CN102551671B - 光子计数型动态扩散荧光断层成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及小动物成像领域。为解决现有技术图像分辨率低和图像获取时间较长的缺陷，发展光子计数型动态扩散荧光层析成像系统，使系统具有较高的灵敏度与图像分辨率，并以其快速的测量时间实现动态扩散荧光断层成像。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，光子计数型动态扩散荧光断层成像方法及装置，包括：用于激发荧光的光源系统；用于固定和移动被测体的成像腔系统；用于探测通路切换的光开关；用于滤除激发光信号的滤光系统；用于探测光信号的检测系统；用于集成控制包括衰减器、光开关、马达驱动滤光轮、光电倍增管、光子计数模块各模块及图像重建的计算机。本发明主要应用于小动物成像。
Description
技术领域
本发明涉及小动物成像领域，尤其是面向小动物断层成像的稳态扩散荧光断层成像系统，具体涉及光子计数型动态扩散荧光断层成像方法及装置。
背景技术
扩散光学断层成像(diffuse optical tomography，DOT)是一种基于组织体生化功能信息的无创检测技术，其对于高散射的器官组织可利用扩散光承载的信息实现厘米级厚度的探测。为了实现较为深层组织的探测，常使用600nm-900nm波长的近红外光作为光源，被称为测量和治疗的光学窗口(NIR window)[1]。扩散荧光断层成像(Diffuse Fluorescence tomography，DFT)是光学断层成像的扩展和延伸，它不仅可以重建出组织吸收和散射系数的分布，还可以求得荧光产额和寿命。简言之，DFT就是以合适的荧光探针作为标记物或对比剂，用特定波长的光激发荧光染料，使其吸收入射光产生能级跃迁，经过特定的时间会衰减回基态，并发出荧光。通过测量媒质边界处有限点的荧光强度，考虑光子传播散射特性，来重建出组织内部的荧光光学特性的分布图像[2，3，4]。
扩散荧光断层成像由于荧光对比剂的引入大大改善了所成图像的对比度，从而大大提高了早期诊断的准确性。这种成像方式由于其没有放射性损伤，非常适合在体(in vivo)测量，应用领域十分广阔，包括乳腺癌和睾丸畸形的检测，对大脑皮层进行研究，药代动力学等。目前，一般的影像学所揭示的是疾病发展过程中较晚期的结构变化。荧光扩散层析成像可以早期检测和揭示疾病，有利于疾病的早期诊断及治疗。DFT特别适合基于小动物病理模型的生物医学基础研究[5]。
DFT的测量模式有时域(Time Domain，TD)、频域(Frequency Domain，FD)和连续波(Continuous Wave，CW)三种。其中，FD系统采用高频调制的CW激光作为光源，检测组织体表面其它点溢出光流的强度以及相对于输入光信号的相移和调制深度。组织体的光学参数的变化所能够引起的相位角变化是很小的，用相位作为测量量需要仪器的测量精度较高，价格昂贵。而且由于测量主要是通过高频调制实现的，在技术上有相当难度，且系统易受噪声影响。TD测量系统采用超短激光脉冲作为光源，该光源通过传输光纤入射到待测组织体，由于强度散射效应，表面其他点的输出光流作为时间展宽信号，称为时间点扩展函数(TemporalPoint Spread Function，TPSF)。TD方式虽然可以实现较高的功能和指标，但是相关仪器设备较为昂贵，相关技术方法较为复杂，获取数据时间较长。连续波即稳态测量模式设备体积小，价格较低，图像重建的方法较为简单和成熟。另外，由于稳态测量模式获取数据的速度快，在体测量时可以实现实时动态测量，尤其对于药代动力学和快变化生理信息获取等研究有较大意义，临床应用前景广阔[6，7，8]。
对于扩散荧光断层成像，由于荧光信号比较微弱，CCD技术需要较长的积分时间才可以获得较好的信噪比；离散多通道测量技术虽然测试时间较短但空间采样密度低，图像分辨率不高。
