头戴式分子影像导航系统的制作方法
【专利摘要】一种头戴式分子影像导航系统，包括：多光谱光源模块，用于向探测区域照射可见光和近红外光；信号采集模块，用于采集成像对象的近红外荧光图像和可见光图像；头戴式系统支撑模块，用于承载所述多光谱光源模块和所述信号采集模块，以调整所述多光谱光源模块对所述探测区域的照射；图像处理模块，用于对采集的近红外光图像和可见光图像进行图像融合，并输出融合图像。根据本发明实施例，有效实现了影像系统应用中设备的灵活使用，扩展了光学分子影像导航的应用空间。
【专利说明】头戴式分子影像导航系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种成像系统，特别是一种头戴式分子影像导航系统。
【背景技术】
[0002] 作为无创可视化成像技术的新方法和手段，分子影像在本质上反映了分子调控的 改变所引发的生物体生理分子水平变化和整体机能的变化。因此，在分子水平上在体（in vivo)研究基因、生物大分子和细胞的生命活动是一种重要技术，其中基于分子技术、断层 成像技术、光学成像技术、模拟方法学的在体生物光学成像技术的基础研究，已经成为分子 影像领域研究的热点和难点之一。
[0003] 分子影像设备将传统医学影像技术与现代分子生物学相结合，能够从细胞、分子 层面观测生理或病理变化，具有无创伤、实时、活体、高特异性、高灵敏度以及高分辨率显像 等优点。利用分子影像技术，一方面可极大加快药物的研制开发速度，缩短药物临床前研究 时间；提供更准确的诊断，使治疗方案最佳地匹配病人的基因图谱，帮助制药公司研发个性 化治疗的药物；另一方面，可以在生物医学领域进行应用，实现在体的定量分析、影像导航、 分子分型等目标。然而，利用这种方法的系统相对复杂，操作简易性及使用舒适性方面有待 进一步提商。
[0004] 因此本发明提出了一种头戴式分子影像导航系统，通过多光谱激发的方法检测分 子影像中的在体目标，增强应用的适用范围。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种头戴式分子影像导航系统，包括：
[0006] 多光谱光源模块，用于向探测区域照射可见光和近红外光；
[0007] 信号采集模块，用于采集成像对象的近红外荧光图像和可见光图像；
[0008] 头戴式系统支撑模块，用于承载所述多光谱光源模块和所述信号采集模块，以调 整所述多光谱光源模块对所述探测区域的照射；
[0009] 图像处理模块，用于对采集的近红外光图像和可见光图像进行图像融合，并输出 融合图像。
[0010] 本发明的实施例具有以下技术效果：
[0011] 1、通过头戴方式实现分子影像导航、分子成像，在实现功能的同时提高了便捷性。
[0012] 2、采用投影成像的方法可以引导操作人员对成像范围进行预判断，从而增加了人 机交互的功能。
[0013] 3、利用语音识别的功能可以方便操作人员在使用系统的过程中进一步解放双手， 从而更精确地控制头戴式分子影像导航系统。
[0014] 4、由于采用阈值分解的特征值提取方法，使得信背比明显提高，有助于操作人员 根据图像引导实时精准操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是根据本发明实施例的头戴式系统支撑模块的结构示意图；
[0016] 图2是依照本发明实施例的头戴式分子影像导航系统的方框图；
[0017] 图3是依照本发明实施例的头戴式分子影像导航系统的图像处理方法流程图。
【具体实施方式】
[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0019] 本发明实施例基于分子影像中的激发荧光成像，提供了一种头戴式分子影像导航 系统。
[0020] 图1是根据本发明实施例的头戴式系统支撑模块的结构示意图。图2是根据本 发明实施例的头戴式分子影像导航系统的方框图。如图2所示，该头戴式分子影像导航系 统可以包括多光谱光源模块110,用于提供多个不同谱段的光，以便照射受检对象；光学信 号采集模块120,用于实时采集受检对象的荧光激发图像和可见光图像；头戴式系统支撑 模块130,用于调整操作人员佩戴时的舒适性，并保证成像的安全有效进行；图像处理模块 140,用于进行图像分割、特征提取、图像配准等处理，实现可见光图像与荧光图像的融合并 输出融合图像。
