专利名称：定量光学分子断层成像装置和重建方法
技术领域：
本发明涉及到光学成像技术领域，特别涉及到定量分子成像系统的构建和光源定
量重建方法。
背景技术：
近十年，生物发光成像(Bioluminescence imaging, BLI)技术得到了快速的发展，在生物研究中被广泛应用，取得了显著的科研成果。然而，生物发光成像技术只能生成 二维的平面像，不能直观地显示小动物体内光源所在的三维空间位置信息，在可视化效果 上有很大的局限性。在定量分析方面，生物发光成像只能进行相对的定量分析，不具有绝 对定量的意义，而断层的三维成像技术才具有绝对定量的意义，可以参见R. Weissleder and Μ. J. Pittet， “ Imaging in the era of molecular oncology, “ Nature 452，580-589 (2008). 2004年，美国爱荷华大学的王革教授提出了生物发光断层成像 (Bioluminescence tomography, BLT)理论和基于先验信息的重建唯一性理论，可以参见 G. Wang,Y. Li,and Μ. Jiang," Uniqueness theorems in bioluminescencetomography," Medical Physics 31，2289-2299 (2004).近几年，生物发光断层成像理论得到了较迅速的发 展和广泛的关注，但是在定量研究、尤其涉及到总能量定量和细胞数量的定量分析方面的 工作寥寥无几，是一个需要解决的难点问题；在定量的重建算法方面还基本停留在用聚乙 烯、聚丙烯和尼龙等仿体和纯算法的研究上，很少有将定量重建算法和成像系统紧密结合， 并得到鲁棒、准确定位和定量的重建算法。在定量的断层成像系统方面，美国爱荷华大学的王革教授的研究团队研发了世 界上首套原型系统，但是在定量分析方面仅仅得到一个固定不变的校准因子，可以参见 D. Kumar，W. Cong，F. Bohenkamp, Τ. Kakaday, P. Taft, L Wang, G. McLennan，Ε. Hoffman，and G. Wang, “ Development of lung tissue phantoms for bioluminescentimaging, “ in 2004)，687.在实际小动物成像中视场的变化会对光的强弱产生明显变化，这样的变化如果 不加以分析会对定量结果产生很大的影响，同时这种方法对于多幅图像的校准带来了很大 的不便。目前，国内外均未见文献和专利报道关于CCD相机镜头随视场变化而进入镜头不 同能量的研究报道。对于生物发光的断层重建方法，由于生物发光光源断层重建时只有融入先验信息 才能唯一确定光源的定量、定位信息，但是如何获取足够的先验信息仍然是个亟待解决的 问题。目前，公认有效的先验信息主要有重建目标区域的解剖结构、光学特性、生物发光光 源的光谱信息等。在重建上也通常可以根据重建目标表面的光强分布以及目标的组织结构 信息来粗略的划分出光源的可行区域来加强对光源的限制提高重建质量。但是目前的文献 中基于可行区域先验知识的光源重建，都是保持可行区域固定不变的。实际上根据表面光 强分布仅能得到非常粗糙的初始光源可行域，这种情况使得解趋向于不唯一性，而另外一 些报道则是很主观的选取了一个比较精确的可行区域来保证重建的唯一性，这在实际的小 动物体内光源重建中是很难实现的。在生物发光断层成像技术的现有文献中为了提高重建精度往往会对整体目标区域进行统一的网格细分，因而这种精度提高是以大量增加计算负 担为代价的，对此有文章提出了自适应的网格细分方法(参见Y. Lv, Τ. Jie, C. ffenxiang, W. Ge, L. Jie, Y. Wei, and L. Hui, " A multilevel adaptive finite element algorithm for bioluminescence tomography, " OpticsExpress 14 (2006) ·)在粗网格的基础上选择 性的细分网格从而在保持精度的同时能在一定程度降低计算复杂度。