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发明内容
本发明旨在解决克服现有技术的不足，解决现有技术图像分辨率低和图像获取时间较长的缺陷，发展光子计数型动态扩散荧光层析成像系统，使系统具有较高的灵敏度与图像分辨率，并以其快速的测量时间实现动态扩散荧光断层成像。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，光子计数型动态扩散荧光断层成像装置，包括：
用于激发荧光的光源系统，包括不同波长的连续波光源，使用600nm-900nm波长的近红外光波段，根据不同的荧光剂的激发波段来选取光源波长；用于调节光源输出功率的衰减器；另外还包括光源系统到成像腔系统的入射光纤和准直入射光源的准直器；
用于固定和移动被测体的成像腔系统：包括固定被测体的透明成像腔，固定准直器和探测光纤的光纤架，旋转成像腔的电动旋转台，上下移动成像腔的电动升降台；
用于探测通路切换的光开关，以及收集成像腔出射光的相应探测光纤，探测光纤输出到光开关；
用于滤除激发光信号的滤光系统，包括承装不同型号滤光片的马达驱动滤光轮，准直来自光开关输出的入射光的准直器和不同型号的滤光片，滤光片型号根据不同荧光剂的激发波长和发射波长来选取；
用于探测光信号的的检测系统，包括光电探测器PMT即光电倍增管和光子计数模块；
用于集成控制包括衰减器、光开关、马达驱动滤光轮、光电倍增管、光子计数模块各模块及图像重建的计算机。
光子计数模块采用32位计数器，能同时探测较强的激发光信号和微弱的荧光信号，不会达到计数饱和或溢出，实现宽测量范围。光子计数模块的计数门宽程控可调，可以根据实际测量信号强度选择合适门宽。
借助于前述光子计数型动态扩散荧光断层成像装置实现，具体包括下列步骤：将被测体轻微挤压垂直放入成像腔中，使用光学匹配液填充间隙，使光源发出的入射光被准直后入射到透明成像腔上，被准直后入射光位置设为0°，被准直后入射光对面101.25°到258.75°的位置上均匀放置若干路探测光纤，分别对应连接到光开关的若干输入端，将成像腔固定于电动旋转台上并共同置于电动升降台上，采用计算机程控旋转台旋转角度和升降台移动距离，改变被准直后入射光入射角度及相应探测位置，初始光源入射角度设为0°，计算机控制旋转台旋转一个角度在新的被准直后入射光入射角处，通过若干路探测光纤同样得到被准直后入射光对面若干个探测位置的信号，如此重复，成像腔旋转360°，得到一个二维断层的信息，升降台移动一定距离，再重复上述过程得到另一层的图像信息，利用所有的二维信息可以得到三维的图像。
采用荧光剂为近红外荧光染料，使光开关的输出光被准直器准直后进入马达驱动滤光轮，马达驱动滤光轮中设置有若干个滤光片位置，其中一个位置为空置用来直接探测激发光信号，其他位置放置适用于近红外荧光染料的滤光片；测量中，首先将滤光轮放置于空置处测量激发光信号，检测系统中光电倍增管将激发光信号转化为电子脉冲，光子计数模块记录这些脉冲得到激发光光子数，激发光信号扫描测量完毕后，将滤光轮置于适用于所采用的近红外荧光染料的滤光片位置处，不断重复上述扫描探测过程，得到不同时刻的荧光光子数信息。利用不同时间测得的荧光光子数与最初测得的激发光光子数重建得到不同时间的荧光产率图像。
数据采样速度快，测量过程中，衰减器、光开关、马达驱动滤光轮、光电倍增管、光子计数模块均由计算机实现集成控制。控制过程如下：1)扫描测量前，计算机首先控制衰减器调整稳态光源的光强，使光电倍增管工作在其线性区间；2)计算机控制光开关切换N路探测通道，光开关切换时间tchange小于10ms，并控制光电倍增管和光子计数模块依次探测记录不同探测通道的光子数信息，光子计数模块的计数门宽tcount为50μs到10s；3)计算机控制电动旋转台旋转一定角度，每次旋转时间tmove为1s到2s左右，重复过程2)；4)重复过程2)、3)，直至旋转台旋转360°，旋转台旋转次数为P，得到一个断层的信息；5)计算机控制电动升降台移动一定距离，重复2)、3)、4)得到另一个断层信息。一幅二维图像的扫描测量总时间ttotal＝[(tcount+tchange)×N+tmove]×P，即每隔几分钟左右得到一幅新的二维图像。
