荧光散射光学成像系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种荧光散射光学成像系统及方法，该系统包括：激光器、微位移台、载物台、至少一个平面反光镜、滤光片、CCD相机及处理器；该激光器的光纤头搭载在该微位移台上；该平面反光镜的反射面朝向该载物台上的待测物；该微位移台及该CCD相机与该处理器电连接；该微位移台用于根据该处理器的控制信号在二维平面移动；该激光器用于扫描内置荧光物质的待测物的待测区以激发荧光；该CCD相机用于直接及基于该平面反光镜的反射获取荧光图像及激光图像；该处理器用于获取CCD相机的位置信息、光纤头的位置信息、平面反光镜的位置信息、待测物的CT图像或MRI图像、该荧光图像及激光图像，生成待测区的三维荧光图像。本发明能够提高成像质量且简化系统结构。
【专利说明】
荧光散射光学成像系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及医学成像技术领域，尤其涉及一种荧光散射光学成像系统及方法。
【背景技术】
[0002] 焚光散射光学断层成像技术(Fluorescence Diffuse Optical Tomography， FDOT)的工作原理是，事先在小动物体内植入肿瘤和相应靶向荧光试剂，使用激光在小动物 所在区域的某一平面内扫描，荧光试剂受激光激发，发射近红外光，之后通过检测器获得激 发光的图片，最后通过三维重建确定肿瘤在动物体内的位置和分布情况。与核磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging，MRI)、计算机断层扫描成像（Computed Tomography，CT)、 正电子断层显像(Positron Emission Tomography，PET)相比，FDOT成像具有造价低、易操 作、无辐射等优点，常用于小动物活体成像。
[0003] 现有研究表明FD0T与PET相结合的ro〇T/PET双模态成像可提供实验物体不同的生 理功能进程相关信息。这种组合可有助于提高在给定时间点所提供的分子水平信息。比较 两种模态成像系统特征，pet系统台架可从各个可能的角度记录采集信号。但是，这种ro〇T/ PET双模态成像系统结构复杂，造价高。
[0004] 现有单角度成像的FD0T系统中，COKCharge-coupled Device，电荷親合元件）相 机是固定在待测物的顶部，激发光源在CCD相机的正对面执行平面扫描，因而现有常见的 ro〇T系统呈单角度成像采集结构。与PET相比，单角度成像的ro〇T系统的采集模态少，采集 信息量少，采集周期长，且重建难度较大。另外，单角度采集图像使得ro〇T成像沿光源-CCD 相机连线方向呈纵向断层成像劣质化。在通常情况下，图像采集系统的几何架构会进而影 响输出图像的重建质量。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种荧光散射光学成像系统及方法，以提高荧光散射光学断层成像质 量，缩短成像时间。
[0006] 本发明提供一种荧光散射光学成像系统，包括:激光器、微位移台、载物台、至少一 个平面反光镜、滤光片、CCD相机及处理器;所述激光器的光纤头搭载在所述微位移台上;所 述平面反光镜的反射面朝向所述载物台上的待测物;所述微位移台及所述CCD相机分别与 所述处理器电连接;所述微位移台用于根据所述处理器的控制信号于所述载物台下方的设 定平面区域内移动;所述激光器用于扫描内置荧光物质的所述待测物的待测区以激发出荧 光;所述CCD相机用于从所述载物台上方获取荧光图像及激光图像，获取方式包括:直接从 待测物采集以及基于所述平面反光镜的反射采集;所述处理器用于获取CCD相机的位置信 息、光纤头的位置信息、平面反光镜的位置信息、待测物的CT图像或MRI图像、所述荧光图像 及激光图像，并籍此生成所述待测区的三维荧光图像。
[0007] -个实施例中，所述平面反光镜的一边缘贴合于所述载物台上。
[0008] -个实施例中，所述系统包括两个所述平面反光镜;两个所述平面反光镜各自与 所述载物台贴合的边相互平行，且两个所述平面反光镜与所述载物台的夹角大小相同。
[0009] 一个实施例中，所述滤光片包括用于滤除荧光的荧光滤光片和用于滤除激光的激 光滤光片;所述焚光滤光片为488nm窄带通滤光片，所述激光滤光片为600nm以上长通滤波 片。
[0010] 本发明还提供一种荧光散射光学成像方法，包括:微位移台根据处理器的控制信 号带动搭载其上的激光器的光纤头于载物台下方的设定平面区域内移动;所述激光器对待 测物的待测区进行二维激光扫描以诱导所述待测区内的荧光物质发出荧光;CCD相机从所 述载物台上方采集复合荧光图像及复合激光图像，采集方式包括:直接从待测物进行采集 以及基于所述平面反光镜的反射进行采集;处理器获取CCD相机的位置信息、光纤头的位置 信息、平面反光镜的位置信息、待测物的CT图像或MRI图像、所述复合荧光图像及复合激光 图像，并籍此生成所述待测区的三维荧光图像。
