CN102429668B - 一种功能-分子-结构成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对医学同位素的低成本大视野的功能-分子-结构成像系统及方法。该系统包括：功能-分子-结构成像同轴探测器，对物理成像对象进行扫描，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并输出给数据处理装置；数据处理装置，接收和存储功能与分子影像信息和解剖结构信息，进行功能-结构图像的融合计算，绘制多模态融合后的断层图像，并传送至计算机设备予以显示；计算机设备，实现图像重建，并显示功能-分子-结构多模态融合的断层成像。本发明由于采用电荷耦合器件与螺旋CT在同轴孔径位置探测有效信息，相对于PET/CT、SPECT/CT等双模态成像装置扩大了成像轴向视野，降低了全身成像时间，极大地降低了同位素成像成本。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域，特别是一种针对医学同位素的低成本大视野的功能-分子-结构成像系统及方法。
背景技术
功能-分子-结构的信息融合是核医学影像技术的临床需求与发展趋势。近年来，功能分子影像和结构成像融合的技术得到极大发展与应用。例如，正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，PET)、单光子发射计算机断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和计算机断层成像(Computed Tomography，CT)、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)的融合，在临床应用上出现了PET/CT、SPECT/CT、PET/MRI等多模态影像。
2008年，University of Freiburg的学者(Nat.Clin.Pract.Oncol.2008；5：160-170.)经过统计指出：美国PET/CT每年扫描例数在2000-2006年间增长了近7倍，预计在2007年达到180万例，PET/CT相对于PET、CT单一模态能提供更好的癌症确诊与预后信息。2010年，美国Mayo Clinic的专家指出(Arch Neurol 2010；67：322-329)：58位癌症疑似患者使用PET/CT检查的阳性率为39％，10位患者(18％)病理确诊为癌症患者；123位患者单纯使用PET检查的阳性率为28％，12％病理确诊为癌症患者。
对于肿瘤与非肿瘤类疾病早期临床监测，SPECT/CT相对于单一模态SPECT有效的提高了成像的灵敏度和特异性(Eur.J.Nucl.Med.Mol.Imaging 2010；37：1959-1985)。然而，基于高能伽玛射线监测成像的功能与结构成像在应用中暴露出诸多弊端：使用高厚度的闪烁晶体和光电倍增光管阵列作为探测器导致材料与工艺成本昂贵；一般临床PET/CT的轴向视野直径(Axial coverage)不超过22cm，整体成像时间过长，最小空间分辨率大于3mm；PET/SPECT与CT不在同一轴向层面扫描，功能与结构图像配准误差大；PET/MRI存在光电转换与磁场屏蔽矛盾体以及视野小等问题(Insights Imaging，DOI 10.1007/s13244-010-0063-2；DOI10.1007/s13244-011-0069-4；DOI 10.1007/s13244-011-0085-4)。
契伦科夫辐射(Cerenkov Radiation，CR)的宽谱可见光为解决医学同位素的多模态成像临床应用问题提供可能，也为大视野功能-分子-结构成像系统研制提供技术可能。置于介质媒体中的放射性医学同位素在衰变过程中，连续释放超高速带电粒子，如β-、β+、α；当带电粒子运动速度大于相速度时，与周围介质相互作用并产生电磁辐射激波，在激波表面形成低能可见光子，即契伦科夫荧光；当正(负)电子高速运动至与负(正)电子碰撞时，发生湮灭事件，释放高能伽玛射线。从单个粒子事件上分析，假如满足运动速度阈值条件，在时间上契伦科夫荧光发生事件早于电子对湮灭，时间间隔长度在纳秒量级；在空间位置上，契伦科夫荧光光源和伽玛射线发生源都有偏离医学同位素释放高速电子的初始位置，而且同位素位置、荧光光源与伽玛射线源位置，三者物理距离间隔长度在纳米甚至皮米量级。
传统临床核医学以探测伽玛射线为手段，以伽玛射线源分布图代表医学同位素分布。为了充分吸收高能粒子获得高灵敏图像，伽玛射线探测器需要特殊材质与物理厚度的光子晶体阵列。现有的工艺与技术水平，晶体阵列单元面积难以做大；一台PET/SPECT仪器往往需要多块晶体阵列单元；晶体单元间隙不能探测伽玛粒子，形成物理成像盲点。PET/SPECT对晶阵制作与布局工艺要求过高，成本高昂，轴向扫描视野严重被约束。2010年，美国学者证实(J.Nucl.Med.2010，51：1123-1130)利用高能β或者α粒子在介质中高速运动过程产生的契伦科夫光子，可以达到与PET/SPECT一致的显像效果；使用多面镜组成的简单光学系统进行了契伦科夫荧光断层成像(Cerenkov Luminescence Tomography，CLT)验证实验(Opt.Lett.2010，35：1109-1111)。
