CN105942983A - 一种荧光分子成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学影像处理技术领域，尤其涉及一种荧光分子成像系统及方法。所述荧光分子成像系统包括光源组件、载物台组件和图像采集组件，所述载物台组件用于放置实验对象，所述光源组件用于向所述实验对象发射激发光，所述实验对象接收激发光并产生荧光信号；所述载物台组件还包括转环和平面镜，所述平面镜对称设置于转环的两侧，所述转环用于带动平面镜旋转，所述平面镜用于对所述实验对象产生的荧光信号进行反射，所述图像采集组件用于对所述平面镜反射的荧光信号进行采集。本发明大大降低现有FMT成像系统的成本，同时使得成像角度不再单一，增加了成像灵活性，所获得图像信息更为丰富，大幅度地提高成像的精准度。

Description

一种荧光分子成像系统及方法

技术领域

本发明属于医学影像处理技术领域，尤其涉及一种荧光分子成像系统及方法。

背景技术

荧光分子成像(fluorescence mocular tomography，FMT)是利用散射光来探测组织功能的一种具有大深度的光学在体成像技术，利用生物组织对600-900nm波段的光子呈低吸收、高散射，光子可深入到组织表面数厘米下的特点，荧光分子成像可非侵入地进行深层组织功能成像。荧光分子成像与荧光探针技术相结合可对组织水平、细胞及亚细胞水平的分子信息进行成像，从而快速、远距离、无损伤地反映活体特征及生物进程。荧光分子成像技术成本低，无辐射伤害，成像深度深，在疾病的在体检测、基因治疗的在体示踪、药物在体疗效测评和功能分子在体活动规律研究等。许多生物医学研究领域的独特优势使其脱颖而出、独树一帜。

目前荧光分子成像问题包括正向问题和逆向问题。正向问题是指光子自光源发射经组织体吸收散射最终到达探测器的过程；而逆向问题是指解析探测器的探测数据从而获取组织体光学特性参数分布的过程，既一般图像重建过程，荧光分子成像是一个非线性和高病态性的问题，导致这种技术的低空间分辨率。

现有的荧光分子成像技术主要包括单角度FMT成像系统和多角度FMT系统，单角度FMT成像系统存在的技术问题在于：单一角度成像采集，成像质量差。而多角度FMT成像系统存在的技术问题在于：成像结构异化，成本较高，不易推广。

发明内容

本发明提供了一种荧光分子成像系统及方法，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。

本发明是这样实现的，一种荧光分子成像系统，包括光源组件、载物台组件和图像采集组件，所述载物台组件用于放置实验对象，所述光源组件用于向所述实验对象发射激发光，所述实验对象接收激发光并产生荧光信号；所述载物台组件还包括转环和平面镜，所述平面镜对称设置于转环的两侧，所述转环用于带动平面镜旋转，所述平面镜用于对所述实验对象产生的荧光信号进行反射，所述图像采集组件用于对所述平面镜反射的荧光信号进行采集。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述光源组件位于载物台组件的下方，所述光源组件包括激光器和二维位移台，所述激光器垂直设于二维位移台上，所述激光器用于发射激发光，所述二维位移台用于根据设定的移动速度和轨迹带动激光器移动。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述载物台组件还包括载物台和镜片支架；所述转环环绕设置于载物台的外侧，且所述转环可围绕载物台旋转，所述镜片支架的数量为至少两个，所述至少两个镜片支架对称设置于转环的两侧；所述载物台用于放置实验对象，所述至少两个镜片支架用于安装平面镜，所述转环带动所述平面镜围绕所述载物台上的实验对象进行360°旋转。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述转环的底部还设有控制芯片和电池槽，所述控制芯片用于控制转环的开关及转速，所述电池槽用于安装电池，通过所述电池为转环供电。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述图像采集组件位于载物台组件的上方，所述图像采集组件包括滤光片组和相机，所述滤光片组位于相机的镜头下方，所述滤光片组用于对所述平面镜反射的荧光信号进行滤光处理，所述相机用于采集荧光信号的图像；所述激光器的激光源、平面镜、滤光片组及相机镜头的光路一致。

本发明实施例采取的技术方案还包括控制组件，所述控制组件分别与二维位移台和相机电性连接，所述控制组件用于控制二维位移台的移动速度和轨迹，根据所述二维位移台的移动控制所述相机进行图像采集，所述相机将所采集的图像传输至控制组件，所述控制组件接收并显示采集图像。

