专利名称：一种集成光声与荧光双模态的成像系统及成像方法
技术领域：
本发明涉及一种多模态成像方法，特别涉及一种集成光声与荧光双模态的成像系
统及成像方法。
背景技术：
医学影像物理和技术的进步以及医学影像设备的发明和发展大大地推动了在无创或少创条件下对人类疾病的诊断和治疗，从而大大延长了人的寿命并为在无创条件开展人体功能的研究创造了条件。传统的医学影像技术在疾病的诊断和辅助治疗上虽然各有特点，但单一的影像手段仍存在诸多不足。核磁共振(MRI)的分辨率较高，同时可获得解剖及生理信息。但是，MRI的弱点在于，不仅敏感性较低(微克分子水平)，而且价格昂贵，再加上对孕妇、装有心脏起搏器的病人禁用，使得MRI的应用受到了限制。核医学影像学(PET)在目前影像学研究中占据着极其重要的地位，但是由于现有示踪剂种类发展有限，PET设备复杂，且成像速度较慢，其设备及运行需要大量的费用和人员，致使PET的推广受到限制。超声成像依赖于生物组织的声阻抗，对比度差，难以发现早期的癌变。X光成像依赖于生物组织的密度，在密度差异不大时，X光成像则无法判断，而且容易诱发组织产生癌变。纯光学成像技术不仅具有更高的时空分辨率、且成本较MRI和PET低廉的优点，还具有体积小、重量轻以及使用便捷等特点，但是由于生物组织对光的强散射和吸收，纯光学成像技术穿透组织深度有限，故不能用它对深层组织进行准确成像，另外随着成像深度的增加，纯光学成像技术的空间分辨率显著降低。因此，要想在较高时空分辨率下无创伤地同时观测体内的结构和功能变化，需要发展多模态成像方法与技术。 多模态成像技术将不同的成像模态集成到同一个成像系统，由于每一种成像模态都有基于特定物质波和人体相互作用的规律，基于这些不同规律研制的成像技术和设备观测人体时得到的人体的信息也就不完全相同。因此，多模态成像可同时提供组织的结构和功能信息，是目前生物医学成像的发展趋势。 光声成像(Photoacoustic imaging)是基于光声效应的新型无损医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时，组织吸收光能量引起温升，温升导致热膨胀而产生光声信号。生物组织的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过测量光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。由于快速生长的恶性肿瘤需要更多的血液供应，恶性肿瘤组织伴随有更多的微血管增生，所以癌变组织和周围的正常组织光吸收的差异至少有5倍以上，从而光声成像可以提供高分辨率和高对比度的肿瘤微血管图像。 荧光分子成像(Fluorescent Molecular imaging)采用荧光报告基团(GFP、YFP、Cyt及Dyes等)进行标记，利用一套非常灵敏的光学检测仪器，可直接监控生物体内活体细胞活动和基因行为。通过荧光分子成像可以观测体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程与特定基因表达等生物学过程。 因此，开创光声与荧光双模态成像方法，具有原理上的创新性。从物理原理上讲，光声反映的是生物分子光吸收后无辐射跃迁过程；荧光反映的恰好是辐射跃迁过程，两者在原理上互补。从成像手段上讲，光声成像可提供高分辨的肿瘤微血管图像；荧光成像可提供高灵敏度的肿瘤分子信息。因此，如何将光声成像与荧光成像两种成像模态集成于同一个系统，有效利用两种成像模态优势互补的特性，对于研究肿瘤生长过程中对肿瘤发生发展及其新生血管化有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的单一成像模态的缺点与不足，提供一种集成光声与荧光双模态的成像方法。 本发明的另一 目的在于提供实现所述成像方法的成像系统。 本发明的目的通过下述技术方案实现一种集成光声与荧光双模态的成像方法，包含以下步骤 (1)通过扫描光路系统将脉冲激光聚焦到待测物体，得到激发产生的光声信号，再通过声探测器接收，送入信号放大器，采集放大后的光声信号数据； (2)通过扫描光路系统将连续激光聚焦到待测物体，得到激发产生的荧光信号，接
着荧光信号经过滤光片滤光被光电倍增管接收，采集接收后的荧光信号； (3)通过数据处理软件将步骤(1)得到的放大的光声信号数据和步骤(2)得到的
接收后的荧光信号进行融合与重建，得到光声与荧光双模态的图像。所述脉冲激光的波长为400 2500nm ; 所述的声探测器为单元非聚焦探测器，主频20KHz lOOMHz ;
