CN103654730A - 一种基于led光源的荧光分子成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED光源的荧光分子成像系统及其成像方法。本发明的LED荧光分子成像系统包括：光源装置、动物床、成像装置和计算机图像处理系统；其中，光源装置包括光源、光源架、开关组、激发光滤波片组和透镜；光源采用LED，包括多组不同发光波长的LED阵列；每一组LED阵列连接至开关组。本发明的光源采用多组不同发光波长的LED阵列，制作工艺简单，价格低廉，可以根据需要轻易切换不同波长的LED阵列以实现对不同荧光物质的激发；首次提出了以LED作为透射式荧光分子成像系统和荧光分子断层成像系统的激发光源，该成像系统结构简单，不需光纤传导激发光，因而能够更加高效地进行荧光分子断层成像。

Description

一种基于LED光源的荧光分子成像系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及生物医学成像领域，具体涉及一种基于LED光源的荧光分子成像系统及其成像方法。

背景技术

荧光分子成像系统一般主要包括光源、光纤、透镜、滤波片、载物台、CCD相机、暗箱、PC图像处理软件、电机等。从工作方式看，荧光分子成像系统可以分为平面成像和断层成像两种工作方式。平面成像方式根据光源和探测器的几何位置又可以分为反射式荧光成像（Epi-illumination Imaging）和透射式荧光成像(Transillumination Imaging)，而断层成像主要为荧光分子断层成像（Fluorescence Molecular Tomography，FMT）。FMT是一项根据光的散射和吸收特性，利用激发光和被测样本的出射荧光信息以重建特异性荧光物质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。

现有的荧光分子成像系统光源主要有汞灯、卤钨灯、氙灯、激光等，它们均存在不足之处。汞灯、卤钨灯和氙灯都属于宽谱光源，为使有效激发波段达到足够激发功率，总的发光功率就得很大，这就导致发热量也特别高，不仅能量利用率很低，还可能烧毁光纤或者影响周围设备正常运作，因而需要特定的散热系统。激光光源单色性好，可分为激光器和激光二极管两种，激光器体积庞大，可变波长系统价格极其昂贵，而激光二极管对驱动电源的要求较高。以上常规激发光源除了价格昂贵之外，还有一个共同的不足之处，那就是一般都得采用光纤传输激发光，导致整套系统结构复杂。尤其是在荧光分子断层成像中，当激发光源相对小动物旋转时，受光纤长度和传输效率的限制，每旋转360度又必须回复原位，这极大地影响了FMT成像效率。

随着高功率LED技术的快速发展，LED有望成为荧光分子成像系统新的激发光源。在国外，X-Cite公司已经将LED作为荧光显微镜光源商业化，华盛顿大学西雅图校区有研究组研制了一台利用四种LED合成特定激发光谱的荧光系统激发光源，波士顿大学的Sylvain Gioux验证了高功率LED可以为猪等大动物模型的近红外荧光介导手术提供良好的照明效果，而由Biocompare代理Spectral Instruments Imaging公司设计的SPECTRAL Ami Advanced MolecularImage系统和SPECTRAL Lago Molecular Image系统就是以多波长LED阵列为照明系统的荧光成像系统。在国内，华中科技大学骆清铭教授所在团队将LED灯的光谱和光通量与汞灯进行了比较,并且设计了基于大功率LED灯的反射式在体荧光成像系统。但是上述系统仅能进行反射式荧光成像，而不能进行透射式荧光成像和荧光分子断层成像。就目前而言，尚未任何研究团队或者公司提出以LED作为激发光源的荧光分子断层成像系统。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于LED光源的荧光分子成像系统，为荧光分子成像激发光源提出了一种新的解决方案。

本发明的一个目的在于提供一种基于LED光源的荧光分子成像系统。

本发明的LED荧光分子成像系统包括：光源装置、载物台、成像装置和计算机图像处理系统；光源装置向载物台发出激发光，激发载物台内的荧光物质发出荧光，由成像装置接收，成像装置连接至计算机图像处理系统；其中，光源装置包括光源、光源架、开关组、激发光滤波片组和透镜；光源采用LED，设置在光源架上，包括多组不同发光波长的LED阵列；每一组LED阵列对应一个发光波长；作为激发光源的LED阵列位于光轴上；每一组LED阵列连接至开关组。

