多模成像系统的制作方法

本发明涉及医学影像技术领域，尤其涉及多模成像系统。

背景技术：

癌症是恶性肿瘤中最常见的一类，其是威胁人类健康的头号杀手。当前，全球癌症病例呈现迅猛增长态势，新增病例主要来自发展中国家。由于高死亡率、高致残率和医疗负担大等特点，恶性肿瘤在全世界已成为一个必须高度重视的公共卫生问题乃至社会问题。在癌症所导致的患者致死因素中，肿瘤转移是最重要的因素。

目前，对肿瘤转移的研究主要在以小鼠、大鼠为代表的小动物身上进行。在具体研究时，首先在小动物身上建立肿瘤疾病模型，然后研究其肿瘤转移的生理-病理学特性、研发新的癌症诊断技术、抗肿瘤药物及对药物进行疗效评价。在各种研究小动物的方法中，小动物全身活体成像技术可以对同一批小动物进行不同时间点的全身、长时间观测，大幅降低实验成本，并获取重复可靠的实验数据，同时借助高灵敏的分子探针在肿瘤转移早期即可进行有效观测，从而实现对肿瘤细胞的整个转移过程全程监测。所涉及的主要成像技术包括计算机断层成像(computedtomography，ct)、磁共振成像(magneticresonanceimaging，mri)和超声成像(ultrasound)等结构成像，以及光声成像(photoacousticimaging)、正电子发射断层成像(positronemissiontomography，pet)和单光子发射计算机断层成像(singlephotonemissioncomputedtomography，spect)等功能成像。然而，这些单模态成像技术所获取的信息存在一定的局限性，无法完全反映生物体的复杂特异性，导致对于肿瘤转移的研究不能提供全面准确的信息。

鉴于上述单模态成像技术的不足，现有技术提出了结合结构和功能信息的多模态影像技术，且多模态影像技术正越来越多的应用于小动物全身活体成像中，比如采用pet和ct相结合的多模态成像技术已经成为多模分子影像的临床参考标准，其在预测新辅助疗法和新靶向治疗的疗效方面已经展示了价值，近来被用来检测早期的肿瘤转移；又比如采用光学成像和pet相结合的多模态成像技术已被用来检测肿瘤转移过程中引发的淋巴管生成。

然而，现有技术中，小动物全身活体多模成像技术还存在一定的不足。例如，在pet-ct成像中，依靠从ct图像中得到的高能光子衰减系数图可提高pet的准确性和分辨率；但是，与pet或者spect相比，近红外光子相对于高能光子更容易受到组织光吸收系数的影响，因此在光学成像中利用衰减校正概念可以得到更好的成像效果。此外，在癌症治疗中，由于pet/spect的空间分辨率过低，很难精确描述药物的靶向和聚集情况，为了同时获取整体和局部的药物代谢情况，往往采用可以响应光学模态的双模探针进行药物的评估和分析。但光学成像技术会由于生物体的强烈散射作用，导致成像深度往往仅有1毫米左右，造成应用受限。另外，在可以提供高分辨结构成像的模态中，ct成像在显示解剖结构、形态和密度等方面具有优势，且成像速度快，还可以通过注射造影剂、采用能谱成像或者相衬成像来增强软组织对比度，但是过多的x射线辐射会改变小动物生理结构并影响对癌症发展转移过程和药物作用的正确判断。在应用活体成像技术对小动物进行长期纵向研究时，也必须保证小动物受到的辐射剂量尽可能低，以减轻其对小动物的生理影响。由此可见，现有的小动物活体全身多模成像技术在具体应用中仍普遍存在图像分辨率低、成像深度小、辐射剂量大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多模成像系统，其旨在解决现有小动物活体全身多模成像技术在具体应用中存在图像分辨率低、成像深度小、辐射剂量大的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：多模成像系统，包括显示器、多模成像设备和电性连接于所述显示器与所述多模成像设备之间的主机，所述主机内设有图像重建与处理子系统，所述多模成像设备内设有动物扫描控制子系统、静态计算机断层成像子系统和光声成像子系统，所述静态计算机断层成像子系统包括电子控制电路、用于产生静态计算机断层成像扫描所需x射线的多光束碳纳米x光源阵列、用于计算机断层成像投影数据采集与高速处理的光子计数探测器和用于为所述多光束碳纳米x光源阵列供电的供电电源，所述多光束碳纳米x光源阵列、所述光子计数探测器和所述供电电源都与所述电子控制电路电性连接。

