CN103876770A - 一种窄束x射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统 - Google Patents
一种窄束x射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种窄束X射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统，它涉生物医学影像技术领域，X射线约束器的后部设置有固定装置，固定装置内设置有动物床，动物床的两侧均设置有反射装置，EMCCD相机垂直设置在动物床的正上方，EMCCD相机与动物床之间设置有滤波轮，滤波轮上均匀设置有数个圆形孔，且圆形孔内设置有窄带滤波片，固定装置的一侧设置有步进电机，且步进电机与动物床相连接，固定装置的后端设置有X射线探测器。它利用窄束X射线激发待成像物体内的荧光材料，从而获取待成像物体表面的荧光信号以及穿过待成像物体的X射线信号，并将获得的两种成像信息分别进行重建和融合，从而实现多模态成像。
Description
技术领域：
本发明涉及一种窄束X射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统，属于生物医学影像技术领域。
背景技术：
目前，窄束X射线激发荧光断层成像系统是利用窄束X射线照射待成像物体，X射线探测器和CCD相机分别采集穿过待成像物体的X射线和待成像物体的表面荧光信号，然后分别重建出待成像物体的X射线的结构成像和荧光成像，并且将两种图像进行融合，从而得到多模态的成像。
2010年，斯坦福大学提出了一种新的成像模态—X射线激发的断层成像。采用窄束X射线照射物体，利用高灵敏光电探测设备在另一侧接收从组织发出的荧光信号。同年，该课题组发表了窄束X射线激发发光的断层成像系统，在锥束CT系统基础上利用两个铅板构成1mm的夹缝来形成窄束X射线，采用高灵敏度的CCD相机来接收荧光信号，这套系统可以完成简单规则形体仿体实验，并能够得到较为准确的实验结果，该系统采用“平移-旋转”方式，仿体需要在每个角度扫描26次并且旋转24次才能完成整个扫描过程，扫描时间较长，收集到的荧光信号是单光谱的，用于荧光重建的信息不够丰富，且重建出来的效果不够精确。
发明内容：
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种窄束X射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统
本发明的窄束X射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统，它包含锥束X射线发射器、电控平移装置、X射线约束器、固定装置、动物床、反射装置、EMCCD相机、滤波轮、窄带滤波片、步进电机、X射线探测器，锥束X射线发射器的下端设置有电控平移装置，锥束X射线发射器的一端设置有X射线约束器，X射线约束器的后部设置有固定装置，固定装置内设置有动物床，动物床的两侧均设置有反射装置，EMCCD相机垂直设置在动物床的正上方，EMCCD相机与动物床之间设置有滤波轮，滤波轮上均匀设置有数个圆形孔，且圆形孔内设置有窄带滤波片，固定装置的一侧设置有步进电机，且步进电机与动物床相连接，固定装置的后端设置有X射线探测器。
作为优选，所述的锥束X射线发射器主要用来产生并发射锥束X射线。
作为优选，所述的电控平移装置主要用来平移锥束X射线发射器和X射线约束器，使得X射线在铅板所平移的方向上扫描完整个物体。
作为优选，所述的X射线约束器设置在锥束X射线前，用来使锥束X射线变成窄束X射线。
作为优选，所述的固定装置主要用来将EMCCD相机和滤波轮固定在待成像物体的正上方以及安装动物床。
作为优选，所述的动物床采用透明的非金属材料制成，不影响荧光成像和CT成像，用来放置并固定小动物。
作为优选，所述的反射装置是由反射镜底座和双面反射镜组成，反射镜底座的上端设置有双面反射镜，双面反射镜对称放置在电控转台两侧，与载物台平面呈45度夹角，并保证其与锥束X射线发射器、动物床以及X射线探测器在水平方向上成一条直线，反射装置对X射线的衰减以及散射很小。
