CN102319058B - 一种融合荧光、核素和x光三模态的小动物成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：它包括一机体，机体内设置有一支撑架，支撑架上分别固定有一荧光成像系统、一核素成像系统和一X光成像系统；荧光成像系统和核素成像系统在几何上呈正交排列设置在机体的内侧，X光成像系统与荧光成像系统和核素成像系统并列排列设置在机体的进口侧；荧光成像系统包括一激发光源板，激发光源板的正上方设置一CCD相机；核素成像系统包括两平行间隔放置在激发光源板两侧的PET探测器；X光成像系统包括一水平的平板探测器，在平板探测器正上方设置一X线球管。本发明为现代生物学和医学研究提供了新的手段和工具，能广泛应用于现代生物学和医学研究中。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像系统，特别是关于一种用于现代生物学和医学研究的融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统。
背景技术
分子成像技术可以为观察细胞、分子事件及其动力学过程提供可视化手段，它成为生物学、医学以及新药物研发等领域的重要工具，而小动物体是现代生物学和医学研究的主要实验手段，因此，小动物体影像检测成为分子成像研究的热点。激发荧光断层成像技术(FMT)是一种可在活的生物体内进行定量分析的光学分子成像技术，把分子特异的荧光探针应用到体检测中，可以实现无创且可视化生物、化学和物理的行为。正电子发射断层成像技术(PET)是一种核医学三维成像技术，利用正电子发射体标记的葡萄糖、氨基酸、胆碱、胸腺嘧啶、受体的配体及血流显像剂等药物示踪剂，以解剖图像的方式，从分子水平显示机体及病灶组织细胞的代谢、功能、血流、细胞增殖或受体分布状况，为临床提供更多生理和病理方面的诊断信息。X射线成像技术根据检测对象不同组织对X光的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对其进行测量，然后将测量得到的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，可以摄下被检测对象的断面或立体图像。
由于各种成像方法都有其优缺点，当前分子成像的一个主要发展趋势是多种模态的融合成像，结合不同成像方法可以将所得到的成像信息进行相互补充和辅助，最终得到被测对象更加丰富的图像信息。现有技术多为双模成像系统，如核素与荧光结合、CT与PET结合、CT与荧光结合等双模成像系统，这些系统往往缺乏足够的成像信息，难以满足小动物成像高质量、高分辨率的要求，而且现有的荧光和核素成像系统一般是采用旋转动物体或者旋转成像系统机架的方式实现360°的数据采集，由于单次图像数据的采集时间较长，不利于观测细胞和分子事件的快速动态变化。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用静态的数据采集方式同时完成结构成像和功能成像的融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：它包括一机体，所述机体内设置有一支撑架，所述支撑架上分别固定有一荧光成像系统、一核素成像系统和一X光成像系统；所述荧光成像系统和核素成像系统在几何上呈正交排列设置在所述机体的内侧，所述X光成像系统与所述荧光成像系统和核素成像系统并列排列设置在所述机体的进口侧；所述荧光成像系统包括一激发光源板，所述激发光源板的正上方设置一CCD相机；所述核素成像系统包括两平行间隔放置在所述激发光源板两侧的PET探测器；所述X光成像系统包括一与所述激发光源板在同一水平面的平板探测器，所述平板探测器正上方设置有一X线球管。
所述机体内还设置有一用于控制和采集所述激发光源板、CCD相机、两PET探测器、平板探测器和X线球管的信号处理系统，所述信号处理系统连接一外设的工作站。
