专利名称：X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法
X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法技术领域
本发明属于分子影像技术领域，涉及到成像系统的几何校准和图像处理，特别涉及到适用于复杂形状对象的非接触式X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法。
背景技术：
传统的医学成像技术如X射线计算机断层成像(CT)、磁共振成像(MRI)和超声成像等主要利用生物体本身的物理特性或生理参数作为成像源。这些物理量或生理量对于与疾病或生理功能相关的细胞或分子没有特异性。而荧光分子断层成像技术能够对活体小动物体内的特异性荧光探针进行整体的三维、定量成像，具有非侵入、无电离辐射，低成本等优点。将X射线计算机断层成像与荧光分子断层成像技术相结合的X射线和荧光双模式活体成像系统，可以在同一实验平台上获得小动物的分子信息和结构信息，可能在疾病早期诊疗、药物研发和基础研究等方面发挥重要作用。近年来发展的非接触式探测技术利用电荷耦合器件(CCD)相机作为探测器，大大提高了光子的空间采样率；而适用于复杂形状对象的非接触式探测技术使成像过程中不需要挤压对象或利用光学参数匹配液简化边界条件，大大简化了实验操作。
发展适用于复杂形状对象的非接触式X射线和荧光双模式活体成像系统，必须获得描述各部件相互空间关系的几何参数集，并对来自于不同子系统的图像进行精确的配准。目前已有多种校准方法可实现对荧光分子断层成像子系统的探测器一 CCD相机的校准，如美国专利US7949150 Automatic camera calibration and geo-registration using objects that provide positional information, US6437823 Method and system for calibrating digital cameras，但都需要能够提供多个标记点位置信息的特殊校准模体， 并且由于这些方法并非基于线性模型，因此无法采用光线跟踪方法判断探测器的有效性。
近年来，已有多种方法用来解决X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准及图像配准问题，但均对系统结构或对象的形状有较严格的限制。Da Silva等提出了一种几何和光学校准技术，该方法要求样品必须放在圆柱形容器内并浸泡在参数匹配液中，校准及实验过程非常复杂。khulz等提出了一种荧光分子断层成像子系统的校准方法，但该方法只有在CCD相机的光轴平行于旋转架平面且旋转架平面垂直于旋转轴时才有效。Cao等提出了解析计算和最优化相结合的几何校准方法，并可实现子系统图像的直接融合。但该方法只允许CCD相机在一个方向上存在角度偏移，并且对校准模体的位置有严格的限定。发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法，用于实现更通用的几何校准方法，对双模式活体成像系统的系统结构限制更少， 并且对象可以为任意复杂形状，并发展相应的数据处理方法，实现来自于不同子系统的图像的配准。
本发明的实施例提供了一种X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法，包括
建立双模式活体成像系统的基本坐标系和相关坐标系；
在所述基本坐标系与相关坐标系中，用小钢球标记经过视场的多条激发光束，得到激发光束的起点；
改变双轴振镜的输入电压，使激发光束依次扫描视场内的多个位置，得到激发光束的方向参数；
对视场内的多个磷光小球进行成像，建立空间点与光学投影点的关系；
采集对象的X射线投影数据和荧光投影数据，并对X射线投影数据进行重建；
利用得到的所述激发光束的起点、方向参数及空间点与光学投影点的关系，直接根据CT重建结果，生成用于重建荧光团分布的数据；
进行荧光团分布重建，通过直接图像叠加完成图像配准。
本发明建立了一种适用于复杂形状对象的非接触式X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法，得到荧光分子断层成像子系统的各个部件在双模式活体成像系统的基本坐标系内的位置和方向等几何参数，可以精确地描述双模式活体成像系统的结构； 以CT重建结果为基础构建和提取重建荧光团分布的算法所需要的原始数据，因此子系统的重建结果在空间上是自然对应的，通过在三维空间的直接叠加即可实现图像配准，配准过程并无任何误差引入。本发明提供的方法适用于更广泛的系统结构和任意形状的对象， 不仅可以获得精确的双模式活体成像系统结构的几何参数集，并且提供了一种包括几何校准，数据处理和图像配准的完整方法。
