CN103431912A - 一种分离式多模融合三维断层成像系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离式多模融合三维断层成像系统及其方法。所述系统包括：数据源发射模块：其分别发射X射线和激发光光源对样本进行照射；数据采集模块：其用于探测经过样本的X射线剂量，以及接受从样本激发出的荧光信息；控制系统及数据传输模块：其用于控制系统中各模块的有序运转；数据处理模块：其对采集到的样本成像数据进行处理，三维重建出样本的结构信息和光源分布信息。本发明能够实现实时、无损的生物体内激发荧光成像和X射线断层成像的多模态影像获取，能快速地得到成像样品的生物信息，在物理位置上克服了模态间的相互影响，同时也能使成像样品的不同模态数据在物理位置上得以良好的融合。

Description

一种分离式多模融合三维断层成像系统及其方法

技术领域

本发明属于医学分子影像领域，尤其涉及一种分离式多模融合三维断层成像系统及其方法。 

背景技术

医学分子影像技术可无创、连续、在体、早期地将影响肿瘤行为以及肿瘤对药物治疗反应的特定分子的表达和活动以及生理过程进行可视化，突破了传统影像技术只能显示病变所引起的解剖结构变化的局限。 

光学分子影像系统相比于其他小动物在体分子影像设备，具有灵敏度高、特异性好、结果直观、测量快速、费用低廉等诸多优势。这些优势使之发展成为一种理想的小动物在体成像技术，并逐渐成为医学基础研究和应用必不可少的工具。随着分子影像研究的不断深入，原被广泛使用的平面光学分子影像技术不能对所观察的目标进行定量的三维成像，越来越不能满足生物医学研究的需要。同时，单一的光学分子影像技术不能提供生物体全面的生理病理信息，难以实现对肿瘤等重大疾病的精确诊断以及对药物疗效的准确有效评价。 

于是近年来，一些涉及多模态分子影像系统和方法的挑战性问题逐渐显现出来：能否利用同一成像系统对同一生物体进行在体细胞分子水平、功能代谢水平、解剖结构水平等多种生理病理信息的成像与融合能否在肿瘤等重大疾病发生机理研究中充分利用多模态分子影像所提供的定位和定量的数据信息因此，必须通过融合多种模态的成像技术，实现取长补短和优势互补，从而更全面、更完整地获取生物体解剖结构水平、功能代谢水平和细胞分子水平的生理病理信息；这也成为当前分子影像技术发展的新趋势，也是极具有挑战性的难题。 

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种分离式多模融合三维断层成像系统，其包括： 

数据源发射模块：其分别发射X射线和激发光光源对样本进行照射； 

数据采集模块：其用于探测经过样本的X射线剂量，以及接受从样本激发出的荧光信息； 

控制系统及数据传输模块：其用于控制系统中各模块的有序运转； 

数据处理模块：其对采集到的样本成像数据进行处理，三维重建出样本的结构信息和光源分布信息。 

本发明还提供了一种分离式多模融合三维断层成像方法，其包括： 

步骤1、将放置有样品的平移式样品承载台平移至旋转滚筒的X射线三维断层成像区域； 

步骤2、使用可控铅门隔离所述X射线三维断层成像区域与其它成像区域； 

步骤3、开启X射线源和X射线探测板，使得X射线源发射X射线至样品，并由X射线探测板采集经过样品后的X射线剂量；其中，所述X射线源和X射线探测板位于所述X射线三维断层成像区且对准所述样品； 

步骤4、关闭X射线源和X射线探测板，打开可控铅门，平移所述平移式样品承载台，使得样品位于激发荧光成像区； 

步骤5、关闭可控铅门，使得激发荧光成像区与其它成像区隔离； 

步骤6、打开荧光激发光子模块和生物荧光数据采集子模块，并旋转旋转转筒，使得荧光激发光子模块发出的激光照射样品，并使用生物荧光数据采集子模块从不同方位采集样本发出的荧光；其中，所述荧光激发光子模块和生物荧光数据采集子模块位于激发荧光成像区且对准所述样品； 