所述支撑架的一端设置成圆形支架，所述圆形支架的上部延伸出一上支撑臂，所述圆形支架的下部延伸出一下支撑臂，所述上支撑臂和下支撑臂之间设置一固定连接架；所述圆形支架的底端固定所述激发光源板，顶端固定所述CCD相机，左、右两端分别固定两所述PET探测器，所述下支撑臂固定所述平板探测器，所述上支撑臂固定所述X线球管，所述激发光源板和平板探测器上面设置有一滑道。
所述机体内还设置有一传送装置，所述传送装置至少包括供穿越所述机体进口的滑道。
所述激发光源板是由大功率LED阵列构成，设置成平板状，波长采用525nm、660nm和780nm中的一种；所述荧光滤光片选择的通带范围为575nm～650nm、695nm～770nm和810nm～880nm中的一种。
两所述PET探测器均包括若干PMT和若干闪烁晶体，所述PMT耦合在所述闪烁晶体的后面。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用机体结构，机体内设置一支撑架，支撑架上固定有荧光成像系统、核素成像系统和X光成像系统，荧光成像系统和核素成像系统在几何上呈正交排列，同步对小动物体的功能数据进行采集，X光成像系统与荧光成像系统和核素成像系统并列排列且与荧光成像系统和核素成像系统异步成像，对小动物体的结构数据进行采集，因此可以连续、快速地完成对小动物体的功能信息和结构信息的采集。2、本发明由于所有的成像部件均由支撑架固定，在对小动物体的成像过程中，所有成像部件和小动物体均保持静止，采用静态的数据采集方式，有利于观测细胞和分子事件的快速动态变化，而且可以根据具体应用灵活设定成像系统的时间分辨率，单次图像数据采集的时间较短。3、本发明由于在机体内设置有传送装置且在激发光源板和平板探测器上面设置有滑道，因此工作站根据实验要求发出控制信号通过信号处理系统控制传送装置自动进入成像区域，实现小动物体的三模态图像采集。4、本发明融合结构成像和功能成像的方法可以从不同角度观察细胞和分子事件快速的动态变化过程，同时，同步的荧光和核素成像也有利于这两种成像方法之间的相互验证，为生物学和医学等研究提供了一种有效的手段。本发明可以广泛应用于现代生物学和医学研究中。
附图说明
图1是本发明小动物成像系统示意图；
图2是本发明荧光和核素成像系统示意图；
图3是本发明X光成像系统示意图；
图4是本发明小动物成像系统机械结构示意图；
图5是本发明机体和传送装置结构示意图。
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。
如图1所示，本发明包括一机体，机体内设置有一支撑架，支撑架上设置有一荧光成像系统1、一核素成像系统2、一X光成像系统3和一传送装置。荧光成像系统1和核素成像系统2在几何上呈正交排列，两个成像系统同步对小动物体的功能数据进行采集完成小动物体的功能成像。X光成像系统3与荧光成像系统1和核素成像系统2并列排列并且与荧光成像系统1和核素成像系统2异步成像，对小动物体的结构数据进行采集完成小动物体的结构成像。其中，功能成像可以显现出小动物体器官或组织的化学变化，指出某部位的新陈代谢异于常态的程度，结构成像可以显现出小动物体骨骼和器官的位置。
如图2所示，本发明的荧光成像系统1包括一由大功率LED阵列组成，设置成平板状且紧贴动物床4水平放置的激发光源板11，一垂直放置在激发光源板11的正上方的CCD相机12，为了避免激发光对荧光信号的影响，CCD相机12的镜头前端设置有一滤光片轮(图中未示出)，滤光片轮上放置有一荧光滤光片13。本发明的核素成像系统2包括两平行间隔设置在激发光源板11两侧的PET探测器21、22。
如图3所示，本发明的X光成像系统3包括一与激发光源板11在同一水平面的平板探测器31，平板探测器31上方且垂直于平板探测器31设置有一X线球管32，成像时要求平板探测器31和X线球管32相对静止，平板探测器31可以采用5cm×10cm，单次曝光可以实现小动物的全身成像。