作为优选，所述的EMCCD相机主要用来接收待成像物体发出的以及反射装置反射的荧光信号。
作为优选，所述的滤波轮主要用于选择不同光谱波段的滤波片。
作为优选，所述的窄带滤波片主要用于过滤除X射线发光信号以外的其他信号。
作为优选，所述的步进电机通过转轴与动物床连接，由计算机编程控制动物床的转动。
作为优选，所述的X射线探测器主要用来接收锥束X射线发射器发射出来的X射线投影数据。
本发明采用计算机来控制EMCCD相机、电控平移转台、锥束X射线发射器、X射线探测器、动物床、滤波轮，以及实现X射线投影数据和荧光信息的采集、重建和融合，以实现多模态成像。
本发明的具体使用方法为：a、荧光信号的采集：锥束X射线发射器1发出X射线，经X射线约束器成为窄束X射线，窄束X射线打在待成像物体上，此时待成像物体被窄束X射线照射到的薄层内的荧光材受到激发并发出荧光信号，EMCCD相机采集穿透待成像物体以及反射装置反射的待成像物体的三个不同角度的荧光信号形成透射式荧光数据，并传输给计算机，此过程中通过调换窄带滤波片可实现多光谱荧光成像，计算机完成某一特定位置的荧光信号采集之后，由计算机控制电控平移装置移动，移动距离等于或略小于窄束X射线的宽度，一直重复直到移动距离总和等于待成像物体的距离，采集荧光信号的同时，X射线探测器可采集到窄束X射线穿过待成像物体形成的投影数据；b、X射线窄束投影数据拼合：将步骤a中的窄束X射线形成的投影数据进行拼接，得到待成像物体在同一方向上完整的投影数据；c、锥束X射线投影数据的采集：取走X射线约束器，计算机控制锥束X射线发射器发出X射线，穿过待成像物体的X射线经X射线探测器接收，计算机控制X射线探测器采集投影数据，然后由计算机控制动物床旋转，旋转角度可由计算机设定，待动物床完全静止以后再采集投影数据，一直重复直到待成像物体旋转360°；d、锥束X射线投影数据三维重建：计算机利用滤波反投影的方法对步骤b中X射线探测器收集到的投影数据进行重建，得到待成像物体的三维结构成像；e、窄束配合的投影数据与待成像物体的三维结构像配准：将步骤b中窄束X射线形成的投影数据与步骤d中锥束X射线照射待成像物体的三维结构像进行配准，从而可以确定每个窄束所照射物体的具体位置；f、荧光数据的重建：待成像物体内的荧光材料受到窄束X射线照射而激发所在薄层的定位通过步骤a中窄束X射线照射待成像物体产生的投影数据与步骤b中锥束X射线投影数据的重建得到的待成像物体的三维结构数据配准确定,分别将每次窄束X射线照射到待成像物体激发发出荧光薄层发的荧光数据重建，由此可得到每个薄层内的荧光材料的分布，进而得到待成像物体内部所有发光荧光材料的分布情况；g、重建图像的配准融合：对步骤b和步骤c得到的待成像物体的三维结构成像和荧光材料的三维荧光成像进行配准融合，得到待成像物体的荧光断层成像，从而实现多模态成像。
本发明的有益效果：它利用窄束X射线激发待成像物体内的荧光材料，从而获取待成像物体表面的荧光信号以及穿过待成像物体的X射线信号，并将获得的两种成像信息分别进行重建和融合，从而实现多模态成像。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中滤波轮的结构示意图；
图3为本发明中反射装置的结构示意图；
图4为本发明的方法流程示意图。
1-X射线发射器；2-电控平移装置；3-X射线约束器；4-固定装置；5-动物床；6-反射装置；7-EMCCD相机；8-滤波轮；9-窄带滤波片；10-步进电机；11-X射线探测器；6-1-反射镜底座；6-2-双面反射镜。
具体实施方式：
如图1-图4所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含锥束X射线发射器1、电控平移装置2、X射线约束器3、固定装置4、动物床5、反射装置6、EMCCD相机7、滤波轮8、窄带滤波片9、步进电机10、X射线探测器11，锥束X射线发射器1的下端设置有电控平移装置2，锥束X射线发射器1的一端设置有X射线约束器3，X射线约束器3的后部设置有固定装置4，固定装置4内设置有动物床5，动物床5的两侧均设置有反射装置6，EMCCD相机7垂直设置在动物床5的正上方，EMCCD相机7与动物床5之间设置有滤波轮8，滤波轮8上均匀设置有数个圆形孔，且圆形孔内设置有窄带滤波片9，固定装置4的一侧设置有步进电机10，且步进电机10与动物床5相连接，固定装置4的后端设置有X射线探测器11。