本发明实施例采取的另一技术方案为：一种荧光分子成像方法，包括以下步骤：

步骤a：通过光源组件向实验对象发射激发光；

步骤b：实验对象接收激发光后产生荧光信号，通过转环带动平面镜围绕所述实验对象旋转，通过所述平面镜对实验对象产生的荧光信号进行反射；

步骤c：通过图像采集组件对所述平面镜反射的荧光信号进行采集。

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，所述光源组件包括激光器和二维位移台，通过所述激光器发射激发光，通过所述二维位移台带动激光器根据设定的移动速度和轨迹进行移动。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述步骤c还包括：通过滤光片组对平面镜反射的荧光信号进行滤光处理。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述步骤c后还包括：将所采集的图像传输至控制组件，通过控制组件接收并显示采集图像。

相对于现有技术，本发明产生的有益效果在于：本发明实施例的荧光分子成像方法在现有单角度FMT成像系统的基础上，于载物台两侧放置两面平面反光镜，平面镜角度可调，并利用转速可调的转环带动其360度旋转，配合系统EMCCD相机，通过镜面反射同时采集物体上部及任意侧的荧光信号，采用平面镜镜面反射技术来实现全角度FMT三维成像，相对于现有的多角度FMT成像系统，大大降低现有FMT成像系统的成本，同时使得成像角度不再单一，增加了成像灵活性，所获得图像信息更为丰富，大幅度地提高成像的精准度。

附图说明

图1是本发明实施例的荧光分子成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的载物台组件的结构示意图；

图3是本发明实施例的转环的结构示意图；

图4是本发明实施例的荧光分子成像方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，是本发明实施例的荧光分子成像系统的结构示意图。本发明实施例的荧光分子成像系统包括光源组件10、载物台组件20、图像采集组件30和控制组件40；其中，载物台组件20可旋转的设于光源组件10的上方，用于放置实验对象，光源组件10用于向实验对象发射激发光；在实验时，向载物台组件20上的实验对象注入显影剂，被注入显影剂的实验对象接收到激发光后，产生荧光信号；图像采集组件30设于载物台组件20的上方，控制组件40与图像采集组件30电性连接，控制组件40用于控制图像采集组件30对实验对象产生的荧光信号进行采集，并将采集到的图像传输至控制组件40进行显示。

具体地，光源组件10包括激光器11和二维位移台12，激光器11垂直设于二维位移台12上，激光器11用于产生多个波长的激发光，二维位移台12用于带动激光器11进行移动；控制组件40与二维位移台12电性连接，通过控制组件40设定并控制二维位移台12的移动速度和移动轨迹。在本发明实施例中，显影剂为吲哚青绿，激光器11发射的激发光为近红外光，具体可根据实际应用进行选择。激光器11的移动方式具体为：由二维位移台12带动激光器11在一个垂直平面内按照5*5点阵移动，各点之间相距2mm。

请一并参阅图2，是本发明实施例的载物台组件的结构示意图。本发明实施例的载物台组件20包括载物台22、转环23和镜片支架24；其中，转环23环绕设置于载物台22的外侧，且转环23可围绕载物台22旋转。镜片支架24的数量为至少两个，至少两个镜片支架24对称设置于转环23的两侧，并可根据成像需求调整镜片支架24的设置方向(例如左右、前后)或角度。载物台22用于放置实验对象，镜片支架24用于安装平面镜(图未示)，转环23用于带动镜片支架24上的平面镜围绕载物台22上的实验对象进行360°旋转，通过平面镜对实验对象上部或任意侧的荧光信号进行反射，并通过图像采集组件30进行图像采集，实现全角度FMT三维成像。本发明使得成像角度不再单一，所获得图像信息更为丰富，使得成像效果提升了3-5倍。本发明实施例的平面镜包括但不限于棱镜、金属或晶体等可反射荧光的设备。平面镜的角度可调，根据实验对象的不同以最适合的角度测量。

请一并参阅图3，是本发明实施例的转环的结构示意图。本发明实施例的转环23的底部还设有控制芯片231和电池槽232，控制芯片231用于控制转环23的开关，控制并调节转环23的转速。电池槽232用于安装电池，通过电池为转环23供电。