[0011] -个实施例中，处理器获取CCD相机的位置信息、光纤头的位置信息、平面反光镜 的位置信息、待测物的CT图像或MRI图像、所述复合荧光图像及复合激光图像，并籍此生成 所述待测区的三维荧光图像，包括:将所述复合激光图像及复合荧光图像分别剪裁成多个 单幅激光图像及多个单幅荧光图像;根据所述光纤头的位置信息、所述CCD相机的位置信 息、所述平面反光镜的位置信息、所述待测物的CT或MRI图像、所述单幅激光图像及所述单 幅荧光图像，通过三维重建软件生成所述待测区的三维荧光图像。
[0012] -个实施例中，该方法还包括:在所述CCD相机前设置荧光滤光片滤除所述荧光物 质发出的荧光;CCD相机从所述载物台上方采集复合激光图像，包括:所述CCD相机直接采集 由所述激光器光纤头出射并穿过所述待测物的激光，生成第一激光图像，同时采集穿过所 述待测物并经所述平面反光镜反射的激光，生成第二激光图像，所述第一激光图像及第二 激光图像构成所述复合激光图像。
[0013] -个实施例中，该方法还包括:在所述CCD相机前设置激光滤光片滤除所述激光器 光纤头出射的激光;CCD相机从所述载物台上方采集复合荧光图像，包括:所述CCD相机直接 采集由所述待测区内的荧光物质发出的荧光，生成第一荧光图像，同时采集所述待测区内 的荧光物质发出的且经所述平面反光镜的反射的荧光，生成第二荧光图像，所述第一荧光 图像及第二荧光图像构成所述复合荧光图像。
[0014] -个实施例中，根据所述光纤头的位置信息、所述CCD相机的位置信息、所述平面 反光镜的位置信息、所述待测物的CT或MRI图像、所述单幅激光图像及所述单幅荧光图像， 通过三维重建软件生成所述待测区的三维荧光图像，包括:通过体网格生成软件对所述CT 图像或MRI图像进行网格划分，生成所述待测区的体表面网格数据;根据所述CCD相机的位 置信息和所述平面反光镜的位置信息，利用镜面反射原理计算得到所述平面反光镜中的 CCD相机像的位置信息;将所述光纤头的位置信息、所述CCD相机的位置信息、所述CCD相机 像的位置信息、所述单幅激光图像、所述单幅荧光图像及所述体表面网格数据输入至所述 三维重建软件中，计算得到所述三维荧光图像。
[0015] -个实施例中，将所述光纤头的位置信息、所述CCD相机的位置信息、所述CCD相机 像的位置信息、所述单幅激光图像、所述单幅荧光图像及所述体表面网格数据输入至所述 三维重建软件中，计算得到所述三维荧光图像，包括:将所述激光图像和所述荧光图像缩放 匹配至所述待测区的实际尺寸；将缩放匹配后的所述激光图像、缩放匹配后的所述荧光图 像、所述光纤头的位置信息、所述CCD相机的位置信息、所述CCD相机像的位置信息及所述体 表面网格数据输入至所述三维重建软件中，计算得到所述三维荧光图像。
[0016] -个实施例中，所述平面反光镜的一边贴合于所述载物台上;将所述复合激光图 像及复合荧光图像分别剪裁成多个单幅激光图像及多个单幅荧光图像，包括:沿所述平面 反光镜所在平面与所述载物台所在平面的交线将所述复合激光图像剪裁成多个所述单幅 激光图像;沿所述平面反光镜所在平面与所述载物台所在平面的交线将所述复合荧光图像 剪裁成多个所述单幅荧光图像。
[0017] 本发明实施例的荧光散射光学成像系统及方法，通过平面反光镜反射激光和荧 光，可以从不同于真实CCD相机的角度采集从待测物出来的激光和荧光，从而获得更丰富的 待测物的二维荧光图像和二维激光图像信息，据此可以提高图像重建精度，提高重建信号 的强度，可以得到成像质量比现有单角度ro〇T系统成像质量更高的三维荧光图像。本发明 实施例的成像系统只需一个真实CCD相机就可以实现多角度拍摄，与多角度成像的ro〇T系 统相比，具有设备造价低的优点，而且真实CCD相机和至少一个CCD相机像同时拍摄待测物 的激光图像及荧光图像，本发明的成系统的成像速度更快。
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0019] 图1是本发明一实施例的荧光散射光学成像系统的结构示意图；
[0020] 图2是本发明一实施例中CCD相机在平面反光镜中成像的示意图；
[0021] 图3是图1所示荧光散射光学成像系统所生成的复合荧光图像及剪裁示意图；
[0022] 图4是本发明一实施例中平面反光镜的位置设置示意图；
[0023] 图5是本发明一实施例的荧光散射光学成像方法的流程示意图；
[0024] 图6是本发明一实施例中三维荧光图像成像的方法流程示意图；
[0025] 图7是本发明一实施例中将复合图像剪裁成单幅图像的方法的流程示意图；
[0026] 图8是本发明一实施例中三维荧光图像成像的方法流程示意图；
[0027] 图9是本发明一实施例中进行三维荧光图像成像的方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发 明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并 不作为对本发明的限定。
[0029] 现有的单角度成像的ro〇T系统具有造价低、无辐射等优点，但又存在采集模态少、 采集信息量少、重建难度大及成质量纵向劣化等缺点。为了利用当前ro〇T系统的优点，发明 人考虑到现有ro〇T系统的几何架构对其输出图像质量的影响，经过创造性的劳动对现有单 角度成像的FD0T系统的几何架构进行改进，以在保证成像速度的同时提高成像质量。
