CN1655716A - 小目标的变速运动光学层析成像技术 - Google Patents
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Abstract
一种靶目标(1)的三维(3D)重构方法，包括如下步骤：把靶目标装在线形容器(31)内。用至少一个光学投影光束(13)照明靶目标(1)。运送线形容器(32)直到靶目标(1)位于至少一个光学投影光束(13)的区域内。根据需要使所述至少一个靶目标(33)位于中心并旋转靶目标通过多个径向角度，以便在多个角度中的每个径向角度产生一系列投影像(34)。
Description
技术领域
本发明一般涉及光学层析成像(OT)系统，具体地涉及可变运动光学层析成像(VOT)，其中小目标诸如生物细胞的运动通过例如机械运动系统控制，所述机械运动系统的运动不必恒定和/或者在一个方向上，而是可以变化或者是多方向的。
背景技术
2003年2月18日授予Alan C.Nelson的6,522,775号美国专利包括在本说明书中给参考，该专利名称为“APPARATURE ANDMETHOD FOR IMAGING SMALL OBJECTS ON A FLOW STREAMUSING OPTICAL TOMOGRAPHY”(后面简称FOT设计)。在Nelson的上述专利申请中，细胞运动在流体中实现，其中悬浮细胞沿着毛细管的单一流动轴线以恒定速度运动。FOT设计没有涉及更一般的情况，即细胞运动速度和/或方向可以变化的情况。
发明内容
靶目标(1)的三维(3D)重构方法包括把靶目标装在线形容器(31)内的步骤。用至少一个光学投影光束(13)照明靶目标(1)。运送线形容器(32)直到靶目标(1)位于至少一个光学投影光束(13)的区域内。根据需要使靶目标(33)位于中心并转过多个径向角度以便在多个径向角度中每个径向角度产生一系列投影像(34)。
附图说明
图1是简要示出本发明一个实施例的把细胞装载实施毛细管中的一个例子的说明图；
图2是简要示出实施本发明一个实施例的光学层析成像重构圆柱的一个例子的说明图；
图3是简要示出实施本发明一个实施例的可变运动光学层析成像(VOT)的替代系统的一个例子的说明图；
图4是简要示出实施本发明一个实施例的三维(3D)图像重构的流程图的的一个例子；
图5是简要示出实施本发明一个实施例的三维(3D)图像重构中使用多个偏振滤光器(polarization filter)和/或者相位板的例子。
具体实施方式
这里结合与生物细胞有关的具体例子描述本发明，但是应该理解这些例子只是为了说明本发明的原理本发明并不限于此。在一个例子中，构建微小体积内点密度和发光强度的三维分布使得能够测量微小体积内任何位置的强度和亮度并确定靶分子或者分子探针的结构位置。通过使用标记的分子探针，可以测量附着在微小目标的特定结构上的探针质量。为了说明目的，诸如生物细胞的目标可以通过至少一个贴标签的分子探针标记，该探针的测量数量和位置可以产关于细胞疾病状态的重要信息，包括但不限于各种癌症，诸如肺癌、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌、子宫癌和卵巢癌或者传染物。
参考图1，简要示出实施本发明一个实施例的把细胞装载毛细管中的一个例子的说明图。在该例子中，毛细管3的一部分内填充细胞1，细胞1被紧紧地装在管子内。每个细胞可以包括细胞核2。毛细管3具有相对于坐标系6取向的中心轴4，该坐标系在x、y和z方向具有坐标。在某些情形，至少一个分子探针53可受限于该细胞内。连接有计算机7以便向旋转电机5和运送电机8提供控制信号。可以认识到可以利用一个或多个电机、齿轮或射流器件或其他产生运动装置的等效结构以便实现毛细管或者其他基质的必要运送或者旋转运动。在某些情况下，一个或者多个电机可以用人工定位装置或者齿轮或者其他产生运动的装置代替，诸如液压机构或者压电元件。运送轴是z轴，旋转围绕z轴。连接定位电机9以便在x轴和y轴限定的平面内移动细胞，所述平面实质上垂直于中心轴，以便根据需要定心(centration)。
应该认识到毛细管的曲面起柱面透镜的作用，而且这种聚焦作用在投影系统中是不希望的。本领域的技术人员可以明白，如果点光源和管之间以及管与探测器表面之间的间隙被填充一种其折射率与毛细管的折射率匹配的材料54，可以消除管产生的光子弯曲，而且管可以与间隙填充材料光耦合(例如通过油或者胶体)。