可选地，所述多光束碳纳米x光源阵列包括多个阵列分布的碳纳米x光源，所述碳纳米x光源包括真空腔体、碳纳米场发射阴极、栅极、聚焦极和阳极，所述碳纳米场发射阴极、所述栅极、所述聚焦极和所述阳极都设于所述真空腔体内，所述阳极间隔倾斜设于所述碳纳米场发射阴极的上方，所述栅极与所述聚焦极都设于所述碳纳米场发射阴极和所述阳极之间，且所述栅极位于所述聚焦极与所述碳纳米场发射阴极之间，所述真空腔体设有位于所述阳极旁侧的x射线出射窗。

可选地，所述碳纳米场发射阴极包括衬底以及设于所述衬底表面的冷阴极材料层。

可选地，所述衬底为金属基板或者涂覆有金属涂层的硅片；且/或，

所述冷阴极材料层的材料为碳纳米管或者石墨烯及碳纳米管与石墨烯的混合物。

可选地，所述碳纳米x光源的数量为90-180个；且/或，

各所述碳纳米x光源呈圆环形阵列分布或者多边形阵列分布；且/或，

所述x射线出射窗为铝窗或者铍窗；且/或，

所述真空腔体的真空度为10^-6毫米汞柱～10^-11毫米汞柱；且/或，

所述栅极包括支架和设于所述支架上的栅网，所述栅网具有用于供电子透过的开口；且/或，

所述阳极相对水平面形成的倾斜角度为5°～15°；且/或，

所述碳纳米场发射阴极、所述栅极、所述聚焦极和所述阳极之间的相对距离通过绝缘垫片调节。

可选地，所述光声成像子系统包括用于提供光声成像所需激发光的光学分系统、用于对多路光声信号进行采集的声学分系统和用于调节所述激发光入射角度以保证光学信号与声学信号保持共面的光声共面调节分系统。

可选地，所述光学分系统包括激发光源、透镜组、光纤束和环状光碗，所述透镜组设于所述激发光源与所述光纤束之间，所述光纤束固定于所述环状光碗上且位于所述透镜组与所述环状光碗之间。

可选地，所述声学分系统包括用于对声学信号进行探测的高频超声换能器阵列和用于对所述高频超声换能器阵列之探测信号进行处理的多通道数据采集平台。

可选地，所述高频超声换能器阵列包括多个阵列分布的高频超声换能器，所述高频超声换能器为多层叠层结构，其包括由前至后依次层叠设置的声透镜、匹配层、压电复合材料层、绝缘背衬层。

可选地，所述动物扫描控制子系统包括用于对动物进行定位的定位结构以及用于驱动所述定位结构与所述定位结构上之所述动物沿竖直方向移动的机电控制平台；且/或，

所述图像重建与处理子系统包括承载有图像重建算法的图像重建模组、承载有图像校正与配准软件的图像校准模组、承载有多模态图像融合软件的图像融合模组、承载有信息提取与显示软件的信息输出模组。

本发明提供的多模成像系统，采用静态ct成像子系统与光声成像子系统相结合形成的多模成像技术，实现了小动物结构和功能信息的同步获取，且相对于现有的多模成像系统具有图像分辨率高、成像速度快、成像深度大、辐射剂量低、可长期监测的优势。具体地，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)采用多光束碳纳米x光源阵列的静态ct成像子系统，无需机械转动，只需在各个碳纳米x光源之间进行快速切换即可实现高速的ct扫描；且静态ct成像子系统克服了机械转速的限制，具有更高的成像速度，并且消除了运动造成的伪影，从而可获得更高的空间分辨率。此外，由于多光束碳纳米x光源阵列可以进行高速脉冲发射，故，大大降低了ct扫描过程中的无效辐射剂量，进而实现了超低辐射的效果。

(2)与光学成像技术不同，光声成像子技术的空间分辨率来自于超声信号，而生物组织的超声散射比光散射要弱两个量级，因此，本发明采用光声成像技术既具有高光学对比度，又具备超声对深组织高分辨成像的能力，同时加上分子探针还可具有高灵敏度、无放射性、高特异性的优势。