本发明作为一种光子计数型动态扩散荧光断层成像系统，有如下优点：
1)本发明属于多波长DFT/DOT系统，可以根据不同荧光剂选取光源波长及马达驱动滤光轮中的滤光片的型号，实现对不同种类的荧光剂的扩散断层成像，同时也可以用作DOT成像。
2)本发明的数据采样密度高，成像腔与光纤支架为同心圆，实验用麻醉后的荷瘤小鼠轻微挤压垂直放入成像腔中，使用光学匹配液填充间隙。入射光被准直后入射到透明成像腔上，光源(光源位置设为0°)对面101.25°到258.75°的位置上均匀放置8路探测光纤，分别连接到8∶1光开关的8个输入端，如图4所示。成像腔位于电动旋转台上并共同置于电动升降台上，程控旋转台旋转角度和升降台移动距离，改变光源入射角度(初始光源入射角度设为0°)及相应探测位置，方便地实现不同的采样密度和选取重点位置，获得不同层面的二维图像或整体的三维图像。
3)本发明中入射光与出射光纤均为非接触测量模式，测量过程简单方便，如图4所示，光源为准直后入射，探测光纤与目标体的边界面也有一定距离，即用非接触模式激励目标体和检测光信号。测量时，探测荧光光子数和激发光光子数，重建得到荧光产率图像。
4)本发明采用光子计数方式，灵敏度高，可以应用于低浓度荧光剂的成像(对于荧光剂Cy5.5的探测可以达到nM量级)。激发光信号与荧光信号相差两个数量级左右，光子计数模块采用32位计数器，能同时探测较强的激发光信号和微弱的荧光信号，不会达到计数饱和或溢出，实现宽测量范围。光子计数模块的计数门宽程控可调(50us-10s)，可以根据实际测量信号强度选择合适门宽。
5)本发明属于动态测量，由于稳态非接触测量模式的测量过程简单，数据采样速度快，可以实现动态测量，即每隔一分钟左右得到一幅新的图像。测量时，首先扫描探测激发光光子数，之后不断探测荧光光子数，利用不同时间测得的荧光光子数与最初测得的激发光光子数重建得到不同时间的荧光产率图像。
附图说明
图1模拟计算中组织仿体模型示意图。
图2光子计数型动态扩散荧光断层成像系统图。
图3成像腔系统示意图。
图4成像腔及探测光纤放置平面图。
图5马达驱动滤光轮内部示意图。
具体实施方式
本发明采用的技术方案是：光子计数型动态扩散荧光断层成像系统，包括：
用于激发荧光的光源系统，包括不同波长的连续波光源，主要使用600nm-900nm波长的近红外光波段，根据不同的荧光剂的激发波段来选取光源波长。用于调节光源输出功率的衰减器。另外还包括光源系统到成像腔系统的入射光纤和准直入射光源的准直器。
用于固定和移动小动物的成像腔系统。包括固定小动物的透明成像腔，固定准直器和探测光纤的光纤架，旋转成像腔的电动旋转台，上下移动成像腔的电动升降台。
用于探测通路切换的8∶1光开关，以及收集成像腔出射光的相应探测光纤和光开关的输出光纤。
用于滤除激发光信号的滤光系统，包括承装不同型号滤光片的马达驱动滤光轮，准直入射光的准直器和不同型号的滤光片，滤光片型号根据不同荧光剂的激发波长和发射波长来选取。
用于探测光信号的的检测系统，包括光电探测器(PMT)和光子计数模块。
用于集成控制各模块及图像重建的计算机。
举例说明根据荧光剂选择相应光源波长和滤光片的方法。
1)吲哚氰绿Indocyanine Green(ICG)是一种近红外荧光染料，其峰值激发波长约为780nm，峰值荧光发射波长约为830nm。光源系统中的稳态光源波长应为780nm。滤光系统中，为了更好地滤除激发光得到荧光信号，选用半高宽为10nm，中心波长为830nm带通滤光片，及一个截止波长为800nm的长通滤波片，ICG的量子效率为0.016，要求滤光片的透过率对于780±10nm低于10-4，对于830±10nm大于0.9。