光源发出激发光，经过激发光滤波片组，再经过透镜汇聚，激发在载物台上的被测体内的荧光物质发出荧光，由成像装置接收，将光信号转换成电信号传输至计算机图像处理系统。

光源包括多组不同发光波长的LED阵列，每一组LED阵列连接至开关组，开关组中开关的数量与LED阵列的数量相对应，每一组LED阵列连接至一个开关，通过选择开关组中的开关闭合，选择一组LED阵列作为激发光源，并且将此组LED阵列移动至光轴上。根据在被测体内的所需激发的荧光物质，通过开关的闭合实现不同波长的LED阵列之间的切换，开关组选择相应发光波长的一组LED阵列，从而针对不同的荧光物质采用相应发光波长的LED阵列作为激发光源，激发光滤波片组选择相应波长的滤波片，从而所需波长的激发光照射到被测体上，激发荧光物质发出荧光。

普通的光源供电系统庞大，而且需要光纤传导，这样在光源相对被测体进行旋转时，还需要考虑光纤旋转的问题。本发明采用LED作为激发光源，LED不需要连接光纤，也不需要连接复杂的供电系统，这样就避免了光纤和电线在光源旋转时的连接问题，而且LED作为激发光源，环保无污染，也不会在发光时产生大量的热，保证了实验人员和仪器的安全。

但是现有的LED作为激发光源，由于LED的功率较低，单个LED作为激发光源不足以激发荧光物质发出能够进行观测的荧光，因此采用多个相同发光波长的LED形成LED阵列，作为激发光源；并采用透镜进行聚焦，透镜包括第一透镜和第二透镜，焦距分别为f₁和f₂；第一透镜将LED的发散光聚焦成平行光，第二透镜将多个LED的平行光汇聚；透镜根据需要选择圆形凸透镜或者柱透镜，当将激发光源汇聚成点光源时选择圆形凸透镜；当将激发光源汇聚成线光源时选择柱透镜。当采用线光源激发荧光物质时，如果简单地将多个LED排成一个单排，无法明显提高一个点的激发光的光强，因此，将多个相同发光波长的LED排成多排，每一组LED阵列中的各排LED互相平行，从而增加激发光源的能量。多排LED芯片之间存在间距，因此采用透镜，将多排LED汇聚成一条线光源；第一透镜和第二透镜采用柱透镜，焦距分别为f₁和f₂，当足够小时即可认为是一条足够细的线光源，通常认为当宽度小于1mm时就实现了激发光的汇聚，并达到FMT系统所需的激发光源能量的要求。当采用其他形状的激发光源来激发荧光物质时，每组LED阵列也可根据需要排成相应的形状，例如需要用点光源来激发荧光物质时，可以将多个相同发光波长的LED排列成一个位于同一个平面内的阵列，阵列所在的平面垂直于光轴，阵列的形状为规则图形，如正方形阵列、圆形阵列、三角形阵列和六边形阵列等；再通过凸透镜聚焦成能量足够的点光源即可；作为激发光源的LED阵列的中心位于光轴上。

光源装置进一步包括灯罩，光源、光源架、激发光滤波片组和透镜设置在灯罩内，灯罩在面向载物台的一侧设置有狭缝，光源发出的激发光经过相应的滤波片，再通过透镜，然后经过灯罩的狭缝照射在被测体上激发荧光物质发出荧光。

载物台为透明管，用于放置实验的测试体。

成像装置包括CCD相机和荧光滤波片组，荧光滤波片组置于CCD相机前端，可选择与荧光物质相应的荧光滤波片，则激发光和其他背景光将被滤波片滤除，而特定的荧光通过滤波片被CCD相机记录并储存在计算机中。

为实现对被测体的全部信息的采集，被测体需相对光源装置和成像装置进行360度的旋转，而拍摄角度由重建精度确定。这种相对的360度旋转可以通过两种方式实现：一种是载物台连接至360度旋转的步进电机或伺服电机，电机控制载物台做360度的旋转，带动载物台内的被测体绕着旋转轴旋转，而光源装置和成像装置保持不动，从而实现采集被测体360度的荧光分布信息；另一种是光源装置和成像装置连接至电机，电机控制光源装置和成像装置同步旋转，二者之间保持相对静止并同时绕着旋转轴旋转，而载物台和被测体保持不动，从而实现采集被测体360度的荧光分布信息。

计算机图像处理系统实现CCD所得数据的图像可视化，并且实现特征提取、图像融合、三维重建等功能。

本发明进一步包括暗箱，光源装置、载物台和成像装置放置在暗箱内，通过导线、数据线等与控制系统和计算机图像处理系统交换信息，此外还可以通过开关暗箱的门来进行安放测试体等操作。

