CN111887810A - 一种近红外二区共径离轴光学-ct双模态成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外二区共径离轴光学‑CT双模态成像系统和方法，包括：共径激发模块、信号分离模块、光信号采集模块、CT图像采集模块和数据处理模块。本发明将近红外二区荧光成像与CT成像巧妙耦合在同一系统，近红外二区成像技术可以突破光学信号穿透深度，更好的实现肿瘤的早期检测，结合CT成像可以提供待检测生物体结构信息的优点，可以减小多模态成像在时域和空间中带来的扰动误差，同时获得白光数据，荧光数据，CT投影数据，降低实验难度，减小数据配准出现的误差。
Description
技术领域
本发明属于荧光成像技术领域，涉及一种近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统及方法。
背景技术
目前，分子影像技术在在肿瘤检测和手术导航中得到了很好的应用，业内已经存在多种对肿瘤的探测及成像的手段，并且在成像的精度方面已经非常成熟。例如：荧光断层成像技术、X射线成像技术、核磁共振成像技术、超声成像技术等，这些成像手段都可以用来对人体肿瘤进行检测和诊断。传统的光学成像的波长大多集中在可见光到近红外一区波段，由于生物组织在这个波段范围内有很强的吸收和散射，致使其信噪比和组织穿透深度都比较低。相对于可见光与近红外一区发射光，近红外二区(NIR-II，1000-1700nm)的发射光波长较长，具有更低的光吸收和自体荧光，且散射损耗减少了约1000倍，能够显著提高光在组织内的穿透深度和成像的空间分辨率和灵敏度，被认为是下一代先进的光学成像方法。另一方面，CT技术在医学成像中的重要应用价值以及分子影像技术的特点，从不同角度了解生物体的信息至关重要，多模态的信息融合成为了研究的热点。
由于单一模态成像所获取的生物体信息存在局限性，需要多种模态获取不同层次的数据，然后进行信息融合，来实现各种模态之间互补，现有的多模态成像包括：基于在不同位置空间，这样会导致在不同实验过程中，样本位置发生移动，从而影响图像配准，给实验结果带来误差；基于不同时域的数据采集，需要多次试验，使得实验过程更加复杂，实验操作难度加大，实验失误概率增大。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统及方法，解决现有的多模态成像技术在时域和空间中带来的扰动误差大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，包括：共径激发模块、信号分离模块、光信号采集模块、CT图像采集模块和数据处理模块，其中，
所述的共径激发模块用于将白光和激光形成混合光光束，并将混合光光束照射待检测生物体上；
所述的信号分离模块用于将穿过待检测生物体的混合光光束分离为白光信号和近红外二区荧光信号；
所述的光信号采集模块用于分别采集信号分离模块得到的白光信号和近红外二区荧光信号；
所述的CT图像采集模块用于采集待检测生物体的投影数据；
所述的数据处理模块用于将CT图像采集模块得到的投影数据三维重建获得待检测生物体的三维CT图像，将光信号采集模块得到的白光信号数据配准到三维CT图像上，得到初始图像，再将光信号采集模块得到的近红外二区荧光信号数据配准到初始图像上。
具体的，所述的共径激发模块包括白光光源、激光器、双面镜和两组扩束镜，所述的白光光源和一组扩束镜设置在双面镜的一侧，激光器和另一组扩束镜设置在双面镜的另一侧。
具体的，所述的信号分离模块包括楔形分束镜。
具体的，所述的光信号采集模块包括两组滤光片、两组中继透镜组、白光信号采集相机和近红外二区荧光采集相机，所述的白光信号采集相机、一组滤光片和一组中继透镜组设置在信号分离模块的一侧，近红外二区荧光采集相机、另一组滤光片和另一组中继透镜组设置在信号分离模块另一侧。
具体的，所述的CT图像采集模块包括射线源、用于放置待检测生物体的载物台和探测板，所述的CT图像采集模块设置在共径激发模块和信号分离模块之间，所述的载物台能够为待检测生物体提供不同方向的自由度。
具体的，所述的数据处理模块中数据配准包括：首先将光信号采集模块得到的白光信号数据配准到三维CT图像上，得到初始图像；再将光信号采集模块得到的近红外二区荧光信号数据配准到初始图像上。
进一步的，所述的数据处理模块还包括去噪模块和坏点补偿模块，去噪模块用于去除白光信号和近红外二区荧光信号背景噪声，坏点补偿模块用于去除CT投影数据的坏点。
进一步的，该系统还包括系统控制模块，用于控制共径激发模块中射线源的启动、关闭以及光信号采集模块中各设备的启动、预热、参数设置。