2)Cy5.5是一种近红外荧光染料，其峰值激发波长约为670nm，峰值荧光发射波长约为700nm，光源系统的连续波光源波长应为670nm。滤光片系统中，选择中心波长为670nm，半高宽为10nm的带通滤光片，和一个截止波长为690nm的长通滤波片，Cy5.5的量子效率为0.23，要求滤光片的透过率对于670±10nm低于10-3，对于700±10nm大于0.9。
光源经过准直后入射到成像腔上，位于光源同一水平面101.25°到258.75°的位置上(光源位置设为0°)放置8路探测光纤分别连接到8∶1光开关的8个输入端。光源准直器与探测光纤固定在光纤架上，固定小动物的成像腔与电动旋转台相连并固定在电动升降台上，这样成像腔可以实现360°旋转和z轴方向的上下移动，以改变光源入射角度(初始光源入射角度设为0°)。每一个光源入射角处有8个探测位置，探测光纤通过光开关进行切换，旋转台每旋转一个角度(例如1°)，探测器分别探测在此光源入射角处的8个探测位置的信号，旋转台旋转一周之后升降台移动一定距离(例如2mm)，再重复上述过程得到另一层的图像信息。如此就可以得到较高的采样密度，如果选择更高精度的旋转台和升降台，采样密度会更高。
光开关的输出光被准直后进入马达驱动滤光轮，滤光轮中有6个滤光片位置，其中一个位置为空，用来直接探测激发光信号，其他孔放置适应不同荧光剂所需的滤光片。滤光片滤除激发光之后光电倍增管探测到荧光信号，通过光子计数模块得到光子数信息，重建得到荧光产率图像。其中光电倍增管的光谱范围应包含所探测的激发光和相应荧光信号的波长，对于Cy5.5与ICG，光谱应包含650nm-900nm。测量时，要选择在光电倍增管的线性区间。
发展光子计数型扩散荧光断层成像系统，旨在利用其快速的成像速度实现动态成像的功能，由于属于非接触测量模式，测量过程简单，采集密度和成像位置程控可调，弥补现有系统的成像速度慢和采样密度不够的缺点，使系统具有快速高质量的成像功能。
本发明是光纤非接触模式下的DFT/DOT测量系统。图2为光子计数型动态扩散荧光断层成像系统的基本结构。其由光源系统、入射光纤3、成像腔系统、光开关10及探测光纤9、滤光系统、检测系统、计算机15等部分组成。
以荧光试剂ICG与Cy5.5为例，详细介绍系统的测量过程，其他近红外荧光染料也可取的很好的效果。ICG峰值激发波长约为780nm，峰值荧光发射波长约为830nm，光源系统中稳态光源1的波长应为780nm。滤光系统中，选用半高宽为10nm，中心波长为830nm带通滤光片及一个截止波长为800nm的长通滤波片(滤光片透过率对于780±10nm低于10-4，对于830±10nm大于0.9)，用以滤除激发光信号而探测荧光信号。Cy5.5其峰值激发波长约为670nm，峰值荧光发射波长约为700nm，光源1波长应为670nm。滤光片系统中，选择中心波长为670nm，半高宽为10nm的带通滤光片，和一个截止波长为690nm的长通滤波片(滤光片透过率对于670±10nm低于10-3，对于700±10nm大于0.9)。另外光电倍增管的光谱范围应包含所探测的激发光和相应荧光信号的波长，对于Cy5.5与ICG，光谱应包含650nm-900nm。
1、使用衰减器2来对光源强度进行调节，使光电倍增管13工作于其线性区间内，测量前将光源稳定20分钟左右，以确保测量过程中光源的稳定性。测量过程中，光源光强保持不变。
2、入射光被准直器4准直后入射到成像腔5上(入射光纤3芯径62.5μm，成像腔直径2-3cm，为半透明有机玻璃制成)，实验用麻醉后的荷瘤小鼠轻微挤压垂直放入成像腔中，使用光学匹配液填充间隙，如图3所示。位于光源(光源位置设为0°)对面101.25°到258.75°的同一平面位置上均匀放置8路探测光纤9(芯径1000μm，光纤间隔夹角22.5°)，如图4所示。光源准直器与探测光纤固定在光纤架6上(光纤架直径11cm，与成像腔为同心圆)。固定小动物的成像腔由电动旋转台7与电动升降台8实现移动(360°旋转和z轴方向的上下移动)，以改变光源入射角度(初始光源入射角度设为0°)，如图3所示。每一个光源入射角对应8个探测位置，采用8∶1光开关10切换8路探测信号，检测系统分别探测8个位置的信号后，旋转台旋转一个角度(例如1°)。在新的光源入射角处，同样得到其对面的8个探测位置的信号。如此重复，成像腔旋转360°，得到一个断层的信息。升降台移动一定距离(例如1mm)，再重复上述过程得到另一层的图像信息。