本发明的荧光分子成像系统，载物台位于光源装置和成像装置之间，三者位于同一条光轴上，可同时实现透射式荧光分子成像和荧光分子断层成像，而将光源装置和成像装置位于载物台同侧时，也可进行反射式荧光分子成像。

本发明的另一个目的在于提供一种基于LED光源的荧光分子成像系统的成像方法。

本发明的LED荧光分子成像方法，包括以下步骤：

1）确定被测体内的荧光物质；

2）根据被测体内的荧光物质，控制开关组选择光源中相应发光波长的一组LED阵列作为激发光源，激发光滤波片组采用相应波长的滤波片；

3）光源发出激发光，经过激发光滤波片组，再经过透镜汇聚，激发在载物台上的被测体内的荧光物质发出荧光；

4）成像装置中选择与发出的荧光相应的荧光滤波片，同时调节CCD相机的焦距使成像物体在CCD相机中形成清晰的图像；

5）控制载物台相对于光源装置和成像装置做360度的旋转，从而实现采集被测体360度的荧光分布信息；

6）荧光经荧光滤波片组，反射的激发光将被滤波片滤除，而荧光则能透过滤波片被CCD相机记录；

7）CCD相机采集到成像物体表面360度的荧光分布信息后传输至计算机图像处理系统，计算机图像处理系统实现荧光分子断层的三维重建，从而得到荧光物质在被测体体内的浓度分布信息。

本发明的优点：

本发明的光源采用多组不同发光波长的LED阵列，制作工艺简单，价格低廉，可以根据需要轻易切换不同波长的LED阵列以实现对不同荧光物质的激发，同时可通过LED数量和功率大小等来调节CCD采集时间，还可根据成像区域的特点构建特定形状的LED阵列以产生不同形状的激发光源；首次提出了以LED作为透射式荧光分子成像系统和荧光分子断层成像系统的激发光源，该成像系统结构简单，不需光纤传导激发光，因而能够更加高效地进行荧光分子断层成像。

附图说明

图1为本发明的LED荧光分子成像系统的光轴沿水平方向的结构示意图；

图2为本发明的LED荧光分子成像系统的一个实施例的光源装置的结构示意图；

图3为本发明的LED荧光分子成像系统的一个实施例的多组LED阵列的结构示意图，其中（a）为主视图，（b）为侧视图；

图4为本发明的LED荧光分子成像系统的一个实施例的多组LED阵列与开关组连接的电路图；

图5为本发明的LED荧光分子成像系统的一个实施例的透镜汇聚的原理图；

图6为本发明的LED荧光分子成像系统的光轴沿竖直方向的结构示意图；

图7为本发明的LED荧光分子成像系统的一个实施例的暗箱的结构示意图；

图8为本发明的LED荧光分子成像系统的光源架为扇形的结构示意图；

图9为本发明的LED荧光分子成像系统的光源架为圆形的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例的LED荧光分子成像系统包括：光源装置1、载物台2、成像装置3和计算机图像处理系统4；载物台2位于光源装置1和成像装置3之间，三者位于同一条光轴上，成像装置3连接至计算机图像处理系统4。成像装置3包括CCD相机31和荧光滤波片组32，荧光滤波片组32置于CCD相机31前端。

载物台2为透明管，被测体例如麻醉的小白鼠置于载物台2中。在采样时若是载物台2旋转，则需选择合适管径的载物台以防止被测体在实验过程中体位发生变化，若是光源装置1和成像装置3旋转，则对载物台2的管径无特殊要求，以可以容纳被测体为宜。

如图2、3和4所示，本实施例的光源装置1包括光源11、光源架12、开关组13、激发光滤波片组14、透镜15和16、灯罩17和灯罩上的狭缝18。

如图3所示，光源11包括多组不同发光波长的LED阵列111，光源11设置在光源架12上。光源架12为圆筒形，LED阵列沿着与圆筒形的轴线平行的方向排列，圆筒形的光源架的轴线垂直于光轴。每一组LED阵列111中的多个LED的波长相同，各组LED阵列平行排列；每一组LED阵列111连接至开关组13。开关组中开关的数量与LED阵列的数量相对应，每一组LED阵列连接至一个开关，通过选择开关组中的开关闭合，选择一组LED阵列作为激发光源。在本实施例中，包括六组LED阵列，每一组LED阵列包含多个排成两排的波长相同的LED（LED1～LED6），LED1～LED6的波长分别为460nm、560nm、580nm、650nm、710nm和770nm；相应地，开关组具有六个开关S1～S6。通过开关的闭合实现不同波长的LED阵列之间的切换，从而针对不同的荧光物质采用相应波长的LED阵列作为激发光源。LED阵列111与开关组13的电路连接图如图4所示。LED阵列可以通过固定在该阵列边上的蓄电池或者直流电源供电，打开开关后LED阵列产生激发光。开关组控制各组LED阵列之间的切换可通过旋转光源架杆手动旋转切换所选择的LED阵列111，并将所选择的LED阵列导通并移动至光轴，也可在光源架上安装微型电机以实现电动控制旋转切换所选择的LED阵列111。

