专利名称：多光谱荧光三维断层成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于分子影像技术领域，涉及突光分子断层成像(FluorescenceMolecular Tomography, FMT),尤其涉及基于多光谱突光图像且不使用多光谱分离过程(unmixing process)来进行三维断层成像(3D tomography)装置。
背景技术：
非入侵式的分子或细胞级的成像技术研究正对普通组织和疾病组织的生物学理解产生革命性影响，并在基因治疗、免疫学、药品研发以及癌症研究和治疗等领域起着非常重要的作用。其中，活体荧光成像技术是采用特定波长的激发光激发荧光分子产生荧光、并 通过图像重建提供目标的位置信息(例如深度信息)和对目标物进行成像，该成像技术正逐渐成熟并称为生物医学研究的关键技术。活体荧光成像技术领域首先发展了二维成像技术，在二维成像过程中，需要考虑生物体内不同光谱的多个荧光之间的串扰以及生物的体表(或者体内食物等)的自发荧光效应的影响。因此，在获得体内目标组织的二维荧光成像时，必须采用光谱分离处理(或者称为去混合处理)来去除该串扰和自发荧光效应的影响，从而获得每个荧光团(由对应注入体内的荧光试剂形成)的2D分离荧光图像。图I所示为使用光谱分离处理技术获得目标荧光的二维荧光成像过程。首先，如图I (a)所示，输入使用不同滤光片获得的图像，其中，五个图像是在不同波长的光源条件下获得。进一步，如图I (b)所示，基于光谱图，对某一像素点(图I中的示例像素点)，确定噪音荧光、皮毛荧光和目标荧光团分别对该像素点的强度贡献比例。进一步，如图I (C)所示，重复以上过程，对所有像素点进行重复处理。最后，如图I (d)所示，按照贡献比例得到分离的2D荧光图像(或称为2D分离荧光图像)，在该实例中，得到了噪音荧光的2D荧光图像、毛皮的2D荧光图像和目标荧光团的2D荧光图像。以上的2D突光成像也适用于多光谱的2D突光成像(multispectraltwo-dimension fluorescence imaging)。随着研究水平的提高，二维荧光成像已经不能满足科研、医疗的需要，因为所有的生命现象基本不是发生在二维水平。要获取完整丰富的生物学数据，必须在三维水平进行成像、观测及分析，因此，荧光分子断层成像被研究用来进行3D断层成像。在进行生物荧光的3D断层成像时，如果生物体内的荧光团为一个(单光谱)时，其可以直接基于单光谱荧光的3D光学断层成像计算分析得到3D荧光图像，但是，在荧光成像应用中，针对不同器官，通常注射不同的荧光剂，从而在生物体内形成多个不同光谱的荧光团。因此，进一步提出了多光谱荧光3D断层成像技术。美国专利申请号为US2008/0103390、名称为 “Apparatus and methods forfluorescence guided surgery”的专利中公开了基于光谱分离处理的2D突光图像实现多光谱荧光3D断层成像方法，其采用目标荧光团的分离处理后的2D荧光图像、再分别进行单光谱荧光的3D光学断层成像计算分析来进行3D荧光图像重建。但是，基于这种方法获得的3D荧光图像需要多次进行3D荧光图像重建计算，并且准确度和真实性较差，大大限制了多光谱荧光3D断层成像方法的应用。
实用新型内容本实用新型的目的是，提高多光谱荧光3D断层成像的准确度和/或真实性。为实现以上目的或者其他目的，本实用新型提供以下技术方案按照本公开的一方面，提供一种多光谱突光三维断层成像方法，在该方法中，从目标活体获取多光谱荧光图像，并且基于所述目标活体中同时使用的多种荧光试剂的原始荧光光谱，对所述多光谱荧光图像的数据进行多光谱荧光的三维光学断层成像计算分析处理，以重建三维荧光图像。按照一实施例的多光谱荧光三维断层成像方法，所述原始荧光光谱可以从相应所述荧光试剂的销售商获取，或者可以对荧光试剂置于荧光成像系统中实验测量得出。所述多光谱荧光图像包括多种荧光试剂和自发荧光体所发出的荧光信号。所述多种荧光试剂之间可以具有部分原始光谱交叠的特性。按照又一实施例的多光谱荧光三维断层成像方法，还包括归一化处理步骤将多光谱荧光图像中的每个像素的像素值转换为同一物理单位来表示。在之前所述任意实施例的多光谱荧光三维断层成像方法中，在所述归一化处理步骤之前，对获取所述多光谱荧光图像时所使用的滤光片进行激发光强度的测量。按照还一实施例的多光谱荧光三维断层成像方法，还包括补偿步骤对不同滤光片所产生的镜片扭曲进行补偿。