CN103720459A - 一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置及方法，属于荧光分子断层成像技术领域。所述装置包括滑环供电模块、无线控制激发光扫描模块、旋转镜模块、光学采集模块和推拉式载物台模块。激发光扫描模块中激光管发出的激光光束进入二维扫描振镜，在无线数据传输模块的控制下，振镜发生偏转并反射激光束，使之直接投射到载物台上的成像物体上。成像物体激发出的荧光经过旋转镜模块的折转光路进入光学采集模块，被光学采集模块采集。本发明采用无线控制激发光扫描的方式，避免了控制信号线的使用，因而不存在旋转带来的信号线缠绕的问题，减少了滑环的使用，降低了系统的设计复杂度，并减小了系统的尺寸。

Description

一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置及方法

技术领域

本发明属于荧光分子断层成像技术领域，具体涉及一种基于单滑环和无线控制发光扫描的荧光分子断层成像装置及方法。

背景技术

荧光活体成像能够在活体层次上观察分子和细胞级别的生物活动，因而得到了广泛的关注和发展。荧光分子断层成像（Fluorescence molecular tomography,FMT）的目标是从表面检测荧光光子来准确定位和定量荧光探针在成像物体内部的分布，成为了近年来的研究热点。在这种方法中，在一侧，激发光点（某个波长的激光）在成像物体表面的不同位置进行扫描。进入成像物体内的激发光激发其体内的荧光团发出荧光。在另一侧，表面出射的荧光和激发光分别被探测器相应检测到。基于在大批量的光源-检测对上获取的原始信号，结合光子传播的数学模型，可以重建出荧光探针三维分布。

荧光分子断层成像的性能高度依赖于其相应的图像采集系统的设置，而全角度扫描已被证明能大幅度提高成像质量。2007年，N.Deliolanis等首次提出了全角度采集的荧光分子断层成像方法（Free0space fluorescence molecular tomography utilizing360°geometry projections.Optics Letters,2007,32(4):3820384），能够在360度的角度范围内的多个角度采集图像，提高了光源-检测点对数，获取了更多的有效信息，大幅度改善了FMT的图像分辨能力。为了简单，成像系统通过固定架将成像物体悬挂在一个旋转台上以实现全角度图像采集。然而，这种情况下，成像物体并不是处于其自然态，在一些生物学现象的应用上值得商榷。同时，成像物体的悬挂复杂耗时，降低了系统的成像通量。另外，为了避免成像物体内部器官的扭曲，旋转台的旋转速度通常不能很快，限制了系统的成像速度的提高，限制了它在一些快速的生物现象的观察上应用。C.Li等提出了一种基于锥形镜的FMT成像系统（Athree0dimensional multispectral fluorescence optical tomography imaging system for small animalsbased on a conical mirror design.Optics Express,2009,17(9):757107585）。这个系统，利用锥形镜能够一次观察成像物体的360度方向的表面，并利用一对光学扫描振镜实现激发光的位置扫描。在该成像系统下，成像物体不用被旋转。但是，该系统有以下局限：1)只有一小部分的相机检测区域被有效用于检测信号，使得其效率比较低，原始信号的分辨能力也较低;2)锥形镜使得成像有离焦现象，模糊了原始图像。这些局限均使得该全角度系统的空间分辨能力有所损失。公开号为CN102961122A的专利文献公开了一种基于旋转镜的FMT成像装置，该成像装置避免了成像物体悬挂旋转、成像离焦等缺点，并且其旋转运动部件无导线连接，不存在导线缠绕问题，实现了360°全角度成像，提高了成像分辨力。然而，这个装置存在以下局限。首先，该系统光路设计时，为求较好的成像效果，光学元件需要间隔一定的空间距离。虽然使用了大平面反射镜折转光路，但是装置所占用的空间还是比较大；其次，该装置无法实现推拉式的成像物体放置方式，成像物体放置时操作者容易触碰到反射镜等光学部件，影响操作安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的全角度荧光分子成像装置和方法。该成像装置能够对成像物体内的荧光探针的分布进行在体探测，可以用于成像物癌症检测、药物开发等领域。该成像装置能够实现真正的360°全角度成像，得到断层成像所需要的大量数据，提高成像质量。基于滑轨的推拉式载物台模块的设计使得成像物体的放置方便、快捷、安全，并且成像物体无需悬吊，处于其自然状态，方便生物医学应用。基于无线控制的激发光扫描模块设计避免了信号传输线的使用，因而系统中只存在两根可能缠绕的导线（电源和地），利用单个滑环即可解决旋转带来的导线缠绕问题，简化了系统结构和设计。