考虑把细胞装入毛细管中的例子。优选地细胞呈一路纵队地被入以便他们不重叠。直径大约为100微米的所有细胞装入直径小于100微米的毛细管中的密度可以是每厘米长大约为100个细胞。对于直径大约为20微米的裸细胞核，可以是每厘米长管子装入大约500个，其中管子直径与目标尺寸成比例，在这种情况下管子直径大约为20微米。因此，在几厘米毛细管长度范围内，可以不重叠地装入几千个裸细胞核。通过沿着毛细管的中心轴4运送毛细管，可以实现沿着z方向运动。在光学层析成像系统重构圆柱过程中，在x和y方向移动管子允许目标根据需要在管子内定心。通过围绕它的中心轴4旋转毛细管，可以产生多个径向投影图。以恒定速度而且不旋转在z方向移动管模拟光学层析成像的特殊情况。
移动填充了细胞的管子，而细胞在管内静止，这样一个优点是能够使靶目标停止，然后以允许光学层析成像依据一个细胞接着一个细胞的方式几乎最佳曝光的速度旋转。也就是说，可以改善投影图像的信噪比，以便比通常以流体系统的恒定速度和典型方向产生更好的图像。非靶目标可以被迅速移动到成像系统的外面，以便在分析包括多个细胞的样本中的靶细胞过程中提高整体速度。此外，能够停止在靶目标上，然后对于多次投影按照需要旋转的能力几乎消除了移动的不良影响。而且，可以以亚微米的运动引导运动系统，而且有利地能够以允许以比探测器像素尺寸能够提供的分辨率更高的细胞取样应用运动系统。更具体地，可以通过管理运动系统以例如填充半个像素宽度的增量的移动来管理尼奎斯特采样因子2。类似地，运动系统可以补偿探测器填充因素的不足。
现在参考图2，简要示出实施本发明一个实施例的光学层析成像重构圆柱的一个例子的说明图。其中示出一个VOT结构，VOT结构具有至少一个点光源10b，其沿着管壁的周面11以固定角度设置。至少一个探测器50b包括至少一个探测器表面12，表面对着至少一个点光源10b，探测器设置在与点光源同一平面上更宽的周面上。每个点光源把一个光锥13投影在探测器区域14上，以便投影光锥不重叠在探测器上。应该理解也可以使用其他投影结构，诸如利用扇形光束和铅笔形光束投影的结构。为了便于理解简化图形，只示出一个光锥，应该理解每个点光源投影一个独立光锥。根据具体情况而定，每个光锥的中心轴与与其他光锥的中心轴相交于管中心的中心点15或者管内的细胞中间。每次以希望的增量角度16旋转管子，同时保持点光源和探测器结构不变，再采集另一组投影，这样以不同径向角度产生一组新的独立投影，如此下去。
连接计算机7以便向点光源10b、传感元件12和电动机传输数据、控制信号和定时信号。计算机可以包含公知计算机或者多个计算机和适于图像获取和图像重构处理的阵列处理器。
根据这种结构的重构圆柱可以设计得比FOT设计更理想。特别是，因为可以旋转靶目标，有利地可以利用在每个旋转角度产生和获取投影图像(有时称为X射线照相)的单个点光源与探测器对设计重构圆柱体。
在图2所示实施例中，一个VOT重构例子具有9个围绕周边管壁间隔设置在20个径向角度上的光纤点光源。相对的9个探测器表面设置在与点光源相同平面的较宽周边上。每个点光源在探测器区域上投影锥形光束以便投影的光锥在探测器上不重叠。每个锥形光束的中心轴其他锥形光束的中心轴在管中部的中心点或者管内细胞中部相交。每次以2度增量旋转管，就采集另一个组投影，以便在增量旋转10次之后，沿圆周大约180度径向角度以每2度的增量共产生90个独立的投影。类似地，如果以容纳靶目标的管为中心并旋转20个1度角度增量，那么将产生180个单独投影图像。在产生适当数量投影之后，靶细胞或者容纳其他靶细胞的管被沿着z方向传输，以便适应新的视图和重复图像采集处理。
在该设计中，相同间隔的点光源的半圆具有设置在相对半圆上的相对探测器阵列，而且成像系统的所有元件设置在大致垂直于管轴的同一中心平面内。然而，点光源/探测器组合不必位于同一中心平面内，点光源可以不同间隔设置，而且最好在探测器阵列之间散布(interspersed)。
如图2所示，因为在点光源圆周之上和之下z方向管的无边界特性和包含重构区域51的探测器，因此在重构区域51的上面和下面设置附加光源10a、10c和附加探测器50a将有助于产生改进计算机化的图像重构的精度的图像。注意在特别实施例中，重构区域可以包括通过放置一组点光源和探测器限定的平面。这些重构技术也可以应用到流体光学层析成像(FOT)系统设计中。