进一步的，该系统还包括传动动力模块，所述的传动动力模块包括用于带动待检测生物体自旋转的旋转台和各模块移动的平移台。
本发明还公开了一种近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像方法，采用本发明所述的成像系统进行成像，具体包括：
采用白光光源对待检测生物体照亮，启动激光光源，激光光束与白光光束共径混合形成混合光光束，将混合光光束照射待检测生物体上，将经过待检测生物体后的混合光光束进行信号分离，采集分离后的信号；
启动CT对待检测生物体进行扫描，得到三维CT图像；
将分离后的信号与三维CT图像进行配准，得到配准图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明将近红外二区荧光成像与CT成像巧妙耦合在同一系统，近红外二区成像技术可以突破光学信号穿透深度，更好的实现肿瘤的早期检测，结合CT成像可以提供待检测生物体结构信息的优点，可以减小多模态成像在时域和空间中带来的扰动误差，同时获得白光数据，荧光数据，CT投影数据，降低实验难度，减小数据配准出现的误差。
(2)本发明采用共径激发的方式将白光光束与激光光束光路耦合，这样是既保证激发光光束和照明光束同时投射在一条直线上，又保证光学采集模块中白光信号和荧光信号的同时采集。
(3)本发明系统的光路结构简单，操作简单，为后续的图像融合有效提供了便利。
附图说明
图1是本发明实施例记载的双模态成像系统结构图。
图2是本发明实施例记载的双模态成像方法流程框图。
图中各附图标号的含义：
1-共径激发模块，2-信号分离模块，3-光信号采集模块，4-CT图像采集模块，5-数据处理模块；
11-白光光源，12-激光器，13-双面镜，14-扩束镜；
31-滤光片，32-中继透镜组，33-白光信号采集相机，34-近红外二区荧光采集相机；
41-射线源，42-载物台，43-探测板。
具体实施方式
本发明中“共径离轴”是指共径激发、离轴采集，即白光光线与激光光线形成混合光束照射待检测生物体，激发荧光信号，并将激发后的信号分离采集。
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是，本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例公开一种近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，该系统具体包括：共径激发模块1、信号分离模块2、光信号采集模块3、CT图像采集模块4和数据处理模块5，其中，
共径激发模块1用于将白光和激光形成混合光光束，并将混合光光束照射待检测生物体上。由于待检测生物体内标记有荧光体，因此会激发荧光信号。
本实施例的共径激发模块具体包括白光光源11、激光器12、双面镜13和两组扩束镜14，白光光源11和一组扩束镜14设置在双面镜13的一侧，激光器12和另一组扩束镜14设置在双面镜13的另一侧，白光光源11的光路与激光器12的光路在双面镜13处重合，形成混合光。
白光光源11在功率10W的恒流电源驱动下，W-LED芯片电功率密度为100W/cm2,光源色温6900K，发出超过3340Lm的光，显色指数Ra达到92.7，照明光场分布较好。
激光器12为980nm光纤耦合激光器，内有激光二极管、谐振腔、光纤耦合光学器件、激光电源、LD电流和晶体温控，整套系统集成在一个装置里。其体积小、功能多，比如功率调整、温度控制以及LED显示。
双面镜13将白光光线正面折射通过进而照亮待检测生物体，将激发光线反射进而激发待检测生物体，白光光线和激发光线同时穿过而互不影响。
扩束镜14由透镜组成，白光光线通过扩束镜14聚焦在双面镜13正面，激发光线通过扩束镜14聚焦在双面镜13反面。
其中，扩束镜14和双面镜13共同构成共径激发光路。
信号分离模块2用于将穿过待检测生物体的混合光光束分离为白光信号和近红外二区荧光信号。本实施例的信号分离模块2优选楔形分束镜，这样光输不容易产生干涉现象。
光信号采集模块3用于分别采集信号分离模块2得到的白光信号和近红外二区荧光信号。
本实施例的光信号采集模块3包括两组滤光片31、两组中继透镜组32、白光信号采集相机33和近红外二区荧光采集相机34，所述的白光信号采集相机33、一组滤光片31和一组中继透镜组32设置在信号分离模块2的一侧，近红外二区荧光采集相机34、另一组滤光片31和另一组中继透镜组32设置在信号分离模块2另一侧。