此外，X射线在穿透荧光屏时，释放可见光信号。这种可见信号与X射线量化值线性相关，且能够被低温致冷型CCD探测(Nucl Instrum Meth B2004；225：617-622；2010 IEEE Nuclear Science Symposium ConferenceRecord(NSS/MIC)，3438-3443)。因此，光学与X-ray CT的融合的物理原理层级问题被解决了，为低成本大视野的功能-分子-结构多模成像设备研制提供可能。
在此研究基础上，运用低能可见光子探测原理，取代原有的伽玛光子探测模式，使用电荷耦合器件CCD、广角光学镜头与平板CT，利用光学透镜成像原理和断层成像重建技术，构建CLT/CT融合的成像系统，不仅能够一并解决核素成像遇到的轴向视野小、整体扫描时间长、探测设备成本高、功能-结构图像配准难等技术难题，也是新时期高端医学影像设备原始创新研制的机遇。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种针对医学同位素的低成本大视野的功能-分子-结构成像系统及方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于契伦科夫荧光的功能-分子-结构成像系统，该成像系统包括：
功能-分子-结构成像同轴探测器10，用于对成像腔体装置14内部放置的物理成像对象进行扫描，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并将该功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息输出给数据处理装置13；
数据处理装置13，用于接收和存储来自功能-分子-结构成像同轴探测器10的功能与分子影像信息和解剖结构信息，进行功能-结构图像的融合计算，绘制多模态融合后的断层图像，并将该断层图像传送至计算机设备16予以显示；以及
计算机设备16，通过自身的外部接口接收用户操作与指令，实现图像重建，并显示功能-分子-结构多模态融合的断层成像。
上述方案中，所述功能-分子-结构成像同轴探测器10由契伦科夫荧光探测装置11和结构成像装置12在同一轴向环形排列而构成，固定在成像腔体装置14的外壳内壁。
上述方案中，所述契伦科夫荧光探测装置11固定在成像腔体装置14的内部，用于围绕成像腔体装置14的中心轴进行360旋转，应用EMCCD采集成像腔体装置14内的物理成像对象释放的契伦科夫荧光信号，得到物理成像对象的功能与分子影像信息，并将该功能与分子影像信息传输给数据处理装置13。
上述方案中，所述结构成像装置12固定在成像腔体装置14的内部，用于围绕成像腔体装置14的中心轴进行360旋转，应用螺旋CT采集物理成像对象的解剖结构信息，并将该解剖结构信息传输给数据处理装置13。
上述方案中，所述成像腔体装置14由内部中空的扫描空洞和外部支撑壳构成，用于防止高能伽玛射线等粒子外泄，以及阻断外部可见光侵入成像腔内部干扰信号检测。
上述方案中，所述物理成像对象固定于机动床体装置15，该机动床体装置15接收计算机设备16的自动控制，通过轴向平移运动辅助实现物理成像对象在成像腔的位置移动。
为达到上述目的，本发明还提供了一种功能-分子-结构成像方法，其特征在于，应用于所述的功能-分子-结构成像系统，包括：
功能-分子-结构成像同轴探测器10对成像腔体装置14内部放置的物理成像对象进行扫描，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并将该功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息输出给数据处理装置13；
数据处理装置13接收和存储来自功能-分子-结构成像同轴探测器10的功能与分子影像信息和解剖结构信息，进行功能-结构图像的融合计算，绘制多模态融合后的断层图像，并将该断层图像传送至计算机设备16；以及
计算机设备16通过自身的外部接口接收用户操作与指令，实现图像重建，并显示功能-分子-结构多模态融合的断层成像。
上述方案中，所述功能-分子-结构成像同轴探测器10由契伦科夫荧光探测装置11和结构成像装置12在同一轴向环形排列而构成，所述功能-分子-结构成像同轴探测器10对成像腔体装置14内部放置的物理成像对象进行扫描，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并将该功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息输出给数据处理装置13，包括：