所述连续激光的波长为200 900nm ; 实现集成光声与荧光双模态的成像方法的成像系统，由光声成像子系统、荧光成像子系统和计算机组成；光声成像子系统和荧光成像子系统通过扫描光路系统集成于一体；计算机分别与光声成像子系统和荧光成像子系统连接；计算机不仅控制扫描光路系统的扫描方式，也处理光声成像子系统和荧光成像子系统的数据，融合光声和荧光信息，同时重建出光声与荧光双模态图像。 所述的光声成像子系统包含激光器、扫描光路系统、声探测器和信号放大器；激光器、扫描光路系统、声探测器和信号放大器依次连接；激光器作为光声激发光源产生脉冲激光，进入扫描光路系统，聚焦到待测样品的扫描区域激发产生的光声信号，光声信号由声探测器接收，送入信号放大器放大，再通过计算机内部高速信号采集卡采集，采集的信号储存到计算机缓存中等待数据处理软件进行图像重建，其中
激光器，输出脉冲激光波长为400 2500nm ; 所述的输出激光优选通过反射镜进行光路调整，从而进入扫描光路系统；
声探测器，为单元非聚焦探测器，主频20KHz lOOMHz ; 所述的采集通过LABVIEW控制平台的自制多通道并行实时采集系统实现，LABVIEW控制平台的自制多通道并行实时采集系统的作用是将模拟信号转换为数字信号；
所述的图像重建为通过MATLAB程序利用滤波反投影算法进行图像重建，从而得到待测部位的光声图像； 所述的荧光成像子系统包含激光器、扫描光路系统、滤光片和光电倍增管(PMT);激光器、扫描光路系统、滤光片、光电倍增管(PMT)和光电倍增管依次连接；激光器和扫描
4光路系统通过激发光纤连接，扫描光路系统和滤光片通过接收光纤连接；激光器，作为激发荧光的光源，激发光通过激发光纤进入扫描光路系统，聚焦到扫描区域，激发产生的荧光信号通过接收光纤接收，经滤光片滤光后进入光电倍增管(PMT)，由数据采集卡采集后储存到计算机缓存中等待数据处理软件进行图像重建，其中
激光器，输出连续激光波长为200 900nm ;
所述的激发光纤优选由多路多模光纤构成；
所述的接收光纤优选由多路多模光纤构成； 所述的荧光信号来自活体内标记的分子或细胞的荧光探针受激发光激发后所发出的荧光； 所述的荧光成像子系统优选还含有雪崩光电二极管(APD)，雪崩光电二极管与扫
描光路系统通过接收光纤连接，可用于对接收到的荧光信号进行校正和归一化；APD接受
的荧光信号强度与PMT接收的荧光信号强度的比例优选为1 : 99; 所述的扫描光路系统含有控制及扫描光路，其中 控制与计算机连接，从而计算机可以调整扫描光路的扫描方式； 扫描光路由如下部件组成反射镜、滤光镜、扩束镜、二维震镜扫描器和消色差透镜；各部件相互独立；涉及光声成像的部件有反射镜、二维震镜扫描器和消色差透镜，涉及荧光成像的部件有滤光镜、扩束镜、二维震镜扫描器和消色差透镜；反射镜、二维震镜扫描器和消色差透镜自上而下排列；以水平线为基准，反射镜呈45。设置，二维震镜扫描器中的震镜与反射镜呈平行关系，消色差透镜水平放置，扩束镜垂直位于二维震镜扫描器上方，滤光镜与扩束镜位于同一水平位置，呈45。设置；脉冲激光由45。反射镜反射垂直进入光路，入射到二维震镜扫描器，利用消色差透镜聚焦于扫描区域；连续激光从光纤水平出射后通过扩束镜入射到滤光镜，并90。反射后垂直进入到二维震镜扫描器，利用消色差透镜聚焦于扫描区域； 所述的计算机含有高速数据采集卡、扫描光路控制软件和图像重建软件；
所述的采集通过LABVIEW控制平台的自制多通道并行实时采集系统实现，LABVIEW控制平台的自制多通道并行实时采集系统的作用是将模拟信号转换为数字信号；
所述的图像重建为通过MATLAB程序利用滤波反投影算法进行图像重建，从而得到待测部位的荧光图像； 所述的成像系统不仅可为肿瘤的发生发展提供跟踪监测数据，而且还可用于观察涉及光声与荧光效应的蛋白质荧光量子产率等其他相关问题研究等。 本发明的原理为光声反映的是生物分子光吸收后无辐射跃迁过程，荧光反映的恰好是辐射跃迁过程，实现高灵敏度的多模态分子成像。因此，利用光声成像和荧光成像在成像原理上的互补性，可以得到信息充分的光声与荧光双模态的成像。本发明通过共同的光路扫描系统和特有的机械结构布局集成于一体，可实现双模态同时成像。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果 (1)本发明所述的成像方法能得到原理上互补的高对比度光声与荧光双模态图像，有效克服了单一成像模态信息不足的缺点，可用于研究肿瘤生长过程中的肿瘤发生发展机理研究。
(2)本发明所述的成像系统在结构上，有机的将光声成像和荧光成像集成到一个
5系统，可同步进行光声和荧光成像，使用方便。 (3)本发明集光声成像和荧光成像于一体的关键部件是共同的扫描光路，有利于双模态成像的信息融合和图像重建定位。 (4)本发明成像系统的各组件的造价较低，所以整体装置的造价亦相对较低，没有特殊限制，应用广泛。