步骤7、将采集到的程序数据传送至数据处理模块进行处理。 

本发明能够同机实现激发荧光成像、X射线断层成像的多模态影像获取，能同时、快速地得到成像样品的生物信息，并能使成像样品的不同模态数据在物理位置消除相互影响的前提下得以良好融合。 

附图说明

图1为本发明中分离式多模融合三维断层成像系统的总体框图； 

图2为本发明中分离式多模融合三维断层成像方法的的流程图。 

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。 

本发明提供了一种分离式多模融合三维断层成像系统。本发明能够实现实时、无损的生物体内激发荧光成像和X射线断层成像的多模态影像获取，能快速地得到成像样品的生物信息，在物理位置上克服了模态间的相互影响，同时也能使成像样品的不同模态数据在物理位置上得以良好的融合。最终结合可视化技术对成像结果进行立体绘制，使用户能直观地看到三维断层成像结果并对其作定位与定量等分析。 

下面结合附图，详细描述本发明的分离式多模融合三维断层成像系统和方法。 

图1示出了本发明公开的分离式多模融合三维断层成像系统总体组成模块框图。请参阅图1，该分离式多模融合三维断层成像系统包括： 

数据源发射模块：其分别发射X射线和激发光光源对样本进行照射。 

数据采集模块：其用于探测经过样本的X射线剂量，以及接受从样本激发出的荧光信息。 

控制系统及数据传输模块：其用于控制系统固定及封装模块获得不同角度的投影数据和相机数据，并传输给计算机。 

数据处理模块：对采集到的各模态数据进行处理，三维重建出样本的结构信息和光源分布信息。 

所述数据源发射模块包括： 

荧光激发光子模块7，其用于产生激发光照射样品，使样本发出荧光；该荧光激发光子模块优选为激光器； 

X射线源5，其用于产生X射线扫描样品，使样本组织与X射线相互作用。 

数据采集模块包括： 

生物荧光数据采集子模块8，用于采集受激发光照射的样本所发出的荧光信号，并将其转换为电信号；该模块可选用相机； 

X射线数据采集子模块6，用于采集经过样本后的X射线剂量，并将其转换为电信号，所述X射线数据采集子模块优选地使用X射线探测器实现。 

平移式样品承载台9，其用于承载样本，并且可以受控的平行移动，使得承载于其上的样本到相应测量模态的区域，消除不同模态测量之间的干扰； 

旋转滚筒1，其用于承载所述数据发射模块、生物荧光数据采集子模块和X射线数据采集子模块，并隔离不同的模态测量区域，使得样品在不同模态测量下免受干扰。 

具体地，旋转滚筒两端固定承载旋转转筒左铅门2和旋转转筒驱动电机圆盘4，其中部固定承载有可控铅门3，可控铅门3的左右两边分别固定承载有X射线源5和X射线探测板6、激光器7和相机8，所述左铅门2留有使样品承载台通过的间隙口。所述X射线源5和X射线探测板6竖直相对，激光器7和相机8竖直相对。系统工作运行时，旋转转筒驱动电机圆盘4带动旋转转筒1旋转，此时旋转转筒1上固定承载的X射线源5、X射线探测板6、激光器7、相机8也都跟着一起旋转。X射线源5与X射线探测板、激光器7与相机8在旋转转筒1上分别竖直，用于采集不同模态的数据信息。可控铅门3将用于将CT成像的X射线源5、X射线探测板6与用于生物激发光成像的激光器7、相机8隔离开来。平移式样品承载台9用于承载被测样品并将其运送到成像指定区域：在CT成像中将其移到X射线源5和X射线探测板的中央；在生物激发光成像中将其移到激光器7和相机8的中央。总体上，中央主机10用于系统的运行步骤与顺序进行控制以及对采集到的数据进行处理。 

所述不同模态测量包括X射线三维断层成像和激发荧光成像两种；其中X射线三维断层成像，控制系统及数据传输模块控制平移式样本承载平台运动到X射线三维断层成像区，并关闭所述可控铅板，以防止X射线对激发荧光成像区的仪器造成损伤；在激发荧光成像时，控制系统及数据传输模块开启所述可控铅门，平移式样本承载台运动到激发荧光成像区。 