然而，这种细分仅仅 是几何上的细分，为保持整体网格的剖分质量仍需要对大量网格进行细分造成计算浪费也 限制了细分的程度。目前大多数文章报道都是通过添加Tikonov正则化项来降低重建问题 的病态性，文献 Y. Lu, X. Zhang, A. Douraghy, D. Stout, J. Tian, Τ. F. Chan, and Α. F. Chatziio annou," Sourcereconstruction for spectrally-resolved bioluminescence tomography with sparse a priori information，“ Opt Express 17，8062-8080 (2009)还根据光源的 稀疏特性可以用全变差正则化项来提高重建结果。然而在重建过程中这两种正则化项都是 唯一选择的，并没有根据重建的光源可行区域进行调整，对准确描述光源性质仍有一定的 限制性。迭代或者优化方法已被大量用来进行光源的重建，目前的算法都是基于数值离散 方法中的节点或者离散单元来进行搜索的，这种搜索方式极其灵活，但是同时也对噪声非 常敏感
发明内容
本发明的目的是针对上述现有生物发光的断层重建方法方面存在的问题，提供 一种具有更好定量效果的光学分子成像装置和相应的定量重建方法。在定量的重建方法中 提出一种全新的基于混合型自适应有限元网格细分策略并采用更加鲁棒的水平集方法来 进行生物发光断层成像的光源重建。有效的降低了光源重建的病态性，提高了重建精度和 速度。为实现上述目的，本发明提出的定量光学分子成像装置，包括生物发光断层成像 数据采集平台、MicroCT系统、定量校准系统和定量重建计算机，所述生物发光断层成像数 据采集平台由高灵敏度CCD相机、小动物支架和旋转平台构成。高灵敏度CCD相机用于捕 获小动物体内的生物发光光源溢出体表的分布情况，小动物支架固定小动物体在旋转过程 中体形不发生变化，小动物支架使用密度比较低的聚乙烯材料制作，避免对X射线产生强 的衰减。旋转平台用于旋转被测对象以通过CCD相机获得小动物体表不同视角的表面光源 分布信息；所述MicroCT系统由X光管和平板探测器组成，X射线发射器选用微焦斑(位于 光管X射线出光口的位置)大小为5微米至35微米、最大功率在30-100瓦；采用的平板探 测器的像素大小在10 μ mX 10 μ m至50 μ mX50 μ m像素大小之间，成像区域大小根掘小动 物尺寸大小来确定，一般采用5cmX5cm至15cmX15cm大小的探测器成像区域；MicroCT系 统采用锥束反投影算法实现三维断层重建，得到小动物体的三维解剖结构信息，这种三维 信息与小动物的实际尺寸相同；所述定量校准系统采用出光口光源均勻度大于98%的积 分球均勻光源系统，实现对生物发光断层成像数据采集平台的定量校准；定量重建计算机 实现光学和MicroCT数据的采集、控制以及光源的定量重建。本发明将MicroCT系统和CCD相机融合安装构成双模态系统，所述的双模态系统 为生物发光断层成像系统和MicroCT系统。生物发光断层成像数据采集平台的CCD相机安 装时要使主光轴与MicroCT系统的发射器发射X射线所形成的圆锥束的高相互垂直，利用生物发光断层成像数据采集平台的CCD相机拍摄的带有标记点的外形图上获得的两维坐 标加上在主光轴方向由成像公式计算的第三维坐标，根据图像缩小倍数将三维坐标还原到 物体的实际尺寸，和MicroCT的标记点的三维坐标匹配，将CXD采集的生物发光图像数据映 射到小动物的体表上，从而得到最后的配准和映射结果。