本发明提供的基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置包括：滑环供电模块、无线控制激发光扫描模块、旋转镜模块、光学采集模块和推拉式载物台模块。在激发光扫描模块中，激光管发出的激光光束进入二维扫描振镜，在无线数据传输模块的控制下，振镜发生偏转并反射激光束，使之直接投射到载物台上的成像物体上。成像物体激发出的荧光经过旋转镜模块的折转光路进入光学采集模块，被光学采集模块采集。其中，无线控制激发光扫描模块由固定于转盘上的滑环供电模块的转子端引出的两根导线供电。

本发明具有如下优点：

1、本发明提出的无线控制激发光扫描的方式，避免了控制信号线的使用，因而不存在旋转带来的信号线缠绕的问题，减少了滑环的使用，降低了系统的设计复杂度，并减小了系统的尺寸。

2、本发明的旋转镜模块使得无需旋转探测器，即可实现全角度扫描，具有成像质量高、系统复杂度小、成像方便的优点。

3、本发明的基于滑轨的推拉式载物台设计使得成像物体的装载方便和简单，并且装载过程中操作者不存在接触旋转镜和转轮的可能性，提高了操作方便性，并避免了误操作带来的人员伤害和设备损坏。

附图说明

图1为本发明提出基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置的整体结构示意图；

图2为本发明中滑环供电模块的结构示意图；

图3为本发明中旋转镜模块的结构示意图；

图4A和图4B为本发明中基于无线控制激发光扫描模块的结构示意图；

图5为本发明中滑轨和载物台的结构示意图；

图6为本发明中无线数据指令传输示意图。

图中：

1.滑环供电模块； 2.无线控制激发光扫描模块；      3.旋转镜模块；   4.光学采集模块；

5.推拉式载物台模块；              101.转子；     102.定子；       103.过孔；

104.销钉；       201.无线数据传输模块；          202.机箱；       203.一维振镜x；

204.一维振镜y；  205.激光管；     301.转盘A；    302.转轮支架A；  303.套筒A；

304.反射镜A；    305.转盘B；      306.反射镜B；  307.反射镜C；    308.连杆；

309.转轮支架B；  310.步进电机；   311.同步带轮A；                 312.同步带；

313.同步带轮B；  314.套筒B；      501.滑轨；     502.载物台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容进行具体说明。

本发明提出一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子成像装置，如图1所示。所述的成像装置包括滑环供电模块1、无线控制激发光扫描模块2、旋转镜模块3、光学采集模块4、推拉式载物台模块5。

如图4所示，所述的无线控制激发光扫描模块2包括一个激光管205、外部机箱202和内部的二维振镜及无线数据传输模块201。所述的二维振镜包括一维振镜x203和一维振镜y204，两振镜镜片中心在一条与机箱202顶部平行的直线上，并且所述两振镜转轴垂直。一维振镜x203的偏转可以实现激光在x方向的扫描，一维振镜y204偏转可以实现激光在y方向的扫描，二者的共同作用可以实现二维振镜对成像载物台的二维精细扫描。机箱202为正方体或者长方体结构，其中一个侧面加工有一个激光管205的接口。激光管205通过螺纹配合，可以紧固于机箱202外部。所述一维振镜x203固定在机箱202顶面，一维振镜y204固定在与激光管205相对的机箱202侧面上。一维振镜x203和一维振镜y204的偏转是由相应的驱动电路控制的，初始位置时一维振镜x203以及一维振镜y204与水平面呈45°。如图6所示，上位机通过无线数据传输模块201（包括发送端和接收端）通信，实现对振镜驱动电路的控制。控制指令从上位机经无线数据传输模块201到达振镜驱动电路，驱动一维振镜x203和一维振镜y204偏转到设定角度。激光管205出射的圆形准直光束水平的直射入一维振镜x203的镜片中心，而后通过一维振镜x203、一维振镜y204的偏转，改变方向，通过机箱202下表面的出射孔投射到预定的载物台位置。

