CN109044277B - 近红外二区荧光断层成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近红外二区荧光断层成像系统，该系统包括：结构信息采集模块，结构信息采集模块发出X光子束，获取样本的空间结构图像；光源模块，光源模块发出白光和激光，照射样本后分别得到白光图像和荧光图像；光信息采集模块，光信息采集模块获取白光图像和荧光图像；以及中央控制模块，中央控制模块控制结构信息采集模块、光源模块和光信息采集模块，读取空间结构图像、白光图像和荧光图像，根据空间结构图像、白光图像和荧光图像得到样本的近红外二区荧光断层图像。

Description

近红外二区荧光断层成像系统

技术领域

本发明涉及成像领域，尤其涉及一种近红外二区荧光断层成像系统。

背景技术

随着医学成像技术的发展，光学分子成像已经成为生命科学基础研究和临床诊断中广泛应用的新一代成像模式。光学断层成像技术结合传统的成像技术如X-ray CT，磁共振成像等，可以获取病灶的结构信息和分子信息，尤其是近红外荧光分子断层成像，通过注射靶向荧光探针，利用激光器激发探针采集发射光，可以实现无创的，非侵入式的病灶检测，同时具有高灵敏度和高特异性等特性。

然而，近红外一区成像由于在生物组织内的吸收效应和散射效应都较大，穿透能力不强，难以对深度位置的靶体进行成像，另外，由于生物组织的吸收，光信号的分布难以接近真实分布。综上所述，近红外一区成像已经难以满足临床的需要。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种近红外二区荧光断层成像系统，相比于传统的近红外一区成像，它在生物组织内的吸收效应和散射效应都较小，因而具有穿透深度深，组织自发荧光小和信背比高的优势。

根据本发明的一个方面，提供一种近红外二区荧光断层成像系统，该系统包括：发出X光子束，获取样本的空间结构图像的结构信息采集模块；发出白光和激光的光源模块，照射样本后分别得到白光图像和荧光图像；获取白光图像和荧光图像的光信息采集模块；以及控制结构信息采集模块、光源模块和光信息采集模块，读取空间结构图像、白光图像和荧光图像，根据空间结构图像、白光图像和荧光图像得到样本的近红外二区荧光断层图像的中央控制模块。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，近红外二区荧光断层成像系统还包括外部封装模块，外部封装模块包括：用于支撑近红外二区荧光断层成像系统的各个组成模块的光学平台；设置在光学平台上，与光学平台密封连接，防止外部光源进入内部的外壳；以及设置在外壳上的封装门，封装门在近红外二区荧光断层成像系统工作时处于关闭状态。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，近红外二区荧光断层成像系统还包括：用于固定样本的位置的目标固定模块，目标固定模块对样本进行平移和/或旋转。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，目标固定模块包括：设置在光学平台上的底座，底座能够实现三个维度的移动；设置在底座上的旋转平台，旋转平台能够实现360度旋转；以及设置在旋转平台上的目标固定板，目标固定板用于固定样本。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，结构信息采集模块包括：用于发射扇形X光子束的X射线发射源；用于探测穿过样本的X光子的探测板；用于传输信息采集模块的数据的第一数据线；以及用于为信息采集模块提供电源的第一电源线。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，光源模块包括：用于发射白光的白光发射装置；用于发射激光的激光器；用于将激光传导到成像区域的光纤；以及用于连接激光器与光纤的转接装置。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，光源模块还包括：设置在光纤的末端的扩束器，激光从光纤传输到扩束器。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，光源模块还包括：保护玻璃，扩束器设置在光纤和保护玻璃之间，激光从扩束器传输到保护玻璃。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，光信息采集模块包括：用于采集白光图像和荧光图像的采集相机；用于调节成像区域的大小的变焦镜头；用于连接采集相机和变焦镜头的转接环；用于传输采集相机的数据的第二数据线；以及用于为采集相机提供电源的第二电源线。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，光信息采集模块还包括：设置在采集相机和变焦镜头之间的滤光片，用于过滤白光和荧光之外的光。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，中央控制模块包括：用于控制结构信息采集模块、光源模块以及光信息采集模块的信号控制单元；用于读取结构信息采集模块和光信息采集模块获取的空间结构图像、白光图像以及荧光图像的数据读取单元；用于对空间结构图像、白光图像以及荧光图像进行预处理，并根据空间结构图像得到样本的三维结构图像的图像预处理单元；以及用于根据预处理后的空间结构图像、白光图像以及荧光图像得到样本的近红外二区荧光断层图像的图像三维重建单元，其中，信号控制单元、数据读取单元、图像预处理单元以及图像三维重建单元之间均通信连接。

