CN102499639A - 联合成像的光学投影断层成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种联合成像的光学投影断层成像装置及方法，本发明的装置包括两个CCD相机，两个窄带滤波片，电控旋转台，光源，容器，毛细玻璃管。其中一个CCD相机和光源，待成像物，滤波片在同一条直线上，方向与光源平行，另外一个CCD相机和光源，待成像物，滤波片在同一条直线上，方向与光源垂直。计算机控制两个CCD相机，电控旋转台和光源进行运行。本发明的方法在同时采集透射式和发射时投影数据基础上，对采集到的投影数据进行处理，利用滤波反投影算法得到三维重建图像，最后进行图像配准实现待成像物多模态信息融合。本发明提出了同时采集透射式和发射式投影数据的方法，具有操作过程简单，扫描时间短，图像配准精确的优点。

Description

联合成像的光学投影断层成像装置及方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及医学影像的光学分子影像技术领域中一种联合成像的光学投影断层成像装置及方法。本发明基于透射式与发射式联合成像，不但可以得到待成像物的三维解剖结构成像和分子特异性成像，而且同时进行联合成像，在对待成像物进行光学投影断层成像过程中实现多模态信息融合。

背景技术

目前，已有的光学投影断层成像装置多采用一个探测器进行成像，可以直接对待成像物进行透射式成像，实现其三维结构成像，也可以用荧光染料或荧光蛋白对待成像物进行标记，利用激发光源激发荧光物质所产生的荧光信号进行发射式成像，实现其分子特异性成像。当要实现待成像物的多模态信息融合时，必须分别进行两次实验完成透射式成像和发射式成像，得到待成像物的三维结构成像和分子特异性成像，然后再利用计算机对两次实验室结果进行图像配准实现待成像物的多模态信息融合。

中国科学院自动化研究所申请的专利“荧光分子成像装置”(申请公布号CN102106721A，申请号201110065502.9)公开了一种荧光分子成像装置。此装置可以获得待成像物的荧光分子成像，用荧光报告基因对待成像物进行标记，依据物质的荧光特征，激发光源在照射被标记的待成像物时荧光报告基因会产生荧光信号，然后探测器吸收激发出来的荧光信号进行成像。该专利申请存在的不足是，只是单一的得到分子特异性性成像，而没有得到待成像物的三维结构成像，失去了待成像物被标记部分的空间信息，无法表达完整的生物特征信息。

Medical Research Council，London所申请的专利“Optical ProjectionTomography”(Pub.No：US2006/0093200A1，PCT No.PCT/GB03/03746)公开了一种光学投影断层成像装置，利用此装置对待成像物进行光学断层扫描，即可以得到待成像的三维结构成像，又可以得到被标记待成像物的分子特异性成像。该专利申请的不足是，在进行待成像物光学投影断层成像的多模态信息融合时，由于要分两次实验分别进行三维结构成像和分子特异性成像，这样待成像物容易发生位移，引起后续图像配准偏差，并且两次扫描时间较长，会使荧光染料或荧光蛋白经过长时间的照射发生失活效应，影响成像效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种联合成像的光学投影断层成像装置及方法，用来实现待成像物在光学投影断层扫描过程中的多模态信息融合，使得待成像物的多模态信息融合更加准确，操作更加简单，扫描时间更短。

本发明的具体思路是：在现有的光学投影断层扫描技术上，利用两个探测器同时对待成像物进行透射式成像和发射式成像，同时得到待成像物的三维结构成像和分子特异性成像，然后利用计算机对两种成像结果进行图像配准实现待成像物的多模态信息融合，从而更加全面更加准确的描述待成像物的生物特征。

为了实现上述目的，本发明的装置包括：两个与透镜耦合的CCD相机，两个窄带滤波片，电控旋转台，光源，容器，毛细玻璃管，远心透镜；利用机械装置，将一个CDD相机和窄带滤波片固定在与光源平行的的方向上，保证光源，待成像物，CCD相机和滤波片在同一条直线上，将另外一个CCD相机和滤波片放在与光源垂直的方向上，也要保证CCD相机，滤波片和待成像物在同一直线上；计算机控制两个CCD相机，电控旋转台和光源运行；其中：

两个CCD相机，与光源平行的CCD相机用来接收透射光进行透射式成像，与光源垂直的CCD相机用来接收荧光信号进行发射式成像。

两个窄带滤波片，与光源平行的窄带滤波片用于滤掉除光源光线以外其他光线，与光源垂直的窄带滤波片用于滤掉除荧光信号以外其他光线。

电控旋转台，用来带动待成像物进行旋转，多角度采集待成像物的投影数据。

光源，用来产生透射式成像所需的透射光线，同时产生发射式成像所需的激发光线。

容器，用来盛光学匹配液，光学匹配液可以消除光线在待成像物表面的折射的影响。

毛细玻璃管，用来固定待成像物，以免待成像物在旋转过程中发生位移。

远心透镜，用来扩散光源发出的光线，使光线平行传播。

计算机，用来控制两个CCD相机，光源和电控旋转台运行，接收和处理CCD相机传输的透射式和发射式两种投影数据，对投影数据进行三维重建，对重建后的图像进行配准融合，实现待成像物的多模态信息融合。