3、光开关的输出光被准直器11准直后进入马达滤光轮12，马达滤光轮中6个滤光片位置如图5所示，其中孔16为空，用来直接探测激发光信号，孔17放置适用于ICG的滤光片(中心波长为830nm带通滤光片及一个截止波长为800nm的长通滤波片)，孔18放置试用于Cy5.5的滤光片(中心波长为670nm的带通滤光片和一个截止波长为690nm的长通滤波片)，用以滤除激发光。
测量中，首先将滤光轮放置于孔16空位置处测量激发光信号。检测系统中光电倍增管13将激发光信号转化为电子脉冲，光子计数模块14记录这些脉冲得到激发光光子数。激发光信号扫描测量完毕后，将滤光轮置于孔17或孔18滤光片位置处，不断重复上述扫描探测过程，得到不同时刻的荧光光子数信息。
4、根据激发光光子数与不同时刻的荧光光子数信息，通过计算机15重建得到荧光产率图像。测量过程中，衰减器、光开关、马达驱动滤光轮、光电倍增管、光子计数模块均由计算机15实现集成控制，连续动态测量。
一次扫描测量的时间为
ttotal＝[(tcount+tchange)×8+tmove]×P
其中，tcount为计数器的门宽，tchange为光开关切换时间，tmove为旋转台旋转时间，P为光源入射角数。
若测得的光子数为N，则信噪比
一般当信噪比为30dB即可达到较好成像结果，即N＝1000，这里以30dB的信噪比为例求得计数模块的计数门宽。模拟计算中所采用的组织仿体如图1所示，直径为20mm。仿体的光学背景参数为折射率n＝1.4，吸收系数μa＝0.035mm-1，约化散射系数μs′＝0.8mm-1。仿体中心为荧光剂Cy5.5溶液，直径为3mm，浓度为1μM。Cy5.5的峰值荧光发射波长约为700nm，量子效率为0.23，消光系数为0.019mm-1μM-1。光源与探测器的位置如图1所示，光源强度为2mW，探测器的量子效率为30％。
在上述条件下，计算得到探测器每秒探测到的光子数约为1.2224×104个，信噪比30dB时所需要的计数时间为81.8ms，即计数门宽大于80.8ms即可得到较好的成像结果。这里以门宽为100ms为例给出一幅二维图像的测量扫描时间。光开关的切换时间可以达到10ms以下，这里以10ms为例。电动旋转台的加速度为30°s-2，最大速度为40°s-1。计算得到表一的数值，一幅二维图像的扫描时间为1分钟左右，可以做到动态测量。
表1一幅二维图像的扫描时间表
| 光源入射角数(个) | 8 | 16 | 24 | 32 | 40 | 48 |
| tmove(s) | 2.449 | 1.732 | 1.414 | 1.225 | 1.095 | 1.000 |
| ttotal(s) | 26.632 | 41.792 | 55.056 | 67.360 | 79.000 | 90.240 |
Claims (4)
1.一种光子计数型动态扩散荧光断层成像装置，其特征是，包括：
用于激发荧光的光源系统，包括不同波长的连续波光源，使用600nm-900nm波长的近红外光波段，根据不同的荧光剂的激发波段来选取光源波长；用于调节光源输出功率的衰减器；另外还包括光源系统到成像腔系统的入射光纤和准直入射光源的准直器；
用于固定和移动被测体的成像腔系统：包括固定被测体的透明成像腔，固定准直器和探测光纤的光纤架，旋转成像腔的电动旋转台，上下移动成像腔的电动升降台；
用于探测通路切换的光开关，以及收集成像腔出射光的相应探测光纤，探测光纤输出到光开关；