[0030] 图1是本发明一实施例的荧光散射光学成像系统的结构示意图。如图1所示，本发 明实施例的荧光散射光学成像系统可包括:激光器101、微位移台102、载物台103、至少一个 平面反光镜104、滤光片105、C⑶相机106及处理器107。激光器101的光纤头搭载在微位移台 102上。平面反光镜104的反射面朝向载物台103上的待测物。微位移台102及CCD相机103分 别与处理器107电连接。
[0031]激光器101用于扫描内置荧光物质的待测物的待测区以激发出荧光。该待测物可 以是活体小动物，该待测区可以是小动物的组织或器官，例如肿瘤区域。该激光器101发出 的激光可以是近红外激光。如图1所示，激光器101由下至上发射激光，该激光诱导载物台 103上的待测物内的荧光物质发出荧光，该激光和该荧光均可被CCD相机106接收。在其他实 施例中，激光器101可以从由上到下照射待测物，相应地，(XD相机106可以在待测物的下方 接收激光和荧光。
[0032]微位移台102用于根据处理器107的控制信号于载物台103下方的设定平面区域内 移动。在微位移台102的带动下，例如将光纤头夹持在微位移台上，激光器101的光纤头可以 在xy平面内沿设定路径移动，以进行二维激光扫描。例如，激光扫描的位置可以是沿x轴每 隔一设定距离移动一个位置，共移动N次，沿y轴每隔一设定距离移动一个位置，共移动N次， 形成激光的（N+1MN+1)阵列。再例如，激光扫描的可以是以某一设定点为圆心，沿着圆周 方向每隔一设定角度移动一个位置，移动M次，形成激光阵列。
[0033] 由于上述的激光和荧光两种光通常同时存在，所以在单独采集激光图像或单独采 集荧光图像时，需要利用滤光片105滤除不需要的光后再由CCD相机106进行采集。滤光片 10 5可包括用于滤除荧光的荧光滤光片和用于滤除激光的激光滤光片。该荧光滤光片可为 488nm窄带通滤光片，可只让C⑶相机106采集到488nm的光线，适用于采集相应波长的激光。 该激光滤光片可为600nm以上长通滤波片，可只让(XD相机106采集到600nm以上的光线，而 由于在488nm激光的激发下，待测物通常可发出600~700nm的焚光，所以该600nm以上长通 滤波片能够较好地采集荧光。
[0034] (XD相机106用于从载物台103上方获取荧光图像及激光图像，获取方式包括:直接 从待测物采集以及基于平面反光镜104的反射采集。其中，利用直接从待测物采集的方式采 集荧光图像及激光图像时，激光和荧光不经过平面反光镜104,具体地，穿过待测物的激光 直接进入CCD相机106,由待测物内荧光物质发出的荧光直接进入CCD相机106。两种采集方 式的根本区别在于直接从待测物采集时从待测物出来的激光和荧光后续传播至CCD相机 106的路径未被改变，所以本发明并不限定直接从待测物采集图像时待测物和CCD相机106 之间具有其他不改变光路的元件。
[0035] 一个实施例中，CCD相机106可以是电子倍增CCD(Electron-Multiplying CCD， EMCCD)相机或液体制冷CCD，可以具有更加的图像采集效果。
[0036] 处理器107用于获取CCD相机106的位置信息、激光器101的光纤头的位置信息、平 面反光镜104的位置信息、载物台103上待测物的CT图像或MRI图像、荧光图像及激光图像， 并籍此生成上述待测区的三维荧光图像。处理器107可以是各种能够根据上述输入的信息 计算得到上述三维荧光图像的设备，例如计算机。平面反光镜104的位置信息可以通过人工 手动输入至处理器107。利用平面反光镜104的位置信息和CCD相机106的位置信息可以计算 得到CCD相机106在平面反光镜104中的CCD相机像的位置信息，利用CCD相机像的位置信息 可以用于计算得到待测物的待测区的三维荧光图像。载物台103上待测物的CT图像或MRI图 像可以是待测物的待测区的三维图像，可以预先通过相应的设备采集得到。
[0037] 图2是本发明一实施例中CCD相机在平面反光镜中成像的示意图。如图2所示，平面 反光镜104用于将激光和荧光反射至真实的C⑶相机106,以形成(XD相机像106a、106b，并从 不同于该真实的CCD相机106的拍摄角度的CCD相机像106a、106b的拍摄角度拍摄待测区的 二维激光图像和二维荧光图像两种图像。由图2可清楚得知，CCD相机106在每个平面反光镜 104中可以成一个CCD相机像。在设置有多个平面反光镜104的荧光散射光学成像系统中，可 以相应地成多个CCD相机像，各个CCD相机像从载物台103上待测物的待测区采集荧光及激 光的角度可不同，从而通过上述CCD相机106和各个CCD相机像可以得到至少从两个不同角 度拍摄的待测区的二维荧光图像及二维激光图像。
[0038] 如图1和图2所示，该系统中设置有两个平面反光镜104,这样的构造就相当于三个 相同光学特性的C⑶相机(物体顶部真实的(XD相机106和物体左侧虚拟的(XD相机106b和右 侧虚拟的CCD相机106a)，同时在三个位置来记录物体内发出的荧光信号。与现有的多角度 ro〇T系统相比，通过平面反光镜形成的多角度成像系统在大幅简化系统结构的同时，由于 保留了原单角度系统结构，因此仍然可以适用于常规的FD0T图像采集方案，适用范围广。
[0039] 本发明实施例的荧光散射光学成像系统中可只有一个真实的CCD相机106,如此一 来，各个二维荧光图像会在一幅复合荧光图像上，各个二维激光图像会在一幅复合激光图 像上。