如图5所示，一组LED阵列中的两排LED之间的距离为d₁，这个间距主要是因为LED芯片封装好后一般为一个直径5mm的近似圆柱体；透镜包括第一透镜15和第二透镜16，焦距分别为f₁和f₂。每一个LED作为一个点光源，发出的光为发散光，将LED放在第一透镜的焦点处，经第一透镜将发散光变成平行光。对于多个成排LED阵列，透镜采用柱透镜，柱透镜为圆柱的一部分，圆柱的轴线平行于圆筒形光源架的轴线，并垂直于光轴，每一组LED阵列沿平行于柱透镜的轴线方向排列。当作为激发光源的LED阵列位于第一透镜的焦点处并且阵列的中心位于光轴上时，激发光经过第一透镜后将成两束夹角为

的平行光线，这两束平行光线经过第二透镜后，在第二透镜的焦距处会呈现两条相距的线光源，当

足够小时，即通常认为当d₂小于1mm时便可认为是一条足够细的线光源，这样就实现了激发光的汇聚。透镜根据需要选择圆形凸透镜或者柱透镜，当将激发光源汇聚成点光源时选择圆形凸透镜；而将激发光源汇聚成线光源时选择柱透镜。透镜的焦距通常在厘米量级，在本实施例中，f₁为10cm，f₂为2cm，则

可认为是一条足够细的线光源。

光源装置1、载物台2和成像装置3位于同一条光轴上，光轴可以沿水平方向，也可以沿竖直方向。光轴沿水平方向的示意图如图1所示，在图1中，光轴沿水平方向，则旋转轴沿竖直方向，载物台2绕着竖直轴旋转或者是光源装置1和成像装置3相对静止一起绕着竖直轴旋转。光轴沿竖直方向的示意图如图6所示，在图6中，光轴沿竖直方向，则旋转轴沿水平方向，载物台2绕着水平轴旋转或者是光源装置1和成像装置3相对静止一起绕着水平轴旋转。

图7为暗箱的结构示意图。暗箱内可以设置光源装置、载物台、电机、CCD相机等装置，还可以通过导线、数据线等与控制系统和计算机图像处理系统交换信息，此外还可以通过开关暗箱的门来进行安放被测体等操作。

本发明的光源架12还可以采用圆形或圆形的一部分（扇形）。如图8所示，光源架12为扇形，光源架所在的平面垂直于光轴，各组LED阵列位于通过圆心的直线上。LED阵列111安装在光源架12上，开关组13采用单刀多掷开关。当选定一组LED阵列作为激发光源时，旋转光源架12，将此组LED阵列的中心移动至光轴上，并连接此组LED阵列所对应的开关的端点。

本发明的光源架12还可以为平板状，各组LED平行排列，并且垂直于光轴。选定一组LED阵列作为激发光源时，移动平板状的光源架，将此组LED阵列移动至光轴。

本发明的光源装置1中的每组LED阵列还可以根据需要换成其他规则形状的LED阵列，例如正方形阵列、圆形阵列、三角形阵列和六边形阵列。图9为LED阵列111排列成圆形阵列，光源架12为圆形的示意图。

本实施例的可切换式荧光分子成像方法，包括以下步骤：

1）确定被测体内的荧光物质，GFP荧光分子探针；

2）根据被测体内的荧光物质，控制开关组选择光源中相应发光波长的一组LED阵列作为激发光源，激发光滤波片组采用相应波长的滤波片；

3）光源发出激发光，经过激发光滤波片组，再经过透镜汇聚，激发在载物台上的被测体内的荧光物质发出荧光；

4）成像装置中选择与发出的荧光相应的荧光滤波片，同时调节CCD相机的焦距使成像物体在CCD相机中形成清晰的图像；

5）控制载物台相对于光源装置和成像装置做360的旋转，从而实现采集被测体360度的荧光分布信息；

6）荧光滤波片组根据发出的荧光选择相应的滤波片，荧光经荧光滤波片组，反射的激发光将被滤波片滤除，而荧光则能透过滤波片被CCD相机记录；

7）CCD相机采集到成像物体表面360°的荧光分布信息后传输至计算机图像处理系统，计算机图像处理系统实现荧光分子断层的三维重建，从而得到荧光物质在被测体体内的浓度分布信息。

