CN106510633B - 一种高分辨率的辐光显像系统及其成像方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及辐光显像系统，针对现有技术中辐光成像存在的分辨率不佳的瓶颈问题，本发明提供了一种高分辨率的辐光显像系统及其成像方法和应用。该辐光显像系统包括将核素发射的光子转化为辐光信号的增感屏辐光转换贴膜、容纳放射源的成像暗室和用于采集并获得融合图像的光学成像硬件系统。其成像方法为：分别采集放射源的白光图像和辐光图像，对辐光图像进行近似和过滤，添加伪彩后与白光图像融合，最终提供可靠的功能学影像信息。本发明通过增感屏辐光转换贴膜中的平行孔准直器对辐光成像的分辨率进行了提升，可适用于临床或实验动物的准确显像，令现有技术中的生物安全性和深部组织光信号穿透性问题得以有效解决。
Description
技术领域
本发明涉及生物医药分子影像技术领域，具体涉及一种高分辨率的辐光显像系统及其成像方法和应用。
背景技术
光学显像在临床的应用主要有切伦科夫光显像(甲状腺、腋窝淋巴结)及荧光显像(术中导航、前哨淋巴结)两类。切伦科夫光显像的优点在于直接使用成熟的核素探针进行显像，是天然的核素-光学多模态显像模式，且安全性和灵活性较高，缺点在于光强度微弱、穿透性差；荧光显像光强度高，但荧光显像剂可用于临床的种类极其有限，且激发光和发射光仍受限于有限的组织穿透性，同时非特异荧光还会降低信噪比。
辐光显像(Radioluminescence Imaging，RLI)是一类新型的核素-光学多模态显像模式，利用某些特殊材料(如晶体材料、稀土材料)可被X射线或γ射线激发出强烈可见光的特性，实现更强的二次激发光学成像。但是，既往的研究大多集中于体外验证性研究或动物在体介入研究，体外研究仅仅证实现象，并未进行有效的临床应用，而动物在体介入研究主要通过将上述材料与放射性探针共同介入活体体内实现激发，生物安全性和深部组织光信号穿透性问题仍未解决。辐光增感屏显像(radioluminescence intensifying screenimaging，RLISI)这一概念是在体内使用临床核素探针实现核素显像，利用核射线的高穿透性将信号以射线形式传输出生物体，改传统体内信号转换为体表信号转换，使用RLI材料的增感屏进行光学显像。该方法不需将具有生物安全性隐患的激发材料介入体内，可避免传统体内RLI材料生物安全性的不足；又可利用核射线的高穿透力代替光信号由体内传输至体表，克服传统光学显像中光信号在体内传输的穿透性问题；同时，对于相同的放射性信号源，RLI的光信号强度比切伦科夫信号强度高15倍左右，灵敏度高两个数量级，成像时间可由2-5min至少缩短至10s。RLI避免了切伦科夫光显像强度和穿透性的不足；同时也克服了荧光显像生物安全性及需要激发光源以及激发、发射光组织穿透性的问题，更具临床转化前景。
但是，由于放射性辐射的空间散射性质，辐光成像虽然具有前述优势且可用于人体显像，但存在分辨率不佳的瓶颈问题，只能显示出一团光斑，无法对目标的轮廓和结构信息进行准确成像；同时，显像目标与体表的距离越深，射线散射程度越高，分辨率越差，传统的辐光显像亦无法对深在的显像目标进行准确的成像。上述两点极大限制了辐光显像的临床转化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分辨率的辐光显像系统及其成像方法和应用，该辐光显像系统对现有的辐光成像分辨率进行了改进优化，可适用于临床或实验动物的准确显像。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高分辨率的辐光显像系统，包括用于将放射源发射的光子转化为辐光信号的增感屏辐光转换贴膜、用于容纳放射源的成像暗室和用于采集并获得融合图像的光学成像硬件系统；所述的增感屏辐光转换贴膜包括面向放射源侧和面向相机侧，二者紧密贴合为一体，其中面向放射源侧为平行孔准直器，面向相机侧为钨酸钙中速医用增感屏；所述的光学成像硬件系统包括用于采集白光影像和辐光影像的EMCCD相机和用于融合白光影像和辐光影像的计算机；
放射源、增感屏辐光转换贴膜和EMCCD相机位于成像暗室中，增感屏辐光转换贴膜的面向放射源侧贴在放射源上，且增感屏辐光转换贴膜的面向相机侧正对EMCCD相机的镜头，EMCCD相机通过导线与位于成像暗室外的计算机相连。