[0040] 图3是图1所示荧光散射光学成像系统所生成的复合荧光图像及剪裁示意图。如图 1和图3所示，该实施例的荧光散射光学成像系统中设置有两个平面反光镜104,通过设置在 小鼠两侧的两个平面反光镜106,可以得到一幅包含三幅二维荧光图像的复合荧光图像 200。该复合荧光图像200包含，载物台103上小鼠（待测物）的顶部的CCD相机106拍摄到小鼠 顶部的荧光图像201，及CCD相机106在两个平面反光镜106中的CCD相机像分别拍摄到小鼠 侧面的荧光图像202和203。
[0041] 图4是本发明一实施例中平面反光镜的位置设置示意图。如图4所示，平面反光镜 104可以以多种方式设置，可位于各种位置，其与水平面的夹角（例如夹角a、P)可以为各种 角度，平面反光镜104与待测物之间的距离L可以是各种数值，只要平面反光镜104能够将来 自待测物的待测区的激光和荧光反射至CCD相机106即可。
[0042] -个实施例中，平面反光镜104可以设置在载物台103上，具体地，可使平面反光镜 104的一边缘贴合于载物台103上，如此一来，平面反光镜104设置方便，且可以采集到待测 物侧面的图像。
[0043] -个实施例中，该荧光散射光学成像系统可包括两个平面反光镜104。这两个平面 反光镜104各自与载物台103贴合的边可相互平行，即两个平面反光镜104所在平面各自与 载物台103所在平面的交线可相互平行。这两个平面反光镜104与载物台103的夹角大小可 相同，即在平面反光镜104朝向上述待测物的情况下，这两个平面反光镜104所在平面与载 物台103所在平面的夹角大小可相同。如图1所示，两个平面反光镜104与载物台103的夹角a 和0的大小可相同，在其他实施例中，夹角a和0的大小可不同。夹角a、0的大小可以为多种取 值，发明人通过计算CCD相机106在平面反光镜104中CCD相机像的拍摄角度后发现，较佳地， 夹角a、f3的大小在30°~40°范围，如此一来，可以获取较多的待测物的图像信息。
[0044] 本发明实施例的荧光散射光学成像系统，通过平面反光镜反射激光和荧光，可以 从不同于真实CCD相机的角度采集从待测物出来的激光和荧光，从而获得更丰富的待测物 的二维荧光图像和二维激光图像信息，据此可以得到成像质量比现有单角度ro〇T系统成像 质量更高的三维荧光图像。本发明实施例的成像系统只需一个真实CCD相机就可以实现多 角度拍摄，与多角度成像的ro〇T系统相比，具有设备造价低的优点，而且真实CCD相机和至 少一个CCD相机像同时拍摄待测物的激光图像及荧光图像，本发明的成系统的成像速度更 快。
[0045] 基于与图1所示的荧光散射光学成像系统相同的发明构思，本申请实施例还提供 了 一种荧光散射光学成像方法，如下面实施例所述。由于该荧光散射光学成像方法解决问 题的原理与荧光散射光学成像系统相似，因此该荧光散射光学成像方法的实施可以参见荧 光散射光学成像系统的实施，重复之处不再赘述。
[0046] 图5是本发明一实施例的荧光散射光学成像方法的流程示意图。如图5所示，本发 明实施例的荧光散射光学成像方法，可包括步骤：
[0047] S310:微位移台根据处理器的控制信号带动搭载其上的激光器的光纤头于载物台 下方的设定平面区域内移动；
[0048] S320:上述激光器对待测物的待测区进行二维激光扫描以诱导上述待测区内的荧 光物质发出荧光；
[0049] S330:CCD相机从上述载物台上方采集复合荧光图像及复合激光图像，采集方式包 括:直接从待测物进行采集以及基于上述平面反光镜的反射进行采集；
[0050] S340:处理器获取CCD相机的位置信息、光纤头的位置信息、平面反光镜的位置信 息、待测物的CT图像或MRI图像、上述复合荧光图像及复合激光图像，并籍此生成上述待测 区的三维荧光图像。
[0051] 在上述步骤S310中，在微位移台的带动下，例如将光纤头夹持在微位移台上，激光 器的光纤头可以在设定二维平面内沿设定路径移动，以进行二维激光扫描。例如，如上所 述，激光扫描的位置可以是沿x轴每隔一设定距离移动一个位置，共移动N次，沿y轴每隔一 设定距离移动一个位置，共移动N次，形成激光的（N+1MN+1)阵列。再例如，激光扫描的可 以是以某一设定点为圆心，沿着圆周方向每隔一设定角度移动一个位置，移动M次，形成激 光阵列。该激光器发出的激光可以是近红外激光。
[0052] 在上述步骤S320中，该待测物可以是活体小动物，该待测区可以是小动物的组织 或器官，例如肿瘤区域。例如采用波长为488nm的激光照射待测物，待测物内的荧光物质可 以发出600~700nm的荧光。
[0053]在上述步骤S330中，利用直接从待测物采集的方式采集复合荧光图像及复合激光 图像时，激光和荧光不经过平面反光镜反射，具体地，穿过待测物的激光直接进入CCD相机， 由待测物内荧光物质发出的荧光直接进入CCD相机。两种采集方式的根本区别在于直接从 待测物采集时从待测物出来的激光和荧光后续传播至CCD相机的路径未被改变。其中，复合 激光图像中可包括多幅二维激光图像，复合荧光图像中可包括多幅二维荧光图像，如图3所 示，复合荧光图像200包括三幅二维荧光图像201、202及203。
[0054]在上述步骤S340中，该待测物的CT图像或MRI图像可以是待测物的待测区的三维 图像，可以预先通过相应的设备采集得到。
