一种广视角光学分子断层成像导航系统的制作方法

本实用新型涉及光学分子影像技术领域，尤其涉及一种广视角光学分子断层成像导航系统。

背景技术：

分子影像是21世纪最耀眼的科学与技术之一，它是指无损伤地在分子水平上探测生物体内分子，并给出体内分子分布信息的医学影像技术。并被实践证明是一种能够在体可视化分子、基因、细胞水平生物体生理病理变化的影像工具。作为其中一种重要的分子影像成像模态，光学分子影像凭借自身低成本、高通量、非侵入、非接触、非电离辐射、灵敏度高、特异性强等优势已经应用到了肿瘤的早期检测、药物的研发等领域。

光学分子影像技术相比于传统的影像技术，具有如下的优势：其一，光学分子影像技术可将基因表达、生物信号传递等复杂的过程变成直观的图像，使人们能更好地在分子水平上了解疾病的发生、发展机制及过程；其二，能够发现疾病早期的分子变异及病理改变过程；其三，可在活体上连续观察药物或基因治疗的机理和效果。通常，探测生物组织分子的方法分离体探测方法和在体探测方法两种，光学分子影像技术作为一种在体探测方法，其优势在于可以快速、远距离、无损伤地获得生物组织分子的图像。它可以揭示病变的早期分子生物学特征，从而为疾病的早期诊断和治疗提供可能，也为临床诊断引入了新的概念。

光学分子断层成像技术是一种光学分子影像技术，该技术利用光在生物组织中的传播原理建立数学模型，并反向求解，得到光在生物组织中的三维断层分布信息，为研究生物组织的生理病理现象提供了很好的技术支持。激发荧光断层成像技术是一种光学分子断层成像技术，它的原理可以描述为：首先向生物体内注射荧光分子探针，荧光分子探针在生物体内代谢会汇聚到病变组织处，然后通过生物体外的激发光源，照射生物体内的荧光探针基团，使其达到高能量状态，荧光基团吸收光能使得电子跃迁到了激发态，电子从激发态回到基态的过程中会释放出荧光，该荧光较激发光向红端移动，即发射的荧光的波长比激发荧光的波长要长，荧光在组织体内传播并有一部分达到体表，从体表发出的荧光被高灵敏度的探测器接收到，从而形成荧光图像。通常，荧光基团产生的荧光经过生物体内组织的吸收、散射后，到达表面的时候强度已经较弱，这时候，就需要利用高灵敏度的CCD相机捕获到达表面的荧光光子，然后通过计算机处理捕获的信号并进行成像。广视角光学分子断层成像导航技术一方面通过多光谱光学信号采集装置中的荧光CCD相机捕获从生物体表发出的荧光信息，获得荧光图像，再利用多光谱光学信号采集装置中的白光CCD相机捕获从生物组织表面发出的可见光信息，获得白光图像，并利用光在生物组织中的光学参数和传播原理，重建出成像目标生物体的三维解剖结构信息，并重建出生物组织中发光的荧光探针的具体位置和体积大小，这样，就重建除了生物组织中病变组织的大小和具体位置，为分析生物组织的生理病理现象提供了依据。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型根据光学分子影像技术的特点，并基于长期在光学分子影像技术领域的研究经验，提供了一种广视角光学分子断层成像导航系统及方法，采用系统支撑模块、同步触发模块、光学信号探测模块和数据处理模块等功能模块来实现广视角光学分子断层成像及导航的功能。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种广视角光学分子断层成像导航系统，该系统包括：

系统支撑模块101，用于对系统中使用到的设备提供支撑作用；

同步触发模块201，用于同步触发光学信号采集模块中CCD相机采集光学图像和滤光片转盘的转动；

光学信号探测模块401，用于探测成像区域中的光学信号；

数据处理模块501，用于对该系统进行参数设置和对所述光学图像数据进行处理与显示。

(三)有益效果

根据以上方案可以看出，本实用新型具有如下有益效果：

1.利用本实用新型，可以使用多台多光谱信号采集装置601和光源装置602，获取成像区域301中的多光谱信号，并利用数据处理模块501对采集到的广视角多光谱信号进行三维重建和显示，提供导航信息，有效解决了广视角光学分子断层成像导航问题。因此，系统功能齐全，而设备使用便捷。

2.利用本实用新型，通过数据处理模块501中的软件控制模块502能够便捷地控制光学信号探测模块401和同步触发模块201，使光学信号探测模块401采集多光谱荧光数据和白光数据。同时，通过数据处理模块501中的图像处理模块503对采集到的数据进行有效的处理，使最终得到的重建后的导航图像清晰且特征突出。功能显著，操作简单便捷。

