一种PET‑荧光双模态术中导航成像系统及其成像方法与流程

本发明涉及生物医学成像领域，具体涉及一种PET-荧光双模态术中导航成像系统及其成像方法。

背景技术：

目前，手术治疗是大部分肿瘤的主要治疗手段，大约90％的肿瘤使用手术作为诊断和分期的工具，病人的术后生存期和生存质量与手术切除彻底程度密切相关。早在2003年，美国哈佛医学院的John V.Frangioni教授便在J.Biomed.Opt上发表论文指出，在癌症手术中缺少适合外科医生的成像设备。直到目前，多数外科医生在术中仍旧只能通过肿瘤的外形、组织病理学特征和个人经验做出判断，无法对肿瘤的大小、边界和肿瘤是否彻底清除做出客观、准确的诊断。

2008年诺贝尔化学奖得主钱永健教授用荧光显微镜引导切除小鼠的肿瘤组织，提出了光学分子影像手术导航的概念,其相关研究发表在2010年的美国科学院院刊PNAS上。随着相关技术的进一步发展和完善，适用于临床的术中荧光成像系统被德国和荷兰的联合研究团队开发出来，并于2011年在荷兰首次应用在了卵巢癌病人的肿瘤切除手术中。中国科学院自动化研究所团队于2012年开始自主研发出术中光学分子影像手术导航系统。该系统可以高灵敏度和高精度地在术中探测肿瘤病灶的位置，客观勾勒肿瘤病灶的边界，并有效探测术中切除的肿瘤残余。2013年，John V.Frangioni教授与荷兰莱顿大学医疗中心外科医生Alexander L.Vahrmeijer教授联名在Nat.Rev.Clin.Oncol上撰文指出，近红外荧光成像技术可以为临床医生提供有效帮助。利用新型的术中荧光成像技术辅助肿瘤外科大夫进行肿瘤病灶的精准手术切除，成为术中肿瘤治疗的重要手段。

综上所述，荧光成像是一种有效的针对术中导航的影像手段。但是，单模态的荧光成像受限于组织对光子的强烈散射和吸收，组织深处的信号难以穿透至表面，因此对深处肿瘤的灵敏度低，仅能有效探测浅表处的肿瘤。同时能应用于手术的荧光物质难以进行化学修饰，存在靶向性较差的问题。探测成像深度浅和靶向性差成为限制荧光成像的重要因素。

目前，基于正电子发射型计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography，PET)的手术导航系统还处于研究中。多数PET手术导航的研究集中在如何将术前的PET图像和术中的电子计算机断层扫描CT图像进行快速融合，以实现PET/CT当场配准，但是这一技术受限于术中患者手术部分的位置变化，仅能在手术初期予以引导，无法在术中实时引导；此外，荷兰和瑞士的科学家利用伽马探测器对正电子(β+)核素进行计数测量，作为术中实时肿瘤切除的引导，但由于该技术对于肿瘤部位的定位较差，手术过程中对于医生的辅助作用有限，后续进一步的推广也受到了限制。

PET成像不受组织深度影响，且针对肿瘤有较好的靶向性，能有效的弥补荧光成像和患者自主手术切除肿瘤的局限性。PET-荧光双模态导航弥补了PET和荧光各自的成像缺陷，是一种有潜力的针对术中导航的影像学手段。

技术实现要素：

由于荧光成像灵敏度高、成像速度快，但成像深度浅，难以三维定位；而PET成像探测深度深、可以三维定位、对肿瘤组织的靶向性好，两者在技术上互补，本发明提出一种PET成像和荧光成像相结合的成像系统，用于肿瘤外科手术导航。

本发明的目的在于提供一种PET-荧光双模态导航成像系统。

本发明的PET-荧光双模态导航成像系统包括：PET成像装置、荧光成像装置、空间配准装置、机械控制架、成像床、计算机和显示装置；其中，成像样本放置在成像床上，成像床设置在机械控制架上；PET成像装置、荧光成像装置和空间配准装置分别安装在机械控制架上并对着成像样本；PET成像装置、荧光成像装置、空间配准装置、机械控制架和显示装置分别通过数据线连接至计算机；空间配准装置采用多个不同角度的相机，根据双目视觉原理，形成成像样本的三维表面轮廓图像；PET成像装置采集成像样本的内部结构的三维PET图像；根据事先标定好的空间配准装置与PET成像装置的空间配准关系，三维表面轮廓图像与三维PET图像进行图像配准融合，得到成像目标的包括表面轮廓和内部结构的三维融合图像；荧光成像装置实时地采集成像样本的二维荧光图像，并显示在显示装置上；三维融合图像沿着荧光成像装置的成像面的法向轴，向二维荧光图像上进行投影，在二维荧光图像上得到成像目标的深度信息；改变荧光成像装置的成像角度，实时地得到成像目标在不同角度下距离成像样本表面的深度信息。