激发光扫描模块2的供电通过滑环供电模块1实现，如图1和图2所示，滑环供电模块1包括过孔滑环及相应的电力线。过孔滑环的过孔103与旋转镜模块3中的转轮套筒A303同轴，过孔滑环的转子101通过销钉104与转轮套筒A303外壁紧固，这样过孔滑环的转子101就随着转轮套筒A303一同转动，进而实现与激发光扫描模块2协调运动。由转子101引出的电力线与无线控制的激发光扫描模块2的电源端口连接，实现直流供电(如12V和地)。过孔滑环的定子102引出的电力线沿着转轮支架A302与插线板连接。

所述的推拉式载物台模块5包括载物台502和滑轨501，载物台502是一个“Γ”型支撑机械件，该机械件底端与滑轨501固定，用于承载成像物体。滑轨501的滑块可以在其轨道上自由运行。实验时，通过手动或电机驱动滑轨501的运行，就可以方便将成像物体推送到预定的成像部位。本发明实施例中将所述的滑轨501的轨道设置在转轮支架A302的底端，轨道长度满足载物台502的移动，载物台502能够到达需要的位置。

如图3所示，所述的旋转镜模块3由转轮支架A302、转轮支架B309、转盘A301、转盘B305、反射镜A304、反射镜B306、套筒A303、套筒B314和连杆308构成，所述套筒A303与转盘A301同轴，固定在转盘A301外侧面；套筒B314与转盘B305同轴，固定在转盘B305外侧。转盘A301和转盘B305之间通过连杆308连接，实现转盘A301和转盘B305的同步转动。所述转轮支架A302、转轮支架B309是支撑转轮系统部件，安装于光学平台。套筒A303和套筒B314分别通过轴承与转轮支架A302和转轮支架B309连接。转盘A301中央有一圆形通孔，套筒A303一端通过所述圆形通孔与转盘A301固定连接，并与转盘B305同轴。套筒A303中央圆形通孔是载物台502进出通道。左边转盘A301内侧面，如图1所示，圆形通孔的正上方固定有无线控制的激发光扫描模块2，正下方有一个与转盘转轴呈45°的反射镜A304，反射镜A304反射面朝上，该反射镜A304通过胶合方式与转盘A301保持固定的相对位置关系。所述反射镜A304镀银或镀铝，对光有高的反射效率。右边转盘B305在与左边转盘A301上反射镜A304相对应的位置亦有一个完全相同的反射镜B306。该反射镜B306与转盘转轴呈45°，反射面朝上，但是反射面垂直于左边反射镜A304的反射面，这样光路经过两个反射镜的反射后，实现180°折转。右边转盘B305的中心圆形通孔前方有一个与正下方45°反射镜B306平行的反射镜C307，光路经过该反射镜C307的作用，将以水平方向通过套筒B314，被套筒B314出口处的光学采集模块4采集到。右边转轮支架B309上固定一个步进电机310，该步进电机310的输出轴通过联轴器与一个外径较小的同步带轮A311同轴联接。步进电机310的转动将带动该同步带轮A311的转动。所述的右边转盘B305上的套筒B314的一端套有一个外径较大的同步带轮B313，同步带轮B313与套筒B314通过一个平键联接，实现同步转动。两个同步带轮之间通过一个同步带312传递动力。步进电机310的运行受成像装置控制系统的控制，而该控制系统又通过串行接口接受上位机的控制。通过这种控制方式，该系统将按照预定的方式运行、成像。所述的光学采集模块4包括一个相机和必要附属件。相机通过PCI通信卡与上位机进行数据通信。

