CN102670180B - 立式旋转荧光分子成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式旋转荧光分子成像系统。本发明的成像系统包括：底座、旋转台、成像系统、接收端滤波片组、走线模块、光源模块、平移台、透明的动物床和计算机。本发明的光源模块采用分块设计增大了荧光层析成像系统激发光选择的灵活性，实现了多波长荧光探针的成像，而且有利于荧光层析逆问题的求解，改善重建图像的品质；走线模块解决了成像平台旋转过程中电气连接、光和数据传输的问题，为光源模块分块设计的实施提供保证；动物床符合荧光层析成像的特点，同时兼顾了其他多模态成像对动物床的潜在要求；系统适于进行多模态成像融合，简化了图像配准的步骤。

Description

立式旋转荧光分子成像系统

技术领域

本发明属于荧光分子成像技术，具体涉及一种立式旋转荧光分子成像系统。

背景技术

荧光分子成像技术是被广泛应用于在分子水平上对生物体生理、病理的变化进行在体、无创定性和定量研究的影像方法，其在疾病的早期诊断、药物机理研究与研发以及疗效评估等方面发挥着重要作用。荧光分子成像技术目前已从传统的二维荧光分子成像发展到三维荧光分子层析成像（Fluorescence molecular tomography）FMT。FMT是一项根据光的扩散性质，利用激发光和被测样本的出射光信息以重建特异性荧光集团三维分布信息的技术。它可实现动物的在体无创检测，具有低成本，高通量，无电离辐射，可长期定量检测等诸多优点。

早期的荧光分子层析成像系统采用动物浸入匹配液成像腔后光纤接触测量的方法。2007年哈佛大学医学院Deliolanis等人首次提出360°非接触式荧光分子层析成像装置。动物放置在光源和CCD相机构成的成像平台之间。为实现360°的成像，动物的身体周围不能有遮挡，且需要动物与成像平台之间的相对360°旋转，这种装置的成像平台为水平方向，而被测试的动物吊挂在竖直方向，通过旋转动物实现360°的数据采集，实验过程中容易破坏动物的原始形态，加剧了动物的不舒适性，尤其是长时间实验。

之后骆清铭等提出的一种旋转式扩散荧光层析成像系统采用固定实验动物旋转成像平台的方法。此装置的成像平台为竖直方向，而动物床为水平方向，通过旋转成像平台来实现360°的数据采集，为避免旋转成像平台时的电线缠绕而致使成像平台无法旋转，该装置使用滑环进行电气连接。但该装置利用滑环，碳刷与集电环表面接触，只能进行电气连接，不能进行光纤的连接，所以光源采用了半导体激光器，限制了实际工作中荧光激发波长的选择。此外该装置并未涉及对荧光层析成像中的关键部分动物床的特殊考虑。

荧光层析成像重建是一个非适定的逆问题。增加光源的扫描信息可改善重建图像的品质。此外，生物体是一个复杂的网络，任何一个生物过程都是多个生化反应相互作用相互影响的动态变化。同时，单一探针的识别或者单一症状的诊断可能不足以确定疾病的种类及原因，只有多通道探针成像才能解决这一问题。因此具有同时成像多种探针的能力的荧光分子成像系统对于整体上研究生物过程的相互作用和疾病的确切诊治至关重要。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于平台立式旋转的非接触、多波长小动物荧光分子成像系统，可同时实现反射式二维荧光成像和透射式三维荧光层析成像。该系统采用成像平台立式旋转，扫描时不改变动物形态，成像速度快，采集数据量大，可进行多波长探针成像。动物床及平移台设计不仅更适合荧光成像，也适合于在不改变动物形态的情况下进行多模态成像。