机械控制架固定在地面上，为与之相连的PET成像装置、荧光成像装置、空间配准装置和成像床提供升降、旋转和平移等功能。机械控制架包括：固定架、PET连接臂、位移装置、荧光机械臂和定位相机安装架；其中，固定架固定在底面上；成像床通过位移装置安装在固定架上，位移装置连接至计算机，计算机通过位移装置控制成像床的升降和平移；PET成像装置通过PET连接臂安装在固定架上，PET连接臂连接至计算机，成像时PET连接臂以成像样本为中心轴进行面内旋转，成像结束后面外转动离开成像床；荧光成像装置通过荧光机械臂安装在固定架上，荧光机械臂连接至计算机，计算机通过荧光机械臂控制荧光成像装置实时地移动，并且实时地获得荧光成像装置的坐标系原点的位置以及成像面的法向轴的角度；空间配准装置通过定位相机安装架与固定架相对位置固定。

PET成像装置包括：PET探测器和数据采集系统；其中，至少一对PET探测器关于成像样本呈对称布置，PET探测器连接至数据采集系统，数据采集系统连接至计算机；PET探测器采集成像样本体内的伽马(gamma)光子信号，将光信号转化为电信号，并传输至数据采集系统，数据采集系统的数据通过数据线传到计算机集中处理；PET探测器的形状为平板结构或非规则平板结构，如：半圆型、弧形或L型等。

荧光成像装置包括：荧光信号采集相机、白光信号采集相机、照明光源、采集镜头、滤光片组、透镜组、分光装置和遮光箱；其中，荧光信号采集相机、白光信号采集相机、滤光片组、透镜组和分光装置设置在遮光箱内；遮光箱周围固定照明光源，提供荧光信号的激发光源；采集镜头设置在遮光箱外并位于滤光片组前，采集镜头对准成像样本，实时采集成像样本的数据，通过滤光片组和透镜组，去除信号噪声，并将信号传输到分光装置；荧光信号采集相机与白光信号采集相机垂直摆放，并对准分光装置；分光装置将光学信号分为两部分，一部分信号通过荧光滤光片，由荧光信号采集相机采集，获得荧光数据；另一部分信号通过白光滤光片，由白光信号采集相机采集，获得自然光数据；荧光数据和自然光数据通过数据线传到计算机进行融合，实时得到具有自然光背景的二维荧光图像。

空间配准装置包括多目不同角度的定位相机，多目不同角度的定位相机通过定位相机安装架与固定架相对位置固定；多目不同角度的定位相机采集成像样本多个不同方向的二维表面图像；采集的数据通过数据线传到计算机，利用双目视觉原理，重建得到成像样本的三维表面轮廓集。

本发明的另一个目的在于提供一种PET-荧光双模态导航成像方法。

本发明的PET-荧光双模态导航成像方法，包括以下步骤：

1)坐标系匹配：

将PET成像装置的坐标系与空间配准装置的坐标系进行匹配，二者确定下来，位置关系不变，得到标定好的空间配准装置与PET成像装置的空间配准关系；

2)空间配准装置采用多个不同角度的相机，根据双目视觉原理，形成成像样本的三维表面轮廓图像；同时，PET成像装置采集成像样本的内部结构的三维PET图像；

3)根据事先标定好的空间配准装置与PET成像装置的空间配准关系，三维表面轮廓图像与三维PET图像进行图像配准融合，得到成像目标的包括表面轮廓和内部结构的三维融合图像；

4)荧光成像装置实时地采集成像样本的二维荧光图像，并显示在显示装置上；并且，实时地得到荧光成像装置的坐标系相对于PET成像装置的坐标系的关系，以及荧光成像装置的成像面的法向轴在PET成像装置的坐标系下的角度；