所述的平行孔准直器上均匀分布有直径为0.8～1.2mm、圆心距为1.6～2.4mm的圆孔。
所述的平行孔准直器由厚度为0.8～1.2cm的柔性铅皮材料制成。
所述的成像暗室上安装有暗箱门，暗箱门的门板与门框上设有相互匹配并能屏蔽外界光学噪声的凹凸卡槽。
所述的成像暗室的内表面和外表面均喷涂有黑色吸光涂料。
所述的成像暗室内设置有用于放置EMCCD相机的能够调节高度及角度的平台。
基于所述的高分辨率的辐光显像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1，使带有放射源的待成像物进入成像暗室中，暴露待测部位，保持暗箱门开启，在不安装增感屏辐光转换贴膜的情况下，采用动态成像模式调整EMCCD相机的焦距，拍摄正常光照下的白光影像；
步骤2，将增感屏辐光转换贴膜紧贴于待测部位，增感屏辐光转换贴膜将放射源发射的光子转化为辐光信号，关闭暗箱门，利用EMCCD相机采集得到辐光影像；
步骤3，利用计算机将采集的白光影像和辐光影像的各个像素点一一对应，进行融合，并添加伪彩，得到能够提供待测部位不同区域的核素分布情况的成像结果。
所述步骤3进行前，先去除辐光影像中的背景噪声和脉冲噪声，其中背景噪声使用暗场图像的均值进行近似，脉冲噪声使用中值滤波器滤除。
所述的高分辨率的辐光显像系统在γ、β衰变的放射性核素标记的核医学探针成像方面的应用。
所述的放射性核素包括18F、99mTc、32P、90Y和131I。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明提供的高分辨率的辐光显像系统，针对现有辐光成像技术的分辨率进行了改进优化。本发明提供的辐光显像系统包括用于将放射源发射的光子转化为辐光信号的增感屏辐光转换贴膜、用于容纳放射源的成像暗室和用于采集并获得融合图像的光学成像硬件系统。本发明中主要使用增感屏辐光转换贴膜来提高分辨率，增感屏辐光转换贴膜包括紧密贴合在一起的面向放射源侧和面向相机侧，其中面向放射源侧为平行孔准直器，能够屏蔽散射放射线，提高辐光成像分辨率；面向相机侧为钨酸钙中速医用增感屏，能够将放射源发出的射线在转换为光学信号，且增感屏辐光转换贴膜的尺寸可根据显像目的和器官不同而灵活选取。本发明提供的高分辨率的辐光显像系统结构简单、操作方便，可对各类γ、β衰变的放射性核素标记的临床核医学探针进行成像，能够克服现有辐光成像技术存在的分辨率不佳问题，能够对目标的轮廓和结构信息进行准确成像，并对深在的显像目标进行准确的成像，适用于临床或实验动物的准确显像，令现有技术中的生物安全性和深部组织光信号穿透性问题得以有效解决，具有良好的临床应用前景和科研价值。
进一步的，本发明提供的高分辨率的辐光显像系统中，成像暗室上涂有黑色吸光涂料，能够避免反光；成像暗室的暗箱门的门板与门框上设有相互匹配的凹凸卡槽，能够有效屏蔽环境中的光信号，降低图像的本底噪声；成像暗室内还设有用于放置EMCCD相机的可调节高度及角度的平台，可以方便的调节EMCCD相机的高度及角度，能够满足临床各种部位患者的检查需求，并且能够满足灵活进行各类实验动物的基础研究的需求。
本发明提供的基于所述高分辨率的辐光显像系统的成像方法，步骤简单，操作方便，先采集一般光照条件下的白光影像，再利用增感屏辐光转换贴膜采集辐光影像，最后将白光影像和辐光影像融合，即得到能够提供检测部位不同区域的核素分布情况的成像结果，能够很好的替代现有的成像方法，为医生诊断提供清晰的功能学影像信息，也能够为科研和教学提供高分辨率的影像，具有很高的临床应用可行性。
进一步的，本发明提供的基于所述高分辨率的辐光显像系统的成像方法中，由于EMCCD相机在高增益条件下本底噪声较高，对信号干扰较大，同时核素所产生的高能射线进入EMCCD相机会在辐光影像中产生脉冲噪声，因此在进行白光影像和辐光影像融合之前先要将辐光影像中的背景噪声和脉冲噪声消除，以避免影像最终的成像效果。
附图说明
图1为本发明提供的高分辨率的辐光显像系统的组成结构图，其中1为增感屏辐光转换贴膜，2为成像暗室，3为EMCCD相机，4为计算机，5为放射源。
图2为增感屏辐光转换贴膜的表面结构图，其中a为面向放射源侧的示意图，b为面向相机侧的示意图，c为增感屏辐光转换贴膜的侧视图，d为a的局部放大图。
