CN102512193B - 基于小波数据压缩的双模式活体成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波数据压缩的双模式活体成像系统及方法，属于分子影像技术领域。所述系统包括微型CT子系统和荧光分子断层成像子系统，两子系统按正交方式排列；在荧光分子断层成像子系统中具有二维声光偏转器。所述方法包括：采集X射线投影图和荧光图像，在采集荧光图像过程中，利用二维声光偏转器控制激发光进行扫描；获取激发点的位置和方向；压缩荧光图像得到探测图案集；根据激发点的位置和方向以及探测图案集，获取测量值向量和雅克比矩阵；根据测量值向量和雅克比矩阵反演得到荧光探针分布。本发明实现更快速的原始数据采集，并能利用所采集的超大数据集进行快速重建。

Description

基于小波数据压缩的双模式活体成像系统及方法

技术领域

本发明属于分子影像技术领域，涉及一种成像系统及方法，特别涉及一种将微型CT和荧光分子断层成像相结合的基于小波数据压缩的双模式活体成像系统及方法。

背景技术

微型CT利用生物组织对X射线的吸收系数差异成像，是一种高分辨率的三维结构成像技术；荧光分子断层成像技术可以对小动物体内特异性标记的荧光探针进行在体的三维定量成像，可用于观察特定细胞和分子的功能变化。将微型CT和荧光分子断层成像技术相结合，可以同时获得小动物的结构信息和功能信息，提供单一系统所无法提供的丰富信息量，在疾病诊断、药物研发和基因表达监测等方面有着广阔的应用前景。

在目前的荧光分子断层成像系统中，通常利用窄束激发光分时逐点扫描小动物表面的多个激发点，例如中国发明专利ZL200780001891.0和申请号为200910306890.8的中国发明专利申请都采用光束聚焦和扫描器件将缩小后的光斑投射到小动物表面，激发光在小动物组织内传播并激发荧光探针发出荧光，利用CCD相机通过合适的滤光片采集从组织边界上溢出的荧光信号，因此对每一个扫描点可以采集一幅荧光图像。相应的重建算法需要不同投影角度下的不同激发点单独作用时，在不同探测点处采集的光强信息以提高重建质量，因此往往需要对数百至上千个点逐点激发，大大增加了原始数据的采集时间。

另一方面，目前通常采用面阵CCD相机作为光学探测器，可采集非常大的原始数据量。而受限于计算资源，目前只能利用很小一部分原始数据进行重建，通常的原则是保证数据量大于要重构的光学参数数目即可。即使这样，重建时间仍然在数分钟至数十分钟。

因此，如何实现原始数据的快速采集和如何利用超大数据集进行快速重建是一个非常关键的问题。利用均匀的或经过调制的线光源和面光源作为激发源可以显著缩短数据采集时间，如申请号为200980100694.3的中国发明专利申请利用线光源进行激发，而申请号为201080000866.2的中国发明专利申请则提出了一种可空间编码的并行激发系统及方法，但这些方法都无法解决重建算法耗时长的问题。

声光偏转器是一种常用的快速光学扫描器件，应用范围非常广，如显微镜(如中国发明专利ZL200510019130.0和美国专利US7221503B2)，激光测振仪(如美国专利US6271924B1)，以及快速微加工技术(如美国专利US7666759B2)等。但这些应用中只是利用了声光偏转器响应速度快、定位精度高的特点，实现对整个感兴趣区域的快速扫描。而在荧光分子断层成像中，激发光的扫描模式不仅会影响原始数据的采集速度，而且会影响重建算法的速度，因此需要建立一种适合于快速采集和重建的激发光扫描模式。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于小波数据压缩的双模式活体成像系统及方法，用于实现荧光分子断层成像技术中原始数据的快速采集和利用超大数据集进行荧光探针分布重建，并提出相应的快速重建算法。

本发明提供了一种基于小波数据压缩的双模式活体成像系统，包括用于采集成像对象(1)的X射线投影图的微型CT子系统和用于采集成像对象(1)的荧光图像的荧光分子断层成像子系统，两子系统按正交方式排列；所述成像对象(1)固定在能够360°旋转的载物台(2)上，位于微型CT子系统和荧光分子断层成像子系统的共同视场内，在所述荧光分子断层成像子系统中具有二维声光偏转器(7)，用于控制激发光实现如下方式的扫描：