(3)静态ct成像技术与光声成像技术的融合具有优势互补、相互配合、互为对照的特点，一方面借助静态ct成像分辨率高、超低辐射的优点，很容易进行三维可视化来定位肿瘤组织，另一方面利用光声成像优良的软组织对比度和高灵敏度的优势，可以实现肿瘤转移的早期准确诊断以及药物代谢的精确描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的多模成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的碳纳米x光源的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的多模成像系统，包括显示器100、多模成像设备200和电性连接于显示器100与多模成像设备200之间的主机300，主机300内设有图像重建与处理子系统(图未示)，多模成像设备200内设有动物扫描控制子系统210、静态计算机断层成像子系统220(即静态ct成像子系统)和光声成像子系统230，静态计算机断层成像子系统220包括电子控制电路221、用于产生静态计算机断层成像扫描所需x射线500的多光束碳纳米x光源阵列222、用于计算机断层成像投影数据采集与高速处理的光子计数探测器223和用于为多光束碳纳米x光源阵列222供电的供电电源224，多光束碳纳米x光源阵列222、光子计数探测器223和供电电源224都与电子控制电路221电性连接。多模成像设备200主要用于对动物400进行扫描成像，主机300主要用于对多模成像设备200的信息进行处理，显示器100主要用于直观地输出主机300处理后的信息。其中，在多模成像设备200内，动物扫描控制子系统210主要用于承载动物400并搭载动物400进行移动，静态计算机断层成像子系统220主要用于对动物400进行结构成像，光声成像子系统230主要用于对动物400进行功能成像，

具体地，本发明实施例中，采用多光束碳纳米x光源阵列222的静态ct成像子系统，无需机械转动，只需在各个碳纳米x光源2220之间进行快速切换即可实现高速的ct扫描；且静态ct系统克服了机械转速的限制，具有更高的成像速度，并且消除了运动造成的伪影，从而可获得更高的空间分辨率。此外，由于多光束碳纳米x光源阵列222可以进行高速脉冲发射，故，大大降低了ct扫描过程中的无效辐射剂量，进而实现了超低辐射的效果。

另外，由于光声成像子技术的空间分辨率来自于超声信号，而生物组织的超声散射比光散射要弱两个量级，因此，本发明实施例采用光声成像技术既具有高光学对比度，又具备超声对深组织高分辨成像的能力，同时加上分子探针还可具有高灵敏度、无放射性、高特异性的优势。

由于光声和静态ct两个成像子系统的成像时间具有差异，故，在系统工作时，可通过静态计算机断层成像子系统220的时钟，精确控制光声子系统的触发信号，以使其依照静态计算机断层成像子系统220的采集时序，同步进行采集，从而可实现二者的同步成像。

本发明实施例提供的多模成像系统，采用静态ct成像技术与光声成像技术融合的方案，具有优势互补、相互配合、互为对照的特点，其中，一方面借助静态ct成像分辨率高、超低辐射的优点，很容易进行三维可视化来定位肿瘤组织，另一方面利用光声成像优良的软组织对比度和高灵敏度的优势，可以实现肿瘤转移的早期准确诊断以及药物代谢的精确描述。因此，本发明实施例提供的多模成像系统，采用静态计算机断层成像子系统220与光声成像子系统230相结合形成的多模成像技术，既实现了动物400结构和功能信息的同步获取，又具有图像分辨率高、成像速度快、成像深度大、辐射剂量低、可长期监测的优势。

优选地，多光束碳纳米x光源阵列222包括多个阵列分布的碳纳米x光源2220，碳纳米x光源2220包括真空腔体2221、碳纳米场发射阴极2222、栅极2223、聚焦极2224和阳极2225，碳纳米场发射阴极2222、栅极2223、聚焦极2224和阳极2225都设于真空腔体2221内，阳极2225间隔倾斜设于碳纳米场发射阴极2222的上方，栅极2223与聚焦极2224都设于碳纳米场发射阴极2222和阳极2225之间，且栅极2223位于聚焦极2224与碳纳米场发射阴极2222之间，真空腔体2221设有位于阳极2225旁侧的x射线出射窗2226。其中，多光束碳纳米x光源阵列222用于产生静态ct扫描所需的不同投射角度的x射线500，光子计数探测器223用于ct投影数据的采集和高速处理，供电电源224用于给多光束碳纳米x光源阵列222供电。碳纳米x光源2220具有电流稳定、耐高压特性好、焦斑小的特性，具体地，碳纳米x光源2220的管电流大于0.1毫安，管电压大于50千伏，焦点小于0.1毫米。