图1为本发明实施例提供的适用于复杂形状对象的非接触式X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法的流程图2为本发明实施例提供的双模式活体成像系统的基本坐标系和相关坐标系；
图3为本发明实施例提供的根据CT重建结果生成用于荧光团分布重建数据的方法流程图4为基于本发明实施例提供的方法得到的组织模型切片上的探测器分布图和所有光源及探测器的分布图5为本发明实施例中激发光图像和荧光图像中探测器的光学投影点的位置分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明实施例提供的X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法，首先建立了双模式活体成像系统的基本坐标系，并实现了对双模式活体成像系统的几何校准，将得到的几何参数集用于荧光分子断层成像原始数据的处理过程，最终得到的荧光团分布重建结果可通过直接图像叠加的方式实现与CT重建结果的配准。本发明实施例提供的方法适用于更广泛的系统结构和任意形状的对象，不仅可以获得精确的双模式活体成像系统结构的几何参数集，并且提供了一种包括几何校准、数据处理和图像配准的完整方法。
本发明实施例所述的适用于复杂形状对象的非接触式X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法，基于如下结构的双模式活体成像系统CT子系统与荧光分子断层成像子系统具有共同的视场，载物台可带动对象进行360°旋转；荧光分子断层成像子系统利用双轴振镜实现激发光在样品表面的扫描，通过CCD相机采集从样品表面溢出的激发光信号和荧光信号。对激发光和探测器的校准是利用不同的模体独立进行的，相互之间并无任何关系。模体是对所用的小钢球和磷光小球的统称。
图1是本发明实施例提供的X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法的流程图，其实施步骤如下
步骤101、建立X射线和荧光双模式活体成像系统的基本坐标系和相关坐标系。这里的相关坐标系是指以下三个坐标系荧光分子断层成像子系统的坐标系Of-XfYgf物理图像坐标系O1-XY和像素坐标系O2-UV。
采用针孔模型来描述双模式活体成像系统中的CCD相机，即CCD相机可以被模拟为一个成像面和投影中心的组合。为了描述对象的光学投影关系，建立如图2所示的四个相关坐标系
在图2 (a)中，Oc-XcYcZc为CT子系统的坐标系，将该坐标系视为双模式活体成像系统的基本坐标系，后面将要介绍的几何校准过程主要在该坐标系内实现。其中载物台的旋转轴被定义为4轴，经过X射线管焦点且垂直于\轴的轴被定义为X。轴，垂直于W平面且经过X。轴和\轴交点的轴被定义为Y。轴。Of-XfYfZf为荧光分子断层成像子系统的坐标系，其原点Of为投影中心，4轴定义为沿着CCD相机光轴的方向，&轴和Yf轴分别与成像面上像素行和列的方向平行。
在图2(b)中，图像坐标系O1-XY和O2-UV均定义在成像面上。其中0「ΧΥ为物理图像坐标系，其原点O1定义在CCD相机的光轴与成像面的交点，该点通常位于图像中心处； X轴和Y轴分别定义为沿着成像面的水平和垂直方向，即像素的行和列方向。O2-UV为像素坐标系，其原点A定义为图像最左下角的像素，υ轴表示像素行方向，ν轴表示像素列方向。
步骤102、用小钢球标记经过视场的多条激发光束，得到激发光束的起点。小钢球对X射线的吸收很强，在X射线投影图像中可以产生很好的对比度，在很多CT校准文章中都用小钢球作为样品。
首先为双轴振镜提供一对输入电压值，使激发光束经过视场，并在该光束的传播路径上固定两个半径为0. 4mm的小钢球来标记该路径；然后改变输入电压使光束偏转，再次固定两个小钢球来标记偏转后的光束路径；如此循环操作，一共标记三条以上的激发光束ο
然后用CT子系统对所有的钢球同时进行扫描及重建，并计算小钢球的坐标。只要确定了小钢球的坐标，即确定了所标记的光束路径。所有的激发光束均可视为由空间内的某一固定点发出，光束的方向随着双轴振镜的输入电压变化而改变，因此被标记的光束路径的交点即为所有激发光束的共同起点0 ，利用最优化方法计算得到该起点的坐标。本实施例采用的最优化方法是Nelder-Mead单纯形法。
步骤103、改变双轴振镜的输入电压，使激发光束依次扫描视场内的多个位置，得到激发光束的方向参数。