基于以上所述的成像装置，本发明还提出一种成像方法，具体实现方式如下：

步骤一，实验准备。

实验准备的内容包括准备试验用成像物体，并在成像物体内包埋荧光分子探针。开启旋转镜模块3、光学采集模块4、无线控制的激发光扫描模块2等设备，对这些设备预热5分钟。将成像物体以合适的方式安装于载物台502上，推动滑轨501，成像物体连同载物台502将通过转轮套筒A303，达到合适的成像位置。

步骤二，确定图像采集方案。

图像采集方案内容包括确定投影角度数目、相邻投影角度之间隔以及在每个投影角度扫描方式。通常，投影角度均匀分布于360°范围内。例如，投影数目是18时，相邻投影角度间隔为20°。其次，还需要确定每个投影角度的扫描方式，具体内容包括确定投影点个数及相应点的坐标，并生成配置文件。一般地，为得到比较好的成像效果，就需要更多的原始数据，也即在每个投影角度，就需要投射多个点。

步骤三，投射激光到预定位置。

打开上位机，导入步骤二得到的配置文件，并打开控制器。控制器按照上位机指令通过驱动步进电机310以实现对旋转镜模块3运行的控制。配置文件是实验人员根据实验方案制作文本文件，该文件包含实验过程成像参数。上位机解析配置文件，得到具体成像参数后，向控制器模块发出运转指令，控制器将根据指令向步进电机310驱动器发出运行指令，驱动器驱动步进电机310转动，进而使得旋转镜模块3运行到特定角度。按照解析配置文件得到的成像参数，上位机可以计算出对应的一维振镜x203和一维振镜y204的偏转角度以及对应的电压值。上位机通过计算机和激发光扫描模块2上的无线数据传输模块201，向振镜发出偏转指令（角度和电压）。无线数据传输模块201接收的数据后，传递到激发光扫描模块2里面的振镜驱动电路上，驱动振镜按照预定的方式偏转。激光管205发出的激光经过二维振镜的折转，将投射到预定位置的成像物体上。

步骤四，采集数据。

激光投射到成像物体后，进入成像物体的体内，并和成像物体内的荧光探针作用，激发荧光探针发出荧光。成像物体发出的荧光经过反射镜A304、反射镜B306、反射镜C307的连续反射，最终被光学采集模块4采集得到。光学采集模块4采集到图像后，将通过PCI采集卡上传到计算机。计算机得到图像数据后，上位机软件将控制成像系统按照预定的采集方案继续运行，并转到步骤三。

步骤五，重复进行步骤三、步骤四，得到一系列成像物体荧光分子断层成像数据和激发光成像的数据。

步骤六，结束。

当所提出的成像系统按照上位机指令完成所有数据采集后，关闭旋转镜模块3、激发光扫描模块2和光学采集模块4，并将推拉式载物台模块5上滑轨501归位。

Claims (6)

1.一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置，其特征在于：所述的成像装置包括滑环供电模块、激光扫描模块、旋转镜模块、光学采集模块和推拉式载物台模块；激发光扫描模块中的激光管发出的激光光束进入二维扫描振镜，在无线数据传输模块的控制下，振镜发生偏转并反射激光束，使之直接投射到推拉式载物台模块上的成像物体上；成像物体激发出的荧光经过旋转镜模块的折转光路进入光学采集模块，被光学采集模块采集；其中，激发光扫描模块由固定于旋转镜模块上的滑环供电模块的转子端引出的两根导线供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置，其特征在于：所述的无线控制的激发光扫描模块包括一个激光管、机箱、机箱内部的二维振镜及无线数据传输模块；所述的二维振镜包括一维振镜x和一维振镜y，两振镜镜片中心在一条与机箱顶部平行的直线上，并且所述两振镜转轴垂直；一维振镜x的偏转实现激光在x方向的扫描，一维振镜y偏转实现激光在y方向的扫描，二者的共同作用实现二维振镜对成像载物台的二维扫描；机箱为正方体或者长方体结构，其中一个侧面加工有激光管接口；所述一维振镜x固定在机箱顶面，一维振镜y固定在与激光管相对的机箱侧面上；机箱下表面设置出射孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置，其特征在于：所述的激发光扫描模块的供电通过滑环供电模块实现，滑环供电模块包括过孔滑环及相应的电力线；过孔滑环的过孔与旋转镜模块中的转轮套筒A同轴，过孔滑环的转子通过销钉与转轮套筒A外壁紧固，这样过孔滑环的转子就随着转轮套筒A一同转动，进而实现与激发光扫描模块协调运动；由转子引出的电力线与无线控制的激发光扫描模块的电源端口连接，实现直流供电；过孔滑环的定子引出的电力线沿着转轮支架A与插线板连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置，其特征在于：所述的推拉式载物台模块包括载物台和滑轨，载物台是一个“Γ”型支撑机械件，该机械件底端与滑轨固定连接，用于承载成像物体；滑轨在轨道上自由运行；所述的轨道设置在转轮支架A的底端，轨道长度满足滑轨在轨道上的移动，带动载物台到达需要的位置。