在旋转的载物台(2)运动一步并停止运动后，首先使CCD相机(9)开始曝光，不断改变超声的调制频率，使激发光束依次扫描由小波尺度函数生成的激发图案的每个像素对应的激发点，在每个激发点的停留时间与像素的灰度值成正比，像素灰度值为0的激发点不扫描，扫描完所有不为0的激发点后CCD相机(9)停止曝光。

本发明还提供了一种基于小波数据压缩的双模式活体成像方法，包括：

采集X射线投影图和荧光图像，在采集荧光图像过程中，利用二维声光偏转器控制激发光进行扫描；

获取激发点的位置和方向；

压缩荧光图像得到探测图案集；

基于所述激发点的位置和方向以及探测图案集，来获取测量值向量和雅克比矩阵；

利用所述测量值向量和雅克比矩阵反演得到荧光探针分布。

本发明利用二维声光偏转器，在采集一幅荧光图像的曝光时间内，实现了利用激发图案的扫描激发，大大减少了数据采集时间；同时利用对荧光图像的压缩，以及通过计算测量值向量和雅克比矩阵的新方法，将所采集的全部荧光数据用于建立适用于图像压缩的线性方程组，并且大大降低了线性方程组的维数，因此不仅提高了成像质量，重建时间也显著缩短。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于小波数据压缩的双模式活体成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于小波数据压缩的双模式活体成像方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的计算激发点的位置和方向的示意图；

图4为本发明实施例提供的荧光图像的小波压缩过程的示意图。

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，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例利用二维声光偏转器，在采集一幅荧光图像的曝光时间内，实现了利用激发图案的扫描激发，大大减少了数据采集时间；同时利用对荧光图像的压缩，以及通过计算测量值向量和雅克比矩阵的新方法，将所采集的全部荧光数据用于建立适用于图像压缩的线性方程组，并且大大降低了线性方程组的维数，因此不仅提高了成像质量，重建时间也显著缩短。

本发明实施例提供了一种基于小波数据压缩的双模式活体成像系统，其系统结构如图1所示：

双模式活体成像系统由微型CT子系统和荧光分子断层成像子系统组成，按正交方式排列。

微型CT子系统，用于采集成像对象1的X射线投影图。

荧光分子断层成像子系统，用于采集成像对象1的荧光图像。

成像对象1固定在可360°旋转的载物台2上，位于微型CT子系统和荧光分子断层成像子系统的共同视场内。

微型CT子系统由微焦斑射线源3和平板探测器4组成。其中，

微焦斑射线源3，用于发射高功率和圆微焦的X射线。

平板探测器4，用于将透过成像对象1的X射线转化为数字投影图。

在荧光分子断层成像子系统中，包括：

激光器5，用于发射激发光。

窄带滤光片6，用于改善激发光的单色性。由于窄带滤光片只允许中心激发波长附近很小波段范围内(±5nm)的激发光透过，所以可使激发光的单色性更好。随后激发光进入二维声光偏转器7的通光孔。

二维声光偏转器7，用于通过改变超声调制频率改变激发光的偏转角，从而改变激发光在成像对象1表面的投射位置。

带通滤光片8，用于过滤信号。由于带通滤光片只允许感兴趣的波段范围内的荧光信号通过，而隔离了激发光和周围环境的杂散光，保证CCD相机9采集的信号主要是荧光信号。

CCD相机9，激发光在成像对象1体内传播并激发其内部的荧光探针发出荧光，利用CCD相机9采集从成像对象1表面溢出的荧光信号。

图2是本发明实施例提供的基于小波数据压缩的双模式活体成像方法的流程图，其实施步骤如下：

步骤201、采集X射线投影图和荧光图像。

首先采集X射线投影图。载物台2从某初始旋转角度开始以0.9°的步进量运动，在每一步运动停止后立刻进行X射线投影图的采集，因此在旋转360°过程中共采集400幅投影图。然后控制载物台2回到初始旋转角度，用N_s个小波尺度函数生成的激发图案s_i(i＝1,2,...N_s)为成像对象1提供激发光照明，进行荧光图像的采集。在采集过程中，载物台2首先以18°的步进量运动，在每一步运动停止后，依次将N_s个激发图案投射到样品上，并对每一幅激发图案采集一幅荧光图像其中，m表示该图像为荧光图像，i表示该幅荧光图像的编号。