根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统的一些实施例，中央控制模块还包括：与信号控制单元、数据读取单元、图像预处理单元以及图像三维重建单元均通信连接的图像显示单元，图像显示单元用于显示空间结构图像、白光图像、荧光图像以及近红外二区荧光断层图像。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点之一：

(1)穿透能力更强，成像深度更深；

(2)光信号的分布更加接近真实，重建位置更加准确。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的外部封装模块的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的结构信息采集模块的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的光源模块的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的光信息采集模块的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的中央控制模块的结构示意图；

图7是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的中央控制模块进行近红外二区荧光断层成像的流程图；

图8是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的中央控制模块进行近红外二区荧光断层重建的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

近红外二区成像作为新一代分子影像技术，是利用波长为1100nm-1700nm的近红外二区荧光对病灶进行成像的技术。相比于传统的近红外一区成像，它在生物组织内的吸收效应和散射效应都较小，因而具有穿透深度深，组织自发荧光小和信背比高的优势。将近红外二区成像与传统的结构成像如X-ray CT、MRI等相结合，利用三维重建算法，可以实现病灶的近红外二区三维断层成像，实现生物体内病灶的三维定位。相比于传统的近红外一区荧光断层成像，近红外二区荧光断层成像具有更高的信背比，能够实现更深处病灶的定位，同时重建位置更加准确，光信号在病灶内的分布更加接近真实分布。

近红外二区荧光断层成像技术由于自身的优势，在病灶的检测和定位方面具有广泛的应用前景。本发明正是基于此提出了一种近红外二区荧光断层成像系统，并利用此系统进行成像。

下面结合附图对本发明实施例作进一步的说明。

图1是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的结构示意图。如图1所示，近红外二区荧光断层成像系统包括：发出X光子束并获取样本的空间结构图像的结构信息采集模块109；发出白光和激光的光源模块122，该光源模块122照射样本后分别得到白光图像和荧光图像；获取白光图像和荧光图像的光信息采集模块114；以及中央控制模块129，中央控制模块129控制结构信息采集模块109、光源模块122和光信息采集模块114，读取空间结构图像、白光图像和荧光图像，根据空间结构图像、白光图像和荧光图像得到样本的近红外二区荧光断层图像。

根据优选的实施例，近红外二区荧光断层成像系统还包括外部封装模块101。外部封装模块101可以对根据本发明的近红外二区荧光断层成像系统进行封装，提供暗室环境与简易的操作接口，防止近红外二区荧光断层成像系统受到外部环境的干扰，并保护近红外二区荧光断层成像系统的各个子部件。

图2是外部封装模块101的结构示意图。如图2所示，外部封装模块101包括：用于支撑近红外二区荧光断层成像系统的各个组成模块的光学平台104，光学平台104用于保障各个子部件的平衡稳定；设置在光学平台104上、与光学平台104密封连接并且防止外部光源进入内部的外壳102，外壳102和光学平台104形成暗室环境，并且可以保护各个子部件，外壳102例如可以是钢制方体外壳，在组装好设备其他各个子部件后，将其与光学平台104组装在一起；以及设置在外壳102上的封装门103，封装门103在近红外二区荧光断层成像系统工作时处于关闭状态，封装门103可以方便在设备出现故障时进行检修。

