基于螺旋式激发的荧光分子断层成像系统的制作方法

本发明属于医学影像领域，涉及一种在体小动物荧光分子断层成像系统设计，具体地说，涉及一种基于螺旋式激发的在体小动物荧光分子断层成像系统，该系统可用于荧光分子断层成像数据采集。

背景技术：

荧光分子断层成像(以下简称FMT)是近年发展起来的一种新型成像模态。它利用外部光源激发荧光探针（荧光团、荧光染料等）使其发射光子，利用荧光采集装置收集荧光信号，结合数学模型，可以获得目标内荧光探针三维分布。目前，已有的在体小动物荧光断层成像装置多采用点激发光源来激发荧光染料，一般激发点是均匀的分布在成像目标表面的一圈或者是好几圈。分布一圈的激发方式其不足之处是如果均匀分布的激发点与荧光探针高度相差太远，点激发就不能保证待成像物内的荧光探针受激发完全，荧光探针受激发不完全就会导致采集的荧光数据不准确，获得信号图像信噪比低，进而使得三维重建不准确。分布几圈的激发方式由于激发点数目增多，使得数据采集时间增加，不能满足临床上的实时成像需求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述点激发方式的缺陷，提供一种螺旋式激发的在体小动物荧光分子断层成像系统，该系统能提高采集到的荧光数据准确性和信噪比。

另外，我们将x射线断层成像模态也加入到荧光成像系统中用于获取待成像物的三维结构信息，依据此结构赋予光学参数，由此为荧光三维重建提供结构先验和光学参数先验。最后利用计算机将荧光探针的三维分布与三维结构信息相融合，实现待成像物的多模态信息融合。

本发明的具体思路是：在现有的均匀分布在一圈的点激发光源系统上，将激发方式改为螺旋式激发，使荧光探针受激发完全，获得的图像信噪比大大提高。把x射线断层成像系统与荧光成像系统相结合，用其获得的三维结构信息作为荧光重建的先验信息，并引导给对应结构赋予正确的光学参数，最后利用计算机将荧光重建结果匹配到三维结构上实现待成像物的多模态信息融合，提高了荧光重建的正确性。

其技术方案为：

一种在体小动物荧光分子断层成像系统，包括近红外激光器、电控升降台、电控旋转台、待成像物、窄带滤波片、CCD相机、x射线发射器、x射线接收器、铅板、计算机， CCD相机和窄带滤波片与激发器在一条直线上，并处在激光器的对面，待成像物处在CCD相机、窄带滤波片、激光器所在的同一条直线上， x射线发射器与x探测器位于与激发器垂直的方向上， x射线发射器、待成像物和x射线探测器在同一直线上，激光器处在电控升降台上，计算机与CCD相机、x射线发射、电控升降台和电控旋转台相连：

所述CCD相机，用来接收荧光进行透射式成像；

所述窄带滤波片，用于滤除掉除荧光信号以外的其他光线；

所述电控升降台，用于控制激光器的高度；

所述电控旋转台，用来带动待成像物进行旋转，多角度采集待成像物的投影数据，旋转台的旋转与升降台的升降就构成了螺旋式激发；

所述激发器，用来产生激发光源，激发成像物体内部的荧光探针发光，产生荧光信号；

所述x射线发射器，用来发射x射线；

所述x射线探测器，用来接收x射线；

所述铅板，用来屏蔽x射线对CCD相机镜头的损伤；

所述计算机，用来控制CCD相机，电控升降台，x射线发射与探测，以及电控旋转台运行，接收和处理CCD相机传输的荧光投影数据，对投影数据进行三维重建，对重建后的图像进行配准融合，接收和处理x射线数据，重建待成像物体的结构信息，实现待成像物的多模态信息融合。

所述的窄带滤波片的中心波长和荧光信号的中心波长保持一致。

一种在体小动物荧光分子断层成像方法，包括以下步骤：

（1）螺旋式激发获取荧光数据

计算机控制升降台处于某一高度，激光器发射激光，与激光器平行的CCD相机接收穿透待成像物的光线形成透射式投影数据，完成一次投影数据采集；电控升降台调整激光器高度，高度大小由计算机控制，同时由电控旋转台带动待成像物旋转某一角度静止，角度大小由计算机控制，重复前面描述的CCD相机采集荧光数据的过程；直到待成像物旋转360度，荧光数据采集结束。在这里，计算机要控制升降台和旋转台同步运作，在升降台规定的高度内正好完成待成像物360度的旋转。

（2）CT射线数据采集

完成步骤（1），计算机控制x射线发射器发射x射线，穿透待成像物的x射线经过x射线探测器检测，计算机完成CT投影数据采集，由电控旋转台带动待成像物旋转，完成360度扫描；