5.根据权利要求1所述的一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置，其特征在于：所述的旋转镜模块由转轮支架A、转轮支架B、转盘A、转盘B、反射镜A、反射镜B、套筒A、套筒B和连杆构成，所述套筒A与转盘A同轴，固定在转盘A外侧面；套筒B与转盘B同轴，固定在转盘B外侧；转盘A和转盘B之间通过连杆连接，实现转盘A和转盘B的同步转动；套筒A和套筒B分别通过轴承与转轮支架A和转轮支架B连接；转盘A中央有一圆形通孔，套筒A一端通过所述圆形通孔与转盘A固定连接，并与转盘B同轴；套筒A中央圆形通孔是载物台进出通道；转盘A内侧面，圆形通孔的正上方固定有无线控制的激发光扫描模块，正下方有一个与转盘转轴呈45°的反射镜A，反射镜A反射面朝上，该反射镜A通过胶合方式与转盘A保持固定的相对位置；转盘B与转盘A上反射镜A相对应的位置亦有一个完全相同的反射镜B；该反射镜B与水平面呈45°，反射面朝上，但是反射面垂直于左边反射镜A的反射面，这样光路经过两个反射镜的反射后，实现180°折转；转盘B的中心圆形通孔前方有一个与正下方45°反射镜B平行的反射镜C，光路经过该反射镜C的作用，将以水平方向通过套筒B，被套筒B出口处的光学采集模块采集到；转轮支架B上固定一个步进电机，该步进电机的输出轴通过联轴器与一个同步带轮A同轴联接；步进电机的转动将带动该同步带轮A的转动；所述的转盘B上的套筒B的一端套有一个同步带轮B，同步带轮B与套筒B通过一个平键联接，实现同步转动；两个同步带轮之间通过一个同步带传递动力。

6.根据权利要求1所述的一种基于单滑环和无线控制激发光扫描的荧光分子断层成像装置的成像方法，其特征在于：

步骤一，实验准备；

准备试验用成像物体，并在成像物体内包埋荧光分子探针；开启旋转镜模块、光学采集模块、无线控制的激发光扫描模块，对这些设备预热5分钟；将成像物体安装于载物台上，推动滑轨，成像物体连同载物台将通过转轮套筒A，达到成像位置；

步骤二，确定图像采集方案；

确定投影角度数目、相邻投影角度之间隔以及在每个投影角度扫描方式；确定每个投影角度的扫描方式，具体内容包括确定投影点个数及相应点的坐标，并生成配置文件；

步骤三，投射激光到预定位置；

步进电机驱动旋转镜模块运行，驱动振镜按照预定的方式偏转；激光管发出的激光经过二维振镜的折转，将投射到预定位置的成像物体上；

步骤四，采集数据；

激光投射到成像物体后，进入成像物体的体内，并和成像物体内的荧光探针作用，激发荧光探针发出荧光；成像物体发出的荧光经过反射镜A、反射镜B、反射镜C的连续反射，最终被光学采集模块采集得到；光学采集模块采集到图像后，将通过PCI采集卡上传到计算机；并转到步骤三；

步骤五，重复进行步骤三、步骤四，得到一系列成像物体荧光分子断层成像数据和激发光成像的数据；

步骤六，结束；

关闭旋转镜模块、激发光扫描模块和光学采集模块，并将推拉式载物台模块上滑轨归位。

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