激发光束方向Dex的确定原理如下如果用φ和θ分别表示激发光束方向与基本坐标系的X。轴和\轴正方向的夹角，则光束的单位方向向量可表示为
权利要求
1.一种X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法，其特征在于，包括 建立双模式活体成像系统的基本坐标系和相关坐标系；在所述基本坐标系与相关坐标系中，用小钢球标记经过视场的多条激发光束，得到激发光束的起点；改变双轴振镜的输入电压，使激发光束依次扫描视场内的多个位置，得到激发光束的方向参数；对视场内的多个磷光小球进行成像，建立空间点与光学投影点的关系； 采集对象的X射线投影数据和荧光投影数据，并对X射线投影数据进行重建； 利用得到的所述激发光束的起点、方向参数及空间点与光学投影点的关系，直接根据 CT重建结果，生成用于重建荧光团分布的数据；进行荧光团分布重建，通过直接图像叠加完成图像配准。
2.根据权利要求1所述的几何校准方法，其特征在于，所述建立双模式活体成像系统的基本坐标系和相关坐标系包括建立CT子系统的坐标系α-xjj。，作为所述双模式活体成像系统的基本坐标系原点为0。，载物台的旋转轴被定义为4轴，经过X射线管焦点且垂直于4轴的轴被定义为X。轴， 垂直于Kk平面且经过X。轴和\轴交点的轴被定义为Y。轴；建立荧光分子断层成像子系统的坐标系Of-XfYfZf,原点Of为投影中心，Zf轴定义为沿着CCD相机光轴的方向，)(f轴和Yf轴分别与成像面上像素行和列的方向平行；在成像面上建立图像坐标系O1-XY和O2-UV 其中O1-XY为物理图像坐标系，原点O1在 CCD相机的光轴与成像面的交点，X轴和Y轴分别为沿着成像面的水平和垂直方向-,O2-UV为像素坐标系，原点A为图像最左下角的像素，υ轴表示像素行方向，ν轴表示像素列方向。
3.根据权利要求2所述的几何校准方法，其特征在于，所述得到激发光束的起点具体包括为双轴振镜提供一对输入电压值，使激发光束经过视场，并在该光束的传播路径上固定两个所述小钢球来标记该路径；改变输入电压使光束偏转，再次固定两个所述小钢球来标记偏转后的光束路径； 循环执行以上步骤，共标记三条以上的激发光束； 用CT子系统对所有的钢球同时进行扫描及重建，并计算小钢球的坐标； 被标记的光束路径的交点为所有激发光束的共同起点0 ，利用最优化方法计算得到该起点的坐标。
4.根据权利要求3所述的几何校准方法，其特征在于，所述得到激发光束的方向参数具体包括激发光束的单位方向向量为 Dex = (sin θ cos φ, sin θ sin φ, cos θ)φ = φ0+Δφνχ(1)θ = Θ0+Δ θ Vy其中，φ和θ分别表示激发光束方向与基本坐标系的X。轴和&轴正方向的夹角，φ0和 θ ο分别是输入电压为(0，0)时光束方向与X。轴和&轴正方向的夹角，Δφ和Δ θ分别为单位输入电压引起的X轴和Y轴振镜的偏转角，Vx和Vy分别为X轴振镜和Y轴振镜的输入电压；假设激发光束最终照射在视场内一点Prai，则光束的单位方向向量为
5.根据权利要求4所述的几何校准方法，其特征在于，所述建立空间点与光学投影点的关系具体包括描述CXD相机针孔模型的参数为归一化像素尺寸(dx' ,dy')和像主点的像素坐标 (u0, V0)，其中dx' = dx/f, dy' = dy/f，(dx, dy)为实际像素尺寸，f为焦距；CT子系统的坐标系与荧光分子断层成像子系统的坐标系之间的关系用旋转矩阵R与平移向量t来描述；旋转矩阵R取决于荧光分子断层成像子系统的坐标系相对于CT子系统的坐标系绕X。、Y。和&轴的旋转角度α，β禾Π γ，关系式如下
6.根据权利要求5所述的几何校准方法，其特征在于，所述生成用于重建荧光团分布的数据具体包括计算在初始旋转角度下样品的边界体素坐标；计算光源的位置和方向；建立组织模型；计算探测器的坐标和方向；生成用于重建荧光团分布的原始数据文件。
7.根据权利要求6所述的几何校准方法，其特征在于，所述计算在初始旋转角度下样品的边界体素坐标具体包括对每一幅CT切片进行二维中值滤波，滤除图像中的椒盐噪声，并保持图像边缘轮廓的细节；确定一个阈值T，用来区分CT切片中的空气和生物组织，利用该阈值将所有CT切片转化为二值化切片；进行像素合并后再进行二值化操作，或先进行二值化操作后再进行等间隔取样，形成一幅新的二值化切片，进行BXB的像素合并或沿行和列方向进行间隔为B个像素的等间隔取样；假设原CT切片的大小为M X N，则进行本步骤的操作后，二值化切片的大小为UX V，其中 U = M/B, V = N/B ；对得到的每一幅二值化切片，利用Carmy边缘检测器进行边缘检测，并对检测得到的边缘进行8连通测试，其中面积最大的边缘为样品边界上的体素；求出样品边界体素的坐标，计算公式如下xc = (u-U/2-O. 5) BSyc = (v-V/2-0. 5)BS (9)zc= (-nsli+Nsli/2+0. 5) S其中(u，ν)为边界体素在切片上的行号和列号，nsli为切片编号，S为像素尺寸；对每一幅CT切片进行相同的操作，求出所有在样品边界上的体素的坐标；该坐标值对应于初始旋转角度，在数据采集过程中，随着载物台的旋转，边界体素的坐标随之变化。