由小波尺度函数生成的激发图案为二维数字图像，其每一个像素的灰度值代表激发光的强度。利用二维声光偏转器7可以将这幅二维数字图像投射到成像对象表面，每个像素对应的成像对象表面点称为激发点。在采集每一幅荧光图像的过程中，利用二维声光偏转器7控制激发光实现如下方式的扫描：在旋转台运动一步并停止运动后，首先使CCD相机9开始曝光，不断改变超声的调制频率，使激发光束依次扫描激发图案的每个像素对应的激发点，在每个激发点的停留时间与像素的灰度值成正比，像素灰度值为0的激发点不扫描，扫描完所有不为0的激发点后CCD相机9停止曝光。为了保证激发图案的完整性，所有不为0的激发点要全部位于成像对象1的表面，即如果样品Ω的边界表示为激发图案投射在的其中一部分即。

步骤202、计算激发点的位置和方向。

可以利用光线跟踪法来计算激发点的位置和方向，其原理如图3所示。从二维声光偏转器7出射的激发光可认为是由空间某一固定点O_ex发出的，它的方向取决于激发图案中的像素对应的超声调制频率，该激发光与成像对象1表面的第一个交点即为该像素对应的激发点的位置，光线的方向即为该激发点的方向。计算出激发图案中的所有像素的投射位置，即确定了激发点的空间分布。

步骤203、压缩荧光图像得到探测图案集。

传统的方法一般利用荧光图像上的数十至上百个孤立的像素点作为有效探测器，将这些有效探测器记录的灰度值直接用于重建荧光探针的三维分布；而采用小波数据压缩的方法，并不直接利用荧光图像上的像素值，而是将整幅荧光图像作为一个整体，利用小波变换法提取其中最主要的空间域和频率域成分，用于后续的荧光探针分布的重建过程。基本流程为：对所采集的荧光图像进行小波分解；保留绝对值最大的多个小波系数；并利用小波重建得到每个系数对应的探测图案，所有探测图案构成探测图案集。

对荧光图像(i＝1,...,N_s)进行尺度数为n的小波分解，保留N_d个绝对值最大的小波系数(包括近似系数和细节系数)。每个保留的小波系数均可通过小波重构得到一个探测图案d_i,j，所有的探测图案构成探测图案集D＝∪d_i,j(i＝1,...,N_s,j＝1,...,N_d)。不同的荧光图像需要进行分解的尺度数n可能会有所不同，要根据实际情况进行调整，以压缩后的图像与原始图像的差异最小为原则。

图4a为所采集的典型荧光图像，其尺寸为128×128像素。利用4阶Daubechies小波对该荧光图像进行尺度数为5的小波分解，得到一个包含了16384个小波系数的向量，图4b显示了该向量中的前128个系数。保留所有系数中绝对值最大的128个系数，图4c中用圆圈表示的为所保留的系数，其余系数已设为0。然后利用修改后的小波系数进行小波重构，即可得到的压缩后的荧光图像如图4d所示。与原始荧光图像相比，压缩荧光图像的压缩比为128:1，均方根误差为1.17％。

步骤204、基于所述激发点的位置和方向，以及探测图案集，来计算测量值向量和雅克比矩阵。

与传统的逐点激发模式有本质区别的是，基于小波数据压缩的双模式活体成像方法中用于重建荧光探针三维分布的线性方程组的构建方式是完全不同的。方程组中的测量值向量m利用对所有探测点上记录的灰度值的线性加权得到；方程组中的雅克比矩阵利用激发图案和探测图案分别单独作用时产生的激发场和探测场的乘积得到。

荧光探针的分布可以通过求解以下线性方程组得到：

m＝Jx (1)

其中x为浓度向量；m为测量值向量，m其中的任意一个元素J为雅克比矩阵，其大小为N_sN_d×N_v。从式(1)中可以看出，J的第(i,j)行(用J_i,j表示)将x映射为m_i,j，它为激发场和探测场的乘积，其计算公式如下：

