CN110731759B - 一种多模式3d荧光断层动物分子影像扫描设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，属于光学分子影像技术领域，包括避光暗箱、安装在所述避光暗箱内部的样品台以及操控该设备和影像成像用的电脑端，所述样品台包括由支撑柱支撑的透明台，所述透明台的外壁通过轴承与旋转台转动连接，所述旋转台由驱动机构驱动旋转，所述透明台的表面放置样品盒，所述旋转台的表面放置CT扫描模块，所述避光暗箱的顶端内壁设置CCD相机和LED阵列，所述样品台的正下方设置透镜准直器，所述透镜准直器通过光纤线与激光器连接，所述CCD相机、所述透镜准直器和所述激光器组成FMT扫描模块。通过CT扫描模块和FMT扫描模块相结合，对活体小动物进行双模式成像，使成像更加丰富。
Description
技术领域
本发明涉及光学分子影像技术领域，特别涉及一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备。
背景技术
活体生物荧光成像技术（in vivo bioluminescence imaging）是近年来发展起来的一项分子、基因表达的分析检测系统。它由敏感的CCD及其分析软件和作为报告子的荧光素酶（luciferase）以及荧光素（luciferin）组成。利用灵敏的检测方法，让研究人员能够直接监控活体生物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程，小动物活体荧光成像技术在国内外得到越来越的普及应用，越来越多的科研人员希望能通过该技术来长时间追踪观察活体动物体内肿瘤细胞的生长以及对药物治疗的反应，希望能观察到荧光标记的多肽、抗体、小分子药物在体内的分布和代谢情况，与传统技术相比，活体荧光成像技术不需要杀死动物，可以对同一个动物进行长时间反复跟踪成像，既可以提高数据的可比性，避免个体差异对试验结果的影响；又可以了解标记物在动物体内的分布和代谢情况，避免传统体外实验方法的诸多缺点；特别是还可以用原生态的方法来研究问题，即研究对象不需要先行标记，其后用荧光标记物来研究其行为，观察结果真实可靠。
但是传统的小动物活体荧光成像设备一般采用单个成像模式，如CT扫描模式或者FMT模式，早期的微型CT使用传统的X射线影像增强器配合CCD相机来采集投影图，然而，影像增强器的噪声水平较高，严重限制了微型CT的成像质量，所以不能很好地将两种模式结合起来，并且FMT模式需要先对活体小动物进行荧光标记，但是传统的荧光成像设备无法提供多重荧光标记功能，单一的荧光标记很容易使活体小动物的成像的细节不够精确。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述活动荧光成像设备单一模式下小动物成像质量较差，不够丰富以及采用FMT扫描模式时小动物成像不够精确的问题提出一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，具有CT扫描和FMT扫描两种模式结合，成像丰富且精确，可多重荧光标记，调节光谱使小动物成像的细节更加精确的优点。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，包括避光暗箱、安装在所述避光暗箱内部的样品台以及操控该设备和影像成像用的电脑端，所述样品台包括由支撑柱支撑的透明台，所述透明台的外壁通过轴承与旋转台转动连接，所述旋转台由驱动机构驱动旋转，所述透明台的表面放置样品盒，所述旋转台的表面放置CT扫描模块，所述避光暗箱的顶端内壁设置CCD相机和LED阵列，所述样品台的正下方设置透镜准直器，所述透镜准直器通过光纤线与激光器连接，所述CCD相机、所述透镜准直器和所述激光器组成FMT扫描模块。
优选的，所述避光暗箱靠近样品台的外壁上开设有柜门。
优选的，所述驱动机构包括设置在旋转台底部的齿轮盘，齿轮盘的一侧与主动齿轮啮合，主动齿轮安装在第一电机的电机轴上。
优选的，所述CT扫描模块包括X射线管和平板探测器，其中X射线管和平板探测器以样品盒为中心相互对称。
优选的，所述CCD相机的镜头与样品盒之间设置滤光调节机构，透镜准直器与样品盒之间设置光源调节机构。
优选的，所述滤光调节机构包括第二调光板、环形设置在第二调光板表面的第二滤光片以及驱动所述第二调光板以圆心为中心旋转的第二电机，其中一个所述第二滤光片位于CCD相机的镜头正下方。
优选的，所述光源调节机构包括第一调节光板、控制第一调节光板水平移动的伸缩杆以及驱动伸缩杆的电动推杆，所述第一调节光板上设置若干个横向排列的第一滤光片。