其中，所述的锥束X射线发射器1主要用来产生并发射锥束X射线；所述的电控平移装置2主要用来平移锥束X射线发射器1和X射线约束器3，使得X射线在铅板所平移的方向上扫描完整个物体；所述的X射线约束器3设置在锥束X射线前，用来使锥束X射线变成窄束X射线；所述的固定装置4主要用来将EMCCD相机7和滤波轮8固定在待成像物体的正上方以及安装动物床5；所述的动物床5采用透明的非金属材料制成，不影响荧光成像和CT成像，用来放置并固定小动物；所述的反射装置6是由反射镜底座6-1和双面反射镜6-2组成，反射镜底座6-1的上端设置有双面反射镜6-2，双面反射镜6-2对称放置在电控转台两侧，与载物台平面呈45度夹角，并保证其与锥束X射线发射器1、动物床5以及X射线探测器11在水平方向上成一条直线，反射装置6对X射线的衰减以及散射很小；所述的EMCCD相机7主要用来接收待成像物体发出的以及反射装置6反射的荧光信号；所述的滤波轮8主要用于选择不同光谱波段的滤波片；所述的窄带滤波片9主要用于过滤除X射线发光信号以外的其他信号；所述的步进电机10通过转轴与动物床5连接，由计算机编程控制动物床的转动；所述的X射线探测器11主要用来接收锥束X射线发射器1发射出来的X射线投影数据。
本具体实施方式采用计算机来控制EMCCD相机7、电控平移转台2、锥束X射线发射器1、X射线探测器11、动物床5、滤波轮8，以及实现X射线投影数据和荧光信息的采集、重建和融合，以实现多模态成像。
本具体实施方式的具体使用方法为：a、荧光信号的采集：锥束X射线发射器1发出X射线，经X射线约束器3成为窄束X射线，窄束X射线打在待成像物体上，此时待成像物体被窄束X射线照射到的薄层内的荧光材受到激发并发出荧光信号，EMCCD相机7采集穿透待成像物体以及反射装置6反射的待成像物体的三个不同角度的荧光信号形成透射式荧光数据，并传输给计算机，此过程中通过调换窄带滤波片可实现多光谱荧光成像，计算机完成某一特定位置的荧光信号采集之后，由计算机控制电控平移装置2移动，移动距离等于或略小于窄束X射线的宽度，一直重复直到移动距离总和等于待成像物体的距离，采集荧光信号的同时，X射线探测器2可采集到窄束X射线穿过待成像物体形成的投影数据；b、X射线窄束投影数据拼合：将步骤a中的窄束X射线形成的投影数据进行拼接，得到待成像物体在同一方向上完整的投影数据；c、锥束X射线投影数据的采集：取走X射线约束器3，计算机控制锥束X射线发射器1发出X射线，穿过待成像物体的X射线经X射线探测器11接收，计算机控制X射线探测器11采集投影数据，然后由计算机控制动物床5旋转，旋转角度可由计算机设定，待动物床5完全静止以后再采集投影数据，一直重复直到待成像物体旋转360°；d、锥束X射线投影数据三维重建：计算机利用滤波反投影的方法对步骤b中X射线探测器11收集到的投影数据进行重建，得到待成像物体的三维结构成像；e、窄束配合的投影数据与待成像物体的三维结构像配准：将步骤b中窄束X射线形成的投影数据与步骤d中锥束X射线照射待成像物体的三维结构像进行配准，从而可以确定每个窄束所照射物体的具体位置；f、荧光数据的重建：待成像物体内的荧光材料受到窄束X射线照射而激发所在薄层的定位通过步骤a中窄束X射线照射待成像物体产生的投影数据与步骤b中锥束X射线投影数据的重建得到的待成像物体的三维结构数据配准确定,分别将每次窄束X射线照射到待成像物体激发发出荧光薄层发的荧光数据重建，由此可得到每个薄层内的荧光材料的分布，进而得到待成像物体内部所有发光荧光材料的分布情况；g、重建图像的配准融合：对步骤b和步骤c得到的待成像物体的三维结构成像和荧光材料的三维荧光成像进行配准融合，得到待成像物体的荧光断层成像，从而实现多模态成像。