在之前所述任意实施例的多光谱荧光三维断层成像方法中，所述原始荧光光谱根据所述目标活体中同时使用的荧光试剂对应选择得到。在之前所述任意实施例的多光谱荧光三维断层成像方法中，在多光谱荧光的三维光学断层成像计算分析处理中，计算所述光谱在光传播期间的变化。按照本公开的又一方面，提供一种多光谱荧光三维断层成像装置，其包括荧光成像系统，其用于从目标活体获取多光谱荧光图像；和数据分析处理装置；其中，所述多光谱荧光图像的数据和所述目标活体中同时使用的多种荧光试剂的原始荧光光谱输入至所述数据分析处理装置，所述数据分析处理装置用于基于所述原始荧光光谱对所述多光谱荧光图像的数据进行多光谱荧光的三维光学断层成像计算分析处理、以重建三维荧光图像。按照一实施例的多光谱荧光三维断层成像装置，其中，所述荧光成像系统还用于实验测量得出所述荧光试剂的原始荧光光谱。按照又一实施例的多光谱荧光三维断层成像装置，其中，所述荧光成像系统中设置有滤光片和校准模块，所述校准模块用于执行将多光谱荧光图像中的每个像素的像素值转换为同一物理单位来表示的归一化处理。在之前所述任意实施例的多光谱荧光三维断层成像装置中，所述校准模块用于对所述滤光片进行激发光强度的测量。按照还一实施例的多光谱荧光三维断层成像装置，其中，所述数据分析处理装置包括处理器，和存储器；其中，所述荧光成像系统获取的所述多光谱荧光图像的数据输入至所述处理器中以进行所述多光谱荧光的三维光学断层成像计算分析处理，所述原始荧光光谱存储至所述存储器。在之前所述任意实施例的多光谱荧光三维断层成像装置中，所述数据分析处理装置还包括显示和输入终端，其至少用于根据所述目标活体中同时使用的荧光试剂对应选择所述原始荧光光谱。本实用新型的技术效果是，该多光谱荧光3D断层成像方法及其成像装置中，避免使用用户定义的体表荧光光谱和分离处理过程，而是直接使用多光谱荧光图像数据和原始荧光光谱进行多光谱荧光的3D光学断层成像计算分析处理，最终获得的3D荧光图像准确性和真实性较好，并且用户在3D断层成像过程的操作简单。
从结合附图的以下详细说明中，将会使本实用新型的上述和其他目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。图I所示为使用光谱分离处理技术获得目标荧光的二维荧光成像过程。图2所示为按照本实用新型一实施例的多光谱荧光3D断层成像方法的基本流程示意图。图3所示为按照本实用新型一实施例的多光谱荧光3D断层成像装置的结构示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本实用新型的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本实用新型的基本了解，并不旨在确认本实用新型的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式
以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。申请人:研究发现，基于光谱分离处理的2D荧光图像实现多光谱荧光3D断层成像方法中，在进行单光谱荧光的3D光学断层成像计算处理之前，必须进行多光谱分离处理过程，而多光谱分离处理必须使用用户定义的体表荧光光谱。这是由于体内的多种荧光团分别对应的体表荧光光谱还依赖于体内组织(荧光团与预定体表之间的组织)的衰减/散射等因素，荧光光谱的变化与荧光团的体表深度关联紧密，并且必须考虑该体内组织的透光率等；为解决该问题，用户必须手动选择表现该荧光团的区域来相应获得用户定义的体表荧光光谱。这样，用户定义的体表荧光光谱的获得不但费时，并且不稳定易变，容易受用户的主观判断影响。基于该体表荧光光谱进行光谱分离处理时，通常难以获得准确可靠反映真实信息的2D荧光图像。进而，基于该2D荧光图像计算处理得到的3D荧光图像的准确性和