图1是本发明所述集成光声与荧光双模态的成像方法的框架图。 图2是本发明所述实现集成光声与荧光双模态的成像方法的成像系统的结构图。 图3是本发明所述扫描光路的结构图。 图4是实施例2利用图2所示成像系统得到的光声与荧光图像 (a)是单一的荧光图像； (b)是单一的光声图像； (c)是光声与荧光融合图像； (d)是实验样品照片。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 实施例1 图1为本发明所述集成光声与荧光双模态的成像方法的框架图。图2是实现图1所述成像方法的成像系统的结构图，由光声成像子系统、荧光成像子系统和计算机组成；光声成像子系统和荧光成像子系统通过扫描光路系统集成于一体，计算机分别与光声成像子系统、荧光成像子系统和扫描光路系统连接；计算机不仅控制扫描光路系统的扫描方式，也处理光声成像子系统和荧光成像子系统的数据，融合光声和荧光信息，重建出带有光声与荧光双模态的图像。 光声成像的过程为(如图2和图3所示)激光器1-1作为光声激发光源产生脉冲激光，45°反射镜反射后，垂直进入扫描光路3-2，聚焦到扫描区域4-3 ;脉冲激光激发产生光声信号，经声耦合液4-2，通过声探测器1-2接收，送入信号放大器1-3，放大的信号通过计算机5内部的高速信号采集卡实现A/D转换和数据采集，采集的信号储存到计算机缓存中等待图像重建软件进行图像重建。其中，激光器1-1选用Nd:YAG泵浦的0P0激光器(Vibrant 532 I， 0potek， Carlsbad, Calif.)，输出激光波长为532nm，690 960nm，脉宽为10ns，重复频率是10HZ。声探测器l-2为单元非聚焦超声探测器(Precision AcousticsLtd, Dorchester, UK)，阵元直径为lmm，灵敏度为850nv/Pa，频带宽度为200 15MHz。采集控制程序用LABVIEW软件实现，数字图形信号处理用MATLAB软件实现；成像中利用小角度滤波反投影得到光声二维图像。 荧光成像的过程为(如图2和图3所示)激光器2-1作为激发荧光的光源产生连续激光，通过激发光纤2-2进入扫描光路系统3-2，聚焦到扫描区域4-3，激发产生的荧光信号通过接收光纤2-3接收不同扫描位置的荧光信号，经过分光， 一部分进入雪崩光电二
6极管(APD)2-6，一部分荧光经过滤光片2-4滤光被光电倍增管(PMT)2-5接收，数据采集卡2-7采集数据后将信号送入计算机5缓存，数据采集卡可位于计算机外部，也可位于计算机的内部。由于APD与PMT接收的荧光信号来自同一激发源，利用两者的比例关系可对接收的荧光信号进行校正和归一化，以消除由激发光源抖动、探测器响应等带来的误差。
光声与荧光双模态成像集成的关键部件为共同的扫描光路。扫描光路示意图见图3。其中，控制3-l由计算机5通过LABVIEW控制软件控制扫描光路3-2的扫描方式，光声与荧光扫描方式相同。光声成像系统中脉冲激光由反射镜3-2-1反射进入光路，入射到二维震镜3-2-3，最后利用消色差透镜3-2-4聚焦于扫描区域4-3。荧光成像系统中连续激光经发射光纤2-2通过扩束镜3-2-6入射滤光镜3-2-2，最后利用消色差透镜3_2_4聚焦于扫描区域4-3。
实施例2 应用实施例1所述的成像系统进行模拟样品的光声与荧光双成像。
预先将1根模拟血管和YFP稳定高表达的肺腺癌细胞埋在一琼脂做成的组织模拟样品中(如图4(d)所示)。其中模拟血管为一玻璃管中装有老鼠的静脉血。实验中激光器l-l，输出脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率是10Hz，通过光路调整进入扫描光路系统3-2，聚焦到待测样品的扫描区域4-3 ;脉冲激光激发产生的光声信号通过经声耦合液(为水)4-2，通过声探测器1-2接收，送入信号放大器l-3，通过计算机5内部的高速信号采集卡采集，控制扫描光路对扫描区域进行扫描，对采集的信号利用MATLAB软件实现图像重建，可得到如图4(b)所示的光声图像。其中经声耦合液(为水)4-2盛在水槽4-l中，扫描区域4-3在待测样品上。图4(b)给出了样品图4(d)的横向层析图像，并且能够很好与样品照片吻合。可以看出本发明的方法和成像系统能够得到高分辨率和高对比度的光声横向层析图像。荧光成像时，激光器2-l，输出激发光波长为488nm，激发光通过激发光纤2-2进入扫描光路系统3-2，聚焦到扫描区域4-3，激发产生的荧光信号通过接收光纤2-3接收不同扫描位置的荧光信号。