图像采集组件30包括滤光片组31和相机32，滤光片组31位于相机32的镜头下方，滤光片组31用于对平面镜反射的荧光信号进行滤光处理，相机32与控制组件40连接，控制组件40控制相机32在二维位移台12每移动一个位移，则采集一张实验对象的图像，并将采集图像传输至控制组件40进行显示。在本发明实施例中，可根据激发光的类型选择不同波段的滤光片组；相机32为EMCCD(电子倍增CCD)相机，通过滤光片组31和相机32有利于大幅度提高成像的精准度，且滤光片组31和相机32的位置及角度可根据实验环境进行调整。

控制组件40为计算机，其分别与二维位移台12和相机32电性连接，用于设置并控制二维位移台12的移动速度和轨迹，根据二维位移台12的移动控制相机32进行图像采集，接收并显示相机32传输的图像，根据采集图像对实验对象进行数据分析。

本发明实施例的荧光分子成像系统的操作方式包括：打开控制组件40和二维位移台12，将实验对象放置于载物台22中，调整镜片支架24于合适角度，放置平面镜；开启相机32，调节滤光片组31和激光器11，通过相机32的特定软件检测激光器11的激光源、平面镜、滤光片组31及相机32的镜头的光路是否一致。调整好光路后，打开激光器11，通过控制组件40设置二维位移台12的移动速度和轨迹，并通过控制芯片231打开转环23，使转环23带动平面镜开始旋转，并通过控制组件控制相机32根据二维位移台12的移动开始采集图像，将采集图像传输至控制组件40中，最后通过控制组件40显示并处理采集图像。

本发明实施例的荧光分子成像系统在现有单角度FMT成像系统的基础上，于载物台两侧放置两面平面反光镜，平面镜角度可调，并利用转速可调的转环带动其360度旋转，配合系统EMCCD相机，通过镜面反射同时采集物体上部及任意侧的荧光信号，采用平面镜镜面反射技术来实现全角度FMT三维成像，相对于现有的多角度FMT成像系统，大大降低现有FMT成像系统的成本，同时使得成像角度不再单一，增加了成像灵活性，所获得图像信息更为丰富，大幅度地提高成像的精准度。本发明还可与MRI(磁共振成像)成像进行多模态结合，利用MRI从高分辨成像模式获取的解剖结构特征，作为空间结构先验信息来解决FMT问题的病态性，并借助于MRI图像所提供的空间结构更直观准确地呈现出来，大大减少了重建问题中所需要的参数数据量，解决了FMT问题的病态性，提高了FMT成像质量。

请参阅图4，是本发明实施例的荧光分子成像方法的流程图。本发明实施例的荧光分子成像方法包括以下步骤：

步骤100：向实验对象注入显影剂，并将实验对象放置于载物台中；

在本发明实施例中，显影剂为吲哚青绿，具体可根据实际应用进行选择。

步骤200：安装平面镜，并调整激光光路，使激光器的激光源、平面镜、滤光片组及相机镜头的光路一致；

步骤300：通过激光器向实验对象发射激发光，并通过控制组件控制二维位移台带动激光器根据设定的移动速度和轨迹进行移动；

在步骤300中，激光器发射的激发光为近红外光，激光器的移动方式具体为：由二维位移台带动激光器在一个垂直平面内按照5*5点阵移动，各点之间相距2mm。

步骤400：实验对象接收激发光后产生荧光信号，通过转环带动平面镜旋转，通过平面镜对实验对象上部或任意侧的荧光信号进行反射，得到实验对象全角度的成像图像；

在步骤400中，转环的两侧对称设置有两个镜片支架，平面镜分别安装于两个镜片支架上，并可根据成像需求调整镜片支架的设置方向(例如左右、前后)或角度，转环可带动镜片支架上的平面镜进行360°旋转，实现全角度FMT三维成像。本发明实施例的平面镜包括但不限于棱镜、金属或晶体等可反射荧光的设备。转环的底部还设有控制芯片和电池槽，控制芯片用于控制转环的开关，控制并调节转环的转速，电池槽用于安装电池，通过电池为转环供电。

步骤500：控制组件控制相机根据二维位移台的移动对平面镜反射的荧光信号进行采集，并将采集图像传输至控制组件中；

在步骤500中，本发明实施例中的相机为EMCCD相机，相机采集图像的采集方式为：在二维位移台每移动一个位移，则采集一张实验对象的荧光信号；相机的镜头下方还设有滤光片组，滤光片组用于对平面镜反射的荧光信号进行滤光处理。

