CN104188628A - 三维光学分子影像导航系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维光学分子影像导航系统和方法。所述系统包括：系统支撑模块、光源模块、光学信号采集模块、三维定位模块和计算机模块；系统支撑模块对系统中的设备进行支撑；光源模块对成像区域提供光源照射；光学信号采集模块采集成像区域中的光学信号；三维定位模块定位探针装置在成像目标中的深度信息；计算机模块对参数设置和对图像数据进行处理与显示。本发明三维光学分子影像导航系统和方法实现了光学荧光图像和可见光图像的实时融合成像来提供二维导航以及实现三维解剖结构图像连续动态显示来提供三维导航。
Description
技术领域
本发明涉及光学分子影像技术领域，尤其涉及一种三维光学分子影像导航系统和方法。
背景技术
分子影像是21世纪最耀眼的科学与技术之一，它是指无损伤地在分子水平上探测生物体内分子，并给出体内分子分布信息的医学影像技术。并被实践证明是一种能够在体可视化分子、基因、细胞水平生物体生理病理变化的影像工具。作为其中一种重要的分子影像成像模态，光学分子影像凭借自身低成本、高通量、非侵入、非接触、非电离辐射、灵敏度高、特异性强等优势已经应用到了肿瘤的早期检测、药物的研发等领域。
光学分子影像技术相比于传统的影像技术，具有如下的优势：其一，光学分子影像技术可将基因表达、生物信号传递等复杂的过程变成直观的图像，使人们能更好地在分子水平上了解疾病的发生、发展机制及过程；其二，能够发现疾病早期的分子变异及病理改变过程；其三，可在活体上连续观察药物或基因治疗的机理和效果。通常，探测生物组织分子的方法分离体探测方法和在体探测方法两种，光学分子影像技术作为一种在体探测方法，其优势在于可以快速、远距离、无损伤地获得生物组织分子的图像。它可以揭示病变的早期分子生物学特征，从而为疾病的早期诊断和治疗提供可能，也为临床诊断引入了新的概念。
激发荧光成像技术是一种光学分子影像技术，激发荧光成像的原理可以描述为：通过生物体外的激发光源，照射生物体内的荧光基团，使其达到高能量状态，荧光基团吸收光能使得电子跃迁到了激发态，电子从激发态回到基态的过程中会释放出荧光，该荧光较激发光向红端移动，即发射的荧光的波长比激发荧光的波长要长，荧光在组织体内传播并有一部分达到体表，从体表发出的荧光被高灵敏度的探测器接收到，从而形成荧光图像。通常，荧光基团产生的荧光经过生物体内组织的吸收、散射后，到达表面的时候强度已经较弱，这时候，就需要在避光条件良好的暗箱环境中进行成像操作，即利用高灵敏度的CCD相机捕获到达表面的荧光光子，然后通过计算机处理捕获的信号并进行成像。
光学分子影像导航技术就是利用激发荧光成像技术来为成实验操作者提供导航的一种技术，荧光图像和可见光图像的实时融合成像，能够指引成像实验操作者获取荧光区域的二维位置信息。连续动态的三维解剖结构数据成像能够为实验操作者提供深度信息。因而，三维光学分子影像导航系统能够提供二维的图像引导以及三维的图像引导，对于开展实验操作具有很好的辅助作用。
目前现有的成型的光学分子影像导航系统主要提供的是二维的图像信息的引导，采用荧光图像的连续动态成像或者采用荧光图像和可见光图像的融合图像的连续动态成像来为成像实验操作者提供导航，而三维光学分子影像导航系统在提供实时融合成像的同时，还能够提供成像目标解剖结构信息的三维图像。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种三维光学分子影像导航系统和方法，以实现光学荧光图像和可见光图像的实时融合成像来提供二维导航，以及实现三维解剖结构图像连续动态显示来提供三维导航。
为实现上述目的，本发明提供了一种三维光学分子影像导航系统，所述系统包括：系统支撑模块(101)、光源模块(107)、光学信号采集模块(114)、三维定位模块(122)和计算机模块(125)；
系统支撑模块(101)对系统中的设备进行支撑；
光源模块(107)对成像区域提供光源照射；
光学信号采集模块(114)采集成像区域中的光学信号；