滤光片31分别为白光滤光片和近红外二区荧光带通滤光片，白光滤光片的光谱范围为450～460nm，近红外二区荧光带通滤光片的光谱范围为990～1120nm。
中继透镜组32是一对胶合镜，两组或三组胶合镜的不同组合，可获得不同的角度。成像品质高、效率高、图案清晰锐利、光斑均匀饱满、最小畸变量可达1％以内。
白光采集相机33由长焦距、高灵敏CCD相机构成。其主要用于病灶的粗略定位及白光信息采集。
近红外二区荧光采集相机34是InGaAs-SWIR系列，EMCCD在关键性能规格和参数上特别设计，具有超高的读出速度，可在衍射极限内提供单分子分辨能力并保证光子收集效率，能更好的捕捉动态单分子荧光变化特征。
CT图像采集模块4用于采集待检测生物体的投影数据。本实施例中的CT图像采集模块4包括射线源41、用于放置待检测生物体的载物台42和探测板43，CT图像采集模块4设置在共径激发模块1和信号分离模块2之间，载物台42的位置保证待检测生物体位于混合光光路中。而且载物台42能够为待检测生物体提供XYZ以及旋转四个自由度。在成像过程中，CT系统和光学系统不需要运动，载物台42提供360°回转运动。这样可以减少系统间的干扰，保证待检测生物体体位不发生变化。
射线源41为微焦点X射线源，探测板43具有高灵敏度，低噪声的特点，具有可选择像素增益，使得产品更加适用于实时动态成像及CT扫描应用，同样对于高动态范围内静态拍片具有极大的优势。
数据处理模块5用于将CT图像采集模块4得到的投影数据三维重建获得待检测生物体的三维CT图像，将光信号采集模块3得到的白光信号数据配准到三维CT图像上，得到初始图像，再将光信号采集模块3得到的近红外二区荧光信号数据配准到初始图像上。
本实施例中，数据处理模块5包括去噪模块、坏点补偿模块、三维重建模块和信息配准模块。
去噪模块用于去除白光信号和近红外二区荧光信号背景噪声。背景噪声主要是在进行光学信号采集的过程中和待采集的原始数据直接叠加形成的，因此可以通过背景相减的方法进行背景噪声去除。
坏点补偿模块用于去除CT投影数据的坏点。具体采用对对邻域点求均值的方法。
三维重建模块用于对采集的原始投影数据进行重建获得三维CT图像，并能给出可视化界面。
信息配准模块用于将近红外二区荧光信号、白光信号与三维CT图像进行配准，具体采用改进的最近点迭代算法(TrICP)。
进一步的，在实施例1的基础上，该系统还可设置系统控制模块，系统控制模块用于控制共径激发模块中射线源的启动、关闭以及光信号采集模块中各设备的启动、预热、参数设置。具体为：用于控制白光信号采集相机33、近红外二区荧光采集相机34的启动、预热、参数设置；射线源的启动和关闭以及探测板的位置。
进一步的，在实施例1的基础上，该系统还可设置传动动力模块。传动动力模块包括用于带动待检测生物体自旋转的旋转台和各模块移动的平移台。具体的，旋转台安装在载物台42下面，让小鼠做360度旋转；平移台分别安装在各个设备、两台相机、旋转台以及CT射线源下面，调整位置的作用。利用平移台调整激光器12、白光信号采集相机33、近红外二区荧光采集相机34、射线源41的水平位置和探测板43的垂直高度，使光学子系统光路在同一条直线上面，使X射线正视投影在探测板43，实现了两套系统的视区完全重合，保证了双模态融合的精度。
实施例2
本实施例公开了一种近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像方法，该方法采用实施例1记载的成像系统进行成像，具体包括：
(1)采用白光光源对待检测生物体照亮，启动激光光源，激光光束与白光光束共径混合形成混合光光束，将混合光光束照射待检测生物体上，将经过待检测生物体后的混合光光束进行信号分离，采集分离后的信号；
具体为：在白光光源11照亮时，激光器12利用共径激发光路对载物台42上的待检测生物体进行投射，白光光线和激发光线同时穿过待检测生物体后照射到楔形分束镜上，在楔形分束镜上，白光光线反射的成像光经中继透镜组32、滤光片31聚焦成像在白光信号采集相机33上，采集白光图像；激发光激发荧光分子探针，发出的荧光经楔形分束镜、中继透镜组32、滤光片31，在近红外二区荧光采集相机34形成荧光图像。
(2)启动CT对待检测生物体进行扫描，得到三维CT图像；
上述步骤中，可以先采集白光和荧光数据，再采集CT图像，也可先采集CT图像，再采集白光和荧光数据，但白光和荧光数据是同时采集的。
(3)将分离后的信号与三维CT图像进行配准，得到配准图像。本实施例具体采用改进的最近点迭代算法将近红外二区荧光信号、白光信号与三维CT图像进行配准，如图2所示。