本发明的目的在于提供一种立式旋转荧光分子成像系统。

本发明的立式旋转荧光分子成像系统包括：底座、旋转台、成像装置、接收端滤波片组、走线模块、光源模块、平移台、透明的动物床和计算机；其中，旋转台通过支撑架安装在底座的一端上；在旋转台上从上至下依次安装成像装置、接收端滤波片组和光源模块；动物床安装在平移台上；平移台安装在底座的另一端上；旋转台的中间具有通孔，与动物床在一个水平线上，允许动物床在通孔中无障碍通过；成像装置通过经由走线模块的数据线连接至计算机；成像装置通过经由走线模块的电线连接至电源；走线模块通过支柱固定在旋转台上，并与旋转台的通孔同轴。

光源模块进一步包括激发装置、传输部分和出光装置；出光装置安装在旋转台上并且与成像装置相对位于通孔的另一侧，通过经由走线模块的传输部分连接至放置在底座上的激发装置。

激发装置进一步包括光源、波长选择部分、电动快门和光纤耦合部分；光源发射出激发光，经过波长选择部分获得合适波长的激发光，激发光经过电动快门进入光纤耦合部分，从而将激发光导入至传输部分。电动快门可在荧光采集间歇时阻挡光源对荧光物质的照射，以尽量减小荧光物质的淬灭。

传输部分采用光纤。

出光装置进一步包括反射式光源、透射式光源和转换器；传输部分连接至转换器，转换器与反射式光源和透射式光源相连接，通过转换器的切换，可以选择照射到动物身体上的光源为反射式或者为透射式。反射式光源由两根成一定夹角的光纤组成，以便实现小动物表面180°范围的激发光照射。透射式光源、接收端滤光片组选定的滤波片和成像装置的中心共轴。

光源模块的分块设计增大了荧光分子成像系统激发光选择的灵活性，可方便地实现不同波长的激发光照射，从而实现多波长荧光探针的成像。

走线模块包括走线架和束线器；走线架为具有一定厚度的圆环状，通过支柱固定在旋转台上，并与旋转台的通孔同轴；走线架的边缘具有凹槽，以便束线器缠绕在其内；束线器的一端固定在走线架的凹槽内，另一端引出；走线架具有开孔，用于旋转台上的传输部分、电线和数据线由走线架的外部穿入走线架的内部从而进入束线器。旋转台上的出光装置和成像装置分别通过传输部分、电线和数据线都经由走线架上的束线器梳理后分别与旋转台下的激发装置、电源和计算机相连。走线模块为纯机械装置，不仅可以实现电线和数据线的布线，还可以实现对光纤的布线。

动物床包括固定体和床体，床体通过进一步起固定作用的固定体安装在平移台上，动物放置在床体上。动物床为透明的，不会对动物造成遮挡，从而可实现对动物的360°的数据采集。动物床采用透明的非金属材料，以不影响其他成像模态（如计算机断层成像（CT））的性能。本发明的优点：

1）可实现360°的反射式二维荧光分子成像和透射式三维荧光分子层析成像；

2）光源模块的分块设计不仅增大了荧光分子成像系统激发光选择的灵活性，可方便地实现不同波长的激发光照射，从而实现多波长荧光探针的成像，而且大大增加了光源-探测器的不同组合信息，有利于荧光层析逆问题的求解，改善重建图像的品质；

3）出光装置的设计可实现动物身体大范围的荧光激发，提高了成像速度；

4）走线模块的设计解决了成像平台旋转过程中电气连接、光和数据传输的问题，为光源模块分块设计的实施提供保证；

5）动物床的特殊设计符合荧光层析成像的特点，尽量避免其对光的折射、散射、遮挡等影响以减小其对成像结果的影响，同时兼顾了其他多模态成像对动物床的潜在要求；

6）无需移动或取下动物，即可在平移台的移动下调整成像区域，也可以穿过旋转台传递到其他模态的系统（如X光计算机断层成像（X-ray CT）、正电子发射型计算机断层成像（PET）、单光子发射计算机断层成像（SPECT）等）进行多模态成像，最大程度地保持了动物的形态稳定，同时简化了图像配准的步骤。