3.利用本实用新型，通过系统支撑模块101的便捷设计，能方便升降、移动等操作。利用光学信号探测模块401的广视角多光谱成像，能够快速地获取成像区域各个角度的荧光图像和白光图像信息，快速重建出成像目标体表面轮廓信息和内部荧光光源的信息，能够探测到较深的荧光信息，能够最大程度低保留有用的光学信息。

4.通过本实用新型，由于在实验过程中需要进行避光处理，同时，通过在多光谱光信号采集装置601和光源装置602中放置滤光装置，使得照射到成像区域301的荧光信号和白光信号具有不同的光谱范围，同时，多光谱光信号采集装置601也能够把采集到的多光谱信号成功分离开来。由于光谱的分离，使得白光信号和荧光信号不会相互影响。解决了实际中面临的光谱混杂问题。

附图说明

图1是依照本实用新型中的一种广视角光学分子断层成像导航系统的结构示意图；

图2是依照本实用新型中的光学信号探测模块的结构示意图；

图3是依照本实用新型中的系统支架模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、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，对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是依照本实用新型实施的一种广视角光学分子断层成像导航系统结构示意图，如图1所示，该系统包括：

系统支撑模块(101)，用于对系统中使用到的设备提供支撑作用；

同步触发模块(201)，用于同步触发光学信号采集模块中CCD相机采集光学图像和滤光片转盘的转动；

光学信号探测模块(301)，用于探测成像区域中的光学信号；

数据处理模块(501)，用于对该系统进行必要的参数设置和对所述光学图像数据进行处理与显示。

其中，如图3所示，所述系统支撑模块(101)包括系统支架(102)、数据处理模块支架(103)、同步触发装置支架(104)、图像显示模块支架(105)、光学平台支架(106)；

其中：系统支架(102)，用于支撑起数据处理模块支架(103)、同步触发装置支架(104)、图像显示模块支架(105)、和光学平台支架(106)，并且保证系统支架自身可移动，系统支架(102)纵向可调节，调节后整体的高度范围是1米～2米；数据处理模块支架(103)用于支撑起数据处理模块(501)。同步触发装置支架(104)用于支撑同步触发模块(202)；图像显示模块支架(105)用于支撑图像显示模块(504)；光学平台支架(106)用于支撑光学信号探测模块(401)；阻力耦合在系统支架(102)上。

同步触发模块(201)包括同步触发装置(202)。同步触发装置(202)侧旁具有一个信号输入接口，通过数据线与数据处理模块(501)的软件控制模块(502)相连，接收软件控制模块(502)的输入信号；同时，其侧旁还有信号输出接口，分别通过数据线与光学信号探测模块(401)中的荧光光源(402)、白光光源(403)、荧光采集装置(404)、白光采集装置(405)相连，用于向荧光光源(402)、白光光源(403)、荧光采集装置(404)、白光采集装置输出同步触发信号。

如图2所示，光学信号探测模块(401)包括荧光光源(402)，白光光源(403)、荧光采集装置(404)、白光采集装置(405)、多个滤光片(406)、光学镜头(407)。荧光光源(402)用于提供激发荧光信号，荧光光源内部前方耦合有滤光片(406)，荧光光源(402)提供的激发荧光信号通过滤光片(406)后照射到成像区域(301)。白光光源(403)用于提供可见光信号，白光光源(403)内部前方耦合有滤光片(406)，白光光源(403)提供的可见光信号通过滤光片(406)后照射到成像区域(301)。白光光源(403)和荧光光源(402)统称为光源(602)，均匀分布在光学平台支架106上。所述光源602能够对成像区域(301)进行广视角照射。荧光采集装置(404)用于采集成像区域(301)中的荧光信号，荧光采集装置(404)内部前方具有滤光片(406)和光学镜头(407)。白光采集装置(405)用于采集成像区域(301)中的白光信号，白光采集装置(405)内部前方具有滤光片(406)和光学镜头(407)。荧光采集装置404和白光采集装置405统称为多光谱光信号采集装置(601)，各个多光谱光信号采集装置601均匀分布在光学平台支架106上。能够对成像区域(301)进行全视广视角光信号采集。