在小动物支架上设置4个直径为0. 5-1. Omm的球形标记点，以便在重建的MicroCT 三维数据上直接读出标记点的中心坐标。为实现定量、鲁棒和精确的光源重建算法，本发明在定量的重建方法中提出一种 全新的基于混合型自适应有限元网格细分策略并采用更加鲁棒的水平集方法来进行生物 发光断层成像的光源重建。混合型自适应有限元方法同时考虑了网格大小h和插值基函数 阶数P以及网格点的位置三者中两个或者两个以上因素对重建结果的影响，从而具有比传 统有限元方法以及h型自适应有限元方法更高的收敛速度。同时，水平集方法通过对搜索 目标采用数值形式表示方式的使用可以增加重建结果的稳定性和鲁棒性。通过在每一级网 格上选取新的最优可行区，并采用自适应P细分、自适应h细分等网格策略的组合对新可行 区中的四面体单元进行细分或调整，这些措施有效的降低了光源重建的病态性，提高了重 建精度和速度。本发明提供了一种定量重建算法建立了视场函数对进入CCD相机的光进行 了定量；利用hp有限元网格细分策略对表面数据重建得到小动物体内的光源信息；通过小 动物体内携带光学探针的不同数量的细胞团进行光源重建得出总能量并进行了验证，包括 以下步骤步骤1 利用积分球均勻光源系统建立绝对辐照度与CCD相机所采集图像的图像 灰度的一一对应关系a)测定积分球均勻光源系统的最大噪声和CCD相机的灵敏度来确定校准系统线 性区，在线性区内采集数据并进行相机的校准，以保证校准的精度和可靠性；b)在校准系统线性区内调节积分球均勻光源系统使得进入的光在其出光口表面 的辐照度强度在线性区的最小和最大辐照度之间等间距变化η次，η的取值不小于10，积分 球均勻光源系统读出的η次变化的每一个辐照度值和CCD相机捕获的图像灰度均值都有唯 一的对应关系；c)校准时CCD相机所捕获图像的视野要在积分球均勻光源出光口圆面的范围内， 并保持出光口中心与CXD相机的主光轴重合；步骤2 双模态数据配准利用生物发光断层成像数据采集平台分别采集完全密闭的暗环境下多个视角小 动物体表的生物发光信号和小动物体的外形图像，同时获取了小动物支架上的标记点信 息，并可以读出标记点的坐标；采集MicroCT的图像，并进行MicroCT图像数据的三维重建， 同时可以在重建后的体数据上读出标记点的三维坐标；利用生物发光断层成像数据采集平 台的CCD相机拍摄的带有标记点的外形图上获得的两维坐标，以及在主光轴方向利用基本 成像原理l/u+1/v = Ι/f (其中u表示物距，ν表示像距、f表示焦距)可以得到外形图像的 第三维坐标，根据图像缩小倍数将三维坐标还原到物体的实际尺寸，和MicroCT的标记点 数据匹配，对MicroCT数据进行分割得到各个器官的解剖结构信息；步骤3 建立小动物体表光源的定量视场函数，对进入CCD相机的光进行定量由小动物一个视角表面光源分布的中心到CCD相机镜头前端面边缘所形成的圆周平面为底面，以表面光源分布的中心为球心，以该球心到CCD相机镜头边缘线段的长度 为半径在镜头上所截取的球冠为可视区域；建立由视场所决定的进入CCD相机镜头的能量 大小的视场函数 (1)式中，IV R分别表示用积分球均勻光源系统校准时出光口表面中心和测量时 小动物体表的光源分布中心到CCD相机镜头前端面边缘的距离，d0, d分别表示用积分球均 勻光源系统校准时出光口表面中心和测量时小动物体表的光源分布中心到CCD相机镜头 前端面中心的距离，E表示进入CCD相机镜头的单位能量，在生物发光断层成像系统中单位 能量用nW/mm2来表示；步骤4 小动物体内光源可行区的确定和初始网格剖分确定步骤2得到的解剖结构数据中的每个器官区域的光学参数，对求解区域进行 初始网格剖分，并获得表面节点的能量密度，根据表面能量分布，划定先验光源可行区；步骤5 基于hp混合有限元网格细分策略建立第k级网格上内部未知光源和表面 已知测量值之间的线性关系；ASk = Ok (2)其中Sk为第k级网格上的内部未知光源，Ok为第k级网格上的表面光强分布，A 为Sk和Ok的系数矩阵；步骤6 对第k级网格上的最优化目标函数求解 (3)式中ΦΓ是区域边界3Ω上光通量密度的测量值，Ak表示正则化参数，Ilk表示 惩罚函数；利用水平集方法求解该目标函数，得到第k级网格上的光源分布，L2(Q)下标含 义为求解域上的L2范数；步骤7 判断满足求解的精度条件 如果满足则停止，得到光源分布Sk，否则转步骤8，(4)式中Φ丨是计算值，Lfflax是最 大的网格细分次数；步骤8 确定第k+Ι级光源可行区及网格细分策略根据第k级网格上重建出的光源分布Sk确定第k+Ι级网格上新的光源可行区以 及网格细分策略；步骤9 转步骤5，缩小可行区，使k递增1，在第k+Ι级网格上进行光源重建，得到 光源重建的总能量。