契伦科夫荧光探测装置11围绕成像腔体装置14的中心轴进行360旋转，应用EMCCD采集成像腔体装置14内的物理成像对象释放的契伦科夫荧光信号，得到物理成像对象的功能与分子影像信息，并将该功能与分子影像信息传输给数据处理装置13；以及
结构成像装置12围绕成像腔体装置14的中心轴进行360旋转，应用螺旋CT采集物理成像对象的解剖结构信息，并将该解剖结构信息传输给数据处理装置13。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种低成本大视野的功能-分子-结构成像系统及方法，采用大规模阵列电荷倍增电荷耦合器件(Electron-MultiplyingCharge-Coupled Device，EMCCD)和光学镜头采集荧光的方法代替PET/SPECT探测设备与模式，增大了同位素成像轴向视野，降低核医学功能与分子成像成本。
2、本发明提供的这种低成本大视野的功能-分子-结构成像系统及方法，采用光学-CT同轴成像，避免了PET/CT中PET与CT分室扫描成像带来的功能-分子-结构成像刚性配准误差大，低空间分辨率的PET与高分辨率CT的融合等因素导致信息融合误差。
3、本发明提供的这种低成本大视野的功能-分子-结构成像系统及方法，选用闪烁单晶屏(如CsI材质)转换X射线，兼容EMCCD探测器完成CT成像，实现低成本的光学-核素-CT融合成像。
4、本发明提供的这种低成本大视野的功能-分子-结构成像系统及方法，荧光成像设备较PET/SPECT探测器的电磁兼容性强，为核素-MRI融合成像研究提供新方法。
5、本发明提供的这种低成本大视野的功能-分子-结构成像系统及方法，选用CdZnTe晶体半导体材料，制作由多块10×10×1mm3晶体单元或者2块40×40×1mm3晶体单元组成阵列探测X射线和可见光，同一探测器分时复用，实现低成本大视野功能-分子-结构图像采集。
附图说明
图1是依照本发明实施例的功能-分子-结构成像系统的结构示意图；
图2是依照本发明实施例的功能-分子-结构成像系统的剖面示意图；
图3是依照本发明实施例的功能-分子-结构成像方法的流程图。
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，以EMCCD和基于平板探测器的螺旋CT系统为例，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的功能-分子-结构成像系统的结构示意图，该系统包括功能-分子-结构成像同轴探测器10、数据处理装置13和计算机设备16。其中，功能-分子-结构成像同轴探测器10用于对成像腔体装置14内部放置的物理成像对象进行扫描，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并将该功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息输出给数据处理装置13。数据处理装置13用于接收和存储来自功能-分子-结构成像同轴探测器10的功能与分子影像信息和解剖结构信息，进行功能-结构图像的融合计算，绘制多模态融合后的断层图像，并将该断层图像传送至计算机设备16予以显示。计算机设备16通过自身的外部接口接收用户操作与指令，实现图像重建，并显示功能-分子-结构多模态融合的断层成像。
功能-分子-结构成像同轴探测器10，由契伦科夫荧光探测装置11和结构成像装置12在同一轴向环形排列而构成，固定在成像腔体装置14的外壳内壁，对成像腔体装置14内部放置的物理成像对象进行扫描，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并将该功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息输出给数据处理装置13。
契伦科夫荧光探测装置11，固定在成像腔体装置14的内部，用于围绕成像腔体装置14的中心轴进行360旋转，应用EMCCD采集成像腔体装置14内的物理成像对象释放的契伦科夫荧光信号，得到物理成像对象的功能与分子影像信息，并将该功能与分子影像信息传输给数据处理装置13。
结构成像装置12，固定在成像腔体装置14的内部，用于围绕成像腔体装置14的中心轴进行360旋转，应用螺旋CT采集物理成像对象的解剖结构信息，并将该解剖结构信息传输给数据处理装置13。
数据处理装置13，用于接收和存储来自契伦科夫荧光探测装置11的功能与分子影像信息和来自结构成像装置12的解剖结构信息，进行功能-结构图像的融合计算，绘制多模态融合后的断层图像，并将该断层图像传送至计算机设备16予以显示；接收计算机设备16的指令，动态驱动与控制功能-分子-结构成像同轴探测器10，处理人机交互指令与图像传输。
成像腔体装置14，由内部中空的扫描空洞和外部支撑壳组成，用于防止高能伽玛射线等粒子外泄，以及阻断外部可见光侵入成像腔内部干扰信号检测。
