一种立式旋转荧光分子层析成像系统及其成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学光学荧光技术，具体涉及一种立式旋转荧光分子层析成像系统及其成像方法。
【背景技术】
[0002]荧光分子成像技术是被广泛应用于在分子水平上对生物体生理、病理的变化进行在体、无创定性和定量研究的影像方法，其在疾病的早期诊断、药物机理研究与研发以及疗效评估等方面发挥着重要作用。根据工作方式看，荧光分子成像系统可以分为平面式的反射式焚光成像(Ep1-1lluminat1n Imaging)和层析式的焚光分子断层成像(FluorescenceMolecular Tomography, FMT)两种。FMT是一项根据光的扩散和吸收性质，利用激发光和被测样本的出射光信息以重建特异性荧光集团位置和浓度三维分布信息的技术。FMT可实现动物的在体无创检测，具有低成本，高通量，高灵敏度，无电离辐射，可长期定量检测等诸多优点。相对于反射式荧光成像，FMT能够给出荧光物质的空间分布情况，探测深层组织的病理和功能信息，具有更多的科研和诊断优势。
[0003]早期的FMT系统采用动物浸入匹配液成像腔后光纤接触测量的方法。2007年哈佛大学医学院Del1lanis等人首次提出360°非接触式荧光分子层析成像装置。动物放置在光源和CCD相机构成的成像平台之间。成像过程中动物与成像系统之间相对旋转360°。但是该装置中被测试动物被吊挂在竖直方向，通过旋转动物实现相对旋转，在实验过程中容易破坏动物的原始形态，难以控制动物在旋转过程中的位移，同时加剧了动物的不舒适性。
[0004]随着荧光分子层析成像的发展，出现了越来越多的系统设计，但都难以兼顾成像效果、波长选择灵活性、动物固定等诸多因素，有明显缺陷和不足。Perkin Elmer公司的FMT系列采用小动物水平放置，光源和探测器位于动物两侧。其使用阵列光源扫描的方式，实现了不旋转动物的情况下实现小动物的三维荧光成像，这样产品结构紧凑，机械结构简单，而且不会破坏动物的原始形态，但是由于采集方向受限制严重，极度依赖算法，对小鼠各处荧光点灵敏度响应的均一性差，成像效果较差。Trifoil公司的B1FLECT产品采用了固定激发光源，探测器围绕小鼠旋转的机械设计结构，这种单一方向的照射的方式增加了算法的不准确性，动物的个体差异也较大的影响了成像结果。
[0005]之后骆清铭等提出的一种旋转式荧光分子断层成像系统。该系统将小动物水平放置，实验平台围绕小动物旋转，实现360°的数据采集。该系统光源为半导体激光器，限制了波长的选择，无法根据试验的需求调整激发波长，应用受到限制。如果使用卤钨灯、氙灯等光源作为激发光，则仪器在旋转过程中光纤和数据线的旋转扭曲问题难以解决。加利福尼亚大学Gultekin Gulsen实验室和设计的荧光分子断层成像采用了拖链式的传输装置试图解决线路扭曲问题，北京大学的任秋实实验室设计了绕线器和光纤切换装置试图解决线路扭曲和成像模式切换问题，但是存在诸如结构冗杂，每旋转一定角度都必须将仪器复位；仪器运行中需要不停的扭曲光纤，使光纤耐用性下降；光路传输效率低下等问题。
[0006]同时，FMT是高精度的光学实验，承载动物的动物床的光学性质经常影响实验的成像效果。动物床对光线的反射和折射会将在成像中引入大量的噪声信号。为了避免噪声的引入，通常使用的动物床尽量保证床体透明，但效果经常不理想。由于动物形态差异，在某些角度会出现过曝光、漏光等现象，影响了实验的稳定性和可重复性。
【发明内容】
[0007]针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种立式旋转荧光分子层析成像系统及其成像方法，最大程度地保持了检测体的形态稳定，简化了光路传输装置，采用了新式的动物床设计思路。
[0008]针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种立式旋转荧光分子层析成像系统，最大程度地保持了被检查体的形态稳定，简化了光路传输装置，采用了新式的动物床设计思路。
[0009]本发明的一个目的在于提出一种立式旋转荧光分子层析成像系统。
[0010]本发明的立式旋转荧光分子层析成像系统包括:激发光源装置、激光光路装置、荧光探测装置、旋转台、检查床、平移台、绕线筒和计算机；其中，激发光源装置固定在底板上；旋转台安装在底板上，中间具有通孔，成像时以通孔的轴线为旋转轴转动；激光光路装置和荧光探测装置分别通过各自的连接件安装在旋转台上；检查床安装在平移台上，与旋转台的通孔在同一水平线上，在通孔中无障碍通过；荧光探测装置通过数据线连接至计算机，并通过电源线连接至电源；绕线筒与旋转台共轴，数据线和电源线按照与旋转台的旋转方向相反的方向缠绕在绕线筒的外壁上；激光光路装置包括旋转同步平面镜和扫描平面镜；成像时，激发光源装置发射出点光源的激发光；激发光沿旋转轴穿过绕线筒，入射至激光光路装置的旋转同步平面镜；经旋转同步平面镜反射的激发光与检查床同步旋转；激发光经旋转同步平面镜反射后入射至激光光路装置的扫描平面镜，经扫描平面镜的激发光对检查床进行扫描并对激发光的形状进行调制，最终激发光入射到检查床上的被检查体上，产生荧光；荧光探测装置接收荧光；荧光探测装置将荧光信号转换成电信号传输至计算机。