三维定位模块(122)定位探针装置在成像目标中的深度信息；
计算机模块(125)对参数设置和对图像数据进行处理与显示；
所述系统支撑模块(101)通过光源支架(102)与光源模块(107)相连接；系统支撑模块(101)通过光学平台支架(106)与光学信号采集模块(114)相连接；系统支撑模块(101)通过三位定位装置支架(100)与三位定位模块(122)相连接；系统支撑模块(101)通过计算机主机支架(103)和计算机显示器支架(104)与计算机模块(125)相连接。
为实现上述目的，本发明还提供了一种三维光学分子影像导航方法，所述方法包括：
步骤S1：通过系统支撑模块将系统支架和光学平台支架调整到合适的高度；打开计算机主机、计算机显示器、定位装置、同步触发装置、CCD荧光相机、CCD可见光相机、激发荧光光源、可见光光源对成像区域进行照射；
步骤S2：打开计算机模块中的软件控制模块、数据存储模块、数据处理模块、数据显示模块，在软件控制模块中设置同步出发装置的同步触发频率，CCD荧光相机以及CCD可见光相机曝光时间、相机快门方式、是否自动存储图像数据，定位装置的定位参数，然后控制光学信号采集模块和三维定位模块，使光学信号采集模块对成像区域进行数据采集，使三维定位模块的定位装置对探针装置进行位置定位；
步骤S3：根据软件控制模块中设置的同步触发频率，同步触发装置会同步触发CCD荧光相机和CCD可见光相机同步获取成像区域中的图像数据；同时三维定位模块中的定位装置对探针装置进行位置定位，定位探针装置在成像目标中的位置；
步骤S4：CCD荧光相机和CCD可见光相机将捕获到的图像数据通过数据线传输到计算机模块，计算机模块中的数据处理模块处理传输过来的图像数据，对CCD荧光相机和CCD可见光相机捕获到的荧光图像数据和可见光图像数据进行亮度调整、特征提取、特征增强、添加伪彩色、匹配、融合处理，并将融合后的图像数据显示在数据显示模块中，将需要存储的数据存储在数据存储模块中；同时，根据三维定位模块传输过来的位置探针装置的位置信息，将数据存储模块中的实验前获取的成像目标的解剖结构信息对应的截面信息提取出来，并显示在数据显示模块中，同时，也将成像目标的三维解剖结构信息显示在数据显示模块中。
本发明三维光学分子影像导航系统和方法，根据激发荧光实时成像技术的特点以及三维解剖结构图像的数据特点，并基于长期在激发荧光成像技术领域的研究经验，提供了三维光学分子影像导航系统，采用两台CCD相机、一台激发光源、一台白光光源、一台同步触发器、一台定位装置等装置来实现光学荧光图像和可见光图像的实时融合成像来提供二维导航以及实现三维解剖结构图像连续动态显示来提供三维导航。
附图说明
图1是本发明三维光学分子影像导航系统的示意图；
图2为本发明三维光学分子影像导航方法的流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明三维光学分子影像导航系统涉及的内容包括计算机数字图像处理方法、激发荧光图像实时成像方法，可见光图像实时成像方法，激发荧光与可见光图像实时融合成像方法，三维解剖结构截面信息实时成像方法。
本发明三维光学分子影像导航系统根据激发荧光实时成像技术的特点以及三维解剖结构图像的数据特点，并基于长期在激发荧光成像技术领域的研究经验，提供了三维光学分子影像导航系统，采用两台CCD相机、一台激发光源、一台白光光源、一台同步触发器、一台定位装置等装置来实现光学荧光图像和可见光图像的实时融合成像来提供二维导航以及实现三维解剖结构图像连续动态显示来提供三维导航。
图1是本发明三维光学分子影像导航系统的示意图，如图所示，本系统具体包括：系统支撑模块101、光源模块107、光学信号采集模块114、三维定位模块122和计算机模块125。
系统支撑模块101通过光源支架102与光源模块107相连接；系统支撑模块101通过光学平台支架106与光学信号采集模块114相连接；系统支撑模块101通过三位定位装置支架100与三位定位模块122相连接；系统支撑模块101通过计算机主机支架103和计算机显示器支架104与计算机模块125相连接。
