CN104027064A - 基于契伦科夫效应的内窥平面成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于契伦科夫效应的内窥式平面成像系统和方法，所述系统包括：支撑装置，用于支撑待成像对象；契伦科夫荧光探测装置，用于采集待成像对象的平面光学图像和契伦科夫荧光图像；暗箱，用于容纳契伦科夫荧光探测装置和支撑装置，以阻断高能射线和可见光；计算机，用于对于契伦科夫荧光探测装置中的光学成像器件的光学成像参数进行调节，并对于接收到的光学图像和契伦科夫荧光图像进行融合，得到契伦科夫配准图像。本发明可以有效地解决契伦科夫光信号较弱，穿透深度较浅等缺点，且大幅降低了设备建造与维护成本，降低了核医学成像研究的门槛，拓展了光学分子影像探针可供选择的空间，延伸了光学分子影像研究与应用的范围。

Description

基于契伦科夫效应的内窥平面成像系统和方法

技术领域

本发明涉及一种成像系统，特别是关于一种基于契伦科夫效应的内窥平面成像系统和方法。

背景技术

契伦科夫荧光成像(Cerenkov Luminescence Imaging，CLI)是利用放射性药物基于契伦科夫辐射产生的300-900nm谱段的光，通过使用高灵敏度的CCD相机采集成像目标体表穿透出来的近红外光和可见光，可以实现对医学同位素的在体成像。该成像成为继正电子发射断层成像(PositronEmission Tomography，PET)、单光子发射计算机断层成像(Single PhotonEmission Computed Tomography，SPECT)之后的一种新的分子核医学成像模态，而且为光学分子成像的临床应用带来了新的契机。契伦科夫辐射是放射性药物在衰变过程中产生的高能β或者γ粒子在介质中的运动速度大于光在该介质中的运动速度时产生的契伦科夫光，并在2010年首次用于小动物在体成像(Cerenkov Emission，J.Nucl.Med.2010,51:1123–1130)。

CLI定量表征的是核素平面分布图，不能描述光源在体内的深度信息。为了解决契伦科夫存在的弱光问题和成像深度等问题，Sri-Rajasekhar等(Biomed Opt Express.2012June1；3(6):1215-1225)首次提出了内窥式契伦科夫的概念。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于契伦科夫效应的内窥式平面成像系统和方法。

根据本发明的一方面，提供一种基于契伦科夫效应的内窥式平面成像系统，所述成像系统包括：契伦科夫荧光探测装置、支撑装置、计算机和暗箱，其中：

所述支撑装置用于支撑待成像对象；

所述契伦科夫荧光探测装置用于采集待成像对象的平面光学图像和契伦科夫荧光图像；

所述暗箱为一不透光封闭式容器，用于容纳所述契伦科夫荧光探测装置和支撑装置，以阻断高能射线和可见光；

所述计算机用于对于所述契伦科夫荧光探测装置中的光学成像器件的光学成像参数进行调节，并对于接收到的光学图像和契伦科夫荧光图像进行融合，得到契伦科夫配准图像。

根据本发明的另一方面，还提供一种基于契伦科夫效应的内窥式平面成像方法，所述方法包括以下步骤：

契伦科夫荧光探测装置采集白光，光学成像器件对于待成像对象进行光学成像，得到光学图像；

契伦科夫荧光探测装置采集荧光，内窥成像器件对于待成像对象进行荧光成像，得到契伦科夫荧光图像；

对于所述光学图像和契伦科夫荧光图像进行融合，得到契伦科夫配准图像。

本发明采用内窥式的平面成像系统，可以解决契伦科夫弱光，穿透深度较浅等缺点。由于本发明采用EMCCD探测器实现分子核医学成像，相对于PET/SPECT和γ相机等成像装置大幅降低了设备建造与维护成本，降低了核医学成像研究的门槛，拓展了光学分子影像探针可供选择的空间，延伸了光学分子影像研究与应用的范围。

附图说明

图1是本发明基于契伦科夫效应的内窥平面成像系统的结构示意图；

图2是本发明基于契伦科夫效应的内窥平面成像系统的原理方框图；

图3是本发明基于契伦科夫效应的内窥平面成像方法的原理示意图。

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。

根据本发明的一方面，提出一种基于契伦科夫效应的内窥式平面成像系统，图1是本发明基于契伦科夫效应的内窥式平面成像系统的结构示意图，图2是本发明基于契伦科夫效应的内窥平面成像系统的原理方框图，如图1和图2所示，所述成像系统包括契伦科夫荧光(CerenkovLuminescence)探测装置、支撑装置103、计算机104和暗箱105，其中：

