CN103070673A - 一种在体小动物荧光分子断层成像系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在体小动物荧光分子断层成像系统与方法，包括近红外激光器、扩束镜、电控旋转台、待成像物、窄带滤波片、CCD相机、X射线发射器、X射线探测器、计算机，CDD相机和窄带滤波片固定在与激发光源平行的方向上，激发光源、待成像物、CCD相机和窄带滤波片在同一条直线上，X射线发射器与探测器位于与激发光源垂直的方向上，X射线发射器、待成像物和X射线探测器在同一直线上，计算机与CCD相机、X射线发射和电控旋转台相连。本发明方法实现了在体小动物的多模态信息融合，具有操作过程简单，数据采集时间短的优点。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种在体小动物荧光分子断层成像系统与方法，具体地说，涉及一种基于面激发光源的在体小动物荧光分子断层成像系统与方法。
背景技术
目前，已有的在体小动物荧光断层成像装置多采用点激发光源来激发荧光染料，其不足之处是点激发并不能保证待成像物内的荧光染料受激发完全，荧光染料受激发不完全就会导致采集的荧光数据不准确，获得信号图像信噪比低，进而使得荧光数据的三维重建不准确。另一方面，为了获得更多有用的荧光数据，可采取多角度多点激发，但是多个点激发需要的采集数据时间长，一般情况下是多少个点激发，其采集时间就是单个点激发采集数据时间的多少倍，这显然与临床要求的实时成像相违背。
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，由于采用的是点激发光源，荧光目标受激发不完全，得到的荧光图像信噪比低，从而影响了荧光成像的图像质量。另外，由于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。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种在体小动物荧光分子断层成像系统与方法，使荧光染料受激发的完全，从而保证采集到的荧光数据准确且信噪比高，另外系统利用X射线断层成像技术获取待成像物的三维结构信息，为荧光数据的三维重建提供先验信息。利用计算机将三维结构信息与荧光染料分布重建结果进行图像配准，实现待成像物的多模态信息融合，更全面的获得待成像物的生物特征。该系统相比于点激发光源系统操作更加简单，扫描时间更短，更有利于实现实时观测。
本发明的具体思路是：在现有的点激发光源式系统上，将激发光源改为面激发光源，使待成像物受激发完全，获得的图像信噪比大大提高；并把X射线断层成像系统融合进来，获取待成像物的三维解剖结构信息作为荧光分子断层重建的先验信息，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，提高了荧光分子重建的正确性。
其技术方案为：
一种在体小动物荧光分子断层成像系统，包括近红外激光器、扩束镜、电控旋转台、待成像物、窄带滤波片、CCD相机、X射线发射器、X射线探测器、计算机，CDD相机和窄带滤波片固定在与激发光源平行的方向上，激发光源、待成像物、CCD相机和窄带滤波片在同一条直线上，X射线发射器与探测器位于与激发光源垂直的方向上，X射线发射器、待成像物和X射线探测器在同一直线上，计算机与CCD相机、X射线发射和电控旋转台相连：
所述CCD相机，用来接收透射光进行透射式成像；
所述窄带滤波片，用于滤除掉除荧光信号以外的其他光线；
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；
所述激光器，用来产生激发光源，诱导成像物体内部的荧光物质发光，产生透射式的荧光信号；
所述扩束镜用于扩束激光器发出的激光，将其扩束成一个面激发光源；
所述X射线发射器，用来发射X射线；
所述X射线探测器用来探测接收的X射线；
所述计算机，用来控制CCD相机，激光器，X射线发射与探测，以及电控旋转台运行，接收和处理CCD相机传输的透射式荧光数据，对投影数据进行三维重建，对重建后的图像进行配准融合，接收和处理X射线数据，重建待成像物体的结构信息，实现待成像物的多模态信息融合。
所述的窄带滤波片的中心波长和荧光信号的中心波长保持一致。
一种在体小动物荧光分子断层成像方法，包括以下步骤：
(1)荧光数据采集
激光器发射激光，经过扩束镜成为一面光源，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；计算机完成投影数据采集之后，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投影数据进行采集，一直重复到待成像物旋转360度；
(2)CT射线数据采集
完成步骤(1)，计算机控制X射线发射器发射X射线，穿透待成像物的X射线经过X射线探测器检测，计算机完成投影数据采集，由电控旋转台带动待成像物旋转，完成360度扫描；
(3)CT数据处理
计算机利用滤波反投影重建算法，对步骤(2)所处理过的投影数据进行三维重建，获得待成像物的三维解剖结构图像；
(4)荧光数据处理
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；
(5)荧光成像的三维重建
将步骤(3)的结构图像作为先验信息，用代数重建技术对预处理后的投影数据进行三维重建，得到荧光染料的分布图像；
(6)三维重建图像配准融合
计算机对步骤(3)和(5)所获得到两种成像模式的三维重建图像配准融合，获得融合后的荧光断层图像，实现待成像物的多模态信息融合。
步骤(5)中对荧光数据进行重建时，利用了步骤(3)所获得的三维解剖结构图像为先验信息。
本发明的有益效果：
第一，本发明采用面激发光源激发荧光染料，克服了现有点激发光源成像系统中不能保证荧光染料受激发完全的缺点，提高了采集的荧光数据的信噪比。
第二，本发明采用面激发光源激发荧光染料，克服了现有点激发光源需要多点激发所带来的时间积累，大大缩减了采集数据的时间，提高了采集数据效率，有利于实现实时观测。
第三，本发明采用了荧光分子断层成像与X射线断层成像两种成像模态的融合，可同时获得待成像物的三维结构图像与荧光染料分布情况，实现了两种成像模态的信息融合，获得了待成像物更多的生物特征。