控制系统及数据传输模块，其位于中央主机，用于控制系统各模块间的正常有序运转；包括对于旋转滚筒1的旋转控制，包括方向、角度等； 和对平移式样本承载平台9的位置的前进后退控制，实现了不同模态的物理隔离。同时，实现X射线源5和激光器7的发射开关控制及强度控制，以及X射线探测器和相机8的开关控制。 

具体地，在进行X射线照射样本时，控制系统及数据传输模块可以调节滚筒每一步进的角度(如每一步0.9°、1°、1.2°等)，每两步之间控制滚筒稳定，获得特定角度的投影数据；在进行探测样本激发荧光成像时，设置特定间隔角度(如45°、90度等)探测荧光图像，并在每两步之间控制滚筒稳定。 

数据处理模块，其也位于中央主机10，用于对采集到的CT投影数据和光学CCD相机成像数据分别进行滤波去噪等预处理，然后分别利用FDK算法和光源重建算法得到样本的结构信息和光源分布信息。其实现的功能主要包括： 

对采集到的多角度激发荧光成像模态数据和X射线断层成像模态数据进行平滑降噪等预处理。 

建立光子在成像样品体内的扩散方程传输模型； 

基于CUDA的并行计算重构出生物体内的X射线吸收系数分布图像以及生物体内被激发荧光的光强分布图像； 

对成像样品的解剖结构及其体内的光强分布进行三维绘制。 

所述数据处理模块还根据不同模态的位置信息进行不同模态间的数据融合，获得更加丰富的生物体信息。 

本发明还公开了一种分离式多模融合三维断层成像系统的使用方法。如图2所示，该方法包括： 

步骤1：放置成像样品。将成像样品放置在成像平移式样品承载台9上，再水平向上调整样品台的位置，使成像样品位于旋转转筒中X射线源5与X射线探测板6的成像区域处。由于平移式样品承载台9与旋转转筒1是分离的，故在后续步骤中当旋转转筒1旋转时，成像样品始终保持水平静止。 

步骤2：隔离模态区域。用中央主机10控制转筒中间的可控铅门3，使其关闭，将X射线三维断层成像模态和激发光荧光成像模态用铅门隔离 开来，使得进行CT成像时产生的X射线不会照射到生物激发光成像的区域，从而使不同模态的数据不会互相干扰。 

步骤3：采集X射线三维断层成像数据。用中央主机10控制X射线源5和X射线探测板6的开启，同时给转筒上的旋转转筒驱动电机圆盘4的驱动电机发送工作命令，包括旋转转筒的旋转方向、旋转步长、旋转时间等。此时，X射线源5发出的X射线经过样本并被样本吸收一部分后穿透，X射线探测板就会接收穿透后的X射线的信息，并转换为数字信号传送给中央主机，以备数据处理。 

步骤4：切换系统工作状态。待X射线三维断层成像数据采集完成后，中央主机10发送命令，关闭X射线发射源5以及X射线探测板6。随后发送命令开启转筒中间的可控铅门3，然后发送命令让成像样品承载台9向右运动，使成像样品处于激光器7与相机8之间。然后，控制转筒中心的可控铅门3使其关闭，即包住样本承载台9，可控铅门3留有间隙，关闭时间隙正好通过样本承载台，隔离不同模态区域，并且使得激发荧光成像区有一个黑暗的实验环境，以此隔绝环境光对样本发出荧光的影响。 

步骤5：采集激发荧光成像数据。用中央主机10发送命令使激光器7和相机7开启，并设置旋转转筒驱动电机圆盘4驱动电机的相关参数，如选择方向，选择角度等。然后，旋转旋转转筒1，使用激光器发出的激光照射成像样本，使用相机采集成像样本在不同方位的荧光成像数据，如0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。最后将采集到的图像数据传输到中央主机10上，以备数据处理。 