[0021] 接下来将分别详细描述多光谱光源模块110、光学信号采集模块120、头戴式系统 支撑模块130和图像处理模块140的操作。
[0022] 多光谱光源模块110可以包括冷光源111、近红外激光器112及光源耦合器113。 冷光源111用于向受检对象发射可见光。冷光源111可以放置有第一带通滤光片，以便透 过波长为400_650nm的可见光。近红外激光器113配置为发射中心波长为例如785nm的近 红外光。可以通过光纤将激发光源引出。本领域技术人员已知的是，本发明实施例并不局 限于上述实现方式，还可以采用本领域公知的其他方式来发射可见光与近红外光。当激发 探测区域时，基于光谱分离方法，由单根光纤来同时实现冷光源111与近红外激光器112光 出射。具体地，将可见光源与近红外光源出射的光在出光口处耦合。在耦合处设置光源耦 合器113。光源耦合器113可以是发散镜头，将光源由直线点光源变成锥束光，这样可以扩 大照射面积，以实现激发光源对探测区域的均匀照射。例如，可以在近红外激光器112的出 光口处设置光学镜头，光学镜头与激光器输出端反向I禹合，实现光源较大发散角的输出。可 以采用机械固定的方法，将光纤的一端和光学镜头固定在一起，将光纤的另一端与头戴式 系统支撑模块130相连。
[0023] 光学信号采集模块120可以包括相机121、镜头122和坐标投影器123。相机121 配置用于采集近红外荧光信号和可见光信号。其中，在采集过程中冷光源对背景进行照明。 例如，可以如下设置近红外光信号采集所需的参考参数：在SOOnm处，量子效率高于30%， 中贞速大于30fps，像源（即，相机121的最小感光单元点imagesource)尺寸大于5微米。 优选地，在相机121与镜头122之间放置第二带通滤光片，以便透过波长为810-870nm的近 红外光。当相机121进行操作时，坐标投影器123可以向探测区域（图中未示出）投射出 一圆形轮廓，该轮廓为视野的最大范围，以便操作人员获得系统的探测区域，同时便于操作 人员获得多光谱光源模块110的激发范围。
[0024] 如图1所示，头戴式系统支撑模块130可以包括头戴式系统支架131。头戴式系统 支架131用于承载光源模块110和信号采集模块120。优选地，头戴式系统支撑模块130还 可以包括语音识别与控制模块132。语音识别控制模块132可以包括麦克风、语音识别单元 和控制单元（未示出），以便通过操作人员的语音来控制多光谱光源模块110、坐标投影器 123等模块的操作。可以使用本领域公知的语音识别技术来实现语音识别与控制模块132。
[0025] 将来自光学信号采集模块120的受检对象的可见光图像和近红外荧光图像分别 输入到图像处理模块140。图像处理模块140由后端计算机处理实现，采集及光源控制也可 以由后端实现手动控制。图像处理模块140首先对输入的近红外荧光图像进行预处理，以 便根据荧光特异性得到荧光图像的特性分布。预处理可以包括噪声去除、特征提取以及坏 点补偿等。当然，也可以对可见光图像进行本领域公知的预处理。可以利用阈值分割对输 入的近红外荧光图像进行特征提取。例如，对于近红外荧光图像中图像灰度值G/背景噪声 灰度值Gn高于1. 5的像素点，将该像素点的灰度值乘以2,对于G/Gn低于1. 5的像素点，将 该像素点的灰度值除以2。按照这种阈值分割方法能够强化特征点。对于灰度值大于预设 阈值的感兴趣区域，可以通过本领域公知的灰度图像至伪彩色图像调整算法，将这些感兴 趣区域转化成伪彩色图像，从而进一步标记出特征点及特征区域的位置，以便操作人员根 据图像来引导实施操作。图像处理模块140处理后的图像为融合图像，在通用计算机上具 有显示和投影接口，方便操作人员实现图像的输出显示。同时可以将视频信号反馈到头戴 系统上，通过放置镜前屏幕实现对融合图像的可视化。
[0026] 然后，利用得到的荧光图像光学特性分布，将荧光输入的可见光图像进行图像融 合，从而得到融合结果图像以便输出。具体地，荧光图像与可见光图像的图像融合包括利用 荧光图像光学特性分布将荧光图像与可见光图像进行配准。以下将详细描述该配准操作。
[0027] 荧光图像光学特性分布具有荧光特异性，而可见光图像是一种高分辨率结构图 像。根据本发明实施例的图像配准利用了上述特性。在进行配准时，可以采用形态学理论， 修正荧光图像光学特性分布的最小化能量函数式，使其形状接近成像组织。可以使用下式 (1)来进行配准。
[0028]
【权利要求】