系统支撑模块101用于对系统中使用到的设备提供支撑作用；光源模块107用于对成像区域提供光源照射；光学信号采集模块114用于采集成像区域中的光学信号；三维定位模块122用于定位探针装置在成像目标中的深度信息。计算机模块125用于对该系统进行必要的参数设置和对图像数据进行处理与显示。
系统支撑模块101包括三位定位装置支架100、光源支架102、计算机主机支架103、计算机显示器支架104、系统支架105、光学平台支架106。其中：三位定位装置支架100支撑三位定位模块122。光源支架102用于支撑光源模块107。计算机主机支架103用于支撑计算机主机。计算机显示器支架104用于支撑计算机显示器。系统支架105用于支撑起三维定位装置支架100、光源支架102、计算机主机支架104、计算机显示器支架105和光学平台支架106。光学平台支架106用于支撑光学信号采集模块114；三位定位装置支架102与系统支架105相连接；光源支架102与系统支架105相连接；计算机主机支架103与系统支架105相连接；计算机显示器支架104与系统支架105相连接；光学平台支架106与系统支架105相连接。
光源模块107包括激发荧光光源108、白光光源109、第一滤光片110，第二滤光片111。其中：激发荧光光源108，用于提供激发荧光；第一滤光片111，内置于激发荧光光源108中，激发荧光光源108提供的激发荧光通过第一滤光片110后照射到成像区域112。可见光光源109，用于提供可见光；第二滤光片111，内置于可见光光源109中，可见光光源提供的可见光109通过第二滤光片111后照射到成像区域112。
光学信号采集模块114包括光学镜头115、分光棱镜116、第三滤光片117，第四滤光片118、CCD可见光相机119，CCD荧光相机121、同步触发装置121。其中：光学镜头116与分光棱镜116相连接；第三滤光片117位于分光棱镜116与CCD荧光相机120的接口处；第四滤光片118位于分光棱镜116和CCD可见光相机119的接口处；CCD可见光相机与分光棱镜相连接，用于采集成像区域112中的可见光；CCD荧光相机120与分光棱镜相连接，用于采集成像区域112中的激发荧光，同步触发装置与CCD荧光相机120、CCD可见光相机119以及计算机主机相连接，用于同步触发CCD荧光相机120和CCD可见光相机121获取荧光图像和可见光图像。
三维定位模块122包括探针装置123、定位装置124。其中：定位装置124通过三维定位装置支架100与系统支撑模块101相连接；探针装置123可在成像区域122向各个方向移动。探针装置113用于探测成像目标113内的解剖结构截面信息。定位装置124用于定位探针装置123在成像目标113内的位置。当探针装置113插入成像目标113内时，定位装置能够定位探针装置123的针尖的具体位置，并计算出探针针尖位于成像目标113的深度。
计算机模块125包括软件控制模块126，数据存储模块127，数据处理模块128，数据显示模块129。其中：软件控制模块126用于设置三维定位模块122、光学信号采集模块114、光源模块107内的一些基本参数。数据存储模块127用于存储成像实验前采集到的成像目标113解剖结构三维数据信息，以及成像实验中光学信号采集模块114采集到的光学数据。数据处理模块128根据三维定位模块122中返回的位置信息，提取出探针装置123的针尖所在成像目标113内部位置处的解剖结构数据的截面数据信息，并显示在数据显示模块129上，能够同时连续动态显示X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面的截面信息以及三维解剖结构数据的三维图像信息。同时，数据处理模块128将光学信号采集模块采集到的荧光图像数据和可见光图像数据亮度调整、特征提取、特征增强、匹配、融合等处理，得到荧光图像和可见光图像的融合图像，并连续动态地显示在数据显示模块129上。数据显示模块129主要用于显示数据处理模块128将数据处理后的结果信息。软件控制模块126与数据存储模块127相连接；软件控制模块126与数据处理模块128相连接；软件控制模块126与数据显示模块129相连接；数据存储模块127与数据处理模块128相连接；数据处理模块128与数据显示模块129相连接。