[0055]本发明实施例中，FD0T成像系统所采集的图像可与CT图像融合，或与MRI图像融 合，以便使roOT所提供的功能图像可以在与CT图像或MRI图像进行比较和处理的过程中，借 助由CT图像或MRI图像所提供的空间结构而更直观准确地被呈现出来。
[0056]本发明实施例的荧光散射光学成像系统通过平面反光镜反射激光和荧光，可以从 不同于真实CCD相机的角度采集从待测物出来的激光和荧光，从而获得更丰富的待测物的 二维荧光图像和二维激光图像信息，据此可以得到成像质量比现有单角度ro〇T系统成像质 量更高的三维荧光图像。
[0057]图6是本发明一实施例中三维荧光图像成像的方法流程示意图。如图6所示，在上 述步骤S340中，处理器获取CCD相机的位置信息、光纤头的位置信息、平面反光镜的位置信 息、待测物的CT图像或MRI图像、上述复合荧光图像及复合激光图像，并籍此生成上述待测 区的三维荧光图像的方法，可包括步骤：
[0058] S341:将上述复合激光图像及复合荧光图像分别剪裁成多个单幅激光图像及多个 单幅荧光图像；
[0059] S342:根据上述光纤头的位置信息、上述CCD相机的位置信息、上述平面反光镜的 位置信息、上述待测物的CT或MRI图像、上述单幅激光图像及上述单幅荧光图像，通过三维 重建软件生成上述待测区的三维荧光图像。
[0060] 在上述步骤S341中，在微位移台的带动下，激光从不同位置点扫描待测物时均采 集CCD图像，并保存为激光激发的激光图像序列和荧光图像序列，则将上述复合激光图像及 复合荧光图像分别剪裁成多个单幅激光图像及多个单幅荧光图像时，即对上述的激光图像 序列和荧光图像序列进行剪裁处理。其中，上述的单幅激光图像和单幅荧光图像均可以是 上述待测区的图像。
[0061] 本实施例中，将复合激光图像及复合荧光图像分别剪裁成多个单幅激光图像及多 个单幅荧光图像，可仅保留待测区的图像，生成三维荧光图像时，可仅对于待测区的图像进 行重建，无需对非目标成像区域进行重建，有助于节省三维荧光图像的重建时间，进而提高 成像速度。
[0062] 图7是本发明一实施例中将复合图像剪裁成单幅图像的方法的流程示意图。上述 平面反光镜的一边贴合于上述载物台上，此时，如图7所示，在上述步骤S341中，将上述复合 激光图像及复合荧光图像分别剪裁成多个单幅激光图像及多个单幅荧光图像的方法，可包 括步骤：
[0063] S3411:沿上述平面反光镜所在平面与上述载物台所在平面的交线将上述复合激 光图像剪裁成多个上述单幅激光图像；
[0064] S3412:沿上述平面反光镜所在平面与上述载物台所在平面的交线将上述复合荧 光图像剪裁成多个上述单幅荧光图像。
[0065] 本实施例中，沿平面反光镜所在平面与载物台所在平面的交线将复合图像(复合 激光图像、复合荧光图像)剪裁成多个单幅图像(单幅激光图像、单幅荧光图像）。一个实施 例中，如图3所示，沿交线2021、2031将复合荧光图像200剪裁成三幅单幅荧光图像201、202 及203。其中，单幅荧光图像202的剪裁区域2022和单幅荧光图像203的剪裁区域2032可根据 需要选定，例如，可剪裁出如图3所示的方形区域2022、2032,再剪裁得到待测物的待测区所 对应的图像区域，或者，仅通过一次处理就剪裁出待测区的二维的荧光图像及激光图像，具 体可视需要进行选择。
[0066]本实施例中，通过沿平面反光镜所在平面与载物台所在平面的交线将复合图像剪 裁成单幅图像，可以容易地得到完整的单幅图像，不易出现剪裁失误。
[0067]在其他实施例中，利用图7所示的方法剪裁得到的复合激光图像和复合荧光图像， 在用于生成三维荧光图像之前，还可以进一步将该单幅激光图像剪裁成上述待测区的激光 图像，将该单幅荧光图像剪裁成该待测区的荧光图像，以减少处理器的数据处理量，提高三 维荧光图像的成像时间。
[0068] -个实施例中，在上述CCD相机前设置荧光滤光片滤除上述荧光物质发出的荧光， 例如，待测物在488nm下受到激发，发出600-700nm的荧光，首先放置的滤光片为488nm窄带 通(通带10nm)的滤光片，只让(XD采集到488nm的光线。此时，在上述步骤S330中，(XD相机从 上述载物台上方采集复合激光图像的方法，可包括步骤：
[0069] S331:上述(XD相机直接采集由上述激光器光纤头出射并穿过上述待测物的激光， 生成第一激光图像，同时采集穿过上述待测物并经上述平面反光镜反射的激光，生成第二 激光图像，上述第一激光图像及第二激光图像构成上述复合激光图像。
[0070] -个实施例中，在上述CCD相机前设置激光滤光片滤除上述激光器光纤头出射的 激光，具体地，例如，待测物在488nm下受到激发，发出600-700nm的荧光，更改滤光片为 600nm以上长通的滤光片，使CCD相机采集到荧光图像。此时，CCD相机从上述载物台上方采 集复合荧光图像的方法，可包括步骤：
[0071] S332:上述CCD相机直接采集由上述待测区内的荧光物质发出的荧光，生成第一荧 光图像，同时采集上述待测区内的荧光物质发出的且经上述平面反光镜的反射的荧光，生 成第二荧光图像，上述第一荧光图像及第二荧光图像构成上述复合荧光图像。
[0072] 图8是本发明一实施例中三维荧光图像成像的方法流程示意图。如图8所示，在上 述步骤S342中，根据上述光纤头的位置信息、上述CCD相机的位置信息、上述平面反光镜的 位置信息、上述待测物的CT或MRI图像、上述单幅激光图像及上述单幅荧光图像，通过三维 重建软件生成上述待测区的三维荧光图像的方法，可包括步骤：