根据优选的实施例，近红外二区荧光断层成像系统还包括：用于固定样本的位置的目标固定模块105，目标固定模块105可以对样本进行平移和/或旋转。

根据优选的实施例，目标固定模块105包括：设置在光学平台上的底座，底座能够实现三个维度的移动，可以在X、Y和Z方向上进行平移；设置在底座上的旋转平台，旋转平台能够实现360度旋转；以及设置在旋转平台上的目标固定板，目标固定板用于固定样本。

图3是结构信息采集模块109的结构示意图。光信息采集模块109，用于采集目标的白光图像和近红外二区荧光图像。白光图像与近红外二区荧光图像位置保持一致，可以用于荧光图像与结构图像的映射配准。如图3所示，结构信息采集模块109包括：用于发射扇形X光子束的X射线发射源110；用于探测穿过样本的X光子的探测板111，探测板111捕捉X光子，并将捕捉到的X光子转换成数字信号；用于传输信息采集模块的数据的第一数据线112，第一数据线112将采集到的信号传输到中央控制模块129；以及用于为信息采集模块提供电源的第一电源线113。

图4是光源模块122的结构示意图。如图4所示，光源模块122包括：用于发射白光的白光发射装置123；用于发射激光的激光器125，激光器125发出的激光的波长可以调谐；用于将激光传导到成像区域的光纤126，光纤126是由玻璃制成的纤维，光纤126的长度例如可以是3米；以及用于连接激光器125与光纤126的转接装置124。

根据优选的实施例，光源模块122还包括：设置在光纤126的末端的扩束器127，激光从光纤126传输到扩束器127，扩束器127可以用于将从光纤126中导出的激光发散成较大的平行光束。

根据优选的实施例，光源模块122还包括：保护玻璃128，扩束器127设置在光纤126和保护玻璃128之间，激光从扩束器127传输到保护玻璃128，保护玻璃128用于将被扩束器127发散的激光限制在一个小范围内，保护其他各子部件。

图5是光信息采集模块114的结构示意图。光信息采集模块114用于白光和近红外二区荧光信号的采集，从而得到重建目标的白光图像和近红外二区荧光图像。如图5所示，光信息采集模块114包括：用于采集白光图像和荧光图像的采集相机115，采集相机115可以由近焦距、广角、高灵敏EMCCD相机构成，采集相机115可以采用液氮制冷，最低成像温度可达零下95摄氏度；用于调节成像区域的大小的变焦镜头118，变焦镜头118可以是焦距可变的镜头，通过调整焦距，可以实现成像区域的大小切换；用于连接采集相机115和变焦镜头118的转接环117；用于传输采集相机的数据的第二数据线119，第二数据线119可以通过RJ45接口将采集相机115与中央控制模块129相连接；以及用于为采集相机提供电源的第二电源线120，第二电源线120通过电源适配器将采集相机115连接到220V电压上。

根据优选的实施例，光信息采集模块114还包括：设置在采集相机115和变焦镜头118之间的滤光片116，滤光片116可以是近红外二区信号长通滤光片，滤光片116可以放置在转接环117上，可以滤掉近红外二区波段以外的光信号。

图6是中央控制模块129的结构示意图。如图6所示，中央控制模块129包括：用于控制结构信息采集模块109、光源模块122以及光信息采集模块114的信号控制单元130；用于读取结构信息采集模块109和光信息采集模块114获取的空间结构图像、白光图像以及荧光图像的数据读取单元131；用于对空间结构图像、白光图像以及荧光图像进行预处理，并根据空间结构图像得到样本的三维结构图像的图像预处理单元132；以及用于根据预处理后的空间结构图像、白光图像以及荧光图像得到样本的近红外二区荧光断层图像的图像三维重建单元133，其中，信号控制单元130、数据读取单元131、图像预处理单元132以及图像三维重建单元133之间均通信连接。