1. 一种头戴式分子影像导航系统，包括： 多光谱光源模块，用于向探测区域照射可见光和近红外光； 信号采集模块，用于采集成像对象的近红外荧光图像和可见光图像； 头戴式系统支撑模块，用于承载所述多光谱光源模块和所述信号采集模块，以调整所 述多光谱光源模块对所述探测区域的照射范围； 图像处理模块，用于对采集的近红外光图像和可见光图像进行图像融合，并输出融合 图像。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述多光谱光源模块包括： 可见光源，用于向受检对象发射可见光； 近红外激光器，用于向受检对象发射近红外光；和 光源稱合器； 其中，所述光源耦合器耦合所述可见光和近红外光，并通过单根光纤将耦合光连接到 所述头戴式系统支撑模块。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中，所述头戴式系统支撑模块包括： 头戴式系统支架，用于承载所述多光谱光源模块和所述信号采集模块；以及 语音控制模块，用于控制多光谱光源模块的操作，以形成期望范围的探测区域。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述图像处理模块对采集的近红外荧光图像进 行特征提取，包括： 对于图像灰度值G/背景噪声灰度值Gn高于1. 5的像素点，将所述像素点的灰度值乘 以2 ;对于G/Gn低于1. 5的像素点，将所述像素点的灰度值除以2。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述图像处理模块对采集的近红外荧光图像和 可见光图像进行图像融合，包括通过以下最小化能量函数式获得所述近红外荧光图像的光 学特性分布： 式⑴中，d为离散Laplace算子,U为位置向量,选择η个表面点作为主要标记点,Pp ai分别为成像表面标记点，W1 = (PiIi)移动向量，通过最小化获得向量Up,则+ 为表面变形后的位置。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述图像处理模块对采集的近红外荧光图像和 可见光图像进行图像融合，包括通过下式所示的图像重合度作为配准效果评价标准： 2|/lr,5| I轉I 其中，A是可见光图像归一化灰度值矩阵，B是荧光图像归一化灰度值矩阵。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述图像处理模块通过点云配准来进一步对近 红外荧光图像和可见光图像进行图像融合。
8. -种应用于权利要求1所述头戴式分子影像导航系统的图像处理方法，包括： 对可见光图像序列和近红外荧光图像序列进行空间运动检测，以便滤除不匹配的微小 位移帧（301); 对经过空间运动检测的所述可见光图像序列进行下采样，得到图像金字塔（303); 采用梯度边缘检测方法，分别对得到的图像金字塔和近红外荧光图像序列进行边缘检 测，得到图像边缘（305); 对得到的图像边缘分别进行基于显著性的稀疏采样，从而分别得到采样输出（307); 以及 对得到的采样输出执行配准以便进行图像融合（308)。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述配准包括通过以下最小化能量函数式获得 所述近红外荧光图像的光学特性分布： ZT(U) = IlVZf+/4|nf 式⑴中，d为离散Laplace算子,U为位置向量,选择η个表面点作为主要标记点,Pi、 %分别为成像表面标记点，Wi = (Pi-ai)移动向量，通过最小化获得向量叫，则《\41 +心 为表面变形后的位置。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述配准包括通过下式所示的图像重合度作为 配准效果评价标准： 2|,4η5| Ml+1^1 其中，A是可见光图像归一化灰度值矩阵，B是近红外荧光图像归一化灰度值矩阵。
11. 根据权利要求9所述的方法，还包括使用点云配准来进一步对近红外荧光图像和 可见光图像进行图像配准。
12. 根据权利要求11所述的方法，还包括对点云配准的结果进行算法收敛性验证。
【文档编号】A61B5/00GK104305957SQ201410433156
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】田捷, 迟崇巍, 杨鑫 申请人:中国科学院自动化研究所