本发明的分子成像定量重建方法对小动物体内不同数量携带光学探针的细胞团 所产生的等效光源进行重建得到光源的总能量，以标定重建不同总能量与不同细胞数量的 关系，包含以下步骤步骤[1]对携带光学探针不同数量的细胞团进行光源重建，得出重建的总能量；步骤[2]对细胞的数量与细胞所产生的光能量重建得到的总能量进行线性拟 合，来标定重建光源的总能量与细胞数量的关系；每个细胞团中细胞数量的选择依据细胞团在小动物体内深度的不同和细胞携带光学探针发光强度的不同而有所差异，深度在Icm 以内时细胞团的数据通常在1 X IO4至1 X IO7的数量，每个数量的细胞团构建的光源模型数 量不少于5个，对同一数量细胞所重建的光源总能量进行统计分析，对结果取平均值，并分 析偏差；将不同细胞数量所构成的光源重建得到的总能量\与所对应的细胞数量cn进行线 性拟合Cn = a · wn+b (5)式(2)中，a和b为构成光源的细胞团的细胞数量Cn与其重建得到的总能量\的 线性拟合系数；步骤[3]对拟合的结果做数据准确性验证对已知相同细胞数量的5个细胞团进行光源重建，得到总能量并根据重建光源总 能量的平均值利用步骤[2]中所得到的拟合计算式(5)计算出细胞的总数量，比较计算结 果和已知结果的偏差，如果计算值在士5% )范围内则满足准确性要求，否则转到步骤 [2]重新对多组数量、同组多个的细胞团重建光源的总能量和细胞数量进行线性拟合。与现有技术相比较，本发明的有益效果在于本发明的定量光学分子断层成像装置在同一系统下构建了生物发光断层成像数 据采集平台、融合并配准的MicroCT系统以及对生物发光断层成像数据采集平台的定量 校准系统。这种双模态系统可以保证小动物在成像的过程中体形不发生变化，可以通过定 量校准系统实现总能量定量和活体小动物内的细胞数量定量(仅获取小动物体的中间信 息)ο对于定量光学分子成像重建方法本发明也具有明显的有益效果为了提高光源重 建的质量和降低光源重建的病态性，本发明提出了一种基于混合型自适应有限元方法和水 平集的光源重建算法。该方法有效降低了生物发光断层成像问题的病态性，提高了光源重 建的质量。通过混合自适应网格细分策略，在提高重建光源空间分辨率的同时，减少重建花 费的时间；后验的最优可行区选取策略进一步降低了光源重建的病态性，提高了重建的精 度。通过水平集函数来表示未知光源的分布，增强了光源重建的鲁棒性、稳定性和抗噪能 力。本发明的其它特点和优点可结合附图从下面通过举例对本发明的原理进行解释 的优选实施方式的描述中变得更加清楚。
图1定量光学分子断层成像装置的组成框2定量光学分子断层成像装置构成示意3定量光学分子断层成像重建方法流程4积分球均勻光源系统视场定量关系示意5A PC3前列腺癌细胞三维重建的总能量与细胞数量的关系图5B A549肺癌细胞三维重建的总能量与细胞数量的关系
具体实施例方式下面结合附图详细 说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解。图1是根据本发明中阐述的定量光学分子断层成像装置中的主要构成部分。 如图1所示，定量光学分子断层成像装置主要由生物发光断层成像数据采集平台 和MicroCT系统，定量校准系统以及定量重建计算机构成。其中生物发光断层成像数据采 集平台实现对小动物体内生物发光溢出在体表光源分布信息的数据采集；MicroCT系统实 现小动物体三维解剖结构的可视化，同时生物发光断层成像数据采集平台所采集的数据三 维重建后的光源与MicroCT系统所得到的小动物体三维解剖结构进行配准融合；定量校 准系统实现对生物发光断层成像数掘采集平台的定量校准；定量重建计算机实现光学和 MicroCT数据的采集、控制以及光源的定量重建。图2所示的定量光学分子断层成像装置构成示意图介绍了装置的构成和基本的 电气连接关系并说明了生物发光断层成像数据采集平台1、MicroCT系统2、定量校准系统 3以及定量重建计算机4的安装位置。