附图说明

图1为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的结构示意图；

图2为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的光源模块的结构示意图；

图3为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的激发装置的结构示意图；

图4为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的出光装置的结构示意图；

图5为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的出光装置的透射式光源的结构示意图；

图6为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的走线模块的结构示意图；

图7为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的走线架的结构示意图；

图8为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的动物床的结构示意图；

图9为本发明的立式旋转荧光分子成像系统的旋转台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，并通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的立式旋转荧光分子成像系统包括：底座1、旋转台2、成像装置3、接收端滤波片组4、走线模块5、光源模块、平移台8、动物床7和计算机9。

如图2所示，光源模块包括激发装置61，传输部分62和出光装置63。

如图3所示，激发装置61激发装置进一步包括光源611、波长选择部分612、电动快门613和光纤耦合部分614。

激发装置可以采用两种方案：一种是激光二极管光源组合作为光源611经过波长选择部分612从而选择不同波长的激光二极管作为激发光源，如图3（a）所示；一种是采用卤钨灯作为光源611，滤波片轮作为波长选择部分612，通过选择相应滤波片以获得合适波长的激发光，如图3（b）所示。选择任意一种方案后再分别经过电动快门613和光纤耦合部分614将激发光导入到传输部分62。

传输部分62为光纤，可采用两种类型：一种是激发装置61端的光纤头和光装置63端的光纤头均为圆形，对应的出光装置63的出射光光斑为点状圆斑；一种是激发装置61端的光纤头为圆形，而出光装置63端的光纤头为线形，对应的出光装置63的出射光光斑为线状斑。

如图4所示，出光装置63，包括反射式光源631、透射式光源632和转换器633。反射式光源631由两根成一定夹角的光纤组成。

如图5所示，出光装置的透射式光源632，进一步包括：光纤出光孔6321、透镜6322、扫描装置6325或6323和6324。出光装置的透射式光源可采用三种方案：第一种是依次排列的圆点状光纤出光孔6321、准直镜（或凸透镜）6322、二维扫描振镜6323和扫描透镜6324结合，如图5（a）所示；第二种是依次排列的线状光纤出光孔6321、圆柱透镜6322、一维扫描振镜6323和扫描透镜6324结合，如图5（b）所示；第三种是线状光纤出光孔6321和圆柱透镜6322安装在电动角位台6325上绕系统轴心扫描，如图5（c）所示。前两种为光学扫描方式，扫描速度快，扫描样式为平面型。第三种为机械式扫描方式，光源受机械控制绕旋转台中心做弧形扫描，光斑沿径向指向旋转台中心，扫描样式为圆弧型。为加快成像速度，三种扫描样式也均可采用固定模式而不进行扫描。

如图6所示，本发明的走线模块5包括走线架51和束线器52。走线架51为具有一定厚度的圆环状，通过支柱55固定在旋转台2上，并与旋转台2的通孔21同轴，如图1所示。

如图7所示，走线架51为具有一定厚度的圆环状，边缘具有凹槽511，以便束线器52缠绕在其内。束线器52的一端固定在走线架51的凹槽内，另一端引出。走线架具有开孔512，用于旋转台2上的传输部分、电线和数据线经由走线架51的外部穿入走线架51的内部从而进入束线器52。

动物床7的床体71通过进一步起固定作用的固定体72安装在平移台8上。

动物床的床体可以为平板状，也可以为圆筒状或圆筒的一部分。

如图8所示，动物床可以采用四种方案：第一种的床体71为平板状，是采用尽量薄的透明板（如1mm厚玻璃板）作为床体71固定在固定体72上，为避免透明板前端下垂或者承受力不足，其前端采用两根支架73固定，并通过两根细线74分别将支架73的顶端与后面固定床体的固定体72相连；第二种的床体71为圆筒状，安装在固定体72上，动物形状较规则，有利于激发光有效激发和荧光重建；第三种的床体71由上下两个半圆筒711和712组成，下半圆筒711安装在固定体72上，上半圆筒712作为盖子，摆放动物时将上半圆筒712移开，将动物放置好后再将上半圆筒712盖好，有利于动物的摆放；第四种的床体71为圆筒的一部分（如半圆筒或弧形筒），安装在固定体72上。在第二、三和四种方案中，固定体72的顶部设有天窗721，以便对动物的麻醉、固定等操作。