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种窄束X射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统，其特征在于：它包含锥束X射线发射器(1)、电控平移装置(2)、X射线约束器(3)、固定装置(4)、动物床(5)、反射装置(6)、EMCCD相机(7)、滤波轮(8)、窄带滤波片(9)、步进电机(10)、X射线探测器(11)，锥束X射线发射器(1)的下端设置有电控平移装置(2)，锥束X射线发射器(1)的一端设置有X射线约束器(3)，X射线约束器(3)的后部设置有固定装置(4)，固定装置(4)内设置有动物床(5)，动物床(5)的两侧均设置有反射装置(6)，EMCCD相机(7)垂直设置在动物床(5)的正上方，EMCCD相机(7)与动物床(5)之间设置有滤波轮(8)，滤波轮(8)上均匀设置有数个圆形孔，且圆形孔内设置有窄带滤波片(9)，固定装置(4)的一侧设置有步进电机(10)，且步进电机(10)与动物床(5)相连接，固定装置(4)的后端设置有X射线探测器(11)。
2.根据权利要求1所述的一种窄束X射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统，其特征在于：所述的动物床(5)采用透明的非金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种窄束X射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统，其特征在于：所述的反射装置(6)是由反射镜底座(6-1)和双面反射镜(6-2)组成，反射镜底座(6-1)的上端设置有双面反射镜(6-2)。
4.根据权利要求1所述的一种窄束X射线激发的小动物多光谱荧光断层成像系统，其特征在于：它的具体使用方法为：(a)、荧光信号的采集：锥束X射线发射器(1)发出X射线，经X射线约束器(3)成为窄束X射线，窄束X射线打在待成像物体上，此时待成像物体被窄束X射线照射到的薄层内的荧光材受到激发并发出荧光信号，EMCCD相机(7)采集穿透待成像物体以及反射装置(6)反射的待成像物体的三个不同角度的荧光信号形成透射式荧光数据，并传输给计算机，此过程中通过调换窄带滤波片可实现多光谱荧光成像，计算机完成某一特定位置的荧光信号采集之后，由计算机控制电控平移装置(2)移动，移动距离等于或略小于窄束X射线的宽度，一直重复直到移动距离总和等于待成像物体的距离，采集荧光信号的同时，X射线探测器(2)可采集到窄束X射线穿过待成像物体形成的投影数据；(b)、X射线窄束投影数据拼合：将步骤(a)中的窄束X射线形成的投影数据进行拼接，得到待成像物体在同一方向上完整的投影数据；(c)、锥束X射线投影数据的采集：取走X射线约束器(3)，计算机控制锥束X射线发射器(1)发出X射线，穿过待成像物体的X射线经X射线探测器(11)接收，计算机控制X射线探测器(11)采集投影数据，然后由计算机控制动物床(5)旋转，旋转角度可由计算机设定，待动物床(5)完全静止以后再采集投影数据，一直重复直到待成像物体旋转360°；(d)、锥束X射线投影数据三维重建：计算机利用滤波反投影的方法对步骤(b)中X射线探测器(11)收集到的投影数据进行重建，得到待成像物体的三维结构成像；(e)、窄束配合的投影数据与待成像物体的三维结构像配准：将步骤(b)中窄束X射线形成的投影数据与步骤(d)中锥束X射线照射待成像物体的三维结构像进行配准，从而可以确定每个窄束所照射物体的具体位置；(f)、荧光数据的重建：待成像物体内的荧光材料受到窄束X射线照射而激发所在薄层的定位通过步骤(a)中窄束X射线照射待成像物体产生的投影数据与步骤(b)中锥束X射线投影数据的重建得到的待成像物体的三维结构数据配准确定,分别将每次窄束X射线照射到待成像物体激发发出荧光薄层发的荧光数据重建，由此可得到每个薄层内的荧光材料的分布，进而得到待成像物体内部所有发光荧光材料的分布情况；(g)、重建图像的配准融合：对步骤(b)和步骤(c)得到的待成像物体的三维结构成像和荧光材料的三维荧光成像进行配准融合，得到待成像物体的荧光断层成像，从而实现多模态成像。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160224 |
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