其中生物发光断层成像数据采集平台1主要由CXD 相机11、CXD相机电源箱12，CXD相机11和CXD相机电源箱12之间由CXD电源电缆连接。 CXD数据电缆连接于CXD相机11和定量重建计算机4之间，电动平移及旋转台13、电动平 移及旋转台控制箱14、电动平移及旋转台13和电动平移及旋转台控制箱14之间由串口控 制电缆连接，电动平移及旋转台控制箱14和定量重建计算机4之间用USB控制电缆连接， 此外生物发光断层成像数据采集平台1还包括固定在旋转台上的小动物支架15。C⑶相机 11采用科学级高灵敏度相机，可以捕获生物体内微弱的生物发光信号，在450nm至SOOnm 的波长范围内量子效率高达75%以上。MicroCT系统2主要由35微米的微焦斑X射线发 射器21、发射器电源22、微焦斑X射线发射器21与发射器电源22之间由电源电缆连接， 在发射器电源22与定量重建计算机4之间由电源控制电缆连接，MicroCT系统2还包括接 收X射线的平板探测器23、该平板探测器23的像素大小为50 μ mX 50 μ m、成像区域尺寸为 12cmX 12cm,定量重建计算机4和平板探测器23之间用MicroCT数据电缆连接以传输采集 的数据，MicroCT系统2采用锥束反投影算法对扫描的物体重建，MicroCT系统2的空间分 辨率为65 μ m。定量校准系统3主要包括积分球均勻光源系统31，该系统溯源于美国国家 标准和技术研究院(National Institute for Standards andTechnology，NIST)标定过的 低光均勻光源系统，最终用于科学研究的结果可以在全球范围进行比较。在定量校准系统 3中还包含积分球均勻光源系统电源和控制箱32、连接于积分球均勻光源系统31和积分球 均勻光源系统电源和控制箱32之间的是电源电缆、连接于积分球均勻光源系统电源和控 制箱32与定量重建计算机4之间的控制电缆。定量重建计算机4实现对生物发光断层成 像数据采集平台1、MicroCT系统2以及定量校准系统3的控制和数据采集，主要对CXD相 机11的温度控制、数据采集控制，对电动平移及旋转台15的平移和旋转控制，对微焦斑X 射线发射器21的电压和电流的控制以及对积分球均勻光源系统31的控制。在定量光学分 子断层成像装置中，生物发光断层成像数据采集平台1的主光轴与MicroCT系统2中微焦 斑X射线发射器21微焦斑投射X射线所形成的圆锥束的高相互垂直，这样可以保证后续光 学数据和MicroCT数据配准的精度。图3是本发明的定量光学分子断层成像重建方法进行定量重建的流程图。其流程 步骤包括步骤301:定量重建开始
步骤302和303 对CXD相机校准和数据采集调整积分球均勻光源系统31的出光口平面到CCD相机11的镜头前端面的距离为54mm,以保证CCD相机11所捕获图像的区域完全在积分球均勻光源系统31的直径为IOcm 的出光口圆面范围内，并保持出光口中心与CCD相机的主光轴重合；来标定积分球均勻光 源系统31测得的辐照度值和所采集图像的平均像素灰度的一一对应关系。测定积分球均勻光源系统的最大噪声和CCD相机的灵敏度来确定校准系统线性 区，在生物体发光光源辐照度范围内，积分球设定20个不同的辐照度值，每个辐照度下采 集至少三个曝光时间的图像，三个曝光时间优先选择覆盖生物实验中的曝光时间范围，对 每个曝光时间下采集5幅图像；并采集相应曝光时间的CCD相机11的背景噪声图像。利用 这些图像标定辐照度和图像灰度的一一对应关系。建立小动物体表光源的定量视场函数，对进入CCD相机的光进行定量图4所示的是积分球均勻光源系统视场定量关系示意图，积分球均勻光源系统出 光口表面中心到CCD相机镜头前端面边缘的距离为R0,积分球均勻光源系统出光口表面中 心到CXD相机镜头前端面中心的距离为Cltl，这里Cltl为54mm ；视场函数由小动物表面光源分 布的中心到CCD相机镜头端面边缘所形成的圆周平面为底面，以表面光源分布的中心为球 心，以该球心到CCD相机镜头边缘线段的长度为半径在镜头上所截取的球冠为可视区域； 建立由视场所决定的进入CCD相机镜头的能量大小 式中，IVR分别表示用积分球均勻光源系统校准时和测量时出光口表面中心或小 动物体表的光源分布中心到CCD相机镜头前端面边缘的距离，d0, d分别表示用积分球均勻 光源系统校准时和测量时出光口表面中心或小动物体表的光源分布中心到CCD相机镜头 前端面中心的距离，E表示进入CCD相机镜头的单位能量，在生物发光断层成像系统中单位 能量一般用nW/mm2来表示。