优选地，各碳纳米x光源2220呈圆环形阵列分布或者多边形阵列分布，碳纳米x光源2220的数量为90-180个，这样利于实现扫描角度的360°全覆盖。

优选地，x射线出射窗2226为铝窗或者铍窗。

优选地，真空腔体2221的真空度为10^-6毫米汞柱～10^-11毫米汞柱。

优选地，碳纳米场发射阴极2222包括衬底以及设于衬底表面的冷阴极材料层。冷阴极材料层可以通过电泳沉积法或者化学气相沉积法制备，其形状和尺寸可以通过光刻工艺进行精确控制；此外，冷阴极材料层的形状优选为椭圆形或者长方形，以获得各向尺寸一致的焦点。

优选地，衬底为金属基板或者涂覆有金属涂层的硅片；金属基板具体可以是不锈钢片或者铜片或者钛片或者钼片等，金属涂层具体可以是铜涂层或钛涂层或钼涂层或铁等。

优选地，冷阴极材料层的材料为碳纳米管或者石墨烯及碳纳米管与石墨烯的混合物。

优选地，碳纳米场发射阴极2222置于真空腔体2221的底座上。

优选地，栅极2223包括支架和设于支架上的栅网，栅网具有用于供电子透过的开口。栅极2223主要用于提供冷阴极材料层发射电子所需的电场。栅网上的开口，主要用于保证电子能够透过栅极2223到达阳极2225。栅网包括但不限于钨网或者钼网。

优选地，阳极2225相对水平面形成的倾斜角度a为5°～15°。阳极2225主要用于电子束的加速，以获得高能电子。阳极2225具有反射靶，反射靶主要用于反射电子轰击产生的x射线500。反射靶可以是钨靶或者钼靶等。

具体地，聚焦极2224主要用于聚焦电子束，以获得所需尺寸的焦点。聚焦极2224设有聚焦孔，聚焦孔可以是旋转对称的圆形孔，或者非旋转对称的椭圆孔或者长方形孔。

优选地，碳纳米场发射阴极2222、栅极2223、聚焦极2224和阳极2225之间的相对距离通过绝缘垫片(图未示)调节，这样，利于达到最佳的聚焦效果。

优选地，供电电源224包括两个中低压电源和一个高压电源。中低压电源分别连接于栅极2223和聚焦极2224，电压范围2kv-5kv；高压电源连接于阳极2225，电源范围为50kv-140kv。

具体地，光子计数探测器223具有高速数据采集、高空间分辨率和高能力分辨能力的特性，能够充分发挥碳纳米x光源阵列222高速脉冲曝光的优势。光子计数探测器223的形状为环形或者多边形，其x光子转换材料可以是碲化镉或者碲锌镉。光子计数探测器223竖直方向上的尺寸优选为大于0.5cm，像素优选小于100微米。

优选地，电子控制电路221包括脉冲驱动与时序控制电路、电流一致性控制电路以及并行曝光与数据采集控制电路。其中，脉冲驱动与时序控制电路用于实现碳纳米x光源2220的开关和曝光时间的调节，以及实现不同碳纳米x光源2220之间的快速切换。由于制备工艺的限制，故，阴极的场发射性能不可避免的存在差异，而电流一致性控制系统可通过精确调节各个碳纳米x光源2220的栅极2223电压来调制阴极的发射电流，从而可使得不同碳纳米x光源2220在工作过程中保持电流的一致性，进而可保证不同角度的曝光剂量相同。并行曝光与数据采集电路主要通过探测器开启时的触发信号触发碳纳米x光源2220的开启，从而实现碳纳米x光源2220曝光和探测器数据采集的同步进行。