其中，步骤5）中，载物台相对光源装置和成像装置进行360度的旋转可以通过两种方式实现：一种是载物台连接至电机，电机控制载物台做360度的旋转，带动载物台内的被测体绕着旋转轴旋转，而光源装置和成像装置保持不动，从而实现采集被测体360度的荧光分布信息；另一种是光源装置和成像装置连接至电机，电机控制光源装置和成像装置同步旋转，二者之间保持相对静止并同时绕着旋转轴旋转，而载物台和被测体保持不动，从而实现采集被测体360度的荧光分布信息。

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LED荧光分子成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：光源装置（1）、载物台（2）、成像装置（3）和计算机图像处理系统（4）；所述光源装置（1）向载物台（2）发出激发光，激发载物台内的荧光物质发出荧光，由成像装置（3）接收，所述成像装置（3）连接至计算机图像处理系统（4）；其中，所述光源装置（1）包括光源（11）、光源架（12）、开关组（13）、激发光滤波片组（14）和透镜；所述光源（11）采用LED，设置在光源架（12）上，包括多组不同发光波长的LED阵列（111）；每一组LED阵列对应一个发光波长；作为激发光源的LED阵列位于光轴上；每一组LED阵列（111）连接至开关组（13）。

2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述每一组LED阵列包括多个相同发光波长的LED形成LED阵列；并采用透镜进行聚焦，透镜包括第一透镜和第二透镜；第一透镜将LED的发散光聚焦成平行光，第二透镜将多个LED的平行光汇聚；透镜根据需要选择圆形凸透镜或者柱透镜，当将激发光源汇聚成点光源时选择圆形凸透镜；当将激发光源汇聚成线光源时选择柱透镜。

3.如权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述多个相同发光波长的LED排成多排，每一组LED阵列中的各排LED互相平行；第一透镜和第二透镜采用柱透镜；柱透镜为圆柱的一部分，圆柱的轴线垂直于光轴，作为激发光源的LED阵列位于第一透镜的焦点处，沿平行于柱透镜的轴线方向排列，并且中心位于光轴。

4.如权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述多个相同发光波长的LED排列成一个位于同一个平面内的阵列，阵列所在的平面垂直于光轴，阵列的形状为规则图形；作为激发光源的LED阵列的中心位于光轴上。

5.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光源架（12）为圆筒形，圆筒形的光源架的轴线垂直于光轴。

6.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光源架（12）为圆形或圆形的一部分，光源架（12）所在的垂直于光轴，各组LED阵列位于通过圆心的直线上，开关组采用单刀多掷开关。

7.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光源装置（1）进一步包括灯罩（17），光源、光源架、激发光滤波片组和透镜设置在灯罩（17）内，所述灯罩（17）在面向载物台（2）的一侧设置有狭缝（18）。

8.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，进一步包括暗箱，所述光源装置、载物台和成像装置放置在暗箱内。

9.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述载物台位于光源装置和成像装置之间，三者位于同一条光轴上；或者光源装置和成像装置位于载物台同侧。

10.一种LED荧光分子成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）确定被测体内的荧光物质；

2）根据被测体内的荧光物质，控制开关组选择光源中相应发光波长的一组LED阵列作为激发光源，并将此组LED阵列移动至光轴上，激发光滤波片组采用相应波长的滤波片；

3）光源发出激发光，经过激发光滤波片组，再经过透镜汇聚，激发在载物台上的被测体内的荧光物质发出荧光；

4）成像装置中选择与发出的荧光相应的荧光滤波片，同时调节CCD相机的焦距使成像物体在CCD相机中形成清晰的图像；

5）控制载物台相对于光源装置和成像装置做360度的旋转，从而实现采集被测体360度的荧光分布信息；

6）荧光经荧光滤波片组，反射的激发光将被滤波片滤除，而荧光则能透过滤波片被CCD相机记录；

7）CCD相机采集到成像物体表面360度的荧光分布信息后传输至计算机图像处理系统，计算机图像处理系统实现荧光分子断层的三维重建，从而得到荧光物质在被测体体内的浓度分布信息。

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