[0011]旋转台包括旋转板、电机和支撑架；其中，电机通过支撑架安装在底板上；旋转板安装在电机上，由电机带动进行360度旋转；在旋转板上具有通孔，与检查床在一个水平线上，允许检查床在通孔中无障碍通过。
[0012]电源和数据的走线装置采用绕线筒，绕线筒通过连接件固定在旋转台上，或者通过支撑板固定在底板上，绕线筒与旋转台共轴，将数据线和电源线按照一个方向缠绕在绕线筒的外壁上，成像时旋转台的旋转方向与绕线方向相反，这样在成像时，随着旋转台旋转，将电源线和数据线放开，而不会发生线路缠绕和梳理的问题。绕线筒的一端采用连接件固定在旋转台上，随旋转台一起转动，另一端通过轴承与支撑板连接，支撑板固定在底座上；或者，绕线筒的一端与固定激光光路装置的连接件通过轴承连接，另一端固定在支撑板上，不随旋转台转动。绕线筒的另一端设置支撑板，从而使得装置的两端受力均匀。
[0013]激发光源装置包括激光光源、光源光纤和滤光装置；其中，激光光源固定在底板上发射出激发光，激发光由光源光纤导出，发出光谱连续的准直度高的激发光，入射至滤光装置；滤光装置将激发光过滤成单色性较好的激发光，并保持准直性不变，入射至激光光路装置。
[0014]激光光路装置包括旋转同步平面镜和扫描平面镜；沿旋转轴穿过绕线筒的激发光入射至旋转同步平面镜，反射后与检查床同步旋转；入射至激光光路装置的扫描平面镜，经扫描平面镜的激发光对检查床进行扫描并对激发光的形状进行调制。根据需要入射至检查床的光源类型选择扫描平面镜，如果入射至检查床的光源为点光源，则扫描平面镜为反射镜；如果入射至检查床的光源为线光源，则扫描平面镜为一维振镜；如果入射至检查床的光源为点阵光源，则扫描平面镜为二维振镜。进一步，激光光路装置还包括第一反射镜，固定在底板上，设置在底板上的激发光源装置发射出来的激发光经第一反射镜反射后沿旋转轴穿过绕线筒。激光光路装置简化了激发端的系统设计，使得笨重的激发光源装置不再需要跟随系统转动，激发光通过激光光路装置中的一系列平面镜传输，避开了光纤缠绕等问题，并可以根据实验需求，自由调节需要的光斑形状和照明方式。
[0015]检查床包括固定装置、动物床、气体麻醉装置和供暖装置；其中，固定装置的一端与平移台连接，另一端连接动物床，内部留有空位；气体麻醉装置和供暖装置通过固定装置内的空位，分别向动物床提供麻气和暖气；动物床为圆弧形或平板形；动物床采用在可见光波段和近红外光波段的散射和吸收的光学性质与被检查体一致的材料。动物床的厚度与所采用的材料的硬度有关，厚度与硬度成反比，使得动物床足以支撑住被检查体。动物床采用开放式设计，被检查体直接平放于开放式的动物床之上，便于实验操作，同时便于被检查体的取放，也不会影响被检查体的体位和舒适程度；动物床采用类似被检查体的皮肤组织光学性质的散射介质，避免动物床引起的过曝光、漏光等问题。
[0016]平移台设置在底座上，检查床设置在平移台上，沿平移台做水平运动，从而进出旋转台内的通孔。
[0017]荧光探测装置通过连接件固定在旋转台上发出荧光的一侧，接收荧光信号，并将荧光信号转换成电信号传输至计算机。荧光探测装置包括接收滤光组件、镜头和探测器。探测器的电源和数据按照与旋转台的旋转方向相反的方向缠绕在绕线筒上。
[0018]本发明的另一个目的在于提出一种立式旋转荧光分子层析成像方法。
[0019]本发明的立式旋转荧光分子层析成像方法，包括以下步骤:
[0020]1)连接装置:荧光探测装置通过数据线连接至计算机，并通过电源线连接至电源，绕线筒与旋转台共轴，将数据线和电源线按照与旋转台的旋转方向相反的方向缠绕在绕线筒的外壁上；
[0021]2)激发光源装置发射出点光源的激发光；
[0022]3)激发光沿旋转轴穿过绕线筒，入射至激光光路装置的旋转同步平面镜；
[0023]4)激发光经旋转同步平面镜反射后与检查床同步旋转；
[0024]5)激发光经旋转同步平面镜反射后入射至激光光路装置的扫描平面镜，经扫描平面镜的激发光对检查床进行扫描并对激发光的形状进行调制；
[0025]6)激发光入射到检查床上的被检查体上，产生荧光；
[0026]7)荧光探测装置接收荧光，将荧光信号转换成电信号，并传输至计算机；
[0027]8)计算机接收数据，使用荧光重建算法重建断层图像，并进行图像显示。
[0028]本发明的优点:
[0029]1)激光光路装置使得笨重的激发光源装置可以固定在底板上而不随系统旋转，通过一些列平面镜使得激发光可以360°扫描被检查体；
[0030]2)激发光的波长可以根据需要在可见至红外波段自由选择，可方便地实现不同波长的激发光照射，从而实现多波长荧光探针的成像；
[0031]3)可以自由的选择点状激发光源、线状激发光源或者点面阵激发光源，根据实验需求对激发光的形状进行调制；
[0032]4)动物床采用开放式设