所述支撑装置103用于支撑待成像对象，例如，人体、动物或任何待成像的物理对象。

所述契伦科夫荧光探测装置是本发明成像系统的关键部件，用于采集待成像对象的平面光学图像和契伦科夫荧光图像，其包括光学成像器件101、内窥成像器件102、光学成像控制器及相关光学成像配件，其中，所述光学成像器件101用于在所述契伦科夫荧光探测装置发出白光时，完成契伦科夫光信号-电信号转换，对于待成像对象进行光学成像。在本发明一实施例中，所述光学成像器件101为EMCCD，所述EMCCD的最佳工作温度为-90°。所述内窥成像器件102用于在所述契伦科夫荧光探测装置发出荧光时，对于待成像对象进行荧光成像；所述光学成像控制器用于根据所述计算机104的指令调节所述光学成像器件101的工作温度、数据采集的帧频、曝光时间、光圈开合与孔径等光学成像参数，并与所述计算机104连接通信，将所述光学成像器件101采集得到的光学图像和所述内窥成像器件102采集得到的契伦科夫荧光图像传送给所述计算机104。

所述暗箱105为一不透光封闭式容器，用于容纳所述契伦科夫荧光探测装置和支撑装置，以阻断高能射线和可见光，避免对于所述契伦科夫荧光探测装置和成像操作产生不利影响。所述暗箱105的底部设有一个比如直径为2cm的半圆形导线管，用于通过数据线，以实现所述光学成像控制器与计算机104之间的数据传输。在本发明一实施例中，所述暗箱105为长方体，其六个面均由铅板组成，内表面覆盖一层黑色涂料，其中一个侧面带有开门设计。

所述计算机104用于向所述光学成像控制器发出控制指令，以通过所述光学成像控制器对于所述光学成像器件101的光学成像参数进行调节，并对于接收到的光学图像和契伦科夫荧光图像根据契伦科夫荧光图像配准流程进行融合，得到契伦科夫配准图像。可以说，位于暗箱105外部的计算机104不仅控制着整个成像系统，更是图像处理的执行模块，其输出结果图像包括平面白光图像、契伦科夫荧光图像和契伦科夫配准图像。

根据本发明的另一方面，还提出一种基于契伦科夫效应的内窥式平面成像方法，图3是本发明基于契伦科夫效应的内窥平面成像方法的原理示意图，如图3所示，所述成像方法包括以下步骤：

步骤1，契伦科夫荧光探测装置采集白光，光学成像器件对于待成像对象进行光学成像，得到光学图像；

步骤2，契伦科夫荧光探测装置采集荧光，内窥成像器件对于待成像对象进行荧光成像，得到契伦科夫荧光图像；

步骤3，对于所述光学图像和契伦科夫荧光图像进行融合，得到契伦科夫配准图像。

其中，对于所述光学图像和契伦科夫荧光图像进行融合的步骤进一步包括以下步骤：

步骤31，获取所述光学图像中的感兴趣区域；

在本发明一实施例中，基于snake模型获取所述光学图像中的感兴趣区域，基于snake模型获取所述光学图像中的感兴趣区域的步骤进一步包括以下步骤：

步骤311，对于所述光学图像，首先自动交互选定初始感兴趣区域；

在本发明一实施例中，通过人工标定来选定初始感兴趣区域。

步骤312，然后，对于所述初始感兴趣区域进行膨胀处理，得到所述感兴趣区域。

在本发明一实施例中，通过气球snake外力模型来对所述初始感兴趣区域进行膨胀处理，所述气球snake外力模型表示为：

$F_{\mathrm{ext}}=k_1\stackrel{\→}{n}\left(x\right)-k_2\frac{\mathrm{\ΔEext}}{\left|\right|\mathrm{\ΔEext}\left|\right|},$

其中，k₁，k₂表示常数，k₁，k₂均为实数，表示单位外法向量，Eext＝-|ΔI(x,y)|²，I(x,y)表示位于(x,y)坐标处的信号强度。

经过所述气球snake外力模型进行膨胀处理后即得到感兴趣区域。

步骤32，在所述荧光图像中提取出与所述感兴趣区域相对应的荧光信号子图像，设为I_s；

步骤33，对于所述荧光信号子图像I_s进行有效数据提取，得到有效数据子图像I_t；

在本发明一实施例中，利用预定阈值对荧光信号子图像I_s进行过滤得到有效数据子图像I_t，比如，可预先设定两个阈值I₀和I₁，I₀<I₁，利用这两个阈值滤除荧光信号子图像I_s中荧光信号强度小于I₀或者大于I₁的信号，即：