其中，激发场和探测场的光子密度向量和ψ_i，j来自于矩阵和 $\mathrm{\Ψ}=[{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{1,1}}...{\mathrm{\ψ}}_{i,j}...{\mathrm{\ψ}}_{N_s,N_d}],$ 这两个矩阵的计算方法如下：

PΦ＝S

(3)

PΨ＝D

其中， $S=[s_1...s_i...S_{N_s}]$ 为光源矩阵， $D=[d_{\mathrm{1,1}}...d_{i,j}...d_{N_s,N_d}]$ 为探测矩阵，P为描述光在组织中传播规律的传播算子的离散化。

步骤205、利用测量值向量和雅克比矩阵反演得到荧光探针分布。

采用Tikhonov正则化方法来求解式(1)，得到浓度向量：

x＝J^T(JJ^T+αI)^-1m (4)

其中α为正则化参数，I为单位算子。

利用声光偏转器也可以实现传统的逐点扫描激发模式。在逐点扫描激发模式下，首先设置超声调制频率将激发光投射在小动物表面的第一个激发点，然后CCD相机开始曝光采集第一幅荧光图像，再改变超声调制频率使激发光投射在第二个激发点并采集第二幅荧光图像。如此循环，实现所有荧光图像的采集。需要强调的是，这种激发模式下只能利用传统的重建方法，并不能提高重建算法的速度。

利用声光偏转器控制激发光扫描，可以实现不同的扫描模式，只需要改变生成激发图案的方式即可。如可以利用傅里叶变换生成按正弦曲线变化的条纹图案，再利用相同的投射方式将该条纹图案投射到成像对象的表面。

生物组织对近红外光具有低吸收高散射的特性，其效果类似于低通滤波器，导致穿过生物组织的频率成分有限。因此在进行荧光图像小波变换时，尺度数s并不是越大越好，需要根据不同的荧光图像的具体情况调整，使压缩后的图像与采集的荧光图像之间的差异最小。由于生物组织的低通特性，可以认为荧光图像中的高频成分为噪声，小波变换同样可以去除图像中的高频成分，实现去噪的目的。

综上所述，本发明实施例利用二维声光偏转器，在采集一幅荧光图像的曝光时间内，实现了利用激发图案的扫描激发，大大减少了数据采集时间；同时利用对荧光图像的压缩，以及通过计算测量值向量和雅克比矩阵的新方法，将所采集的全部荧光数据用于建立适用于图像压缩的线性方程组，并且大大降低了线性方程组的维数，因此不仅提高了成像质量，重建时间也显著缩短。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于小波数据压缩的双模式活体成像系统，包括用于采集成像对象(1)的X射线投影图的微型CT子系统和用于采集成像对象(1)的荧光图像的荧光分子断层成像子系统，两子系统按正交方式排列；所述成像对象(1)固定在能够360°旋转的载物台(2)上，位于微型CT子系统和荧光分子断层成像子系统的共同视场内，所述荧光分子断层成像子系统包括CCD相机(9)，其特征在于，在所述荧光分子断层成像子系统中具有二维声光偏转器(7)，用于控制激发光实现如下方式的扫描：

在旋转的载物台(2)运动一步并停止运动后，首先使CCD相机(9)开始曝光，不断改变超声的调制频率，使激发光束依次扫描由小波尺度函数生成的激发图案的每个像素对应的激发点，在每个激发点的停留时间与像素的灰度值成正比，像素灰度值为0的激发点不扫描，扫描完所有不为0的激发点后CCD相机(9)停止曝光。