真实性较差。图2所示为按照本实用新型一实施例的多光谱荧光3D断层成像方法的基本流程示意图。图3所示为按照本实用新型一实施例的多光谱荧光3D断层成像装置的结构示意图。结合图2和图3所示，该多光谱荧光3D断层成像使用的多光谱荧光3D断层成像装置300基本地包括荧光成像系统310和数据分析处理装置330，该荧光成像系统310中使用的光源311 (其可以为发出不同波长的光的激光光源,在突光试剂为自发光体时，可以不设置光源311)、从不同角度照射目标活体(其可以为活体试验对象)，目标活体内的不同器官注射了不同种类的荧光试剂，从而在体内形成不同的荧光团，目标活体内的荧光试剂在光源311照射下发光，该发光经过该荧光成像系统中的滤光片313后，在其CXD图像传感器315获取荧光图像数据。CCD图像传感器315获取的荧光图像数据可以传输至数据分析处理装置330，在该实施例中，数据分析处理装置330包括处理器331、存储器332和显示和输入终端333。数据分析处理装置330用于处理该荧光图像数据，以获取多光谱荧光3D断层成像。图2所示的方法步骤，主要是通过该数据分析处理装置330完成。·如图2所示，步骤S110，获取多个荧光图像。在该步骤中，荧光图像存在两种情形，第一种情形是，目标活体内的不同位置(例如不同器官)获得不同的荧光试剂，例如，其可以在不同器官注射不同荧光试剂，也可以在同一位置不同试剂，不同试剂扩散到不同器官形成荧光团，该目标活体在荧光成像系统下获取不同角度、不同光源的多个多光谱荧光图像，该荧光图像数据输入至数据分析处理装置330 ;第二种情形是，仅向目标活体内注入一种荧光试剂，该目标活体在荧光成像系统下获取不同角度、不同光源的多个荧光图像，该荧光图像基本为单一光谱荧光图像，荧光图像数据输入至数据分析处理装置330。在第一种情形中，不同的荧光源(例如荧光试剂)之间具有部分原始光谱交叠的特性，多光谱荧光图像中可以包含荧光剂的发光信号、以及活体内的自发荧光信号(例如，毛皮、食物等发出的)。在该步骤中，还可以包括将对多光谱荧光图像中的每个像素进行归一化处理的过程。在归一化处理中，将每个像素的像素值(CCD传感器输出的像素值)转换为同一物理单位(例如，光强单位，W/cm2)来表示，以便于其后的3D光学断层成像计算分析处理。因此，在进行该标准处理时，必须对获取该多光谱荧光图像时所使用的滤光片313进行激发光强度的测量，相应地，荧光成像系统中设置有校准模块317，其用于执行以上归一化处理过程，并且能对滤光片313进行激发光强度的测量。更具体地，在该步骤中，可能需要使用不同的滤光片来获取不同的荧光图像，因此，可能存在镜片扭曲的情形，例如，色彩失真等。优选地，还可以包括补偿步骤，其用于对使用不同滤光片所产生的镜片扭曲，从而可以获得更好效果的荧光图像。在该实施例中，该补偿步骤的功能也可以通过荧光成像系统中设置的校准模块317完成。进一步，步骤S130，根据该荧光图像数据判断是否属于多光谱荧光图像。如果判断为是，进入步骤S170，如果判断为否，进入步骤S190。在执行步骤S170前，还必须完成步骤S150，提供原始荧光光谱。在该步骤中，根据以上向活体注射的荧光试剂的种类和数量，对每一种荧光试剂提供其原始荧光光谱。该原始荧光光谱可以从荧光试剂的销售商获取，也可以将该荧光剂直接置于荧光成像系统310中，通过对该荧光试剂进行实验测量获得其原始荧光光谱。需要理解是，“原始荧光光谱”是指每种荧光试剂在体外环境下获得的荧光光谱，其并不考虑体内肌肉组织等因素对光谱的影响，因此，其区别不同于“体表荧光光谱”。每种试剂的原始荧光光谱可以存储于3D断层成像装置的数据分析处理装置330的存储器332中，并且在每次多光谱荧光3D断层成像过程中，可以重复使用。因此，步骤S150与步骤SllO之间的先后顺序关系并不是限定的，可以根据具体情况来安排。进一步，步骤S170，根据荧光试剂对应选择荧光图像的原始荧光光谱。在该步骤中，多光谱荧光图像中，每种荧光图像根据其荧光试剂对应选择原始荧光光谱，从而实现二者的关联。该步骤可以在3D断层成像装置的数据分析处理装置330中完成，例如，用户通过显示和输入终端333中手动完成，该操作过程相对体表荧光光谱的手动选择区域过程相对容易且稳定，对用户的操作要求低。在该步骤中，如果用户不需要使用某些荧光图像，也可以对多个多光谱荧光图像进行选择，例如放弃某荧光图像用于3D成像。进一步，步骤S190，单/多光谱荧光的3D光学断层成像计算分析处理。按照步骤S130，对于单光谱荧光图像，可以采用单光谱荧光3D光学断层成像计算分析处理算法实现；对于多个多光谱荧光图像，采用多光谱荧光的3D光学断层成像计算分析处理来实现3D荧光图像的重建，体内荧光试剂至体表传播期间的相应光谱的变化通过该步骤S190实现；其中，作者为Abhijit J. Chaudhari、名称为“Hyperspectral and multispectral opticalbio luminescence and fluorescence tomography in small animal imaging” 的论文中，揭示了具体的多光谱荧光的3D光学断层成像计算分析处理方法，实现了 3种荧光试剂的多光谱3D重建；但是，在该论文中，计算分析处理的数据是人工的，仅揭示了 3D光学断层成像计算分析处理方法，并且没有揭示步骤S150和步骤S170。