[0073] S3421:通过体网格生成软件对上述CT图像或MRI图像进行网格划分，生成上述待 测区的体表面网格数据；
[0074] S3422:根据上述CCD相机的位置信息和上述平面反光镜的位置信息，利用镜面反 射原理计算得到上述平面反光镜中的CCD相机像的位置信息；
[0075] S3423:将上述光纤头的位置信息、上述CCD相机的位置信息、上述CCD相机像的位 置信息、上述单幅激光图像、上述单幅荧光图像及上述体表面网格数据输入至上述三维重 建软件中，计算得到上述三维荧光图像。
[0076]在上述步骤S3421中，体网格生成软件可以是多种不同网格划分软件，例如 iso2mesh软件。在上述步骤S3421中，三维重建软件可以是多种不同重建软件，例如toast软 件。
[0077]在利用三维重建软件重建生成三维荧光图像时，首先，利用有限元基准迭代算法 生成荧光图像，其中，该基准迭代算法所依据的描述待测区中激发光传播和散射光的耦合 扩散方程为：
[0078] ▽(￡)、(/)▽欢(，)) - /(?'(，) + .S'(r) = 0，. ( 1)
[0079] V (D,"(r)V,fw(/-))-/./" {r)<pm(r) + (r)^((r) = 0 , 12)
[0080]其中，r表示位置变量，4>x是激发光x的光子密度，4^是散射光m的光子密度， A 4 /如", (r) + //>'))是激发光x的扩散系数，A，1 / 3(M," (r) + //.v (r))是扩散系数， 是激发光x的吸收系数，八"是散射光m的吸收系数，是激发光x的衰减的散射系数，是 散射光m的衰减的散射系数，a是内部反射的边界相关系数，Sx(r)=S〇S(r- rQ)是激发光x点 源的激励源项，So表示点源的强度，5 (r-ro)是以位置ro的点源为中心的D irac-de 1 ta函数，n 是边缘扩散系数，为激发光的吸收系数Av或散射光的吸收系数。
[0081]利用有限元离散关系得到的方程矩阵如公式（1)和(2)所示，进一步得到一系列用 于解决反向问题的等式：
(4) (5)
[0085] 其中，矩阵[Ax,?]的参数和列向量{bx,m}中的项可以用一组空间变化来表示拉格朗 日基础函数;J x,m是由4>x,m的衍生物在每个边界观察节点对于x的雅克比矩阵；Ax是光学和 荧光特性分布更新矢量;I是单位矩阵必可以是一个尺度或对角矩阵;是矩阵Jx,m的转置 矩阵;x是荧光特性分布矢量，表达了Dx、/\或者是激发光x或散射光m的光子密 度；是被观察到的激发光x或散射光m的光子密度;是计算得到的激发光x或散射光m 的光子密度。激光图像和荧光图像通过式(3)~（5)迭代地求解形成，并从这些属性大概均 匀初步估算更新光学荧光特性分布。
[0086] 图9是本发明一实施例中进行三维荧光图像成像的方法流程示意图。如图9所示， 在上述步骤S3423中，将上述光纤头的位置信息、上述CCD相机的位置信息、上述CCD相机像 的位置信息、上述单幅激光图像、上述单幅荧光图像及上述体表面网格数据输入至上述三 维重建软件中，计算得到上述三维荧光图像的方法，可包括步骤：
[0087] S34231:将上述激光图像和上述荧光图像缩放匹配至上述待测区的实际尺寸；
[0088] S34232:将缩放匹配后的上述激光图像、缩放匹配后的上述荧光图像、上述光纤头 的位置信息、上述CCD相机的位置信息、上述CCD相机像的位置信息及上述体表面网格数据 输入至上述三维重建软件中，计算得到上述三维荧光图像。
[0089] -个实施例中，荧光散射光学成像方法包括步骤：
[0090] 1)在载物台上放置需被重建的物体，物体内含有在相应激发光源下能够激发出荧 光的荧光物质，调整CCD相机的视野至能够覆盖整个物体；
[0091] 2)在CCD相机下放上滤光片，滤掉物体发出的荧光。例如物体在488nm激光下受到 激发，发出波长为600-700nm的荧光。首先放置的滤光片为488nm窄带通(通带10nm)的滤光 片，只让(XD采集到488nm的光线。
[0092] 3)操作二维微位移台，使之按处理器中编好的程序移动，即移动激光光纤头的位 置，使之在不同的位置发射激光；
[0093] 4)同时在激光不同扫描位置上采集CCD图像，保存为激光激发的图像序列；
[0094] 5)更改滤光片，例如物体在488nm激光下受到激发，发出600-700nm的荧光时，可更 改滤光片为600nm以上长通的滤光片，使CCD采集到荧光图像；
[0095] 6)对CCD相机拍到的复合激光图像和复合荧光图像进行剪裁，把正面及两侧的物 体图像剪裁开，可以平面反光镜与水平面的交线为分割线进行剪裁。
[0096] 7)扫描物体的CT图像，并由生成体网格的软件(例如i so2mesh)生成物体的表面体 网格数据网格mesh;
[0097] 8)把激光图像和荧光图像，以及CCD相机(真实的CCD相机和CCD相机在平面反光镜 中的像)与激光源的位置信息，物体的mesh信息作为重建软件的输入信息，通过三维重建软 件(例如toast)，生成包含荧光分布的三维数据。