为实现上述目的，本发明基于联合成像的光学投影断层成像的方法，包括如下步骤：

(1)数据采集

计算机控制光源发出光线，与光源平行的CCD相机接收穿透待成像物的光线形成透射式投影数据，同时与光源垂直的CCD相机接收激发出来的荧光信号形成发射式投影数据；计算机完成两种投影数据采集之后，由电控旋转台带动待成像物旋转，旋转角度由计算机控制，等到电控旋转台完全静止以后再对两种投影数据进行采集，一直重复到待成像物旋转360度。

(2)数据处理

CCD相机将采集到投影数据传输到计算机，计算机对步骤(1)所采集到的投影数据进行预处理。

(3)三维重建

计算机利用滤波反投影重建算法，分别对步骤(2)所处理过的透射式投影数据和发射式投影数据进行三维重建，得到两个图像为待成像物的结构图像和荧光染料标记区域图像。

(4)三维重建图像配准融合

计算机对步骤(3)所得到两种成像模式的三维重建图像进行旋转，对旋转后的两个图像配准融合，获得到融合后的光学投影断层图像，实现待成像物的多模态信息融合。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明采用一次扫描过程中同时采集两种投影数据的方法，克服现有技术中在一次扫描过程中只能采集待成像物的透射式投影数据或发射式投影数据的不足，使得本发明在一次扫描过程中可以同时采集两种投影数据，提高了扫描过程的效率，缩短扫描时间。

第二，本发明采用一次扫描过程中同时采集两种投影数据的方法，克服了现有技术中待成像物在两次扫描过程中容易发生位移的不足，在一次扫描过程中同时获得待成像物的三维结构图像和分子特异性图像，避免了进行两次扫描过程待成像物发生位移，提高了后续图像配准融合的精确性，提高待成像物多模态信息融合的准确性。

第三，本发明采用一次扫描过程中同时采集两种投影数据的方法，克服现有技术中荧光染料或荧光蛋白经过长时间照射容易发生失活效应的不足，使得本发明只需一次扫描过程既可以得到两种成像，缩短扫描时间，避免荧光染料或荧光蛋白经过长时间照射发生失活效应。

第四，本发明采用双CCD相机同时工作，克服了现有技术单一CCD工作的不足，使得本发明在采集两种投影数据时无需进行两次扫描过程，使得扫描操作更加简单，采集数据效率更高。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明的装置做进一步描述。

本发明联合成像的光学投影断层成像装置，包括可见光光源1、远心透镜2、待成像物3、电控旋转台4、毛细玻璃管5、滤除透射光的窄带滤波片6、透射式成像CCD相机7、滤除发射光的窄带滤波片8、计算机9、发射式成像CCD相机10、水槽11。

光学投影断层成像，以可见光作为照射源。当待成像物3很薄、相对透明时，可见光穿过样品时散射效应可以忽略不计，可认为光线沿直线传播穿过待成像物3，非常适用于小动物胚胎、器官、果蝇、线虫等尺寸非常小的透明或半透明待成像物3的成像。在进行光学投影断层成像之前，用荧光染料或荧光蛋标记待成像物3。

在进行透射式成像时，作为发射光源产生透射光线；同时在进行发射式成像时，光源作为激发光源产生激发光线。远心透镜2将光源1光束扩散成平行光照射待成像物3。透射光线穿透待成像物3，经过窄带滤波片6滤除透射光以外其他光线，CCD相机7接收透射光产生透射式投影数据；同时激发光线穿过待成像物3时激发荧光染料或荧光蛋白产生荧光信号，荧光信号经过窄带滤波片8滤除除荧光信号以外其他信号，CCD相机10接收滤除后荧光信号产生发射式投影数据。扫描结束后，CCD相机7和CCD相机10把产生的投影数据传输到计算机9。

CCD相机7，滤除透射光的窄带滤波片6，待成像物3和光源1在同一直线上，方向与光源1方向平行；使CCD相机10，滤除透发射光的窄带滤波片8，待成像物3和光源1在同一直线上，方向与光源1方向垂直。

两个窄带滤波片要根据成像方式不同选择不同型号，在进行透射式成像时，所选用的窄带滤波片6的中心波长和光源1光线的中心波长保持一致。在进行发射式成像时，所选用滤波片8的中心波长和荧光信号的中心波长保持一致。

将待成像物3固定在毛细玻璃管5中，电控旋转台4带动毛细玻璃管5旋转，在旋转过程中保证毛细玻璃管5一直浸泡在光学匹配液中，水槽11中的光学匹配液可以消除光线在待成像物3表面的折射影响。