图2为本发明三维光学分子影像导航方法的流程图，如图所示，结合图1所示的系统，本方法具体包括：
步骤S1：通过系统支撑模块101将系统支架102和光学平台支架106调整到合适的高度。打开计算机主机301、计算机显示器302、定位装置124、同步触发装置121、CCD荧光相机120、CCD可见光相机119、激发荧光光源108、可见光光源109对成像区域112进行照射。
步骤S2：打开计算机模块125中的软件控制模块126、数据存储模块127、数据处理模块128、数据显示模块129，在软件控制模块126中设置同步触发装置121的同步触发频率，CCD荧光相机120以及CCD可见光相机119相机曝光时间、相机快门方式、是否自动存储图像数据，定位装置的定位参数等参数，然后控制光学信号采集模块114和三维定位模块122，使光学信号采集模块114对成像区域112进行数据采集，使三维定位模块的定位装置122对探针装置123进行位置定位。
步骤S3：根据软件控制模块126中设置的同步触发频率，同步触发装置121会同步触发CCD荧光相机120和CCD可见光相机119同步获取成像区域122中的图像数据。
同时三维定位模块122中的定位装置124对探针装置123进行位置定位，定位探针装置在成像目标113中的位置。
步骤S4：CCD荧光相机120和CCD可见光相机119将捕获到的图像数据通过数据线传输到计算机模块125，计算机模块125中的数据处理模块128处理传输过来的图像数据，对CCD荧光相机120和CCD可见光相机119捕获到的荧光图像数据和可见光图像数据进行亮度调整、特征提取、特征增强、添加伪彩色、匹配、融合等处理，并将融合后的图像数据显示在数据显示模块129中，将需要存储的数据存储在数据存储模块127中。
同时，根据三维定位模块传输过来的位置探针装置123的位置信息，将数据存储模块127中的实验前获取的成像目标113的解剖结构信息对应的截面信息提取出来，并显示在数据显示模块129中，同时，也将成像目标113的三维解剖结构信息显示在数据显示模块129中。
步骤S5：在数据显示模块129中，有一些显示的选项，例如：显示融合图像数据、显示荧光图像数据，显示白光图像数据，显示三维解剖结构图像数据，显示成像目标113的界面数据等等。用户也可以在数据显示模块129中根据需要选择相应的选项。
根据以上方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
1.利用本发明，可以仅用实现就可以连续、动态地获取成像区域112中的荧光图像和白光图像，并利用计算机模块融合采集到的荧光图像数据和白光图像数据，并做实时融合显示，有效地解决了连续、动态地显示融合图像这一问题。
2.利用本发明，通过计算机模块125中的软件控制模块126能够便捷地控制光学信号采集模块114和三维定位模块122，使光学信号采集模块114采集荧光图像数据和白光图像数据，是三维定位模块定位位置信息。同时，通过数据处理模块128对数据进行有效的处理，使最终得到的图像清晰且特征突出。功能显著，操作简单便捷。
3.利用本发明，通过支架的便捷设计，能方便升降、移动等操作。同时，通过选择合理的滤光片和合适的荧光强度，能够探测到较深的荧光信息，能够最大程度地保留有用的光学信号。
4.通过本发明，由于在实验过程中需要进行避光处理，同时，通过在激发荧光光源108内放置第一滤光片110和在可见光光源109内放置2滤光片111，使得照射到成像区域112上的荧光信号和可见光信号具有不同的光谱范围，在实际操作中实验人员可以看到清晰的白光信息，同时也可以观测到明显的荧光信息，以及两者的融合信息。
5.通过本发明，通过三维定位模块122中的定位装置124，能够定位探针装置123在成像目标113内的位置，同时通过计算机模块125中存储的成像目标的解剖结构信息，能够提取并显示探针装置123针尖所在成像目标113中的位置处的成像目标113的解剖结构截面信息，也能够显示成像目标的解剖结构三维数据信息。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (7)