参考图3，示出实施本发明一个实施例的可变运动光学层析成像(VOT)的替代系统的一个例子。特别有用的设计包括把点光源17b的环放置在一个靠近探测器19b环刚好在上面或者下面的平面18上，所述探测器环19b围绕探测器面21设置，以便投影光锥对准它们各自的探测器表面，并且细胞20的中心位于两个平面之间所有投影光锥重叠的点上。在该结构中，可以在整个360度径向圆周对细胞采样以便实现理想图像重构，假设有足够数量的点光源/探测器对，等等，而不需要旋转管子。而且，在重构区域52的上面和/或者下面设置其它组的点光源17a、17c和相对探测器19a和19c来改善计算机图像重构的精度也是有帮助的。在图3所示例子中，重构区域52位于平面18的上面和/或下面。该结构也适用于FOT。
在前面的例子中，利用从锥形光束结构获得2D投影图像实现3D图像重构。也可以使用扇形光束结构，其使用扇形光束重构算法通过层积重构自线形(1D)投影的相邻平面图像产生3D图像。通过扇形光束结构，在细胞1被移动通过光源时，被校准产生扇形光束的多个点光源10b与围绕管周边安装的相对探测器12可以在多个投影角度对整个细胞采样。因此通过对细胞投影在x-y平面上重构形成2D薄片，细胞被光学分割成部分。通过层积或者数学结合连续薄片，将产生细胞的3D图像。细胞的3D图像可以产生提供诊断信息的亚细胞结构的数量尺寸和标记分子探针的数量和位置。
光源
每个光源可以具有相同的一般特性，最好：
*它接近于用于锥形光束结构的小圆光源；
*它应该明亮、均匀并具有公知光谱成分；
*从光源发射的光子可以具有公知结构，诸如锥形光束或者扇形光束。
而且，通过利用不同二极管发射器或者其他激光器选择，或者通过白色带通滤光器或者其他宽带光源可选择光源波长，例如水银灯或者氙灯。
有几种选择可以用于产生点光源，诸如：
*激光器或者其他高强度光子源前面的小孔
*具有小截面和小表面孔径的光纤
*光子源前面的短焦距透镜
*激发荧光表面上一点的电子束(一种CRT)和
*不述不同形式的组合
结构是这样，由于更靠近光源的物体对着较宽几何角度，点光源越靠近靶目标(细胞)，放大率越大。简单投影系统中的放大率大约为M＝(A+B)/A，其中A是点光源与目标(细胞)之间的距离，B是目标与探测器之间的距离。相反，如果在系统设计之前知道所需要的分辨率，那么可以针对特别分辨率优化结构。关于背景技术，本领域技术人员可以参考Blass.M主编的Handbook of Optics：Fiber Optics andNonlinear Optics，第二版，第五卷，Mcgraw-Hill，2001。
参考图4，示出实施本发明一个实施例的三维(3D)图像重构的流程图的的一个例子。如同通过本发明前面的一个例子实施一样，3D图像重构步骤30包括：在步骤31把细胞放置在管子内；在步骤32把管子传输到第一个靶细胞被定位；步骤33，根据需要定心细胞；步骤34，在每个不同旋转角度产生一组投影；步骤35，确定数据组何时完成；重复并步骤32至35的处理直到所有靶细胞已经分析完成。在步骤36处理结束，例如处理可以使用个人计算机诸如计算机7运行的计算机软件程序实现。
图像重构
最通常和最容易实施的重构算法公知是滤波反投影法(filteredbackprojection)，是从使用锥形光束和扇形光束结构的计算机控制X光层析成像技术(CT)的类似范例得出的(参见下面的参考文件，例如作者为Kak.A.C and Slaney，M.P，名称为Principles of ComputerizedTomographic Imaging，IEEE Press，New York 1988出版，and作者为Herman，G，名称为Image Reconstruction from Projections：TheFundamentals of Computerized Tomography，Academic Press，NewYork1980出版)。这些方法基于改进的氡变化理论，该理论反映光源/探测器结构的特定几何结构和发射光束的光路。然而，在临床X光CT情况下，人体目标一般被保持不动，而X光源和探测器阵列围绕患者沿着弧形或者螺旋线移动，以便从多个投影角度采集数据。然后，人体目标可以沿着z轴重新定位并采集另一组数据等。或者，在更为现代的临床螺旋CT中，可以连续在z方向传送患者，同时连续旋转光源—探测器组件以便提供螺旋线投影数据，然后把所述螺旋线数据插入以便提供垂直于患者z轴的投影。