机动床体装置15，用于接收计算机设备16的自动控制，起固定物理成像对象作用，同时通过轴向平移运动辅助实现物理成像对象在成像腔的位置移动。
计算机设备16，通过自身的外部接口(如，鼠标、键盘等)接收用户操作与指令，驱动成像系统和交互实现图像重建，显示功能-分子-结构多模态融合的断层成像结果。
信号探测与管理装置17，由功能-分子-结构成像同轴探测器10、数据处理装置13、成像腔体装置14构成，是功能-分子-结构成像系统的主体部分。
如图2所示，图2是依照本发明实施例的功能-分子-结构成像系统的剖面示意图，该剖面是沿信号探测与管理装置17的轴向切面。本实施例采用针对波长位于500～700nm谱段的契伦科夫荧光具备高量子响应(≥90％)的EMCCD(Andor：iXonEM+888)和广视野高通量光学镜头(轴向视野直径50～70cm，焦距比数f/number＝1.2)(22)构成契伦科夫荧光探测装置11。采用牛津仪器(Oxford Instruments，USA)的UltraBright X射线源21和日本滨松(Hamamatsu)的C7942CA-02基于CMOS的X射线平板探测器23构成结构成像装置12。采用1厘米厚的铅板加工成成像腔体24外壳，成像腔体内壁安装并支撑数据处理装置26，内部空心，用于物理成像对象25穿透其中，接收光学与CT信号检测。
整个信号探测与管理装置17在工作状态，围绕中间的物理成称对象25中心线，做旋转运动辅助实现360全空间扫描成像；物理成像对象25不能转动，成像腔体外壳也始终保持不动。
如图3所示，图3是依照本发明实施例的功能-分子-结构成像方法的流程图，该方法包括以下步骤：
步骤31：在系统结构图所示的小动物成像装置中，成像对象麻醉后尾静脉注射1mL放射性活度393uCi氟-[18F]脱氧葡糖(18F-FDG)试剂，将小动物作为成像对象固定在机动床体装置上，借助计算机设备给系统施加控制指令，使得小动物所着机动床体装置进入成像腔体装置的内部扫描空间；对小动物而言，扫描空间的轴向视野达到一次曝光足以完成整体光学成像。
步骤32：30分钟后，借助计算机设备，驱动并控制信号探测与管理装置17，进行在体成像360度全空间旋转扫描，使用CT扫描(X光发射源的扫描电压为50kV，功率50W，探测器积分时间：0.467s，转台转动速度为1.0°/s，单帧成像时间为3.0s，投影数360个，0.5mm厚的铝板滤除软X射线)，紧接着EMCCD采集图像(曝光时间1分钟，像素合并值2，低噪声模式，100kHz读出模式)，在体获得功能-分子-结构多模态成像原始特征信号。
步骤33：结构成像装置12将探测到的X-射线重建为CT图像，并传送给数据处理装置13。
步骤34：契伦科夫荧光探测装置11将探测到的360度全空间多角度平面光学图像传输给数据处理装置13。
步骤35：数据处理装置13将接收到的CT图像和平面光学图像融合并重建为CLT图像，输送给计算机设备16显示终端，实现医学同位素的在体成像。
在上述实施例中，契伦科夫荧光和结构图像同轴探测，实现轴向视野与横向视野同等大小扫描。成像腔体装置14是360度旋转成像腔体，可以容纳荧光探测装置、结构成像装置、成像床体装置，阻断高能和低能光子与外界物理空间通透，如伽马射线、X射线、可见光等。荧光探测装置包括EMCCD，结构成像装置包括平板探测器类型、闪烁单晶体转换屏与EMCCD探测两种模式，其中EMCCD两者兼用。集成超薄CdZnTe晶体阵列，可见光与X射线分时探测，实现低成本大视野的功能-分子-结构成像。
本实施例采用功能-分子-结构信息探测装置同机固定，以及围绕成像床体旋转扫描的方法完成物理对象的整体水平成像。由于本实施例采用电荷耦合器件与螺旋CT在同轴孔径位置探测有效信息，相对于PET/CT、SPECT/CT等双模态成像装置扩大了成像轴向视野，降低了全身成像时间，极大地降低了同位素成像成本，为核医学临床应用提供了一个有效的潜在工具。
通过上述实施例，本发明利用低能可见光子探测原理，取代原有的伽玛光子探测模式，使用电荷耦合器件CCD、广角光学镜头与平板CT，利用光学透镜成像原理和断层成像重建技术，构建CLT/CT融合的成像系统，不仅能够一并解决核素成像遇到的轴向视野小、整体扫描时间长、探测设备成本高、功能-结构图像配准难等技术难题，也是新时期高端医学影像设备原始创新研制的机遇。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种功能-分子-结构成像系统，其特征在于，该成像系统包括：
功能-分子-结构成像同轴探测器(10)，用于对成像腔体装置(14)内部放置的物理成像对象进行扫描，通过CdZnTe晶体制作的兼容EMCCD探测器进行分时复用，分别采集光学信号和X射线信号，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并将该功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息输出给数据处理装置(13)；