数据处理模块(501)包括软件控制模块(502)、图像处理模块(503)和图像显示模块(504)。软件控制模块(502)负责控制光学信号探测模块(401)中的荧光光源(402)、白光光源(403)、荧光采集装置(404)、白光采集装置(405)设备的开启与关闭、参数设置，以及控制它们与同步触发模块(201)的同步，使得荧光光源(402)、白光光源(403)、荧光采集装置(404)、白光采集装置(405)能够协同一致地有序工作。软件控制模块使光学信号采集模块(401)顺利完成对成像区域(301)中光学信号的广视角的同步数据采集。图像处理模块(503)将各个荧光采集装置(404)和白光采集装置(405)采集到的荧光图像和白光图像进行数据处理，主要分成两个方面，首先，将荧光图像进行特征提取，特征增强得到增强特定光谱信号的荧光图像，然后对增强的荧光图像进行伪彩色处理得到伪彩色荧光图像；并将白光图像进行亮度调节；然后将荧光图像和白光图像序列进行配准，最后，再将配准后的图像序列融合在一起，形成连续的荧光图像和白光图像的融合图像。其次，图像处理模块能够进行荧光光源三维重建，根据该系统位于各个角度的多光谱光信号采集装置采集到的成像区域(301)中成像目标的表面二维图像信息，结合多光谱光信号采集装置的各个角度信息，再利用特定的小鼠表面三维结构重建算法，重建出成像目标的三维解剖结构信息。同时，本实用新型提出的广视角光学分子断层成像导航系统能够进行广视角激发荧光断层成像光源重建。系统利用(1)重建得到的成像目标的三维解剖结构信息、(2)采集到的各个角度的多光谱荧光图像和(3)光在生物体表面传输的数学模型：光的扩散方程(diffusion equation)模型，(4)结合有限元处理方法和激发荧光断层成像技术，(5)就能够通过成像物体表面的荧光分布信息，逆向求导出出成像目标内部荧光光源的三维结构信息中的物理位置信息和光强信息，并显示在图像显示模块(504)上，利用重建结果为相关人员提供内部光源的三维导航信息。图像显示模块(503)将图像处理模块(503)处理后的数据实时显示在显示器上，供工作人员导航。本实用新型的系统结构设计，尤其是光源和采集装置的设计，和特定的图像序列处理方法保证了无须通过其它结构光学成像设备如CT等获取成像目标体的解剖结构信息，来完成三维荧光光源重建的过程。同时，为进行三维荧光光源重建，在采集多光谱数据的时候，也无须移动成像目标的位置。保证了导航信息高效，顺畅的获取。

本实用新型还提出了一种广视角光学分子断层成像导航方法，包括如下步骤：

步骤S1：通过系统支撑模块101将系统支架102和光学平台支架106调整到合适的高度。打开光学信号探测模块401中的荧光采集装置404和白光采集装置405，同时打开荧光光源402和白光光源403对成像区域301进行照射。

步骤S2：打开同步触发装置201中的同步触发装置202。打开数据处理模块501中的软件控制模块502，在软件控制模块502中设置同步触发装置202的同步触发频率，同时设置荧光采集装置404和白光采集装置405的曝光时间、帧速等参数，设置荧光光源402和白光光源403的光谱范围等参数，使光学信号探测模块401对成像区域301进行数据采集。打开图像处理模块503、图像显示模块504。

步骤S3：根据软件控制模块502设置的同步触发频率，同步触发装置202同步触发荧光光源402、白光光源403对成像区域301进行预定角度的广视角照射，同时同步触发荧光采集装置402和白光采集装置405对成像区域301进行广视角数据采集。荧光光源402和白光光源403统称为光源602，它们能够同步地对成像区域301进行180度广视角照射，而荧光采集装置404和白光采集装置405统称为多光谱光信号采集装置601，由多组分开的设备构成，能够对成像区域进行广视角数据采集。

步骤S4：荧光采集装置404和白光采集装置405将采集到的光信号通过数据线传输到数据处理模块501，数据处理模块501中的图像处理模块503处理传输过来的光信号数据，对荧光采集装置404和白光采集装置405中传输过来的光信号按成像角度和时间序列进行分组，将光信号转换为数字图像，得到一系列荧光图像和白光图像，并且对荧光图像作特征提取、特征增强得到增强特定光谱信号的荧光图像，然后对增强的荧光图像进行伪彩色处理得到伪彩色荧光图像。对白光图像进行亮度调整、特征提取等操作，然后将荧光图像和白光图像序列进行配准，最后，再将配准后的图像序列融合在一起，形成连续的荧光图像和白光图像的融合图像。。

步骤S5：接下来，进行三维重建，根据处理后的二维白光图像序列，和相应的角度信息和光谱信息，重建出成像目标体的表面的三维结构信息，从而得到成像目标体的表面结构。并根据荧光光谱和白光光谱的光学特性和参数，重建出成像目标的内部的光学参数信息。再者，根据激发荧光断层成像重建的技术原理，对成像目标体进行内部发光荧光光源的三维重建，重建出成像目标内部发光荧光光源在三维结构结构信息中的物理位置和荧光强度，并显示在图像显示模块504上，为相关人员提供内部光源的三维导航信息。

步骤S6：在数据显示模块504中，有多个选项，根据各个选项，可以显示荧光图像、显示荧光图像序列(荧光视频)，显示白光图像、显示白光图像序列(白光视频)，显示融合图、显示融合图像序列(融合图像视频)，显示重建的三维图像、显示重建的三维图像序列(动态三维图像)。使用人员可以在数据显示模块504中根据显示的三维断层图像数据导航信息进行特定的操作。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。