步骤600：控制组件接收并显示采集图像，根据采集图像对实验对象进行数据分析。

本发明实施例的荧光分子成像方法在现有单角度FMT成像系统的基础上，于载物台两侧放置两面平面反光镜，平面镜角度可调，并利用转速可调的转环带动其360度旋转，配合系统EMCCD相机，通过镜面反射同时采集物体上部及任意侧的荧光信号，采用平面镜镜面反射技术来实现全角度FMT三维成像，相对于现有的多角度FMT成像系统，大大降低现有FMT成像系统的成本，同时使得成像角度不再单一，增加了成像灵活性，所获得图像信息更为丰富，大幅度地提高成像的精准度。本发明还可与MRI(磁共振成像)成像进行多模态结合，利用MRI从高分辨成像模式获取的解剖结构特征，作为空间结构先验信息来解决FMT问题的病态性，并借助于MRI图像所提供的空间结构更直观准确地呈现出来，大大减少了重建问题中所需要的参数数据量，解决了FMT问题的病态性，提高了FMT成像质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种荧光分子成像系统，包括光源组件、载物台组件和图像采集组件，所述载物台组件用于放置实验对象，所述光源组件用于向所述实验对象发射激发光，所述实验对象接收激发光并产生荧光信号；其特征在于，所述载物台组件还包括转环和平面镜，所述平面镜对称设置于转环的两侧，所述转环用于带动平面镜旋转，所述平面镜用于对所述实验对象产生的荧光信号进行反射，所述图像采集组件用于对所述平面镜反射的荧光信号进行采集。

2.根据权利要求1所述的荧光分子成像系统，其特征在于，所述光源组件位于载物台组件的下方，所述光源组件包括激光器和二维位移台，所述激光器垂直设于二维位移台上，所述激光器用于发射激发光，所述二维位移台用于根据设定的移动速度和轨迹带动激光器移动。

3.根据权利要求1所述的荧光分子成像系统，其特征在于，所述载物台组件还包括载物台和镜片支架；所述转环环绕设置于载物台的外侧，且所述转环可围绕载物台旋转，所述镜片支架的数量为至少两个，所述至少两个镜片支架对称设置于转环的两侧；所述载物台用于放置实验对象，所述至少两个镜片支架用于安装平面镜，所述转环带动所述平面镜围绕所述载物台上的实验对象进行360°旋转。

4.根据权利要求3所述的荧光分子成像系统，其特征在于，所述转环的底部还设有控制芯片和电池槽，所述控制芯片用于控制转环的开关及转速，所述电池槽用于安装电池，通过所述电池为转环供电。

5.根据权利要求3所述的荧光分子成像系统，其特征在于，所述图像采集组件位于载物台组件的上方，所述图像采集组件包括滤光片组和相机，所述滤光片组位于相机的镜头下方，所述滤光片组用于对所述平面镜反射的荧光信号进行滤光处理，所述相机用于采集荧光信号的图像；所述激光器的激光源、平面镜、滤光片组及相机镜头的光路一致。

6.根据权利要求2或5所述的荧光分子成像系统，其特征在于，还包括控制组件，所述控制组件分别与二维位移台和相机电性连接，所述控制组件用于控制二维位移台的移动速度和轨迹，根据所述二维位移台的移动控制所述相机进行图像采集，所述相机将所采集的图像传输至控制组件，所述控制组件接收并显示采集图像。

7.一种荧光分子成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：通过光源组件向实验对象发射激发光；

步骤b：实验对象接收激发光后产生荧光信号，通过转环带动平面镜围绕所述实验对象旋转，通过所述平面镜对实验对象产生的荧光信号进行反射；

步骤c：通过图像采集组件对所述平面镜反射的荧光信号进行采集。

8.根据权利要求7所述的荧光分子成像方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述光源组件包括激光器和二维位移台，通过所述激光器发射激发光，通过所述二维位移台带动激光器根据设定的移动速度和轨迹进行移动。

9.根据权利要求8所述的荧光分子成像方法，其特征在于，所述步骤c还包括：通过滤光片组对平面镜反射的荧光信号进行滤光处理。

10.根据权利要求7至9任一项所述的荧光分子成像方法，其特征在于，所述步骤c后还包括：将所采集的图像传输至控制组件，通过控制组件接收并显示采集图像。