步骤304 双模态数据配准如前所述利用生物发光断层成像数据采集平台分别采集多个视角小动物体表的 生物发光信号和小动物体的外形图像，采集小动物的外形图像的同时获取了小动物支架上 的标记点信息，并可以读出标记点的坐标；采集MicroCT的图像，并进行MicroCT图像数据 的三维重建，同时可以在重建后的体数据上读出标记点的三维坐标；利用生物发光断层成 像数据采集平台1中的CXD主光轴方向的简化成像公式l/u+1/v = Ι/f (其中u表示物距， ν表示像距、f表示焦距)可以得到光学外形图像的第三维坐标，按照成像公式将光学的三 维坐标变换到小动物体表，并和MicroCT的标记点数据匹配，将光学CXD上的图像数据映射 到小动物的体表上；测量时小动物体表的光源到CCD相机镜头前端面边缘的距离为R，小动 物体表的光源到CCD相机镜头前端面中心的距离为d ；以校准时的视角能量为基准，可以通 过测量时的视场除以校准时的视场再乘以校准时的能量换算出测量时到达CCD相机的能 量值。步骤305和306 数据预处理和定量重建1、小动物体内光源可行区的确定和初始网格剖分对MicroCT重建的小动物体数据，依据多角度测量的生物发光数据来确定光源可行区并对小动物体数据体进行初始网格剖分。对MicroCT数据中分割得到的解剖结构数据中的每个器官区域确定光学参数，对 求解区域进行初始网格剖分，并获得表面节点的能量密度，根据表面能量分布，划定先验光 源可行区。2、基于hp混合有限元方法建立第k级网格上内部未知光源和表面已知测量值之 间的线性关系；用hp混合有限元方法建立第k级网格上内部未知光源和表面已知测量值之间的 线性关系ASk = Ok,其中Sk为第k级网格上的内部未知光源，叱为第k级网格上的表面 光强分布；3、对第k级网格上的最优化目标函数的计算式并进行求解
，式中是区域边界上光通量密度的测量值，人k表
示正则化参数，nk表示惩罚函数；利用水平集方法求解该目标函数，得到第k级网格上的 光源分布；4、判断是否满足求解的精度条件
如果满足则停止，得到光
源分布Sk，否则转到下一步(确定第k+1级光源可行区及网格细分策略)， 丨是计算值，L_ 是最大的网格细分次数；5、确定第k+1级光源可行区及网格细分策略，根据第k级网格上重建出的光源分 布Sk确定第k+1级网格上新的光源可行区以及网格细分策略。转前面的步骤，用hp混合有 限元方法在第k+1级网格上建立内部未知光源和表面已知测量值之间的线性关系ASk+1 = 。k+1在第k+1级网格上进行光源重建，对k级网格上光源的能量密度进行积分，得到光源重 建的总能量，单位用nW表示。步骤307:细胞数量标定对不同细胞数量的小动物肝部模型进行重建，得到相应重建的总能量。将不同细 胞数量所构成的光源重建得到的总能量wn与所对应的细胞数量Cn进行线性拟合得到cn = a wn+b，其中a和b为重建得到的总能量wn的线性拟合系数；从而通过光源重建的总能量 推算出小动物体内的细胞数量。图5A(b)中所示的是PC3前列腺癌细胞三维重建的总能量与细胞数量的关系，重 建的总能量与细胞的数据的拟合结果y = 44402X+19491，线性关系拟合的决定系数达到 0. 993 ；同样在图5B(b)中所示的A549肺癌细胞三维重建的总能量与细胞数量的关系也具 有很好的线性拟合效果y = 13170X+23571，线性关系的拟合决定系数为0. 986。在图5A(a) 和图5B(a)中同时给出了两种细胞在不同数量和总能量下三维重建的三维解剖和光源的 示意图；所采用的细胞是携带荧光素酶报告基因的，而荧光素酶在底物荧光素的催化情况 下可以发光。