如图4所示，上述实施例中，为了能很好的固定成像系统中的所有成像部件，使其在成像过程中保持静止，支撑架5可以由铁管制作而成，支撑架5的一端设置成圆形支架51，圆形支架51的上部延伸出一由两铁管组成的上支撑臂52，同样，圆形支架51的下部延伸出一下支撑臂53。圆形支架51的底端可以固定激发光源板11，顶端可以固定CCD相机12，左、右两端可以分别固定PET探测器21、22。下支撑臂53可以固定平板探测器31，上支撑臂52可以固定X线球管32，在采集过程中必须保证平板探测器31和X线球管32相对静止，则在上、下支撑臂52、53之间设置一固定连接架54。激发光源板11和平板探测器31在同一水平面上，且激发光源板11和平板探测器31上面设置一滑道(图中未示出)，在成像过程中工作站55发送控制信号通过信号处理系统56控制传送装置通过滑道自动进入成像区域，实现小动物体的三模态图像采集，完成成像后成像部件将所得到的数据传送到信号处理系统56进而发送到工作站55中完成对小动物成像数据的处理和存储。
如图5所示，上述实施例中，机体6一侧可以设置一圆形进口61，以方便传送装置7能通过进口61进入机体6内的成像区域，传送装置7至少包括供穿越机体进口61的滑道71。
上述实施例中，激发光源板11可以根据实际应用更换不同波长，可以选择的波长为525nm、660nm和780nm，其覆盖DsRed、Cy5.5、Alexa Fluor、ICG等主要荧光探针的激发波长范围，满足激发光光强、光源动态切换以及小动物体全身激发的要求。
上述实施例中，由于在实际操作中，荧光信号非常微弱，需要使用与荧光探针相对应的荧光滤光片13，根据不同的激发光源板11的波长可以选择的通带范围为：575nm～650nm、695nm～770nm和810nm～880nm，目的是滤除激发光以及其它波长杂散光的影响。
上述实施例中，两PET探测器21、22包括若干PMT(光电倍增管)和若干闪烁晶体(如BGO，LSO，LYSO等)，PMT耦合在闪烁晶体的后面，可以根据实际需要，一定面积的闪烁晶体后面可以耦合一个PMT，例如：4×4的闪烁晶体阵列与一个PMT耦合。其中，闪烁晶体单元截面尺寸可以采用1.9mm×1.9mm，闪烁晶体间缝隙可以设置为0.1mm。
本发明采用三种模态一体化成像系统，成像系统的成像视野可以为5cm×5cm×10cm，能够覆盖20～40g的小动物体的全身，在图像采集的过程中，由于成像系统中的所有成像部件和小动物体均保持静止，因此采用静态的数据采集方式，从不同角度观察小动物体的细胞和其分子事件快速的动态变化过程，完成小动物体成像。本发明对小动物体成像过程如下：
1)完成小动物体的结构图像的数据采集
将注射药物示踪剂的小动物体以自然体位俯卧在动物床4上，实验人员手动将放置有动物床4的传送装置7穿越机体6的进口61进入X光成像区域，动物床4放在平板探测器31的上方，由X线球管32产生一束强度大致均匀的X射线投照到小动物体上，待平板探测器31曝光后获得小动物体的投影结构，通过数据采集、转换、显示将X射线强度分布转换成图像的不同灰度分布，形成人眼可见的X射线影像。
2)完成小动物体的功能图像的数据采集
X光成像完成后，工作站55发送控制信号到信号处理系统56控制传送装置将动物床4送入荧光和核素光成像区域，激发光源板11将激发光聚焦到小动物体内的荧光探针上，使得小动物体内的荧光探针发出荧光，荧光经过荧光滤光片13发送到CCD相机12中。其中，激发光源板11的光源阵列是逐个激发的，每激发一次，CCD相机12采集一次荧光图像，根据光在组织中的传输扩散方程，完成荧光逆问题的求解，重建出荧光在小动物体内的分布，得到荧光断层图像。同时两PET探测器21、22探测到小动物体内部的药物示踪剂由于正电子湮灭而产生的一对γ光子，利用γ光子对的直线性和同时性来进行符合探测，PET探测器21、22上的闪烁晶体将高能光子转换为可见光，闪烁晶体后的PMT将光信号转换成电信号，电信号被转换成时间脉冲信号，符合线路对每个脉冲信号的时间耦合性进行检验，排除其它来源射线的干扰，确认进入同一时间窗内的“符合事件”来自一次湮灭，这些“符合事件”按各个预先设定的投影面储存，采用散射、偶然符合信号校正及反投影铝箔等方法，完成图像重建，重建的图像显示了药物示踪剂在小动物内部的分布，得到小动物体得PET断层图像。
3)完成动物的功能成像和结构成像的融合
工作站55根据结构成像所得的二维图像信息结合小动物模板生成虚拟三维图像，再将虚拟三维图像、荧光断层图像和PET断层图像这三组图像进行匹配、融合，使图像同时具有结构和功能两方面信息，其高分辨率与精确性增加了各种检查中的影像诊断内容，提高了成像质量。