如图9所示，本发明的旋转台2通过支撑架安装在底座的一端上；旋转台的中间具有通孔21，与动物床在一个水平线上，允许动物床在通孔中无障碍通过。进一步旋转台包括安装在其下部的配重22。

成像装置3进一步包括光学镜头和探测器，光学镜头安装在探测器的前端；光学镜头将从动物表面出射的光成像到探测器上，探测器采用制冷CCD相机，对动物体内的荧光物质产生的荧光信号进行成像。

进一步，在旋转台2上接收端滤波片组4与通孔21之间安装有环形灯65，提供动物轮廓提取的均匀照明光源；环形灯与成像装置3的中心共轴。

本发明的工作原理为：本发明分为反射式二维荧光分子成像和透射式三维荧光分子层析成像。对于反射式二维荧光分子成像，反射式光源631与成像装置3在小动物的同侧，反射式光源631在任一角度对小动物体表的荧光物质进行激发，产生的荧光经相应的接收端滤波片组4，由成像装置3接收。如此旋转一周，即可实现360°二维荧光分子成像。对于透射式三维荧光分子层析成像，透射式光源632与成像装置3在小动物的不同侧，任一角度下透射式光源632发出的激发光扫描入射到小动物体上，在其体内传输并激发体内的荧光物质，产生的荧光经部分组织传出体外后经相应的接收端滤波片组4，由成像装置3接收。然后旋转台2旋转一周实现360°的荧光激发和信号采集，得到的数据传输到计算机9进行图像重建从而获知三维荧光浓度及分布信息。采集完一种荧光物质的数据后激发装置61和接收端滤波片组4自动更换其他波长，实现多波长的信息采集，从而得到基于多通道探针的荧光图像。

控制反射/透射的转换器633选择反射式二维荧光分子成像或透射式三维荧光分子层析成像。

反射式二维荧光分子成像，控制方法步骤如下：

1）将实验动物固定在动物床7上，并尽量使动物处于旋转台2的中心，调整动物床7和光学镜头使感兴趣的成像区域处于探测器的视野内；

2）进行激发波长和出射荧光波长的选择：若激发装置61选用激光二极管光源组合611，则通过波长选择部分612选择实验所需波长的二极管，若激发装置61选用卤钨灯611，则通过控制滤波片轮612选择合适的滤波片以得到所需波长的激发光，接收端滤波片组4则选择相应荧光波段的滤波片放在成像装置3前；

3）旋转台2从零位置开始，反射式光源631发出的激发光照射到动物的表面，在其体内传输并激发体内的荧光物质，产生的荧光经部分组织传出体外后经相应的接收端滤波片组4，由成像装置3接收，然后控制电动快门613关闭光源，旋转台2旋转至新位置后再通过电动快门613打开光源，重复上述激发采集过程，最终实现360°的二维荧光分子成像。

三维荧光分子层析成像，控制方法步骤如下：

1）将实验动物固定在特制的动物床7上，并尽量保证动物处于旋转台2的中心。调整动物床7和光学镜头使感兴趣的成像区域处于探测器的视野内；

2）进行激发波长和出射荧光波长的选择：若激发装置61选用激光二极管光源组合611，则通过波长选择部分612选择实验所需波长的二极管，若激发装置61选用卤钨灯611，则通过控制滤波片轮612选择合适的滤波片以得到所需波长的激发光，接收端滤波片组4则选择相应荧光波段的滤波片放在成像装置3前；

3）360°荧光信号采集：旋转台2从零位置开始，透射式光源632发出的激发光扫描入射到动物体表面，在其体内传输并激发体内的荧光物质，产生的荧光经部分组织传出体外后经相应的接收端滤波片组4，由成像装置3接收，然后控制电动快门613关闭光源，旋转台2逆时针旋转至新位置后再通过电动快门613打开光源，重复上述激发采集过程，最终实现360°的荧光激发和信号采集，得到的数据传输到计算机9；