[0098] 在步骤8)中，该荧光图像包括分割得到的物体的正面的荧光图像和侧面的荧光图 像。具体剪裁步骤可包括:选定物体的某个感兴趣区R0I区域，例如小鼠的肺部(例如尺寸为 1.2cm*l.2cm)，将选定R0I区域后的激光图像、荧光图像都均与物体的实际尺寸相匹配，然 后剪裁出R0I区域，通过三维重建软件生成Jacobian矩阵。位置信息包括:(XD的位置信息 (例如CCD相机位置信息为"12 14 40 0 0-1"，依次表示x轴、y轴、z轴的坐标，单位为mm，0 0-1表示CCD是向下采集）、激光源的位置信息（例如激光源位置信息为例如"12 14-5 0 0 1"，依次表示x轴、y轴、z轴的坐标，单位为mm，0 0 1表示激光源向上激发）、mesh信息（即体 表面网格三维坐标，例如为25.595,60.6565,20.565，分别表示1轴、7轴、2轴的坐标），通过 三维重建软件（例如调用toastMapSolToMesh，toastSolutionMask，IWT2_P0，FD0TAdj0p或 tostQvec等)来重建得到荧光物质在物体中的分布信息，即三维荧光图像。
[0099] 本发明实施例的荧光散射光学成像方法，通过平面反光镜反射激光和荧光，可以 从不同于真实CCD相机的角度采集从待测物出来的激光和荧光，从而获得更丰富的待测物 的二维荧光图像和二维激光图像信息，据此可以提高图像重建精度，提高重建信号的强度， 可以得到成像质量比现有单角度FD0T系统成像质量更高的三维荧光图像。本发明实施例的 成像系统只需一个真实ccd相机就可以实现多角度拍摄，与多角度成像的ro〇T系统相比，具 有设备造价低的优点，而且真实CCD相机和至少一个CCD相机像同时拍摄待测物的激光图像 及荧光图像，本发明的成系统的成像速度更快。
[0100] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一个具体实施例"、"一些实施 例"、"例如"、"示例"、"具体示例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的 具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结 构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0101] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序 产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实 施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机 可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产 品的形式。
[0102] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程 图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流 程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序 指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产 生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实 现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0103] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特 定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指 令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或 多个方框中指定的功能。
[0104] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计 算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或 其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一 个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0105] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保 护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种荧光散射光学成像系统，其特征在于，包括:激光器、微位移台、载物台、至少一 个平面反光镜、滤光片、CCD相机及处理器； 所述激光器的光纤头搭载在所述微位移台上;所述平面反光镜的反射面朝向所述载物 台上的待测物;所述微位移台及所述CCD相机分别与所述处理器电连接； 所述微位移台用于根据所述处理器的控制信号于所述载物台下方的设定平面区域内 移动； 所述激光器用于扫描内置荧光物质的所述待测物的待测区以激发出荧光； 所述CCD相机用于从所述载物台上方获取荧光图像及激光图像，获取方式包括:直接从 待测物采集以及基于所述平面反光镜的反射采集； 所述处理器用于获取CCD相机的位置信息、光纤头的位置信息、平面反光镜的位置信 息、待测物的CT图像或MRI图像、所述荧光图像及激光图像，并籍此生成所述待测区的三维 荧光图像。