14与相机1、镜头调节马达3、发射滤光轮4、激发滤光轮6、激发光源9、白光灯10、三个方向的电控平移台13连接，通过控制镜头调节马达3来改变镜头2的焦距和光圈，通过控制发射滤光轮4及激发滤光轮6转动来分别切换发射滤光片5和激发滤光片7到作用位31，控制激发光源9和白光灯10的开闭，控制三个方向的电控平移台13的电机轴移动；
图像处理部与图像采集部的相机1连接，接收荧光图像和白光图像，并对荧光图像自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计处理，将处理后的荧光图像与白光图像叠加后得到的激发荧光分子图像。
所述三个方向的电控平移台13对被检测物体15实现三维空间的定位，能够完成大尺寸被检测物体15的激发荧光成像。
所述相机1是能探测到微弱的荧光信号的光电探测器。
所述一个发射滤光轮4或一个激发滤光轮6分别放置多片发射滤光片5或多片激发滤光片7。
所述图像处理部包括：前处理模块21、分析模块22和存储模块23，其中：
前处理模块21与图像采集部的相机1的数据输出端口连接，对接收到的荧光图像进行荧光强度均匀校正处理与自体荧光干扰去除处理，而对接收到的白光图像不做处理；
分析模块22与前处理模块21连接，对前处理模块21发送的荧光图像依次进行自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计、与白光图像叠加的操作，并显示荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像；
存储模块23与前处理模块21和分析模块22连接，对前处理模块21处理后的荧光图像和白光图像进行保存，并对分析模块22处理后的，即在荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像进行保存。
如图3所示是多个发射滤光轮4或多个激发滤光轮6的结构示意图，发射滤光轮4或激发滤光轮6为相同结构，本实施例一共设置有六个位置，其中有五个位置可放置发射滤光片5或激发滤光片7，另外一个为空挡位置(不放置任何滤光片)。其中档位31是作用位，档位32-36均为非作用位。只有在作用位的发射滤光片5或激发滤光片7或空挡才能有光信号通过。
如图2示出使用激发荧光分子成像系统的一次荧光成像方法流程图，该一次荧光成像包含以下步骤
步骤S1：软件及硬件初始化操作。将相机1温度锁定在-70℃，以降低图像噪声；
首先在被检测人下肢观测部位注射ICG荧光分子探针，并使被检测人15平躺在床板11上；
控制器14通过控制三个方向的电控平移台13移动来改变相机1与被检测物体15的相对位置，控制器14控制镜头调节马达3改变镜头2焦距和光圈的大小，实现多级视野大小的清晰成像。相机1与被检测物体15之间的距离调节为20cm，焦距调为35mm，光圈值为f/2.8，可完成一次清晰成像；
步骤S2：控制器14开启白光灯10，并控制相机1获取白光图像。白光图像反映被检测物体外形信息。相机1曝光时间设为0.5s；
步骤S3：控制器14转动激发滤光轮6和发射滤光轮4，分别选择实验需要的发射滤光片5和激发滤光片7；控制器14开启激发光源9，同时关闭白光灯10；控制器14控制相机1获取荧光图像；控制器14关闭激发光源9；荧光图像反映被检测物体荧光光源的分布信息；激发光源光谱分布为400～900nm；选择的激发滤光片7中心波长为780nm，半峰全宽为20nm；选择的发射滤光片中心波长为840nm，半峰全宽为10nm；
步骤S4：控制器14将荧光图像和白光图像传送到图像处理部的前处理模块21；前处理模块21对荧光图像进行强度校正操作和自体荧光去除处理操作；
步骤S5：分析模块22对前处理模块21发送的荧光图像依次进行自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计、与白光图像叠加一系列操作，并显示荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像；
步骤S6：存储模块23对前处理模块21处理后的荧光图像和白光图像进行保存，并对分析模块22处理后的，即在荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像进行保存；控制器14将相机1温度升高到25℃，硬件去初始化操作。
一次荧光成像过程中，各步骤中控制器及图像处理部各模块所执行的所有操作及顺序，均在软件中已设定好。即用户不用关心整个荧光成像的具体细节操作，便可以得到需要的成像结果。此操作一体化设计大大方便了用户。
对同一被检测物体实现多级视野的清晰成像，用于获取同一被检测物体的局部和整体的信息。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激发荧光分子成像系统，其特征在于，该系统包括图像采集部和图像处理部；