荧光经过滤光片2-4滤光得到530nm左右的荧光被光电倍增管(PMT)2-5接收，数据采集卡2-7采集数据后将信号送入计算机5缓存。同时，接收光纤2-3将采集的荧光信号经过1 %分光进入雪崩光电二极管(APD) 2-6用于对接收的荧光信号进行校正和归一化，可得到如图4(a)所示荧光图像。利用计算机5通过图像融合与重建软件可在同一图像中同时得到光声与荧光双模态的图像(如图4(c)所示)，从而得到组织信息更丰富，更全面。 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种集成光声与荧光双模态的成像方法，其特征在于包含以下步骤(1)通过扫描光路系统将脉冲激光聚焦到待测物体，得到激发产生的光声信号，再通过声探测器接收，送入信号放大器，采集放大的光声信号数据；(2)通过扫描光路系统将连续激光聚焦到待测物体，得到激发产生的荧光信号，接收光纤接收荧光信号，经滤光片滤光被光电倍增管接收，采集接收后的荧光信号；(3)通过数据处理软件将步骤(1)得到的放大的光声信号数据和步骤(2)得到的接收后的荧光信号进行融合与重建，得到光声与荧光双模态的图像。
2. 根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述脉冲激光的波长为400 2500nm。
3. 根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述的声探测器为单元非聚焦探测器，主频20KHz lOOMHz。
4. 根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述连续激光的波长为200 900nm。
5. 实现权利要求1 4任一项所述成像方法的成像系统，其特征在于所述成像系统由光声成像子系统、荧光成像子系统和计算机组成；光声成像子系统和荧光成像子系统通过扫描光路系统集成于一体，计算机分别与光声成像子系统、荧光成像子系统和扫描光路系统连接。
6. 根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于所述的光声成像子系统包含激光器、扫描光路系统、声探测器和信号放大器；激光器、扫描光路系统、声探测器和信号放大器依次连接。
7. 根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于所述的荧光成像子系统包含激光器、扫描光路系统、滤光片和光电倍增管；激光器和扫描光路系统通过激发光纤连接，扫描光路系统和滤光片通过接收光纤连接，滤光片与光电倍增管连接。
8. 根据权利要求6所述的成像系统，其特征在于所述的激发光纤由多路多模光纤构成；所述的接收光纤由多路多模光纤构成。
9. 根据权利要求6所述的成像系统，其特征在于所述的荧光成像子系统还含有雪崩光电二极管，雪崩光电二极管与扫描光路系统通过接收光纤连接。
10. 根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于所述的扫描光路系统含有控制及扫描光路，其中控制与计算机连接；扫描光路由如下部件组成反射镜、滤光镜、扩束镜、二维震镜扫描器和消色差透镜；各部件相互独立；涉及光声成像的部件有反射镜、二维震镜扫描器和消色差透镜，涉及荧光成像的部件有滤光镜、扩束镜、二维震镜扫描器和消色差透镜；反射镜、二维震镜扫描器和消色差透镜自上而下排列；以水平线为基准，反射镜呈45°设置，二维震镜扫描器中的震镜与反射镜呈平行关系，消色差透镜水平放置，扩束镜垂直位于二维震镜扫描器上方，滤光镜与扩束镜位于同一水平位置，呈45。设置，其中反射镜与滤光镜错位分布；所述的计算机含有高速数据采集卡、扫描光路控制软件和图像重建软件。
全文摘要
本发明公开了一种集成光声与荧光双模态的成像系统及成像方法。本发明利用光声成像和荧光成像在成像原理上的互补性，通过共同的扫描光路系统，有效地将光声成像和荧光成像集成于一体。实现本发明所述方法的装置由光声成像子系统、荧光成像子系统和计算机组成；光声成像子系统和荧光成像子系统通过扫描光路系统集成于一体，计算机分别与光声成像子系统、荧光成像子系统和扫描光路系统连接；计算机不仅控制扫描光路系统的扫描方式，也处理光声成像子系统和荧光成像子系统的数据，融合光声和荧光信息，重建出带有光声与荧光双模态的图像。本发明所述方法定位准确，分辨率高，所述成像系统造价较为低廉，易于推广。
文档编号A61B7/00GK101785662SQ20101011953
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者向良忠, 邢达 申请人:华南师范大学