8.根据权利要求7所述的几何校准方法，其特征在于，所述计算光源的位置和方向具体包括采用光线跟踪法计算光源的位置和方向，计算激发光束与样品的边界体素的交点坐标；根据对激发光的几何校准结果，结合双轴振镜的输入电压值，由公式(1)确定激发光束的起点和方向；根据初始旋转角度下样品的边界体素坐标，求得其对应的矢量的长度和方向p = 4xc2 + yc2θ = arctan(—)xC( 10)在扫描过程中，该边界体素形成的轨迹为该矢量在\ = Z。平面顺时针旋转形成的圆， 在转过Δ θ角度后，该边界体素的坐标为Xc' = P cos( θ + Δ θ ) yc' = P sin( θ +Δ θ )zc' =zc (11)利用每一个边界体素的坐标构建一个小的立方体，边长为1. 5BS ；计算得到激发光束与所有的边界体素形成的立方体的交点；如果交点不存在，则说明激发光没有照射在样品上，为无效光源；如果交点存在，取最近的交点作为光源位置，并将激发光束的方向作为光源的方向；对扫描过程中的所有角度进行同样的计算过程，得到所有光源的位置和方向。
9.根据权利要求8所述的几何校准方法，其特征在于，所述建立组织模型具体包括 首先确定组织模型的体素尺寸Sv ；令Sv为CT切片中像素尺寸S的整数倍，Sv = B2S,B2 e Z ；然后确定重建区域首先确定重建区域在\方向对应的第一幅和最后一幅CT切片 nmin和nmax，令nmax-nmin= (N2-I)B2, N2为组织模型沿&方向的切片层数；选定层号为Inmin， nmin+B2, nmin+2B2, ... , nmax}的CT切片作为建立组织模型的依据；对于选定的每一层CT切片，先进行中值滤波，去除图像中的噪声；然后利用图像分割算法将切片分割为不同类型，用不同整数值表示不同组织类型；所述不同类型包括空气，软组织，骨骼；将图像分割后的切片进行等间隔采样，采样间隔为B2，形成组织模型中的切片。
10.根据权利要求9所述的几何校准方法，其特征在于，所述计算探测器的坐标和方向具体包括采用逐行或逐列判断的方法来确定可选探测器；对切片中的每一行像素，根据每个像素的值判断其组织类型，如果全是空气，则该行像素均不能作为探测器，如果存在非空气像素，则取具有最小列号和最大列号的非空气像素作为可选探测器；对切片中的每一列像素，根据每个像素的值判断其组织类型，如果全是空气，则该列像素均不能作为探测器，如果存在非空气像素，则取具有最小行号和最大行号的非空气像素作为可选探测器；将沿行方向和沿列方向的可选探测器的并集作为该层切片上的可选探测器； 对探测器进行等间隔的筛选，筛选方法为首先计算本层切片上所有可选探测器的坐标，计算公式为xd = (ud-U/2-0. 5) Sv yd = (vd-V/2-0. 5) Sv zd = (-n+Nsli+0. 5) S (12)其中ud和vd分别为可选探测器的行号和列号，并得到所有可选探测器坐标的平均值 Od(xod, yM)，作为该层上可选探测器的中心；然后计算从Od到每个可选探测器的向量与k 轴正方向的夹角，并按该夹角的大小对可选探测器进行排序，然后按设定的间隔&选择探测器；对nfflin < η < nmax且间隔为 的所有切片进行相同操作，得到所有探测器的坐标和方向。
全文摘要
本发明公开了一种X射线和荧光双模式活体成像系统的几何校准方法，包括建立双模式活体成像系统的基本坐标系和相关坐标系；用小钢球标记经过视场的多条激发光束，得到激发光束的起点；改变双轴振镜的输入电压，使激发光束依次扫描视场内的多个位置，得到激发光束的方向参数；对视场内的多个磷光小球进行成像，建立空间点与光学投影点的关系；采集对象的X射线投影数据和荧光投影数据，并对X射线投影数据进行重建；生成用于重建荧光团分布的数据；进行荧光团分布重建，通过直接图像叠加完成图像配准。本发明实现更通用的几何校准方法，对双模式活体成像系统的系统结构限制更少，并且对象可以为任意复杂形状，实现来自于不同子系统的图像的配准。
文档编号A61B5/00GK102499701SQ20111029326
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者傅建伟, 杨孝全, 骆清铭, 龚辉 申请人:华中科技大学