下面结合附图2，对本发明的方法做进一步描述。

步骤1，数据采集

光源1发出光线，光线穿透待成像3，经过窄带滤波片6，滤除除光源光线以外其他光线，CCD相机7接收滤除后的光线产生透射式投影数据，同时光源1发出的光线激发荧光染料或荧光蛋白产生荧光信号，经过窄带滤波片8滤除除荧光信号以外其他光线，CCD相机10接受滤除后的荧光信号产生发射时投影数据。采集完初始位置数据后，电控旋转台4带动待成像物3进行旋转，每次旋转角度小于1度，等到旋转结束电控旋转台4完全静止时，CCD相机7和CCD相机10开始采集两种投影数据，一直重复到待成像物3旋转360度。

步骤2，数据处理

CCD相机7和CCD相机10将采集到两种投影数据传输到计算机9，计算机9对投影数据进行处理。由于是多角度采集，所以必须对每一角度采集到的投影数据都要进行处理。

步骤3，三维重建

计算机9利用滤波反投影算法，分别对步骤2所处理过的透射式投影数据和发射式投影数据进行三维重建，得到待成像物的结构图像和荧光染料标记区域图像。

步骤4，三维重建图像配准融合

由于CCD相机7和CCD相机10处于垂直位置，所以步骤3所获得的结构图像和荧光染料标记区域两个图像相差90度，只需对其中一幅图像旋转90度，然后对旋转后的两副图像进行配准融合，获得融合后的光学投影断层图像，实现待成像物3的多模态信息融合。

Claims (7)

1.一种联合成像的光学投影断层成像装置，包括两个与透镜耦合的CCD相机，两个窄带滤波片，电控旋转台，光源，容器，毛细玻璃管；利用机械装置，将一个CDD相机和窄带滤波片固定在与光源平行的的方向上，保证光源，待成像物，CCD相机和滤波片在同一条直线上，将另外一个CCD相机和滤波片放在与光源垂直的方向，也要保证CCD相机，滤波片和待成像物在同一直线上；计算机控制两个CCD相机，电控旋转台和光源运行；其中：

所述两个CCD相机，与光源平行的CCD相机用来接收透射光进行透射式成像，与光源垂直的CCD相机用来接收荧光信号进行发射式成像；

所述两个窄带滤波片，与光源平行的窄带滤波片用于滤掉除光源光线以外其他光线，与光源垂直的窄带滤波片用于滤掉除荧光信号以外其他光线；

所述电控旋转台，用来带动待成像物进行旋转，多角度采集待成像物的投影数据；

所述光源，用来产生透射式成像所需的透射光线，同时产生发射式成像所需的激发光线；

所述容器，用来盛光学匹配液，光学匹配液可以消除光线在待成像物表面的折射的影响；

所述毛细玻璃管，用来固定待成像物，以免待成像物在旋转过程中发生位移。

所述远心透镜，用来扩散光源发出的光线，使光线平行传播。

所述计算机，用来控制两个CCD相机，光源和电控旋转台运行，接收和处理CCD相机传输的透射式和发射式两种投影数据，对投影数据进行三维重建，对重建后的图像进行配准融合，实现待成像物的多模态信息融合。

2.根据权利要求1所述的联合成像的光学投影断层成像装置，其特征在于，所述的两个窄带滤波片要根据成像方式不同选择不同型号，在进行透射式成像时，所选用的窄带滤波器的中心波长和光源光线的中心波长保持一致；在进行发射式成像时，所选用滤波片的中心波长和荧光信号的中心波长保持一致。

3.根据权利要求1所述的联合成像的光学投影断层成像装置，其特征在于，所述的光源，在进行透射式成像时，作为发射光源产生透射光线；在进行发射式成像时，光源作为激发光源产生激发光线。

4.一种联合成像的光学投影断层成像方法，其具体步骤如下：

(1)数据采集

计算机控制光源发出光线，与光源平行的CCD相机接收穿透待成像物的光线形成透射式投影数据，同时与光源垂直的CCD相机接收激发出来的荧光信号形成发射式投影数据；计算机完成两种投影数据采集之后，由电控旋转台带动待成像物旋转，旋转角度由计算机控制，等到电控旋转台完全静止以后再对两种投影数据进行采集，一直重复到待成像物旋转360度；

(2)数据处理

CCD相机将采集到投影数据传输到计算机，计算机对步骤(1)所采集到的投影数据进行预处理；

(3)三维重建

计算机利用滤波反投影重建算法，分别对步骤(2)所处理过的透射式投影数据和发射式投影数据进行三维重建，得到两个图像为待成像物的结构图像和荧光染料标记区域图像；

(4)三维重建图像配准融合

计算机对步骤(3)所得到两种成像模式的三维重建图像进行旋转，对旋转后的两个图像配准融合，获得到融合后的光学投影断层图像，实现待成像物的多模态信息融合。

5.根据权利要求4所述的联合成像的光学投影断层成像方法，其特征在于，步骤(1)中所述的旋转角度为每次旋转角度小于1度。

6.根据权利要求4所述的联合成像的光学投影断层成像方法，其特征在于，步骤(2)中对投影数据进行后处理，由于是多角度采集，所以必须对每一角度采集到的投影数据都要进行处理。

7.根据权利要求4所述的联合成像的光学投影断层成像装置，其特征在于，步骤(4)中所述的两个图像相差90度。

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