5)三维融合图像沿着荧光成像装置的成像面的法向轴，向二维荧光图像上进行投影，在二维荧光图像上显示出得到成像目标的深度信息；改变荧光成像装置的成像角度，实时地得到成像目标在不同角度下距离成像样本表面的深度信息。

其中，在步骤2)中，多目不同角度的定位相机采集成像样本多个不同方向的二维表面图像；采集的数据通过数据线传到计算机，利用双目视觉原理，重建得到成像样本的三维表面轮廓集。至少一对PET探测器关于成像样本呈对称布置，PET探测器连接至数据采集系统，数据采集系统连接至计算机；PET探测器采集成像样本体内的伽马光子信号，将光信号转化为电信号，并传输至数据采集系统，数据采集系统的数据通过数据线传到计算机集中处理。

在步骤4)中，遮光箱周围固定照明光源，提供荧光信号的激发光源；采集镜头设置在遮光箱外并位于滤光片组前，采集镜头对准成像样本，实时采集成像样本的数据，通过滤光片组和透镜组，去除信号噪声，并将信号传输到分光装置；荧光信号采集相机与白光信号采集相机垂直摆放，并对准分光装置；分光装置将光学信号分为两部分，一部分信号通过荧光滤光片，由荧光信号采集相机采集，获得荧光数据；另一部分信号通过白光滤光片，由白光信号采集相机采集，获得自然光数据；荧光数据和自然光数据通过数据线传到计算机进行融合，实时得到具有自然光背景的二维荧光图像。

本发明的成像系统，应用到肿瘤切除手术中，成像样本为手术区域，成像目标为肿瘤；通过荧光成像得到二维荧光图像，针对手术区域浅表肿瘤实进行实时成像和显像，精确切除浅表的肿瘤组织；通过三维PET成像，针对手术区域深层肿瘤成像；空间配准装置形成三维表面轮廓图像，三维表面轮廓图像与三维PET图像进行图像配准融合，得到手术区域的包括表面轮廓和内部结构的三维融合图像；三维融合图像沿着荧光成像装置的成像面的法向轴，向二维荧光图像上进行投影，在二维荧光图像上实时显示出得到肿瘤在不同角度下距离手术区域表面的深度信息；引导患者下一步手术切除方向和深度。当组织被剖开后，深处的肿瘤被暴露于浅表，再次根据荧光的引导实现精准切除。如此循环，可以根据手术需求进行多次PET成像。这样，实现了术中双模态优势互补，帮助医生在手术中精确定位病灶、减少创伤面积、改善癌症手术的治疗效果。

本发明的优点：

(1)统一的机械控制系统控制PET成像装置和荧光成像装置，操作方便，自由度多，可以专门针对手术部位成像；

(2)PET成像装置采用适用于术中快速成像的平板探测器，根据病灶区域自由调整探测器空间位置；

(3)荧光成像对浅表肿瘤成像与定位，精确切除浅表肿瘤；

(4)PET成像针对深层肿瘤精确定位与成像，识别人眼无法分辨的深层肿瘤；

(5)基于空间配准装置，在计算机中融合三维PET图像和二维荧光图像，实现两种成像方式的互补，精准定位任意深度肿瘤；

(6)手术中结合三维融合图像与二维荧光图像的实时图像引导，为患者提供更准确的肿瘤位置信息，实现肿瘤R0切除。

附图说明

图1为本发明的PET-荧光双模态导航成像系统的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的PET-荧光双模态导航成像系统的一个实施例的PET成像装置的运动状态示意图，其中，(a)为成像中状态，(b)为外旋状态，(c)为手术中状态；

图3为本发明的PET-荧光双模态导航成像系统的一个实施例的PET成像装置的示意图；

图4为本发明的PET-荧光双模态导航成像系统的一个实施例的荧光成像装置的示意图；

图5为本发明的PET-荧光双模态导航成像系统的一个实施例的荧光成像装置的遮光箱内部的示意图；

图6为根据本发明的PET-荧光双模态导航成像方法的一个实施例中将PET成像装置的坐标系与空间配准装置的坐标系进行匹配的示意图，其中，(a)为特征配准点安置在成像床上的示意图，(b)为匹配用的三维PET图像，(c)为匹配用的空间配准装置的三维表面轮廓图像。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例的PET-荧光双模态导航成像系统包括：PET成像装置2、荧光成像装置3、空间配准装置4、机械控制架1、成像床5、计算机6和显示装置7；其中，成像样本放置在成像床5上，成像床安装在机械控制架1上；PET成像装置2、荧光成像装置3和空间配准装置4分别安装在机械控制架1上并对着成像样本；PET成像装置2、荧光成像装置3、空间配准装置4、机械控制架1和显示装置7分别通过数据线连接至计算机6。