在荧光信号子图像I_s中，如果位于(x,y)坐标处的信号强度I(x,y)满足I(x,y)<I₀，或者I(x,y)>I₁，则令I(x,y)＝0。

步骤34，对于所述有效数据子图像I_t进行杂乱信号滤除；

该步骤中，如果某个像素点δ领域范围内有5个或以上的像素没有信号，则将该像素点上的信号滤除。

步骤35，对于杂乱信号滤除后的有效数据子图像I_t进行小面积信号滤除，得到过滤子图像I_p；

该步骤中，首先设定阈值S₀，在所述有效数据子图像I_t中，对于某个信号聚集的区域而言，如果该区域的面积小于S₀，则将该区域内所有点的信号滤除。

步骤36，将所述过滤子图像I_p叠加到白光图像上得到契伦科夫配准图像并输出，即将所述光学图像中各个像素点的灰度强度转化为光照强度。

该步骤中，根据选定的伪彩着色方案将所述过滤子图像I_p叠加到白光图像上，在本发明一实施例中，将所述过滤子图像I_p均匀固定在[L,I_max]的色阶上进行着色，其中，L＝256，I_max是光学图像的最大信号值。

在本发明一应用实例中，使用2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖(¹⁸F-FDG)进行成像，具体实施步骤包括：一只体重25g雌性胃癌裸鼠注射1％戊巴比妥钠医学麻醉剂150uL后平静沉睡，经过尾静脉注射800uCi的¹⁸F-FDG；设置内窥契伦科夫光学在体成像系统参数，EMCCD曝光时间是0.1s，增益为0，内窥镜直接对着成像物体，像素合并值4，获得光学图像；然后进行封光处理，在药剂注射30min后更改内窥契伦科夫光学在体成像系统参数，EMCCD曝光时间是5min，增益为800，内窥镜直接对着成像物体，像素合并值4，获得荧光图像，在进行图像的配准处理后获得契伦科夫配准图像。

本发明可以实现放射性药物的在体成像，为分子核医学成像研究及其临床应用提供一种低成本分子影像工具。

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，所应理解的是，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)

1.一种基于契伦科夫效应的内窥式平面成像系统，其特征在于，该系统包括：契伦科夫荧光探测装置、支撑装置、计算机和暗箱，其中：

所述支撑装置用于支撑待成像对象；

所述契伦科夫荧光探测装置用于采集待成像对象的平面光学图像和契伦科夫荧光图像；

所述暗箱为一不透光封闭式容器，用于容纳所述契伦科夫荧光探测装置和支撑装置，以阻断高能射线和可见光；

所述计算机用于对于所述契伦科夫荧光探测装置中的光学成像器件的光学成像参数进行调节，并对于接收到的光学图像和契伦科夫荧光图像进行融合，得到契伦科夫配准图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述契伦科夫荧光探测装置包括光学成像器件、内窥成像器件、光学成像控制器及光学成像配件，其中：

所述光学成像器件用于在所述契伦科夫荧光探测装置发出白光时，完成契伦科夫光信号-电信号转换，对于待成像对象进行光学成像；

所述内窥成像器件用于在所述契伦科夫荧光探测装置发出荧光时，对于待成像对象进行荧光成像；

所述光学成像控制器用于根据所述计算机的指令调节所述光学成像器件的光学成像参数，并与所述计算机连接通信，将所述光学成像器件采集得到的光学图像和所述内窥成像器件采集得到的契伦科夫荧光图像传送给所述计算机。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光学成像参数至少包括工作温度、数据采集的帧频、曝光时间、光圈开合与孔径。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述暗箱的底部设有导线管，用于通过数据线，以实现所述契伦科夫荧光探测装置与计算机之间的数据传输。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述暗箱为长方体，其六个面均由铅板组成，内表面覆盖一层黑色涂料，其中一个侧面带有开门。

6.一种基于契伦科夫效应的内窥式平面成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

契伦科夫荧光探测装置采集白光，光学成像器件对于待成像对象进行光学成像，得到光学图像；

契伦科夫荧光探测装置采集荧光，内窥成像器件对于待成像对象进行荧光成像，得到契伦科夫荧光图像；

对于所述光学图像和契伦科夫荧光图像进行融合，得到契伦科夫配准图像。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对于所述光学图像和契伦科夫荧光图像进行融合的步骤进一步包括以下步骤：

获取所述光学图像中的感兴趣区域；

在所述荧光图像中提取出与所述感兴趣区域相对应的荧光信号子图像I_s；

对于所述荧光信号子图像I_s进行有效数据提取，得到有效数据子图像I_t；

对于所述有效数据子图像I_t进行杂乱信号滤除；

对于杂乱信号滤除后的有效数据子图像I_t进行小面积信号滤除，得到过滤子图像I_p；

将所述过滤子图像I_p叠加到白光图像上得到契伦科夫配准图像并输出。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于snake模型获取所述光学图像中的感兴趣区域。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于snake模型获取所述光学图像中的感兴趣区域的步骤进一步包括以下步骤：

对于所述光学图像，选定初始感兴趣区域；

然后对于所述初始感兴趣区域进行膨胀处理，得到所述感兴趣区域。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用阈值处理方法基于所述荧光信号子图像I_s进行有效数据提取、杂乱信号滤除以及小面积信号滤除。