步骤S190主要地通过3D断层成像装置300的数据分析处理装置330的处理器331完成，多个多光谱荧光图像以及相应的原始光谱被输入至数据分析处理装置330，一次性地多光谱荧光的3D光学断层成像计算分析处理能够实现3D荧光图像重建，并最终将重建的3D荧光图像通过显示和输入终端333显示给用户。至此，实现3D断层成像过程。在该领域由多光谱2D荧光成像向多光谱3D断层成像的技术发展过程中，通常使用光谱分离处理并基于该分离处理得到的2D荧光图像进行单光谱荧光的3D光学断层成像计算处理得到3D断层成像；但是，在图2所示方法中，并不是采用光谱分离处过程，而是使用步骤SllO的原始输入的多光谱荧光图像数据，并对应原始荧光光谱，进行多光谱荧光的3D光学断层成像计算分析处理，进行3D荧光图像重建；一方面，使用的多光谱荧光图像数据保留了荧光相对体表的深度信息；另一方面，原始荧光光谱基本是标准的，避免了用户定义的体表荧光光谱的不稳定易变的缺点，使得最终获得的3D荧光图像准确性和真实性较好。并且，图2所示实施例的方法过程不需要用于定义荧光团的相应区域，在基于图3所示的装置进行3D断层成像时，操作简单。以上例子主要说明了本实用新型的多光谱荧光3D断层成像方法以及多光谱荧光3D断层成像装置。尽管只对其中一些本实用新型的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本实用新型可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本实用新型精神及范围的情况下，本实用新型可能涵盖各种的修改与替换。
权利要求1.ー种多光谱荧光三维断层成像装置，其特征在于，包括 荧光成像系统，其用于从目标活体获取多光谱荧光图像；和 数据分析处理装置； 其中，所述多光谱荧光图像的数据和所述目标活体中同时使用的多种荧光试剂的原始荧光光谱输入至所述数据分析处理装置，所述数据分析处理装置用于基于所述原始荧光光谱对所述多光谱荧光图像的数据进行多光谱荧光的三维光学断层成像计算分析处理、以重建三维荧光图像。
2.如权利要求I所述的多光谱荧光三维断层成像装置，其特征在于，所述荧光成像系统还用于实验測量得出所述荧光试剂的原始荧光光谱。
3.如权利要求I所述的多光谱荧光三维断层成像装置，其特征在于，所述荧光成像系统中设置有滤光片和校准模块，所述校准模块用于执行将多光谱荧光图像中的每个像素的像素值转换为同一物理単位来表示的归一化处理。
4.如权利要求3所述的多光谱荧光三维断层成像装置，其特征在于，所述校准模块用于对所述滤光片进行激发光強度的測量。
5.如权利要求I所述的多光谱荧光三维断层成像装置，其特征在于，所述数据分析处理装置包括 处理器，和 存储器； 其中，所述荧光成像系统获取的所述多光谱荧光图像的数据输入至所述处理器中以进行所述多光谱荧光的三维光学断层成像计算分析处理，所述原始荧光光谱存储至所述存储器。
6.如权利要求I或5所述的多光谱荧光三维断层成像装置，其特征在于，所述数据分析处理装置还包括 显示和输入终端，其至少用于根据所述目标活体中同时使用的荧光试剂对应选择所述原始荧光光谱。
专利摘要本实用新型提供一种多光谱荧光三维断层成像装置，属于分子影像技术领域。该装包括用于从目标活体获取多光谱荧光图像的荧光成像系统以及数据分析处理装置；其中，所述多光谱荧光图像的数据和所述目标活体中同时使用的多种荧光试剂的原始荧光光谱输入至所述数据分析处理装置，所述数据分析处理装置用于基于所述原始荧光光谱对所述多光谱荧光图像的数据进行多光谱荧光的三维光学断层成像计算分析处理、以重建三维荧光图像。该3D断层成像装置的3D荧光图像准确性和真实性较好，并且用户在3D断层成像过程的操作简单。
文档编号A61B5/00GK202568208SQ20122012477
公开日2012年12月5日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者Y.戈立克, 王芳林, 杨敏 申请人:锐珂(上海)医疗器材有限公司