信号控制单元130，例如可以用于从计算机输出结构信息采集模块109、光信息采集模块114和旋转平台107的控制信号；数据读取单元131，例如可以用于计算机读取结构信息采集模块109和光信息采集模块114采集到的信号；图像预处理单元132，例如可以用于对采集到的结构信息和光信息进行校正、去噪等初步处理；图像三维重建单元133，根据目标的结构图像和近红外二区荧光图像进行重建得到目标的近红外二区三维断层图像。

根据优选的实施例，中央控制模块129还包括：与信号控制单元130、数据读取单元131、图像预处理单元132以及图像三维重建单元133均通信连接的图像显示单元134，图像显示单元134用于显示空间结构图像、白光图像、荧光图像以及近红外二区荧光断层图像。

图7是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的中央控制模块进行近红外二区荧光断层成像的流程图。如图7所示，信号控制单元130输出控制信号，控制X射线发射源110、探测板111、采集相机115和旋转平台107，并设置采集顺序及相关参数。数据读取单元131通过第一数据线112和第二数据线119读取探测板111采集到的结构信息和采集相机115采集到的白光图像与近红外二区荧光信号，结构信息可以是图7中的CT数据。然后通过图像预处理单元132对采集到的信息进行初步处理。一方面，对结构信息进行处理，通过滤波反投影法对CT数据进行重建得到目标的三维结构图像；另一方面，对白光图像和荧光图像进行图像去噪、图像增强等处理。根据三维结构图像和进行过初步处理的白光图像计算出配准参数，然后根据三维结构图像、配准参数以及进行过初步处理的荧光图像对目标进行荧光断层重建，也即是图像三维重建单元133根据预处理后的CT结构图像、白光图像和荧光图像，利用三维重建算法，得到近红外二区荧光断层图像。最后，图像显示单元134对CT结构图像、白光图像、荧光图像和荧光断层图像进行显示。

图8是根据本发明实施例的近红外二区荧光断层成像系统的中央控制模块进行近红外二区荧光断层重建的流程图。从图中可以看出，通过对CT重建结果、光学数据的处理结合组织光学参数可以建立前向方程，对前向方程进行正则方法求解，就可以得到重建的结果。具体的，对CT重建结果的处理包括CT结果分割、3D网格剖分和建立辐射传输方程；对光学数据的处理包括映射参数计算、2D/3D映射以及3D映射表面光强分布。

成像的整个过程可以例如如下所述：

将近红外二区荧光断层成像系统按照图1所示组装好，调整底座108，使成像区域尽可能在成像视野中心；

信号控制单元130向X射线发射源110、探测板111和旋转平台107发送控制信号，数据读取单元131采集结构信息；

打开白光发射装置123，固定旋转平台107，信号控制单元130向采集相机115输出控制信号，采集相机115采集白光图像；

关闭白光发射装置123，打开激光器125输出激光，信号控制单元130向采集相机115输出控制信号，采集相机115采集近红外二区荧光图像；

信号控制单元130向旋转平台107输出控制信号，使旋转平台107转动一个角度，例如5度，重复以上白光图像和荧光图像采集过程，多采集几个角度图像有利于提高断层图像精度；

图像预处理模块132进行CT重建以及白光图像和荧光图像的去噪、增强等处理，通过三维重建算法，得到近红外二区荧光断层图像；

图像显示单元134对结果进行显示。

本发明基于近红外二区荧光断层成像技术，结合结构信息和近红外二区荧光图像，采用一种近红外二区断层重建算法，实现生物体内的病灶的近红外二区荧光断层成像，并构建了近红外二区荧光断层成像设备，该设备可以实现生物体内较深处目标的精准定位。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，包括：