2. 如权利要求1所述的荧光散射光学成像系统，其特征在于，所述平面反光镜的一边缘 贴合于所述载物台上。3. 如权利要求2所述的荧光散射光学成像系统，其特征在于，所述系统包括两个所述平 面反光镜;两个所述平面反光镜各自与所述载物台贴合的边相互平行，且两个所述平面反 光镜与所述载物台的夹角大小相同。4. 如权利要求1所述的荧光散射光学成像系统，其特征在于，所述滤光片包括用于滤除 焚光的焚光滤光片和用于滤除激光的激光滤光片;所述焚光滤光片为488nm窄带通滤光片， 所述激光滤光片为600nm以上长通滤波片。5. -种荧光散射光学成像方法，其特征在于，包括： 微位移台根据处理器的控制信号带动搭载其上的激光器的光纤头于载物台下方的设 定平面区域内移动； 所述激光器对待测物的待测区进行二维激光扫描以诱导所述待测区内的荧光物质发 出荧光； CCD相机从所述载物台上方采集复合荧光图像及复合激光图像，采集方式包括:直接从 待测物进行采集以及基于所述平面反光镜的反射进行采集； 处理器获取CCD相机的位置信息、光纤头的位置信息、平面反光镜的位置信息、待测物 的CT图像或MRI图像、所述复合荧光图像及复合激光图像，并籍此生成所述待测区的三维荧 光图像。6. 如权利要求5所述的焚光散射光学成像方法，其特征在于，处理器获取CCD相机的位 置信息、光纤头的位置信息、平面反光镜的位置信息、待测物的CT图像或MRI图像、所述复合 荧光图像及复合激光图像，并籍此生成所述待测区的三维荧光图像，包括： 将所述复合激光图像及复合荧光图像分别剪裁成多个单幅激光图像及多个单幅荧光 图像； 根据所述光纤头的位置信息、所述CCD相机的位置信息、所述平面反光镜的位置信息、 所述待测物的CT或MRI图像、所述单幅激光图像及所述单幅荧光图像，通过三维重建软件生 成所述待测区的三维荧光图像。7. 如权利要求5所述的荧光散射光学成像方法，其特征在于，还包括:在所述CCD相机前 设置荧光滤光片滤除所述荧光物质发出的荧光;CCD相机从所述载物台上方采集复合激光 图像，包括： 所述CCD相机直接采集由所述激光器光纤头出射并穿过所述待测物的激光，生成第一 激光图像，同时采集穿过所述待测物并经所述平面反光镜反射的激光，生成第二激光图像， 所述第一激光图像及第二激光图像构成所述复合激光图像。8. 如权利要求5所述的荧光散射光学成像方法，其特征在于，还包括:在所述CCD相机前 设置激光滤光片滤除所述激光器光纤头出射的激光;CCD相机从所述载物台上方采集复合 荧光图像，包括： 所述CCD相机直接采集由所述待测区内的荧光物质发出的荧光，生成第一荧光图像，同 时采集所述待测区内的荧光物质发出的且经所述平面反光镜的反射的荧光，生成第二荧光 图像，所述第一荧光图像及第二荧光图像构成所述复合荧光图像。9. 如权利要求6所述的荧光散射光学成像方法，其特征在于，根据所述光纤头的位置信 息、所述CCD相机的位置信息、所述平面反光镜的位置信息、所述待测物的CT或MRI图像、所 述单幅激光图像及所述单幅荧光图像，通过三维重建软件生成所述待测区的三维荧光图 像，包括： 通过体网格生成软件对所述CT图像或MRI图像进行网格划分，生成所述待测区的体表 面网格数据； 根据所述CCD相机的位置信息和所述平面反光镜的位置信息，利用镜面反射原理计算 得到所述平面反光镜中的CCD相机像的位置信息； 将所述光纤头的位置信息、所述CCD相机的位置信息、所述CCD相机像的位置信息、所述 单幅激光图像、所述单幅荧光图像及所述体表面网格数据输入至所述三维重建软件中，计 算得到所述三维荧光图像。10. 如权利要求9所述的荧光散射光学成像方法，其特征在于，将所述光纤头的位置信 息、所述CCD相机的位置信息、所述CCD相机像的位置信息、所述单幅激光图像、所述单幅荧 光图像及所述体表面网格数据输入至所述三维重建软件中，计算得到所述三维荧光图像， 包括： 将所述激光图像和所述荧光图像缩放匹配至所述待测区的实际尺寸； 将缩放匹配后的所述激光图像、缩放匹配后的所述荧光图像、所述光纤头的位置信息、 所述CCD相机的位置信息、所述CCD相机像的位置信息及所述体表面网格数据输入至所述三 维重建软件中，计算得到所述三维荧光图像。11. 如权利要求6所述的荧光散射光学成像方法，其特征在于，所述平面反光镜的一边 贴合于所述载物台上； 将所述复合激光图像及复合荧光图像分别剪裁成多个单幅激光图像及多个单幅荧光 图像，包括： 沿所述平面反光镜所在平面与所述载物台所在平面的交线将所述复合激光图像剪裁 成多个所述单幅激光图像； 沿所述平面反光镜所在平面与所述载物台所在平面的交线将所述复合荧光图像剪裁 成多个所述单幅荧光图像。
【文档编号】A61B5/00GK105873501SQ201680000101
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】陈昳丽, 付楠, 朱艳春, 李荣茂, 余绍德, 陈鸣闽, 谢耀钦
【申请人】中国科学院深圳先进技术研究院