Claims (10)
1.一种近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，包括：共径激发模块(1)、信号分离模块(2)、光信号采集模块(3)、CT图像采集模块(4)和数据处理模块(5)，其中，
所述的共径激发模块(1)用于将白光和激光形成混合光光束，并将混合光光束照射待检测生物体上；
所述的信号分离模块(2)用于将穿过待检测生物体的混合光光束分离为白光信号和近红外二区荧光信号；
所述的光信号采集模块(3)用于分别采集信号分离模块(2)得到的白光信号和近红外二区荧光信号；
所述的CT图像采集模块(4)用于采集待检测生物体的投影数据；
所述的数据处理模块(5)用于将CT图像采集模块(4)得到的投影数据三维重建获得待检测生物体的三维CT图像，将光信号采集模块(3)得到的白光信号数据和近红外二区荧光信号数据配准到三维CT图像上。
2.如权利要求1所述的近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，所述的共径激发模块(1)包括白光光源(11)、激光器(12)、双面镜(13)和两组扩束镜(14)，所述的白光光源(11)和一组扩束镜(14)设置在双面镜(13)的一侧，激光器(12)和另一组扩束镜(14)设置在双面镜(13)的另一侧。
3.如权利要求1所述的近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，所述的信号分离模块(2)包括楔形分束镜。
4.如权利要求1所述的近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，所述的光信号采集模块(3)包括两组滤光片(31)、两组中继透镜组(32)、白光信号采集相机(33)和近红外二区荧光采集相机(34)，所述的白光信号采集相机(33)、一组滤光片(31)和一组中继透镜组(32)设置在信号分离模块(2)的一侧，近红外二区荧光采集相机(34)、另一组滤光片(31)和另一组中继透镜组(32)设置在信号分离模块(2)另一侧。
5.如权利要求1所述的近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，所述的CT图像采集模块(4)包括射线源(41)、用于放置待检测生物体的载物台(42)和探测板(43)，所述的CT图像采集模块(4)设置在共径激发模块(1)和信号分离模块(2)之间，所述的载物台(42)能够为待检测生物体提供不同方向的自由度。
6.如权利要求1所述的近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，所述的数据处理模块(5)中数据配准包括：首先将光信号采集模块(3)得到的白光信号数据配准到三维CT图像上，得到初始图像；再将光信号采集模块(3)得到的近红外二区荧光信号数据配准到初始图像上。
7.如权利要求1所述的近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，所述的数据处理模块(5)还包括去噪模块和坏点补偿模块，去噪模块用于去除白光信号和近红外二区荧光信号背景噪声，坏点补偿模块用于去除CT投影数据的坏点。
8.如权利要求1所述的近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，该系统还包括系统控制模块，用于控制共径激发模块中射线源的启动、关闭以及光信号采集模块中各设备的启动、预热、参数设置。
9.如权利要求1所述的近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像系统，其特征在于，该系统还包括传动动力模块，所述的传动动力模块包括用于带动待检测生物体自旋转的旋转台和各模块移动的平移台。
10.一种近红外二区共径离轴光学-CT双模态成像方法，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的成像系统进行成像，具体包括：
采用白光光源对待检测生物体照亮，启动激光光源，激光光束与白光光束共径混合形成混合光光束，将混合光光束照射待检测生物体上，将经过待检测生物体后的混合光光束进行信号分离，采集分离后的信号；
启动CT对待检测生物体进行扫描，得到三维CT图像；
将分离后的信号与三维CT图像进行配准，得到配准图像。
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