用于滤除激发光信号的滤光系统，包括承装不同型号滤光片的马达驱动滤光轮，准直来自光开关输出的入射光的准直器和不同型号的滤光片，滤光片型号根据不同荧光剂的激发波长和发射波长来选取；
用于探测光信号的的检测系统，包括光电探测器PMT即光电倍增管和光子计数模块；
用于集成控制包括衰减器、光开关、马达驱动滤光轮、光电倍增管、光子计数模块各模块及图像重建的计算机；
光子计数模块采用32位计数器，能同时探测较强的激发光信号和微弱的荧光信号，不会达到计数饱和或溢出，实现宽测量范围，光子计数模块的计数门宽程控可调，可以根据实际测量信号强度选择合适门宽。
2.一种光子计数型动态扩散荧光断层成像方法，其特征是，借助于权利要求1所述的光子计数型动态扩散荧光断层成像装置实现，具体包括下列步骤：将被测体轻微挤压垂直放入成像腔中，使用光学匹配液填充间隙，使光源发出的入射光被准直后入射到透明成像腔上，被准直后入射光位置设为0°，被准直后入射光对面101.25°到258.75°的位置上均匀放置若干路探测光纤，分别对应连接到光开关的若干输入端，将成像腔固定于电动旋转台上并共同置于电动升降台上，采用计算机程控旋转台旋转角度和升降台移动距离，改变被准直后入射光入射角度及相应探测位置，初始光源入射角度设为0°，计算机控制旋转台旋转一个角度在新的被准直后入射光入射角处，通过若干路探测光纤同样得到被准直后入射光对面若干个探测位置的信号，如此重复，成像腔旋转360°，得到一个二维断层的信息，升降台移动一定距离，再重复上述过程得到另一层的图像信息，利用所有的二维信息可以得到三维的图像。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是，采用荧光剂为近红外荧光染料，使光开关的输出光被准直器准直后进入马达驱动滤光轮，马达驱动滤光轮中设置有若干个滤光片位置，其中一个位置为空置用来直接探测激发光信号，其他位置放置适用于近红外荧光染料的滤光片；测量中，首先将滤光轮放置于空置处测量激发光信号，检测系统中光电倍增管将激发光信号转化为电子脉冲，光子计数模块记录这些脉冲得到激发光光子数，激发光信号扫描测量完毕后，将滤光轮置于适用于所采用的近红外荧光染料的滤光片位置处，不断重复上述扫描探测过程，得到不同时刻的荧光光子数信息，利用不同时间测得的荧光光子数与最初测得的激发光光子数重建得到不同时间的荧光产率图像。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是，数据采样速度快，测量过程中，衰减器、光开关、马达驱动滤光轮、光电倍增管、光子计数模块均由计算机实现集成控制，控制过程如下：1)扫描测量前，计算机首先控制衰减器调整稳态光源的光强，使光电倍增管工作在其线性区间；2)计算机控制光开关切换N路探测通道，光开关切换时间tchange小于10ms，并控制光电倍增管和光子计数模块依次探测记录不同探测通道的光子数信息，光子计数模块的计数门宽tcount为50μs到10s；3)计算机控制电动旋转台旋转一定角度，每次旋转时间tmove为1s到2s左右；4)重复过程2)、3)，直至旋转台旋转360°，旋转台旋转次数为P，得到一个断层的信息；5)计算机控制电动升降台移动一定距离，重复2)、3)、4)得到另一个断层信息，一幅二维图像的扫描测量总时间ttotal＝[(tcount+tchange)×N+tmove]×P，即每隔几分钟左右得到一幅新的二维图像。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110438805 CN102551671B (zh) | 2011-12-23 | 2011-12-23 | 光子计数型动态扩散荧光断层成像方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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