上述实施例中，所有的成像部件的开启和关闭均可以通过工作站55发送控制信号到信号处理系统56进行控制。
上述实施例中，可以根据成像质量的要求，在重建过程中调整每帧的时间长短从而灵活设定小动物成像系统的时间分辨率。例如需要观测细胞和分子事件的快速动态变化，可以设置系统的时间分辨率为秒以下量级。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法实施的过程等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：它包括一机体，所述机体内设置有一支撑架，所述支撑架上分别固定有一荧光成像系统、一核素成像系统和一X光成像系统；所述荧光成像系统和核素成像系统在几何上呈正交排列设置在所述机体的内侧，所述X光成像系统与所述荧光成像系统和核素成像系统并列排列设置在所述机体的进口侧；所述荧光成像系统包括一激发光源板，所述激发光源板的正上方设置一CCD相机，所述CCD相机的镜头前端设置有一滤光片轮，所述滤光片轮上放置有一荧光滤光片；所述核素成像系统包括两平行间隔放置在所述激发光源板两侧的PET探测器；所述X光成像系统包括一与所述激发光源板在同一水平面的平板探测器，所述平板探测器正上方设置有一X线球管；
所述支撑架的一端设置成圆形支架，所述圆形支架的上部延伸出一上支撑臂，所述圆形支架的下部延伸出一下支撑臂，所述上支撑臂和下支撑臂之间设置一固定连接架；所述圆形支架的底端固定所述激发光源板，顶端固定所述CCD相机，左、右两端分别固定两所述PET探测器，所述下支撑臂固定所述平板探测器，所述上支撑臂固定所述X线球管，所述激发光源板和平板探测器上面设置有一滑道。
2.如权利要求1所述的一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：所述机体内还设置有一信号处理系统，所述信号处理系统用于控制和采集所述CCD相机、两PET探测器和平板探测器，以及用于控制所述激发光源板和X线球管，所述信号处理系统连接一外设的工作站。
3.如权利要求1或2所述的一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：所述机体内还设置有一传送装置，所述传送装置至少包括供穿越所述机体进口的滑道。
4.如权利要求1或2所述的一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：所述激发光源板是由大功率LED阵列构成，设置成平板状，波长采用525nm、660nm和780nm中的一种；所述荧光滤光片选择的通带范围为575nm～650nm、695nm～770nm和810nm～880nm中的一种。
5.如权利要求3所述的一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：所述激发光源板是由大功率LED阵列构成，设置成平板状，波长采用525nm、660nm和780nm中的一种；所述荧光滤光片选择的通带范围为575nm～650nm、695nm～770nm和810nm～880nm中的一种。
6.如权利要求1或2或5所述的一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：两所述PET探测器均包括若干PMT和若干闪烁晶体，所述PMT耦合在所述闪烁晶体的后面。
7.如权利要求3所述的一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：两所述PET探测器均包括若干PMT和若干闪烁晶体，所述PMT耦合在所述闪烁晶体的后面。
8.如权利要求4所述的一种融合荧光、核素和X光三模态的小动物成像系统，其特征在于：两所述PET探测器均包括若干PMT和若干闪烁晶体，所述PMT耦合在所述闪烁晶体的后面。
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