2.根据权利要求1所述的双模式活体成像系统，其特征在于，所述微型CT子系统具体包括：

微焦斑射线源(3)，用于发射高功率和圆微焦的X射线；

平板探测器(4)，用于将透过成像对象(1)的X射线转化为数字投影图。

3.根据权利要求2所述的双模式活体成像系统，其特征在于，所述荧光分子断层子系统具体包括：

激光器(5)，用于发射激发光；

窄带滤光片(6)，用于改善激发光的单色性，并将激发光导入二维声光偏转器(7)的通光孔；

二维声光偏转器(7)，用于通过改变超声调制频率改变激发光的偏转角，从而改变激发光在成像对象(1)表面的投射位置；

带通滤光片(8)，用于过滤信号，隔离激发光和周围环境的杂散光；

CCD相机(9)，用于采集从成像对象(1)表面溢出的荧光信号。

4.一种采用根据权利要求1所述的成像系统的基于小波数据压缩的双模式活体成像方法，其特征在于，所述方法包括：

采集X射线投影图和荧光图像，在采集荧光图像过程中，利用二维声光偏转器控制激发光进行扫描；

获取激发点的位置和方向；

压缩荧光图像得到探测图案集；

根据所述激发点的位置和方向以及探测图案集，获取测量值向量和雅克比矩阵；

根据所述测量值向量和雅克比矩阵反演得到荧光探针分布。

5.根据权利要求4所述的双模式活体成像方法，其特征在于，所述采集X射线投影图和荧光图像的步骤具体包括：

采集X射线投影图时，

载物台(2)从一个初始旋转角度开始以0.9°的步进量运动，在每一步运动停止后立刻进行X射线投影图的采集；

控制载物台(2)回到初始旋转角度，用N_s个小波尺度函数生成的激发图案s_i,i＝1,2,...N_s为成像对象(1)提供激发光照明；

采集荧光图像时，

载物台(2)首先以18°的步进量运动，在每一步运动停止后，依次将N_s个激发图案投射到样品上，并对每一幅激发图案采集一幅荧光图像其中，m表示该图像为荧光图像，i表示该幅荧光图像的编号。

6.根据权利要求5所述的双模式活体成像方法，其特征在于，所述利用二维声光偏转器控制激发光进行扫描的步骤具体包括：

在旋转的载物台(2)运动一步并停止运动后，首先使CCD相机(9)开始曝光，不断改变超声的调制频率，使激发光束依次扫描激发图案的每个像素对应的激发点，在每个激发点的停留时间与像素的灰度值成正比，像素灰度值为0的激发点不扫描，扫描完所有不为0的激发点后CCD相机(9)停止曝光。

7.根据权利要求5或6所述的双模式活体成像方法，其特征在于，所述获取激发点的位置和方向的步骤具体包括：

从所述二维声光偏转器(7)出射的激发光设置为由空间一固定点O_ex发出，方向取决于激发图案中的像素对应的超声调制频率，该激发光与成像对象(1)表面的第一个交点为该像素对应的激发点的位置，激发点的方向为激发光的光线方向，计算出激发图案中的所有像素的投射位置，从而确定了激发点的空间分布。

8.根据权利要求7所述的双模式活体成像方法，其特征在于，所述压缩荧光图像得到探测图案集的步骤具体包括：

对荧光图像i＝1,...,N_s进行尺度数为n的小波分解，保留N_d个绝对值最大的小波系数，其中包括近似系数和细节系数，每个保留的小波系数均能够通过小波重构得到一个探测图案d_i,j，所有的探测图案构成探测图案集D＝∪d_i,j,i＝1,...,N_s,j＝1,...,N_d。

9.根据权利要求8所述的双模式活体成像方法，其特征在于，所述获取测量值向量和雅克比矩阵的方法具体为：

m＝Jx (1)

其中x为浓度向量；m为测量值向量，m其中的任意一个元素J为雅克比矩阵，大小为N_sN_d×N_v；

其中，J的第(i,j)行用J_i,j表示将x映射为m_i,j，为激发场和探测场的乘积，计算公式如下：

其中，激发场和探测场的光子密度向量和ψ_i，j来自于矩阵和 $\mathrm{\Ψ}=[{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{1,1}}...{\mathrm{\ψ}}_{i,j}...{\mathrm{\ψ}}_{N_s,N_d}],$ 这两个矩阵的计算方法如下：

PΦ＝S

PΨ＝D (3)

其中， $S=[s_1...s_i...S_{N_s}]$ 为光源矩阵， $D=[d_{\mathrm{1,1}}...d_{i,j}...d_{N_s,N_d}]$ 为探测矩阵，P为描述光在组织中传播规律的传播算子的离散化。

10.根据权利要求9所述的双模式活体成像方法，其特征在于，所述根据所述测量值向量和雅克比矩阵反演得到荧光探针分布的步骤具体包括：

采用Tikhonov正则化方法来求解式(1)，得到浓度向量：

x＝J^T(JJ^T+αI)^-1m (4)

其中α为正则化参数，I为单位算子。