优选的，所述避光暗箱的侧壁上安装电机箱用于控制该设备上的电机组件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过CT（计算断层成像）扫描模块和FMT（荧光分子层析成像）扫描模块相结合，对活体小动物进行双模式成像，使成像更加丰富，并且放置活体小动物的样品台采用旋转台套接透明台的方式，CT扫描模块安装在旋转台上，样品盒放置在透明台上，在使用时，旋转台以透明台为圆心圆周运动，可以方便CT扫描模块对不同方位的活体动物进行扫描。
2、通过在组成FMT扫描模块的CCD相机镜头前方设置滤光调节机构，在透镜准直器前方设置光源调节机构，通过滤光调节机构和光源调节机构的同步，可以实现不同光谱的发射和接收，不仅提供了多重荧光标记的功能，还方便对荧光层进行拆分，使活体小动物成像精确度更高。
附图说明
图1为本发明的整体装置结构示意图。
图2为本发明的样品台结构示意图。
图3为本发明的驱动机构结构示意图。
图4为本发明的滤光调节机构结构示意图。
图中：1、避光暗箱，2、样品台，3、柜门，4、CCD相机，5、LED阵列，6、滤光调节机构，7、CT扫描模块，8、X射线管，9、平板探测器，10、驱动机构，11、电机箱，12、光源调节机构，13、电动推杆，14、伸缩杆，15、第一调光板，16、第一滤光片，17、透镜准直器，18、激光器，19、电脑端，20、支撑柱，21、透明台，22、轴承，23、旋转台，24、样品盒，25、齿轮盘，26、第一电机，27、主动齿轮，28、第二电机，29、第二调光板，30、第二滤光片。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1-4所示，一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，包括避光暗箱1、安装在避光暗箱1内部的样品台2以及操控该设备和影像成像用的电脑端19，样品台2包括由支撑柱20支撑的透明台21，透明台21的外壁通过轴承22与旋转台23转动连接，旋转台23由驱动机构10驱动旋转，透明台21的表面放置样品盒24，旋转台23的表面放置CT扫描模块7，避光暗箱1的顶端内壁设置CCD相机4和LED阵列5，样品台2的正下方设置透镜准直器17，透镜准直器17通过光纤线与激光器18连接，CCD相机4、透镜准直器17和激光器18组成FMT扫描模块，CT扫描模块7设置在旋转台23上，在设备工作的时候，透明台21保持静止，旋转台23由驱动机构10驱使旋转，使得CT扫描模块7可以扫描不同方向下的小动物光学图像，FMT扫描模块也随着CT扫描模块7开始工作，扫描小动物之后通过荧光分子层析进行成像，电脑端19通过融合CT扫描模块7和FMT扫描模块传输过来的信号进行双模式融合计算，最终计算出活体小动物的成像。
避光暗箱1靠近样品台2的外壁上开设有柜门3，柜门3方便打开向样品盒24放置待扫描的活体小动物样品，驱动机构10包括设置在旋转台23底部的齿轮盘25，齿轮盘25的一侧与主动齿轮27啮合，主动齿轮27安装在第一电机26的电机轴上，第一电机26通过驱动主动齿轮27带动齿轮盘25转动，从而实现旋转台23的旋转，CT扫描模块7包括X射线管8和平板探测器9，其中X射线管8和平板探测器9以样品盒24为中心相互对称，X射线管8发射X射线，平板探测器9接收到X射线的信号，并将信号发送给电脑端19，便于后续的融合计算。
CCD相机4的镜头与样品盒24之间设置滤光调节机构6，透镜准直器17与样品盒24之间设置光源调节机构12，滤光调节机构6包括第二调光板29、环形设置在第二调光板29表面的第二滤光片30以及驱动第二调光板29以圆心为中心旋转的第二电机28，其中一个第二滤光片30位于CCD相机4的镜头正下方，光源调节机构12包括第一调节光板15、控制第一调节光板15水平移动的伸缩杆14以及驱动伸缩杆14的电动推杆13，第一调节光板15上设置若干个横向排列的第一滤光片16，光源调节机构12用于对激光器18输出的激光进行滤光操作，选择所需要的光，而滤光调节机构6，过滤掉其他的干扰光，只接受光源调节机构12调节之后的光，因此，第一滤光片16和第二滤光片30的数量和型号均相同，并且在调节的时候保持同步，这样在小动物上标记多种荧光染料，通过调节滤光，即可将拆分成不同荧光，有助于对荧光成像的细节优化，滤光调节机构6是通过第二电机28驱动第二调光板29转动，实现不同的第二滤光片30在CCD相机4镜头下的切换，光源调节机构12是通过电动推杆13驱动伸缩杆14实现第一滤光片16在透镜准直器17上的切换，避光暗箱1的侧壁上安装电机箱11用于控制该设备上的电机组件，电机箱11通过S232通信串口与电脑端19通信连接，方便电脑端19对该设备内部的电机组进行控制。