附图说明
图1为本发明在体小动物荧光分子断层成像系统的结构示意图；
图2为本发明在体小动物荧光分子断层成像方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例来详细描述本发明的技术方案。
参照图1，本发明在体小动物荧光分子断层成像系统，包括近红外激光器1、扩束镜2、电控旋转台3、待成像物4、滤除激发光的窄带滤波片5、CCD相机6、X射线发射器7、X射线接收器8、计算机9。
荧光分子断层成像，是利用外部可见光为激发光源照射待成像物，现在较多的应用于活体小动物成像，特别是小鼠成像。在进行荧光分子断层成像之前，用荧光染料或荧光蛋白标记待成像物。
激光器发射激光，经过扩束镜2扩散成平行光束照射待成像物4。待成像物4事先标记的荧光染料或荧光蛋白受平行光束的激发，发出与激发光波长不同的光，即发射光。发射光穿透待成像物4，经过窄带滤波片5滤除掉除发射光以外的其他光线，CCD相机6接收透射出的发射光产生荧光数据。CCD相机6将产生的投影数据传输到计算机9。
X射线发射器7发射X射线，穿透待成像物4被x射线探测器8检测到，产生的X射线投影数据传输到计算机9。
X射线发射器7，待成像物4与X射线探测器8要在同一直线上。
窄带滤波片5的中心波长要与荧光信号的中心波长保持一致。
下面结合附图2，对本发明的方法做进一步描述。
(1)荧光数据采集
激光器1发射激光，光线经过扩束镜2到达事先已被标记了荧光探针或荧光蛋白的待成像物4，这些荧光染料受激发发射荧光信号，与激发光一起穿透待成像物4，经过窄带滤波片5滤除除荧光信号以外的其他光线，CCD相机6接收滤除后的荧光信号产生荧光数据。采集完初始位置数据后，电控旋转台3带动待成像物4进行旋转，每次旋转角度可根据需要设定为某一固定值，待旋转结束电控旋转台3完全静止时，重复上述投影数据采集，一直重复待成像物4旋转360度。
(2)CT射线数据采集
X射线发射器7发射X射线，穿透待成像物4被X射线探测器8接收，产生X射线投影数据，同时电控旋转台3带动待成像物4旋转，等到待成像物4旋转一周后完成X射线投影数据采集。
(3)CT数据重建
计算机9利用滤波反投影算法，对步骤2所处理过的X射线投影数据进行三维重建，得到待成像物4的结构图像。
(4)荧光数据处理
CCD相机6将采集到的投影数据传输到计算机9，计算机9对步骤(1)所采集到投影数据进行预处理；
(5)荧光数据三维重建
将步骤(3)得到的CT重建结果作为荧光数据三维重建的先验信息，用代数重建技术求解获得待成像物4中荧光染料的分布图像。
(6)三维重建图像配准融合
计算机9对步骤(3)和(5)的三维重建结果进行图像配准融合，获得融合后的荧光断层成像，实现了待成像物的多模态信息融合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种在体小动物荧光分子断层成像系统，其特征在于，包括近红外激光器、扩束镜、电控旋转台、待成像物、窄带滤波片、CCD相机、X射线发射器、X射线探测器、计算机，CDD相机和窄带滤波片固定在与激发光源平行的方向上，激发光源、待成像物、CCD相机和窄带滤波片在同一条直线上，X射线发射器与探测器位于与激发光源垂直的方向上，X射线发射器、待成像物和X射线探测器在同一直线上，计算机与CCD相机、X射线发射和电控旋转台相连：
所述CCD相机，用来接收透射光进行透射式成像；
所述窄带滤波片，用于滤除掉除荧光信号以外的其他光线；
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；
所述激光器，用来产生激发光源，诱导成像物体内部的荧光物质发光，产生透射式的荧光信号；
所述扩束镜用于扩束激光器发出的激光，将其扩束成一个面激发光源；
所述X射线发射器，用来发射X射线；
所述X射线探测器，用来探测接收的X射线；
所述计算机，用来控制CCD相机，激光器，X射线发射与探测，以及电控旋转台运行，接收和处理CCD相机传输的透射式荧光数据，对投影数据进行三维重建，对重建后的图像进行配准融合，接收和处理X射线数据，重建待成像物体的结构信息，实现待成像物的多模态信息融合。
2.根据权利要求1所述的在体小动物荧光分子断层成像系统，其特征在于，所述的窄带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所述的在体小动物荧光分子断层成像系统，其特征在于，所述的扩束镜用于将点激光扩散成面激光。
4.一种在体小动物荧光分子断层成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)荧光数据采集
激光器发射激光，经过扩束镜成为一面光源，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；计算机完成投影数据采集之后，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投影数据进行采集，一直重复到待成像物旋转360度；
(2)CT射线数据采集
完成步骤(1)，计算机控制X射线发射器发射X射线，穿透待成像物的X射线被X射线探测器检测，计算机完成投影数据采集，由电控旋转台带动待成像物旋转，完成360度扫描；
(3)CT数据处理
计算机利用滤波反投影重建算法，对步骤(2)所处理过的投影数据进行三维重建，获得待成像物的三维解剖结构图像；
(4)荧光数据处理
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；
(5)荧光成像的三维重建
将步骤(3)的结构图像作为先验信息，用代数重建技术对预处理后的投影数据进行三维重建，得到荧光染料的分布图像；
(6)三维重建图像配准融合
计算机对步骤(3)和(5)所获得到两种成像模式的三维重建图像配准融合，获得到融合后的荧光断层图像，实现待成像物的多模态信息融合。
5.根据权利要求4在体小动物荧光分子断层成像方法，其特征在于，步骤(5)中对荧光数据进行重建时，利用了步骤(3)所获得的三维解剖结构图像为先验信息。
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