图3为成像暗室的结构示意图，其中a为整体结构示意图，b为门框凹槽侧剖面图，c为门板凸条侧剖面图。
图4为成像效果对比图，其中a为白光采集时的示意图，b为采集的白光影像，c为临床γ相机采集的的核素影像，d为辐光采集时的示意图，e为无准直器的传统低分辨率辐光影像，f为本发明采集的辐光影像。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明是基于辐光成像概念并针对分辨率进行了改进优化的辐光显像成像系统，可适用于临床或实验动物的准确显像。如图1所示，本发明提供的辐光显像系统包括带有平行孔准直器的增感屏辐光转换贴膜1(简称贴膜)、成像暗室2及光学成像硬件系统(包括EMCCD相机3和计算机4)。贴膜由临床使用的X射线稀土增感屏(钨酸钙中速医用增感屏)与柔性铅皮材料制成的平行孔准直器紧密贴合构成，平行孔准直器可屏蔽散射放射线，提高显像分辨率。成像暗室根据临床需求制造，可容纳显像设备和一名患者，同时有效屏蔽环境中的光信号，降低图像的本底噪声，可满足辐光成像、切伦科夫成像、荧光成像等多种临床或科研显像需求。EMCCD相机3放置于成像暗室2内的可调节高度及角度的平台之上，可满足临床各种部位患者的检查需求，并可灵活进行各类实验动物的基础研究之需。
如图2所示，增感屏辐光转换贴膜1的面向放射源(患者或实验对象)侧为由0.8～1.2cm厚度的柔性铅皮材料制成的平行孔准直器，平行孔准直器上均匀分布有直径为0.8～1.2mm、圆心距为1.6～2.4mm的圆孔；平行孔准直器紧贴一张经过裁剪的市售钨酸钙中速医用增感屏(国标YY0095-2004)，用于将放射源发出的γ射线在体表转换为光学信号。贴膜尺寸可根据显像目的和器官不同而灵活选取。
如图3所示，成像暗室2可由整块厚度为3mm的铝合金板材(或其他材质)冲压而成(或以其他方式搭建而成)，成像暗室2的内外表面喷涂黑色吸光涂料以避免反光。成像暗室2上设有暗箱门，暗箱门的门板与门框上设有相互匹配的凹凸卡槽，以屏蔽外界光源的干扰。成像暗室2的外壁上留有开口供设备线路进入，开口处由多层避光幕布填塞并遮挡。成像暗室2的内壁上焊有滑轨及用于放置EMCCD相机3的平台，可根据需求灵活调整EMCCD相机3的高度和角度。
如图1所示，光学成像硬件系统包含用于采集白光影像和辐逛影像的EMCCD相机3(市售ANDORTM)及用于融合白光影像和辐逛影像的计算机4，前者可静态或动态采集光学信号，后者可控制EMCCD相机3并对采集的图像数据进行处理。
放射源5、增感屏辐光转换贴膜1和EMCCD相机3位于成像暗室2中，增感屏辐光转换贴膜1的面向放射源侧贴在放射源5上，且增感屏辐光转换贴膜1的面向相机侧正对EMCCD相机3的镜头，EMCCD相机3通过导线与位于成像暗室2外的计算机4相连。
本发明还提供了一种基于上述辐光显像系统的成像方法，可对各类γ、β衰变的放射性核素标记的临床核医学探针进行成像(适用核素包括但不局限于18F、99mTc、32P、90Y、131I)。
下面以Na99mTcO4甲状腺显像为例描述其显像步骤：
步骤1，根据临床常规，为患者静脉注射3.5mCi(129.5MBq)甲状腺核素显像剂Na99mTcO4(体内放射源)；
步骤2，注射后15min，患者于成像暗室2内就座，暴露颈部待测部位，背部倚靠检查椅背以保持静止，保持暗箱门开启以拍摄正常光照下的白光影像；动态成像模式调整EMCCD相机3的焦距；不安装增感屏辐光转换贴膜1，使用EMCCD相机采集患者待测部位的白光影像，如图4b所示(该图的白光采集条件为EM＝3，binning＝1，exposure time＝0.1s)；
步骤3，患者持续保持静止，使用胶条或弹力带将增感屏辐光转换贴膜1紧贴于待测器官体表投影的皮肤上，增感屏辐光转换贴膜1将核素发射的γ光子转化为辐光信号；关闭暗箱门，采集得到辐光影像，如图4f所示(该图的辐光采集条件为EM＝1000，binning＝1，exposure time＝10s)；无准直器的传统低分辨率辐光影像及临床γ相机的核素影像分别如图4e和图4c所示。
步骤4，EMCCD相机在高增益条件下，本底噪声较高，对信号干扰较大，为此需要首先减去背景噪声。背景噪声使用暗场图像的均值进行近似。暗场图像是EMCCD相机在完全黑暗环境下使用和辐光信号采集相同的EM增益，binning值和曝光时间条件下采集的图像。