优选地，脉冲驱动与时序控制电路包括驱动电路、控制电路和隔离保护电路。其中，驱动电路优选为基于igbt(insulatedgatebipolartransistor，即绝缘栅双极型晶体管)的驱动电路，其主要用于实现弱电信号对强电信号(千伏高压)的控制；控制电路优选为基于fpga(field－programmablegatearray，即现场可编程门阵列)的控制电路主要用于实现高时间精度的可编程信号的输出；隔离电路主要用于确保对控制系统进行有效的保护。

优选地，电流一致性控制电路包括栅极电流调节单元、栅极电流测量单元以及控制元件。

具体地，多模成像设备200还包括外壳240，动物扫描控制子系统210、静态计算机断层成像子系统220和光声成像子系统230都设于外壳240内。

优选地，光声成像子系统230包括用于提供光声成像所需激发光的光学分系统231、用于对多路光声信号进行采集的声学分系统232和用于调节激发光入射角度以保证光学信号与声学信号保持共面的光声共面调节分系统(图未示)。光学分系统231主要用于提供光声成像所需的激发光，其包括激发光源和多波长光学聚焦部件。声学分系统232主要用于对多路光声信号进行采集，其主要由高频超声换能器阵列2321及多通道数据采集平台2322组成。光声共面调节分系统主要用于自动调节激发光入射角度，以保证光/声始终保持共面。

在具体应用中，由于动物400躯体外周的非均匀性，故，在动物400的的整体扫描过程中，无法始终保持光声激发(光束切面)和光声探测(声束切面)的重合，从而造成信噪比的下降，极大的影响图像的重建质量。而本实施例中，光声共面调节分系统通过ct实时监测动物400外周的准确大小，计算出光照入射面的准确位置，进而控制光照入射角度，使其始终与超声探测位置共面，保证光声的高激发-探测效率。

优选地，光学分系统231包括激发光源、透镜组、光纤束和环状光碗，透镜组设于激发光源与光纤束之间，光纤束固定于环状光碗上且位于透镜组与环状光碗之间。透镜组、光纤束和环状光碗共同构成多波长光学聚焦部件。其中，光纤束主要用于对激发光的耦合传输；环状光碗主要用于固定光纤束。

优选地，激发光源为高能快速纳秒脉冲光参量振荡器；透镜组包括分光镜、平凸透镜、准直透镜和聚焦透镜。

优选地，声学分系统232包括用于对声学信号进行探测的高频超声换能器阵列2321和用于对高频超声换能器阵列2321之探测信号进行处理的多通道数据采集平台2322。高频超声换能器阵列2321主要用于对激发出的声学信号进行探测，其具体可为环形结构。多通道数据采集平台2322主要用于对探测信号的处理。多通道数据采集平台2322可对高频超声换能器阵列2321的每一阵元均对应单独的数据采集、放大、滤波等预处理通道，从而可实现数据的实时高速采集和预处理。

优选地，高频超声换能器阵列2321包括多个阵列分布的高频超声换能器，每个高频超声换能器对应为高频超声换能器阵列2321的一个阵元。高频超声换能器为多层叠层结构，其包括由前至后依次层叠设置的声透镜、匹配层、压电复合材料层、绝缘背衬层。

优选地，动物扫描控制子系统210包括用于对动物400进行定位的定位结构211以及用于驱动定位结构211与定位结构211上之动物400沿竖直方向移动的机电控制平台212。定位结构211主要用于对动物400进行精准固定，机电控制平台212主要用于控制实现动物400沿竖直方向移动的效果。

优选地，图像重建与处理子系统包括承载有图像重建算法的图像重建模组、承载有图像校正与配准软件的图像校准模组、承载有多模态图像融合软件的图像融合模组、承载有信息提取与显示软件的信息输出模组。图像重建模组具体承载有ct图像和光声图像的重建算法。

本发明实施例提供了一种具有高空间分辨率、大成像深度、极低副作用、可长期监测的动物400全身活体多模成像技术和系统。其中，经过试验证明，静态计算机断层成像子系统220具有成像速度快、空间分辨率高、超低辐射剂量的优点，而光声成像子系统230具有成像深度大、高灵敏度和特异性的特点，并且经过论证表明了静态计算机断层成像子系统220和光声成像子系统230的融合具有可行性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。