步骤308 判断精度是否满足要求对携带光学探针的不同数量的细胞团进行光源重建，得出重建的总能量，细胞团 中细胞数量的选择依据细胞团所在小动物体内深度的不同和细胞携带光学探针发光强度 的不同而有所差异，深度在1cm以内时细胞团的数据通常在1X104至1X107的数量，每个 数量的细胞团构建的光源模型数量不少于5个，对同一数量细胞所重建的光源总能量进行统计分析，其余结果取平均值，并分析偏差；对已知相同细胞数量的5个细胞团进行光源重 建，得到总能量并根据重建光源总能量和拟合出的计算式计算出细胞的总数量，比较计算 结果和已知结果％的偏差，如计算值在％ (1 士5% )范围内则满足准确性要求转到步骤309 结束，否则转到步骤303重新进行重新数据采集、配准、数据预处理、定量重建和细胞数量 的标定。步骤309:结束在生物细胞或分子定量的检测中，准确的活体小动物体(仅用于获取中间信息) 内的细胞数量是生物学研究迫切需要知道的重要信息。
权利要求
一种定量光学分子断层成像装置，其特征在于该装置由生物发光断层成像数据采集平台、MicroCT系统、定量校准系统和定量重建计算机构成，所述生物发光断层成像数据采集平台由高灵敏度CCD相机、小动物支架和旋转平台构成，高灵敏度CCD相机用于捕获小动物体内的生物发光光源溢出体表的分布情况，小动物支架固定小动物体在旋转过程中体形不发生变化，旋转平台用于旋转被测对象以通过CCD相机获得小动物体表不同视角的表面光源分布信息；所述MicroCT系统由X光管和平板探测器组成，通过锥束反投影算法实现多视角投影数据的断层重建，获得小动物体的三维解剖结构信息，这种三维信息与小动物的实际尺寸相同；所述定量校准系统为积分球均匀光源系统，实现对生物发光断层成像数据采集平台的定量校准；定量重建计算机实现光学和MicroCT数据的采集、控制以及光源的定量重建。
2.根据权利要求1所述的定量光学分子断层成像装置，其特征在于Micr0CT系统和 CCD相机融合安装构成双模态系统，其中，高灵敏度CCD相机的主光轴与MicroCT系统的发 射器投射的X射线的圆锥束的高相互垂直，在CCD相机上拍摄的小动物外形图像上读出的 平面坐标加上主光轴方向成像公式确定的第三维坐标，根据光学数据的缩小倍数变换到实 际尺寸，与MicroCT数据匹配后得到的配准结果，保证后续光学数据和MicroCT数据配准的 精度。
3.根据权利要求1所述的定量光学分子断层成像装置，其特征在于在小动物支架上 设置4个直径为0. 5-1. 0mm的球形标记点，以便在重建的MicroCT三维数据上直接读出标 记点的中心坐标。
4.一种光学分子成像定量重建方法，其特征在于该定量重建方法通过建立视场函数 对进入CCD相机的光进行定量；利用hp有限元网格细分策略对表面数据重建得到小动物体 内的光源总能量；通过对小动物体内不同数量携带光学探针的细胞团所产生的等效光源进 行重建得到光源的总能量，以标定重建不同总能量与不同细胞数量的关系，并进行验证。
5.根据权利要求4所述的分子成像定量重建方法，其特征在于利用hp有限元网格细 分策略对表面数据重建得到小动物体内的光源总能量的方法包含以下步骤步骤1 利用积分球均勻光源系统建立绝对辐照度与CCD相机所采集图像的图像灰度 的一一对应关系a)测定积分球均勻光源系统的最大噪声和CCD相机的灵敏度来确定校准系统线性区， 在线性区内采集数据并进行相机的校准，以保证校准的精度和可靠性；b)在校准系统线性区内调节积分球均勻光源系统使得在出光口表面的辐照度强度在 线性区的最小和最大辐照度之间等间距变化n次，n的取值不小于10，积分球均勻光源系统 读出的n次变化的每一个辐照度值和CCD相机捕获的图像灰度均值都有唯一的对应关系；c)校准时CCD相机所捕获图像的视野在积分球均勻光源系统出光口圆面的范围内，并 保持出光口中心位于(XD相机的主光轴上；步骤2 双模态数据配准a)利用生物发光断层成像数据采集平台分别采集完全密闭的暗环境下的多个视角小 动物体表的生物发光信号和光照情况下小动物体的外形图像，采集小动物的外形图像的同 