1.一种三维光学分子影像导航系统，其特征在于，所述系统包括：系统支撑模块(101)、光源模块(107)、光学信号采集模块(114)、三维定位模块(122)和计算机模块(125)；
系统支撑模块(101)对系统中的设备进行支撑；
光源模块(107)对成像区域提供光源照射；
光学信号采集模块(114)采集成像区域中的光学信号；
三维定位模块(122)定位探针装置在成像目标中的深度信息；
计算机模块(125)对参数设置和对图像数据进行处理与显示；
所述系统支撑模块(101)通过光源支架(102)与光源模块(107)相连接；系统支撑模块(101)通过光学平台支架(106)与光学信号采集模块(114)相连接；系统支撑模块(101)通过三位定位装置支架(100)与三位定位模块(122)相连接；系统支撑模块(101)通过计算机主机支架(103)和计算机显示器支架(104)与计算机模块(125)相连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统支撑模块(101)包括三位定位装置支架(100)、光源支架(102)、计算机主机支架(103)、计算机显示器支架(104)、系统支架(105)、光学平台支架(106)，其中：
所述三位定位装置支架(100)支撑三位定位模块(122)；
所述光源支架(102)支撑所述光源模块(107)；
所述计算机主机支架(103)支撑计算机主机；
所述计算机显示器支架(104)支撑计算机显示器；所述系统支架(105)支撑起所述三维定位装置支架(100)、光源支架(102)、计算机主机支架(104)、计算机显示器支架(105)和光学平台支架(106)；
所述光学平台支架(106)用于支撑所述光学信号采集模块(114)；
所述三位定位装置支架(102)与系统支架(105)相连接；光源支架(102)与系统支架(105)相连接；计算机主机支架(103)与系统支架(105)相连接；计算机显示器支架(104)与系统支架(105)相连接；光学平台支架(106)与系统支架(105)相连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源模块(107)包括激发荧光光源(108)、白光光源(109)、第一滤光片(110)，第二滤光片(111)；其中：
所述激发荧光光源(108)提供激发荧光；所述第一滤光片(110)内置于所述激发荧光光源(108)中，所述激发荧光光源(108)提供的激发荧光通过所述第一滤光片(110)后照射到所述成像区域(112)；
所述可见光光源(109)提供可见光；所述第二滤光片(111)，内置于所述可见光光源(109)中，所述可见光光源提供的可见光(109)通过所述第二滤光片(111)后照射到所述成像区域(112)。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学信号采集模块(114)包括光学镜头(115)、分光棱镜(116)、第三滤光片(117)，第四滤光片(118)、CCD可见光相机(119)，CCD荧光相机(121)、同步触发装置(121)；其中：
所述光学镜头(116)与所述分光棱镜(116)相连接；所述第三滤光片(117)位于所述分光棱镜(116)与所述CCD荧光相机(120)的接口处；所述第四滤光片(118)位于所述分光棱镜(116)和所述CCD可见光相机(119)的接口处；所述CCD可见光相机(119)与所述分光棱镜(116)相连接，采集成像区域(112)中的可见光；所述CCD荧光相机(120)与所述分光棱镜(116)相连接，采集所述成像区域(112)中的激发荧光，同步触发装置(121)与所述CCD荧光相机(120)、CCD可见光相机(119)以及计算机主机相连接，用于同步触发所述CCD荧光相机(120)和CCD可见光相机(121)获取荧光图像和可见光图像。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维定位模块(122)包括探针装置(123)、定位装置(124)；其中：