在流体光学层析成像技术(FPT)和变速运动光学层析成像技术(VOT)中，目标(细胞)相对于静止光源和探测器阵列移动，其中多个光源/探测器系统以如下方式沿着细胞速度矢量与特定门通时间点同步获得数据，即在给定薄片或体积内产生多个投影角度数据。对于使用扇形光束一个薄片接着一个薄片扫描，重构算法将计算出垂直于运动轴的平面的2D图像，并且顺序层积多个薄片将产生物体的3D图像，物体的3D图像的对比度分别是进行CT成像或者流体光学层析成像的物体中强度测量的X光束衰减系数或者光吸收系数变化的函数。对于体积，锥形光束扫描重构算法直接通过平面变换或者发光投影计算细胞或者其他目标内的体积的3D图像，其中对比度是成像物体内光强度和/或标记探针强度分布的函数。
希望产生细胞密度重构的发光数据或者重构标记探针分布的发光数据(如果有，来自内部光源)或者二者用于图像重构算法，而不是滤波反投影法。一般公知为叠代重构算法种类在某些情况下更有效以在重构算法中包括先验信息以便提高重构质量，尤其是发光层析成像技术，或当可能时，如同本发明情况下，已知目标的轴对称和三部分特性(例如参见Gilbert，P.，“Iterative Methods for the Three-dimensionalReconstruction of an Object from Projections，”，Journal of TheoreticalBiology 36：105-17，1972，及上面指出的其他参考文献)。
现在参考图5，简要示出实施本发明一个实施例的三维(3D)图像重构中使用多个偏振滤光器和/或者相位板的例子。所有图像重构算法对于投影数据中各种形式噪声都是敏感的，诸如散射和衍射。在光层析成像技术中，光散射和衍射变得很明显，其中在欲重构目标范围内照明光子的波长与希望分辨率的波长具有相同数量级并且光层析成像技术中目标包括与照明波长相同数量级的结构。通过使用偏振滤光器和/或相位板，能够改变光子偏振状态或者导致相位漂移的相互作用提供去掉或者减少投影图像中的杂散光的几率。例如，如果通过第一线性偏振元件41对点光源37滤光，然后产生第一偏振光束39照射在目标42上。光线40代表由于照射在目标42上的第一偏振光线39散射的光子。传感器45的表面定位以检测点光源37产生的投影图像，表面类似地被与第一线性偏振元件41具有相同方位的第二线性偏振元件43滤光。如同光线40所示，光矢量改变的光子将被检测并去掉。同时，没有散射的光线通过两个偏振滤光器产生不没有散射的部分光44，入射到传感器45上。为了去掉相位漂移，可以把相位板46放置在靠近第二线性偏振元件43位置。这样，可以显著降低由于偏振和相位产生的背景噪声。
Claims (27)
1、一种靶目标(1)的三维(3D)重构方法，包括如下步骤：
(a)把一组靶目标装在线形容器(31)内；
(b)用至少一个光学投影光束(13)照明一组靶目标(1)中的至少一个目标；
(c)运送所述线形容器(32)直到所述至少一个目标位于至少一个光学投影光束(13)的区域内；
(d)根据需要使所述至少一个目标(33)位于中心；
(e)旋转所述至少一个目标(34)通过多个径向角度；
(f)在所述多个径向角度中每个径向角度产生一组投影图像(34)；
(g)对目标(35，36)重复步骤(b)到目标(f)直到扫描完成所述一组靶目标(1)。
2、根据权利要求1所述方法，其中所述至少一个目标是细胞(1)或者细胞核(2)。
3、根据权利要求1所述方法，其中把一组靶目标(31)放置在线形容器(3)内的步骤包括把多个细胞(1)放置在管内的步骤。
4、根据权利要求1所述方法，其中所述光学投影光束选自包括扇形光束和锥形光束(13)的组。
5、一种使用重构圆柱(52)设计的重构靶目标(1)的三维(3D)的方法，其中点光源(17a，17b，17c)的平面和探测器元件(19a，19b，19c)的平面为不同平面但是彼此平行，其中重构圆柱(52)在样本周围设置有光源和探测器，该方法包括如下步骤：
(a)把靶目标装在线形容器(31)内；
(b)用多个光学投影光束(13)照明一个靶目标(1)之一；
(c)运送所述线形容器(32)直到所述至少一个目标(1)位于所述多个光学投影光束(13)的区域内；
(d)根据需要使所述至少一个目标(33)位于中心；以及
(e)在多个角度(34)产生一组投影像。
6、一种重构圆柱(52)，重构圆柱包括至少一个点光源(17a，17b，17c)和至少一个被定位以接收来自所述至少一个点光源(17a，17b，17c)的信息的探测器(19a，19b，19c)，其中通过在重构圆柱内旋转样本产生分离的投影，以便来自所述至少一个点光源(17a，17b，17c)的光入射到在至少一个探测器(19a，19b，19c)上形成投影图像的所述样本上。