时获取小动物支架上的标记点信息，读出标记点的坐标；b)采集MicroCT的图像，并进行MicroCT图像数据的三维重建，在重建后的数据上读出标记点的三维坐标；c)利用生物发光断层成像数据采集平台的CCD相机拍摄的带有标记点的外形图上获 得的两维坐标加上在主光轴方向由成像公式计算的第三维坐标，根据图像缩小倍数将三维 坐标还原到物体的实际尺寸，和MicroCT的标记点的三维坐标匹配，对MicroCT数据进行分 割得到各个器官的解剖结构信息；步骤3 建立小动物体表光源的定量视场函数，对进入CCD相机的光进行定量，由小动 物一个视角表面光源分布的中心到CCD相机镜头端面边缘所形成的圆周平面为底面，以表 面光源分布中心为球心，以该球心到CCD相机镜头边缘线段长度为半径，在镜头上截取球 冠为可视区域；建立由视场所决定的进入CCD相机镜头能量大小的视场函数 (1)式中，IVR分别表示用积分球均勻光源系统校准时出光口表面中心和测量时小动 物体表的光源分布中心到CCD相机镜头前端面边缘的距离，d0, d分别表示用积分球均勻光 源系统校准时出光口表面中心和测量时小动物体表的光源分布中心到CCD相机镜头前端 面中心的距离，E表示进入CCD相机镜头的单位能量；步骤4 小动物体内光源可行区的确定和初始网格剖分确定步骤2得到的解剖结构数据中的每个器官区域的光学参数，对求解区域进行初始 网格剖分，并获得表面节点的能量密度，根据表面能量分布，划定先验光源可行区；步骤5 基于hp混合有限元网格细分策略建立第k级网格上内部未知光源和表面已知 测量值之间的线性关系；步骤6 对第k级网格上的最优化目标求解；步骤7 确定满足求解的精度条件，如果满足则停止，得到光源分布，否则转到步骤8 ； 步骤8 确定第k+1级光源可行区及网格细分策略根据第k级网格上重建出的光源分布确定第k+1级网格上新的光源可行区以及网格细 分策略；步骤9:转步骤5，缩小可行区，使k递增1，在第k+1级网格上进行光源重建，得到光源重建的总能量。
6.根据权利要求4所述的分子成像定量重建方法，其特征在于对小动物体内携带光 学探针的不同数量的细胞团所产生的等效光源进行重建得到光源的总能量，以标定不同的 重建总能量与不同细胞数量的关系，包含以下步骤步骤[1]对携带光学探针的不同数量的细胞团进行光源重建，得出重建的总能量； 步骤[2]对细胞的数量与细胞所产生的光能量重建得到的总能量进行线性拟合，来 标定重建光源的总能量与细胞数量的关系；对同一数量细胞所重建的光源总能量进行统计 分析，对结果取平均值，并分析偏差；将不同细胞数量所构成的光源重建得到的总能量％与 所对应的细胞数量cn进行线性拟合 cn = a wn+b(2)式(2)中，a和b为构成光源的细胞团的细胞数量Cn与其重建得到的总能量\的线性 拟合系数；步骤[3]对拟合的结果做数据准确性验证对已知相同细胞数量的细胞团进行光源重建，得到总能量并根据重建光源总能量\的 平均值利用步骤[2]所得到的拟合计算式(2)算出细胞的总数量，比较计算结果和已知结 果％的偏差，如计算值在士5%)范围内则满足准确性要求，否则转到步骤[2]重新对 多组数量、同组多个的细胞团重建光源的总能量均值和细胞数量进行线性拟合。
全文摘要
本发明公开了一种定量光学分子断层成像装置和定量重建方法，该分子成像装置包括生物发光断层成像数据采集平台、MicroCT系统、定量校准系统和定量重建计算机，生物发光断层成像数据采集平台用于捕获小动物体内的生物发光光源溢出体表的分布情况，MicroCT系统用于获得小动物体的解剖结构信息，在定量重建方法中包括基于视场的接收光源的定量方法以及基于有限元细分网格的重建方法。利用本发明的光学定量分子断层成像装置和定量的重建方法可以通过二维的小动物体表的光源分布和定量能量信息反演出小动物体内的三维光源分布和细胞数量的定量信息。
文档编号A61B5/00GK101856220SQ20101017347
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者侯彦宾, 刘俊廷, 屈晓超, 李祥思, 梁继民, 田捷, 赵恒 , 陈多芳 申请人:西安电子科技大学