步骤5，核素所产生的高能射线进入EMCCD相机会在辐光影像中产生脉冲噪声，使用模板大小为5X5的中值滤波器可以有效滤除这些脉冲噪声。
步骤6，融合白光影像和辐光影像，两种影像是在患者在保持静止下获得的数据，用计算机4将各个像素点一一对应，可以直接进行融合显示，为了增强显示效果，辐光影像添加伪彩。最终得到的融合图像能够提供患者甲状腺不同区域的核素分布情况，为医生诊断提供功能学影像信息。
通过将图4中不同的显像方法采集得到的影像进行对比可以看出，本发明采集的辐光影像具有最高的分辨率，其边界清晰、层次分明，具有最佳的成像效果
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的思想和范围的情况下，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案所做的任何修改、等同替换、等效变换、改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高分辨率的辐光显像系统，其特征在于：包括用于将放射源(5)发射的光子转化为辐光信号的增感屏辐光转换贴膜(1)、用于容纳放射源(5)的成像暗室(2)和用于采集并获得融合图像的光学成像硬件系统；所述的增感屏辐光转换贴膜(1)包括面向放射源侧和面向相机侧，二者紧密贴合为一体，其中面向放射源侧为平行孔准直器，面向相机侧为钨酸钙中速医用增感屏；所述的光学成像硬件系统包括用于采集白光影像和辐光影像的EMCCD相机(3)和用于融合白光影像和辐光影像的计算机(4)；
放射源(5)、增感屏辐光转换贴膜(1)和EMCCD相机(3)位于成像暗室(2)中，增感屏辐光转换贴膜(1)的面向放射源侧贴在放射源(5)上，且增感屏辐光转换贴膜(1)的面向相机侧正对EMCCD相机(3)的镜头，EMCCD相机(3)通过导线与位于成像暗室(2)外的计算机(4)相连。
2.根据权利要求1所述的高分辨率的辐光显像系统，其特征在于：所述的平行孔准直器上均匀分布有直径为0.8～1.2mm、圆心距为1.6～2.4mm的圆孔。
3.根据权利要求1所述的高分辨率的辐光显像系统，其特征在于：所述的平行孔准直器由厚度为0.8～1.2cm的柔性铅皮材料制成。
4.根据权利要求1所述的高分辨率的辐光显像系统，其特征在于：所述的成像暗室(2)上安装有暗箱门，暗箱门的门板与门框上设有相互匹配并能屏蔽外界光学噪声的凹凸卡槽。
5.根据权利要求1所述的高分辨率的辐光显像系统，其特征在于：所述的成像暗室(2)的内表面和外表面均喷涂有黑色吸光涂料。
6.根据权利要求1所述的高分辨率的辐光显像系统，其特征在于：所述的成像暗室(2)内设置有用于放置EMCCD相机(3)的能够调节高度及角度的平台。
7.基于权利要求1-6中任意一项所述的高分辨率的辐光显像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，使带有放射源(5)的待成像物进入成像暗室(2)中，暴露待测部位，保持暗箱门开启，在不安装增感屏辐光转换贴膜(1)的情况下，采用动态成像模式调整EMCCD相机(3)的焦距，拍摄正常光照下的白光影像；
步骤2，将增感屏辐光转换贴膜(1)紧贴于待测部位，增感屏辐光转换贴膜(1)将放射源(5)发射的光子转化为辐光信号，关闭暗箱门，利用EMCCD相机(3)采集得到辐光影像；
步骤3，利用计算机(4)将采集的白光影像和辐光影像的各个像素点一一对应，进行融合，并添加伪彩，得到能够提供待测部位不同区域的核素分布情况的成像结果。
8.根据权利要求7所述的基于高分辨率的辐光显像系统的成像方法，其特征在于：所述步骤3进行前，先去除辐光影像中的背景噪声和脉冲噪声，其中背景噪声使用暗场图像的均值，脉冲噪声使用中值滤波器滤除。
9.权利要求1-6中任意一项所述的高分辨率的辐光显像系统在γ、β衰变的放射性核素标记的核医学探针成像方面的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于：所述的放射性核素包括18F、99mTc、32P、90Y和131I。
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