步骤6：系统状态还原。用中央主机10关闭系统相关的发射源以及探测仪表，打开转筒中间的可控铅门3，向左移走样本承载台，取下样本，关闭实验除中央主机以外的部件。 

步骤7：数据处理。用中央主机(10)对采集到的数据进行处理：首先，对采集到的多角度激发荧光成像模态数据和X射线断层成像模态数据进行平滑降噪等预处理；然后，建立光子在成像样品体内的扩散方程传输模型，重建出样本生物体内被激发荧光的光强分布图像，并利用CT成像算法计算出样本体内的X射线吸收系数分布图像；最后，融合两种模态的图像数据，得到样本的组织细节信息，并且对成像样品的解剖结构及其体 内的光强分布进行三维绘制。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种分离式多模融合三维断层成像系统，其包括：

数据源发射模块：其分别发射X射线和激发光光源对样本进行照射；

数据采集模块：其用于探测经过样本的X射线剂量，以及接受从样本激发出的荧光信息；

控制系统及数据传输模块：其用于控制系统中各模块的有序运转；

数据处理模块：其对采集到的样本成像数据进行处理，三维重建出样本的结构信息和光源分布信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据发射模块包括：

荧光激发光子模块，用于产生激发光照射样品；

X射线源，用于产生X射线扫描样品。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：

生物荧光数据采集子模块，用于采集受激发光照射的样本所发出的荧光信号；

X射线数据采集子模块，用于采集经过样本后的X射线剂量；

平移式样本承载平台，用于承载样本，并且可以受控的平行移动到不同模态测量区域；

旋转滚筒，其用于承载所述数据发射模块、生物荧光数据采集子模块和X射线数据采集子模块，并隔离不同的模态测量区域，使得样品在不同模态测量下免受干扰。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述旋转滚筒左右两端固定有左铅门和驱动电机圆盘，其中部固定有可控铅门；所述驱动电机圆盘可带动所述旋转滚筒转动。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述生物荧光数据采集子模块和X射线数据采集子模块分别位于所述可控铅门的两边，且所述数据采集模块的相应采集子模块与所述生物荧光数据采集子模块和X射线数据采集子模块在竖直方向上相对设置。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制系统及数据传输模块用于控制所述旋转滚筒的旋转和对平移式样本承载平台的前进后退控制；同时实现数据发射模块的开关控制及强度控制，以及生物荧光数据采集子模块和X射线数据采集子模块的开关控制。

7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述不同模态测量包括X射线三维断层成像和激发荧光成像两种；其中X射线三维断层成像，控制系统及数据传输模块控制平移式样本承载平台运动到X射线三维断层成像区，并关闭所述可控铅板，以防止X射线对激发荧光成像区的仪器造成损伤；在激发荧光成像时，控制系统及数据传输模块开启所述可控铅门，平移式样本承载台运动到激发荧光成像区。

8.如权利要求3-7任一项所述的系统，其特征在于，在模态测量时，通过转动所述旋转滚筒，从多角度采集样本的成像数据。

9.如权利要求1-7任一项所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块实现的功能包括：

对采集到的成像数据进行平滑降噪等预处理；

建立光子在样品体内的扩散方程传输模型；

基于CUDA的并行计算重构出样本对X射线的吸收系数分布图像以及样本被激发荧光的光强分布图像；

对样本的解剖结构及其内部的光强分布进行三维绘制。

10.一种分离式多模融合三维断层成像方法，其包括：

步骤1、将放置有样品的平移式样品承载台平移至旋转滚筒的X射线三维断层成像区域；

步骤2、使用可控铅门隔离所述X射线三维断层成像区域与其它成像区域；

步骤3、开启X射线源和X射线探测板，使得X射线源发射X射线至样品，并由X射线探测板采集经过样品后的X射线剂量；其中，所述X射线源和X射线探测板位于所述X射线三维断层成像区且对准所述样品；

步骤4、关闭X射线源和X射线探测板，打开可控铅门，平移所述平移式样品承载台，使得样品位于激发荧光成像区；

步骤5、关闭可控铅门，使得激发荧光成像区与其它成像区隔离；

步骤6、打开荧光激发光子模块和生物荧光数据采集子模块，并旋转旋转转筒，使得荧光激发光子模块发出的激光照射样品，并使用生物荧光数据采集子模块从不同方位采集样本发出的荧光；其中，所述荧光激发光子模块和生物荧光数据采集子模块位于激发荧光成像区且对准所述样品；

步骤7、将采集到的程序数据传送至数据处理模块进行处理。

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