数据处理装置(13)，用于接收和存储来自功能-分子-结构成像同轴探测器(10)的功能与分子影像信息和解剖结构信息，进行功能-结构图像的融合计算，绘制多模态融合后的断层图像，并将该断层图像传送至计算机设备(16)予以显示；以及
计算机设备(16)，通过自身的外部接口接收用户操作与指令，实现图像重建，并显示功能-分子-结构多模态融合的断层成像；
其中，所述功能-分子-结构成像同轴探测器(10)由契伦科夫荧光探测装置(11)和结构成像装置(12)在同一轴向环形排列而构成，固定在成像腔体装置(14)的外壳内壁；所述契伦科夫荧光探测装置(11)固定在成像腔体装置(14)的内部，采用CdZnTe晶体制作的兼容EMCCD功能的探测器来完成光学成像，围绕成像腔体装置(14)的中心轴进行360旋转，应用所述EMCCD采集成像腔体装置(14)内的物理成像对象释放的契伦科夫荧光信号，得到物理成像对象的功能与分子影像信息，并将该功能与分子影像信息传输给数据处理装置(13)。
2.根据权利要求1所述的功能-分子-结构成像系统，其特征在于，所述结构成像装置(12)固定在成像腔体装置(14)的内部，用于围绕成像腔体装置(14)的中心轴进行360旋转，应用螺旋CT采集物理成像对象的解剖结构信息，并将该解剖结构信息传输给数据处理装置(13)。
3.根据权利要求1所述的功能-分子-结构成像系统，其特征在于，所述数据处理装置(13)进一步用于接收计算机设备(16)的指令，动态驱动与控制功能-分子-结构成像同轴探测器(10)，处理人机交互指令与图像传输。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的功能-分子-结构成像系统，其特征在于，所述成像腔体装置(14)由内部中空的扫描空洞和外部支撑壳构成，用于防止高能伽玛射线粒子外泄，以及阻断外部可见光侵入成像腔内部干扰信号检测。
5.根据权利要求1所述的功能-分子-结构成像系统，其特征在于，所述物理成像对象固定于机动床体装置(15)，该机动床体装置(15)接收计算机设备(16)的自动控制，通过轴向平移运动辅助实现物理成像对象在成像腔的位置移动。
6.根据权利要求1所述的功能-分子-结构成像系统，其特征在于，所述功能-分子-结构成像同轴探测器(10)、数据处理装置(13)和成像腔体装置(14)构成信号探测与管理装置(17)，该信号探测与管理装置(17)是该成像系统的主体。
7.一种功能-分子-结构成像方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的功能-分子-结构成像系统，包括：
功能-分子-结构成像同轴探测器(10)对成像腔体装置(14)内部放置的物理成像对象进行扫描，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并将该功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息输出给数据处理装置(13)；
数据处理装置(13)接收和存储来自功能-分子-结构成像同轴探测器(10)的功能与分子影像信息和解剖结构信息，进行功能-结构图像的融合计算，绘制多模态融合后的断层图像，并将该断层图像传送至计算机设备(16)；以及
计算机设备(16)通过自身的外部接口接收用户操作与指令，实现图像重建，并显示功能-分子-结构多模态融合的断层成像。
8.根据权利要求7所述的功能-分子-结构成像方法，其特征在于，所述功能-分子-结构成像同轴探测器(10)由契伦科夫荧光探测装置(11)和结构成像装置(12)在同一轴向环形排列而构成，所述功能-分子-结构成像同轴探测器(10)对成像腔体装置(14)内部放置的物理成像对象进行扫描，得到物理成像对象的功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息，并将该功能与分子成像影像信息和结构成像影像信息输出给数据处理装置(13)，包括：
契伦科夫荧光探测装置(11)围绕成像腔体装置(14)的中心轴进行360旋转，应用所述EMCCD采集成像腔体装置(14)内的物理成像对象释放的契伦科夫荧光信号，得到物理成像对象的功能与分子影像信息，并将该功能与分子影像信息传输给数据处理装置(13)；以及
结构成像装置(12)围绕成像腔体装置(14)的中心轴进行360旋转，应用螺旋CT采集物理成像对象的解剖结构信息，并将该解剖结构信息传输给数据处理装置(13)。
9.根据权利要求7所述的功能-分子-结构成像方法，其特征在于，所述数据处理装置(13)还接收计算机设备(16)的指令，动态驱动与控制功能-分子-结构成像同轴探测器(10)，处理人机交互指令与图像传输。
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