4）360°激发光信号采集：此采集过程中除接收端滤波片组4的滤波片应换到激发光波段或空孔位置外与第三步的荧光信号采集完全相同；

5）360°轮廓投影采集：关闭光源模块，打开环形灯65，接收端滤波片组4转到空孔位置，旋转台2旋转一圈过程中，成像装置3每隔设定角度进行拍照以获得360°轮廓投影，得到的数据用于实验动物的轮廓提取；

6）利用步骤3）、4）和5）得到的数据进行图像重建。

若需要多模态成像，无需取下或移动动物，直接控制平移台8移动动物床7穿过旋转台2的通孔21，进入其他模态成像系统。整个过程保证了动物的形态稳定，为多模态成像配准提供了便利。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种立式旋转荧光分子成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：底座(1)、旋转台(2)、成像装置(3)、接收端滤波片组(4)、走线模块(5)、光源模块、平移台(8)、透明的动物床(7)和计算机(9)；其中，旋转台(2)通过支撑架安装在底座(1)的一端上；在旋转台(2)上从上至下依次安装成像装置(3)、接收端滤波片组(4)和光源模块；动物床(7)安装在平移台(8)上；平移台(8)安装在底座(2)的另一端上；旋转台(2)的中间具有通孔(21)，与动物床(7)在一个水平线上，允许动物床在通孔中无障碍通过；成像装置(3)通过经由走线模块(5)的数据线连接至计算机(9)；成像装置(3)通过经由走线模块(5)的电线连接电源；走线模块(5)通过支柱(55)固定在旋转台(2)上，并与旋转台的通孔(21)同轴。

2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光源模块进一步包括激发装置(61)、传输部分(62)和出光装置(63)；出光装置(63)安装在旋转台(2)上并且与成像装置相对位于通孔(21)的另一侧，通过经由走线模块(5)的传输部分(62)连接至放置在底座(1)上的激发装置(61)。

3.如权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述激发装置(61)进一步包括光源、波长选择部分、电动快门和光纤耦合部分；光源发射出激发光，经过波长选择部分获得合适波长的激发光，该合适波长的激发光经过电动快门进入光纤耦合部分，从而导入至传输部分(62)。

4.如权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述出光装置(63)进一步包括反射式光源、透射式光源和转换器；传输部分连接至转换器，转换器与反射式光源和透射式光源相连接，通过转换器的切换，选择照射到动物身体上的光源为反射式或者为透射式。

5.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述走线模块(5)包括走线架(51)和束线器(52)；走线架(51)为具有一定厚度的圆环状，通过支柱(55)固定在旋转台上，并与旋转台(2)的通孔同轴；走线架(5)的边缘具有凹槽，束线器(52)的一端固定在走线架的凹槽内，另一端引出；走线架(51)具有开孔，传输部分、电线和数据线由走线架(51)的外部穿入走线架的内部从而进入束线器(52)。

6.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述动物床(7)包括固定体(72)和床体(71)，床体(71)通过进一步起固定作用的固定体(72)安装在平移台(8)上。

7.如权利要求6所述的成像系统，其特征在于，所述床体(71)为平板状，是采用薄的透明板作为床体(71)固定在固定体(72)上，为避免透明板前端下垂或者承受力不足，其前端采用两根支架(73)固定，并通过两根细线(74)分别将支架(73)的顶端与后面固定床体的固定体(72)相连。

8.如权利要求6所述的成像系统，其特征在于，所述床体(71)为圆筒状或圆筒的一部分，固定在固定体(72)上；所述固定体(72)的顶部设有天窗(721)。

9.一种权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述动物床采用透明的非金属材料。

10.一种权利要求1所述的成像系统，其特征在于，在旋转台(2)上接收端滤波片组(4)与通孔(21)之间安装有环形灯(65)，提供动物轮廓提取的均匀照明光源；环形灯(65)与成像装置(3)的中心共轴。

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