如图1所示，机械控制架包括：固定架11、PET连接臂12、位移装置13、荧光机械臂14和定位相机安装架；其中，固定架11固定在底面上；成像床5通过位移装置13安装在固定架11上，位移装置11连接至计算机6，通过位移装置控制成像床的升降和平移；PET成像装置通过PET连接臂12安装在固定架11上，PET连接臂12连接至计算机6，成像时PET连接臂以成像样本为中心轴进行面内旋转，成像结束后面外转动离开成像床；荧光成像装置通过荧光机械臂14安装在固定架上，荧光机械臂14连接至计算机6。

如图2所示，PET成像装置2在PET成像过程中，相对的PET探测器21在PET连接臂12的控制下选择合适的成像部位和成像角度，如图2(a)和(b)所示，PET成像结束后，将PET成像装置2旋转离开手术部位，避免干扰患者进行手术。PET连接臂12采用C型臂。

本实施例中，PET-荧光双模态导航成像系统应用到手术中进行导航成像，过程分为以下四个步骤：

1)手术前将患者平置于检查床上，手术过程中遇到疑似微小病灶时，给患者注射放射性示踪剂和荧光显影剂；

2)待药物进入患者体内循环后，将PET连接臂转动至患者上方，如图2(a)和(b)所示，以患者平躺的方向作为中心轴开始放射性图像的旋转采集，采集轨迹可以为圆型，也可以为椭圆形，计算机对数据的实时处理，以患者为成像样本，对患者进行成像；

3)采集完成后，PET连接臂移开，在显示装置7的引导下，辅助医生发现目标器官深层的疑似病灶，指导医生切入器官的指定深度；

4)利用荧光信号采集相机对切开的组织进行实时现象，指导医生逐个切除微小病灶，进行淋巴结清扫，实现精准的肿瘤手术R0切除。

如图3所示，PET成像装置2包括：PET探测器21和数据采集系统22；其中，一对PET探测器21呈对称布置，PET探测器21连接至数据采集系统22，数据采集系统22连接至计算机6；PET探测器21的形状为非规则平板结构。

如图4和图5所示，荧光成像装置3包括：荧光信号采集相机34、白光信号采集相机35、照明光源33、采集镜头32、滤光片组36、透镜组37、分光装置38和遮光箱31；其中，荧光信号采集相机34、白光信号采集相机35、滤光片组36、透镜组37和分光装置38设置在遮光箱31内；遮光箱31周围固定照明光源33，提供荧光信号的激发光源，采集镜头32实时采集成像样本的数据，通过滤光片组36和透镜组37，去除信号噪声，并将信号传输到分光装置38；荧光信号采集相机34与白光信号采集相机35垂直摆放，并对准分光装置38，分光装置38采用折射镜；分光装置38将光学信号分为两部分，一部分信号通过荧光滤光片，由荧光信号采集相机34采集，获得荧光数据；另一部分信号通过白光滤光片，由白光信号采集相机35采集，获得自然光数据；荧光数据和自然光数据通过数据线传到计算机6进行融合，实时得到具有自然光背景的二维荧光图像。

本实施例中，空间配准装置4通过定位相机安装架安装在PET探测器21，从而与固定架相对位置固定。空间配准装置包括2目不同角度的定位相机。

如图6所示，将PET成像装置的坐标系与空间配准装置的坐标系进行匹配，具有弱放射性的特征配准点51被安置在成像床5上，由于PET探测器21，与空间配准装置4的定位相机的分辨率不一致，配准过程中需要对图6(b)所示的三维PET图像和图6(c)所示的空间配准装置4的三维表面轮廓图像进行刚性变换，以达到双模态图像匹配融合，如果特征点在三维PET图像中的空间位置为x＝(x₁,x₂,x₃,x₄)，在三维表面轮廓图像中的空间位置为y＝(y₁,y₂,y₃,y₄)，通过刚体变换公式y＝Rx+T可以求解出旋转矩阵R与平移矩阵T，得到的R与T两个矩阵，可以使三维表面轮廓图像和PET图像达到配准融合。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。