7、一种变速运动光学层析成像(VOT)系统，包括：
用于容纳靶目标(1)的管(3)，管具有管壁和中心轴(4)；
多个点光源(10a，10b，10c，)，配置其在管壁沿圆周投射光；
多个相对探测器表面(12)，其设置在与点光源(10a，10b，10c，)相同平面的较宽圆周上，以便形成重构区域(52)，以便每个点光源(10a，10b，10c，)把光束(13)投影在探测器区域(12)上，从而在多个相对探测器表面中的任何一个上一个光束与另一个光束不重叠，并使每个光束的中心轴与其他光束的中心轴在所述管子(3)相交；以及
以变速运动的方式移动所述管的装置(8，9)，所述装置连接到所述管。
8、根据权利要求7所述的系统，其中用于移动的所述装置包括计算机控制的移动装置(7，8，9)。
9、根据权利要求7所述的系统，其中用于移动的所述装置包括用于转动所述管的装置(5)，以便每旋转管子一个旋转位移量就采集一组投影。
10、根据权利要求7所述的系统，其中所述多个点光源(10a，10b，10c，)包括两个或多个点光源。
11、根据权利要求7所述的系统，其中多个点光源(10a，10b，10c，)包括两个或多个点光源。
11、根据权利要求7所述的系统，其中半圆型布置的间隔点光源具有沿一相对半圆设置的相对探测器阵列(50a，50b，50c)，所述间隔点光源(10a，10b，10c，)和所述相对探测器阵列(50a，50b，50c)通常定位在通常垂直于所述管的中心轴(4)的同一中心平面内。
12、根据权利要求7所述的系统，其中多个点光源(10a，10b，10c)和多个相对探测器表面(12)位于同一平面内，并且所述多个点光源(10a，10b，10c)散步在探测器阵列之间。
13、根据权利要求7所述的系统，其中设置附加点光源(17a，17b，17c)和探测器(19a，19b，19c)在所述重构区域(52)的上面和/或下面以便提供附加投影数据。
14、一种变速运动的光学层析成像(VOT)系统，包括：
用于容纳靶目标(1)的管(3)；
位于一个平面内的点光源(17a，17b，17c，)环，其中该平面大约位于靠近探测器(19a，19b，19c)环的上面或下面，所述探测器(19a，19b，19c)环经所述管(3)沿探测器平面设置，以便点光源(17a，17b，17c，)环把投影光束投射在重构区域(52)内的相对探测器表面上，所述细胞(1)的中心位于两个平面之间的所有投影光束重叠的点。
15、根据权利要求14所述的系统，进一步包括用于提供计算机控制变速运动的装置(7，8，9)。
16、根据权利要求14所述的系统，进一步包括用于旋转所述管(3)的装置(5)。
17、根据权利要求14所述的系统，其中所述光学投影光束保含由扇形光束构成。
18、根据权利要求14所述的系统，其中光学投影光束包含锥形光束(13)。
19、根据权利要求14所述的系统，其中附加点光源(17a，17b，17c)组和探测器(19a，19b，19c)组设置在所述重构区域(52)的上面和/或下面以便向计算化的图像重构算法提供附加投影数据。
20、根据权利要求6所述的系统，其中至少两个偏振滤光器(41，43)设置在至少一个点光源(37)和至少一个探测器(45)之间。
21、根据权利要求7所述的系统，其中至少两个偏振滤光器(41，43)设置在多个点光源(37)和多个相对探测器表面(45)之间。
22、根据权利要求14所述的系统，其中至少两个偏振滤光器(41，43)设置在所述点光源(17a，17b，17c)环和相对探测器表面(19a，19b，19c)之间。
23、根据权利要求6所述的系统，其中至少一个相位板(46)设置在所述目标(42)和至少一个探测器(45)之间。
24、根据权利要求7所述的系统，其中至少一个相位板(46)设置在所述目标(42)和多个相对探测器表面(12)之间。
25、根据权利要求14所述的系统，其中至少一个相位板(46)设置在所述目标(42)和相对探测器表面(12)之间。
26、一种光学层析成像系统，其具有至少一个点光源和至少一个目标，在至少一个点光源和至少一个目标之间具有间隔，其中至少一个点光源和目标之间的间隔和目标与至少一个探测器表面之间的间隔填充折射率与管子折射率匹配的材料。
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