（3）CT数据处理

计算机利用滤波反投影重建算法，对步骤（2）所处理过的投影数据进行三维重建，获得待成像物的三维解剖结构图像；

（4）荧光数据处理

CCD相机将采集到投影数据传输到计算机，计算机对步骤（1）所采集到的投影数据进行预处理；

（5）荧光成像的三维重建

将步骤（3）的结构图像作为先验信息，用代数重建技术对预处理后的投影数据进行三维重建，得到荧光染料的分布图像；

（6）三维重建图像配准融合

计算机对步骤（3）和（5）所获得到两种成像模式的三维重建图像配准融合，获得到融合后的荧光断层图像，实现待成像物的多模态信息融合。

步骤（2）中对CT投影数据进行后处理时，对每一角度采集到的投影数据都要进行处理。

本发明具有以下优点：

第一，本发明采用螺旋式方式激发荧光探针，克服了现有点激发光源成像系统中不能保证荧光探针受激发完全的缺点，提高了采集的荧光数据的信噪比。

第二，本发明采用螺旋式方式激发荧光探针，能提高荧光重建结果质量。

第三，本发明采用了荧光分子断层成像与x射线断层成像两种成像模态的融合，可同时获得待成像物的三维结构图像与荧光探针分布情况，实现了两种成像模态的信息融合，获得了待成像物更多的生物特征。

附图说明

图1为本发明中的螺旋式激发的激发点（在待成像物上的）分布示意图；

图2为本发明在体小动物荧光分子断层成像系统的结构示意图；

图3为本发明在体小动物荧光分子断层成像方法的流程图。

图4为重建结果示意图，其中（a）-（c）图为截面的荧光目标荧光产额值分布图；（d）-（f）图显示为真实荧光目标与重建的代表荧光目标的三维展示。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例来详细描述本发明的技术方案。

参见图1，荧光分子断层成像，是利用外部可见光为激发光源照射待成像物A，本发明在待成像物A上的激发点B呈螺旋式分布。

参照图2，本发明在体小动物荧光分子断层成像系统，包括近红外激光器1、电控升降台2、电控旋转台3、待成像物4、滤除激发光的窄带滤波片5、CCD相机6、x射线发射器7、x射线接收器8、铅板9、计算机10。

荧光分子断层成像，是利用外部可见光为激发光源照射待成像物，现在较多的应用于活体小动物成像，特别是小鼠成像。在进行荧光分子断层成像之前，用荧光探针标记待成像物。

计算机10控制升降台2和旋转台3不动，激光器1发射激光，照射待成像物4。待成像物4事先标记的荧光探针受到激发光的照射，发出与激发光波长不同的光，即发射光。发射光穿透待成像物4，经过窄带滤波片5滤除掉除发射光以外的其他光线，CCD相机6接收透射出的发射光产生荧光投影数据。CCD相机6将产生的投影数据传输到计算机10。

x射线发射器7发射x射线，穿透待成像物4被x射线探测器8检测到，产生的x射线投影数据传输到计算机10。为了屏蔽x射线对CCD相机镜头的损伤，在CCD相机6与x射线通过的区域之间设有铅板9。

x射线发射器7，待成像物4与x射线探测器8要在同一直线上。

窄带滤波片5的中心波长要与荧光信号的中心波长保持一致。

下面结合附图3，对本发明的方法做进一步描述。

（1）荧光数据采集：

计算机10控制升降台2和旋转台3不动，激光器1发射激光照射待成像物4，荧光探针受激发发射荧光信号，与激发光一起穿透待成像物4，经过窄带滤波片5滤除掉除荧光信号以外的其他光线，CCD相机6接收滤除后的荧光信号产生荧光投影数据。采集完初始位置数据后，电控升降台2调节激光器1高度，同时电控旋转台3带动待成像物4进行旋转，每次旋转角度可根据需要设定为某一固定值，但一定要保证升降台在规定的高度内正好旋转台3旋转完一周360度。由此实现螺旋式激发成像。

（2）CT数据采集：

x射线发射器7发射x射线，穿透待成像物4被x射线探测器8接收，产生x射线投影数据，同时电控旋转台3带动待成像物4旋转，等到待成像物4旋转一周后完成x射线投影数据采集，并将投影数据传输到计算机10。

（3）CT数据重建：

计算机10利用滤波反投影算法，对步骤2所处理过的x射线投影数据进行三维重建，得到待成像物4的结构图像。

（4）荧光数据三维重建：

将步骤（3）得到的CT重建结果作为荧光数据三维重建的先验信息，用代数重建技术求解获得待成像物4中荧光探针的分布图像。

（5）三维重建图像配准融合：

计算机10对步骤（3）和（4）的三维重建结果进行图像配准融合，获得融合后的荧光断层成像，实现了待成像物的多模态信息融合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

下面结合图4对本发明的重建结果做进一步的描述。

仿真模型主要包含肌肉、骨骼、心脏、肾和肝脏五个组织，其中在右肺中放置一个圆柱形作为荧光目标，其真实中心位置为(6,0,0)mm。图（a）和（b）分别为激发点均匀分布在z=5mm和z=-5mm处的重建结果（结果为z=0mm截面的荧光分布）。图（c）为螺旋式激发点得到的结果在截面z=0mm的荧光产额值分布，图（d）-（f）为相对应的三维展示，图中深紫色区域为重建结果。基于本发明的激发方式能使荧光目标受激发完全，并实现了两种成像模态的信息融合，获得了待成像物更多的生物特征。