结构信息采集模块，所述结构信息采集模块发出X光子束，获取样本的空间结构图像；

光源模块，所述光源模块发出白光和激光，照射所述样本后分别得到白光图像和荧光图像；

光信息采集模块，所述光信息采集模块获取所述白光图像和荧光图像，包括EMCCD相机、变焦镜头以及滤光片，所述滤光片设置于所述EMCCD相机和变焦镜头之间，所述滤光片为近红外二区信号长通滤光片；以及

中央控制模块，所述中央控制模块控制所述结构信息采集模块、所述光源模块和所述光信息采集模块，所述中央控制模块包括图像预处理单元以及图像三维重建单元，其中，图像预处理单元，用于对所述空间结构图像、白光图像以及荧光图像进行预处理，并根据所述空间结构图像得到所述样本的三维结构图像；图像三维重建单元，用于根据预处理后的空间结构图像结合组织光学参数建立辐射传输方程，基于所述辐射传输方程，结合预处理后的白光图像以及荧光图像建立前向方程，对所述前向方程进行正则方法求解，得到所述样本的近红外二区荧光三维断层图像；

目标固定模块，所述目标固定模块用于固定所述样本的位置，所述目标固定模块对所述样本进行平移和/或旋转；

所述目标固定模块包括底座、旋转平台、目标固定板，其中，所述底座设置在光学平台上，所述底座能够实现三个维度的移动；所述旋转平台设置在所述底座上，所述旋转平台能够实现360度旋转；以及所述目标固定板设置在所述旋转平台上，所述目标固定板用于固定所述样本。

2.根据权利要求1所述的近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，所述近红外二区荧光断层成像系统还包括外部封装模块，所述外部封装模块包括：

光学平台，用于支撑所述近红外二区荧光断层成像系统的各个组成模块；

外壳，设置在所述光学平台上，与所述光学平台密封连接，防止外部光源进入内部；以及

封装门，所述封装门设置在所述外壳上，所述封装门在所述近红外二区荧光断层成像系统工作时处于关闭状态。

3.根据权利要求1所述的近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，所述结构信息采集模块包括：

X射线发射源，用于发射扇形X光子束；

探测板，用于探测穿过所述样本的X光子；

第一数据线，用于传输所述结构信息采集模块的数据；以及

第一电源线，用于为所述结构信息采集模块提供电源。

4.根据权利要求1所述的近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，所述光源模块包括：

白光发射装置，用于发射白光；

激光器，用于发射激光；

光纤，用于将所述激光传导到成像区域；以及

转接装置，用于连接所述激光器与所述光纤。

5.根据权利要求4所述的近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，所述光源模块还包括：

扩束器，所述扩束器设置在所述光纤的末端，所述激光从所述光纤传输到所述扩束器。

6.根据权利要求5所述的近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，所述光源模块还包括：

保护玻璃，所述扩束器设置在所述光纤和所述保护玻璃之间，所述激光从所述扩束器传输到所述保护玻璃。

7.根据权利要求1所述的近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，所述光信息采集模块包括：

转接环，用于连接采集相机和所述变焦镜头；

第二数据线，用于传输所述采集相机的数据；以及

第二电源线，用于为所述采集相机提供电源。

8.根据权利要求1所述的近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，所述中央控制模块包括：

信号控制单元，用于控制所述结构信息采集模块、光源模块以及光信息采集模块；

数据读取单元，用于读取所述结构信息采集模块和所述光信息采集模块获取的空间结构图像、白光图像以及荧光图像；

其中，所述信号控制单元、所述数据读取单元、所述图像预处理单元以及所述图像三维重建单元之间均通信连接。

9.根据权利要求8所述的近红外二区荧光断层成像系统，其特征在于，所述中央控制模块还包括：

图像显示单元，所述图像显示单元与所述信号控制单元、所述数据读取单元、所述图像预处理单元以及所述图像三维重建单元均通信连接，所述图像显示单元用于显示所述空间结构图像、白光图像、荧光图像以及近红外二区荧光断层图像。

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