图像采集部包括相机(1)、镜头(2)、镜头调节马达(3)、发射滤光轮(4)、多个发射滤光片(5)、激发滤光轮(6)、多个激发滤光片(7)、光纤(8)、激发光源(9)、白光灯(10)、载物台(11)、暗箱(12)、三个方向的电控平移台(13)和控制器(14)；
相机(1)的转接口与镜头(2)的转接口连接，镜头(2)的进光口与发射滤光轮(4)的作用位(31)连接，多个发射滤光片(5)内嵌于发射滤光轮(4)中；
激发光源(9)出口连接光纤(8)的一端，光纤(8)另一端与激发滤光轮(6)的作用位(31)连接，激发滤光片(7)内嵌于激发滤光轮(6)中；
暗箱(12)位于三个方向的电控平移台(13)的上方且固定连接发射滤光轮(4)、激发滤光轮(6)和白光灯(10)；
载物台(11)和被检测物体(15)位于暗箱(12)内部；载物台(11)和被检测物体(15)相对静止；三个方向的电控平移台(13)的电机轴可在垂直方向和水平方向移动载物台(11)，用以改变被检测物体(15)与相机(1)间的相对位置；
控制器(14)与相机(1)、镜头调节马达(3)、发射滤光轮(4)、激发滤光轮(6)、激发光源(9)、白光灯(10)、三个方向的电控平移台(13)连接，通过控制镜头调节马达(3)来改变镜头(2)的焦距和光圈，通过控制发射滤光轮(4)及激发滤光轮(6)转动来分别切换发射滤光片(5)和激发滤光片(7)到作用位(31)，控制激发光源(9)和白光灯(10)的开闭，控制三个方向的电控平移台(13)的电机轴移动；
图像处理部与图像采集部的相机连接，接收荧光图像和白光图像，并对荧光图像依次进行自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计处理，将处理后的荧光图像与白光图像叠加后得到激发荧光分子的图像。
2.如权利要求1中所述激发荧光分子成像系统，其特征在于，所述图像处理部包括：前处理模块(21)、分析模块(22)和存储模块(23)，其中：
前处理模块(21)与图像采集部的相机(1)的数据输出端口连接，对接收到的荧光图像进行荧光强度均匀校正处理与自体荧光干扰去除处理，而对接收到的白光图像不做处理；
分析模块(22)与前处理模块(21)连接，对前处理模块(21)发送的荧光图像依次进行自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计、白光图像叠加的操作，并显示荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像；
存储模块(23)与前处理模块(21)和分析模块(22)连接，对前处理模块(21)处理后的荧光图像和白光图像进行保存，并对分析模块(22)处理后的，即在荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像进行保存。
3.如权利要求1中所述激发荧光分子成像系统，其特征在于，三个方向的电控平移台(13)对被检测物体(15)实现三维空间的定位，能够完成大尺寸被检测物体(15)的激发荧光成像。
4.如权利要求1中所述激发荧光分子成像系统，其特征在于，相机(1)是能探测到微弱的荧光信号的光电探测器。
5.如权利要求1中所述激发荧光分子成像系统，其特征在于，一个发射滤光轮(4)能放置多片发射滤光片(5)。
6.如权利要求1中所述激发荧光分子成像系统，其特征在于，一个激发滤光轮(6)能放置多片激发滤光片(7)。
7.一种使用权利要求1所述的激发荧光分子成像系统的一次荧光成像方法，其特征在于，该一次荧光成像包含以下步骤：
步骤S1：控制器通过控制三个方向的电控平移台的移动来改变相机与被检测物体的相对位置，并控制镜头调节马达改变镜头焦距和光圈的大小，实现相机对被检测物体多级视野大小的清晰成像；
步骤S2：控制器开启白光灯，并控制相机获取白光图像，白光图像反映被检测物体外形信息；
步骤S3：控制器转动发射滤光轮和激发滤光轮，分别选择实验需要的发射滤光片和激发滤光片；控制器开启激发光源同时关闭白光灯；控制器控制相机获取荧光图像；控制器关闭激发光源；荧光图像反映被检测物体荧光光源的分布信息；
步骤S4：控制器将荧光图像和白光图像传送到图像处理部的前处理模块；前处理模块对荧光图像进行强度校正操作和自体荧光去除处理操作；
步骤S5：分析模块对前处理模块发送的荧光图像依次进行自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计、与白光图像叠加一系列操作，并显示荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像；
步骤S6：存储模块对前处理模块处理后的荧光图像和白光图像进行保存，并对分析模块处理后的，即在荧光图像经过自动分割、伪彩色添加、自动分割区域的光子数统计并与白光图像叠加后得到的图像进行保存。
8.如权利要求7中所述激发荧光分子成像系统的一次荧光成像方法，其特征在于，对同一被检测物体实现多级视野的清晰成像，用于获取同一被检测物体的局部和整体的信息。
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