双模式成像技术可以分为软件上的双模式和硬件上的双模式，软件上的双模式是指将同样的生物组织使用不同的成像系统分别进行成像，最后将结果使用图像配准的方法融合在一起，有大量的文献涉及到双模式图像的融合，实现的方法有许多种，大多是使用两种或多种成像模式中都可清晰成像的固定形状的样本做为标示物，如在CT和FMT对头部成像的图像融合中使用头骨做为标示物。然后使用线性变换的方法来进行融合，而对于腹部的或胸腔的一些器官，由于是软组织，非常容易发生形变，因此需要用一些非线性的方法来进行图像融合，这些图像融合方式通常被称为基于图像的方式，由于该算法属于现有技术，因此在本申请文件中不在赘述；硬件上的双模式是指多种成像模式安装在同一平台上，且各模式之间的相互位置和成像空间位置是确定的，因此只需要先使用一个确定性的模型来对不同模式成像空间的相对位置进行测量定标，此后只要成像模式间相对位置不改变，进行成像时图像的融合只要使用定标时确定的矩阵变换方法即可，这种方法通常被称为非基于图像的方式，由于该方式属于现有的技术，因此在本申请文件中不在赘述。
本发明的工作原理：先将活体小动物进行荧光染色，可以标记多种荧光，打开柜门3，将麻醉后的活体小动物放置在样品盒24内，关上柜门3，关闭LED阵列5，通过电机箱11开启设备内部的组件工作，CT扫描模块7和FMT扫描模块开始工作，并将接收到的信号发送给电脑端19，通过电脑端19进行融合计算，旋转台23在两个模块工作时进行旋转，方便多方位的扫描，在FMT扫描模块工作的时候，可以通过光源调节机构12和滤光调节机构6对光源进行调节，方便拆分多种荧光标记，有助于对小动物成像的细节进行优化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，包括避光暗箱(1)、安装在所述避光暗箱(1)内部的样品台(2)以及操控该设备和影像成像用的电脑端(19)，其特征在于：所述样品台(2)包括由支撑柱(20)支撑的透明台(21)，所述透明台(21)的外壁通过轴承(22)与旋转台(23)转动连接，所述旋转台(23)由驱动机构(10)驱动旋转，所述透明台(21)的表面放置样品盒(24)，所述旋转台(23)的表面放置CT扫描模块(7)，所述避光暗箱(1)的顶端内壁设置CCD相机(4)和LED阵列(5)，所述样品台(2)的正下方设置透镜准直器(17)，所述透镜准直器(17)通过光纤线与激光器(18)连接，所述CCD相机(4)、所述透镜准直器(17)和所述激光器(18)组成FMT扫描模块；
所述CCD相机(4)的镜头与样品盒(24)之间设置滤光调节机构(6)，透镜准直器(17)与样品盒(24)之间设置光源调节机构(12)；
所述滤光调节机构(6)包括第二调光板(29)、环形设置在第二调光板(29)表面的第二滤光片(30)以及驱动所述第二调光板(29)以圆心为中心旋转的第二电机(28)，其中一个所述第二滤光片(30)位于CCD相机(4)的镜头正下方；
所述光源调节机构(12)包括第一调节光板(15)、控制第一调节光板(15)水平移动的伸缩杆(14)以及驱动伸缩杆(14)的电动推杆(13)，所述第一调节光板(15)上设置若干个横向排列的第一滤光片(16)，所述第一滤光片(16)和第二滤光片(30)的数量和型号均相同，并且在调节的时候保持同步。
2.根据权利要求1所述的一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，其特征在于：所述避光暗箱(1)靠近样品台(2)的外壁上开设有柜门(3)。
3.根据权利要求1所述的一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，其特征在于：所述驱动机构(10)包括设置在旋转台(23)底部的齿轮盘(25)，齿轮盘(25)的一侧与主动齿轮(27)啮合，主动齿轮(27)安装在第一电机(26)的电机轴上。
4.根据权利要求1所述的一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，其特征在于：所述CT扫描模块(7)包括X射线管(8)和平板探测器(9)，其中X射线管(8)和平板探测器(9)以样品盒(24)为中心相互对称。
5.根据权利要求1所述的一种多模式3D荧光断层动物分子影像扫描设备，其特征在于：所述避光暗箱(1)的侧壁上安装电机箱(11)用于控制该设备上的电机组件。
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