所述探针装置(113)探测所述成像目标(113)内的解剖结构截面信息；所述定位装置(124)定位所述探针装置(123)在所述成像目标(113)内的位置；
所述定位装置(124)通过三维定位装置支架(100)与系统支撑模块(101)相连接；探针装置(123)在成像区域(122)向各个方向移动；
当所述探针装置(113)插入所述成像目标(113)内，所述定位装置(124)定位所述探针装置(123)的针尖的位置，并计算出针尖位于所述成像目标(113)的深度。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述算机模块(125)包括软件控制模块(126)，数据存储模块(127)，数据处理模块(128)，数据显示模块(129)；其中：
所述软件控制模块(126)设置所述三维定位模块(122)、光学信号采集模块(114)、光源模块(107)内的基本参数；
所述数据存储模块(127)存储采集到的成像目标(113)解剖结构三维数据信息，以及所述光学信号采集模块(114)采集到的光学数据；
所述数据处理模块(128)根据三维定位模块(122)中返回的位置信息，提取出探针装置(123)的针尖所在所述成像目标(113)内部位置处的解剖结构数据的截面数据信息，并显示在所述数据显示模块(129)上，动态显示(X-Y)平面、(X-Z)平面、(Y-Z)平面的截面信息以及三维解剖结构数据的三维图像信息；
所述数据处理模块(128)将所述光学信号采集模块(114)采集到的荧光图像数据和可见光图像数据亮度调整、特征提取、特征增强、匹配、融合处理，得到荧光图像和可见光图像的融合图像，动态地显示在数所述据显示模块(129)上；
所述数据显示模块(129)显示所述数据处理模块(128)进行数据处理后的结果信息；
所述软件控制模块(126)与数据存储模块(127)相连接；软件控制模块(126)与数据处理模块(128)相连接；软件控制模块(126)与数据显示模块(129)相连接；数据存储模块(127)与数据处理模块(128)相连接；数据处理模块(128)与数据显示模块(129)相连接。
7.一种三维光学分子影像导航方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：通过系统支撑模块将系统支架和光学平台支架调整到合适的高度；打开计算机主机、计算机显示器、定位装置、同步触发装置、CCD荧光相机、CCD可见光相机、激发荧光光源、可见光光源对成像区域进行照射；
步骤S2：打开计算机模块中的软件控制模块、数据存储模块、数据处理模块、数据显示模块，在软件控制模块中设置同步出发装置的同步触发频率，CCD荧光相机以及CCD可见光相机曝光时间、相机快门方式、是否自动存储图像数据，定位装置的定位参数，然后控制光学信号采集模块和三维定位模块，使光学信号采集模块对成像区域进行数据采集，使三维定位模块的定位装置对探针装置进行位置定位；
步骤S3：根据软件控制模块中设置的同步触发频率，同步触发装置会同步触发CCD荧光相机和CCD可见光相机同步获取成像区域中的图像数据；同时三维定位模块中的定位装置对探针装置进行位置定位，定位探针装置在成像目标中的位置；
步骤S4：CCD荧光相机和CCD可见光相机将捕获到的图像数据通过数据线传输到计算机模块，计算机模块中的数据处理模块处理传输过来的图像数据，对CCD荧光相机和CCD可见光相机捕获到的荧光图像数据和可见光图像数据进行亮度调整、特征提取、特征增强、添加伪彩色、匹配、融合处理，并将融合后的图像数据显示在数据显示模块中，将需要存储的数据存储在数据存储模块中；同时，根据三维定位模块传输过来的位置探针装置的位置信息，将数据存储模块中的实验前获取的成像目标的解剖结构信息对应的截面信息提取出来，并显示在数据显示模块中，同时，也将成像目标的三维解剖结构信息显示在数据显示模块中。
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