一种深部组织x射线激发多光谱断层成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多模态分子成像技术领域，尤其涉及一种深部组织X射线激发多光谱 断层成像的方法及系统。
【背景技术】
[0002] 光学分子成像技术能够在体、非接触、动态地对生物体内细胞分子水平的变化进 行观测，为生物医学研究领域若干重要问题的解决提供了有效技术手段。但光在生物组织 中的强散射特性极大限制了光学成像的穿透深度及成像分辨率，也限制了光学成像技术在 深部组织器官中的应用。
[0003] X射线发光断层成像（x-ray luminescence computed tomography,XLCT)是一种 新型的融合了 CT断层成像和光学分子影像的多模态分子成像技术，于2010年由斯坦福大学 的Xing Lei所在的研究小组最早提出。某些纳米发光材料在用X射线激发之后能够发出不 同波长的光，激发出的光穿过组织达到成像物体表面被高灵敏度的EMCCD(Electron Multiplying Charge Coupled Device)相机捕获，经过光学重建最终恢复出成像物体内部 的纳米发光材料分布。光学成像与X射线扫描得到的结构成像的融合，最终得到多模态成 像。
[0004] 虽然X射线良好的穿透性以及背景光学信号的消除使得X射线发光断层成像有望 实现活体小动物深部组织的断层成像，但是由于目前X射线激发光的发射谱段大部分在可 见光以及近红外谱段，穿透深度仍有限。目前XLCT相关专利有CNl 031 10425A，CN 103876770A，仍处于公布期，其专利主要针对XLCT的系统结构和成像模式，没有明确深部成 像所需材料、发光谱段和针对多光谱数据的分析方法，导致难以实现活体小动物深部组织 的成像。短波红外成像（short wavelength infrared imaging, SWIR)利用第二红外窗 (1000-2300nm)对组织进行成像，相较传统的可见光或近红外光，SWIR在组织中的光子吸 收、散射及自发光现象大大减少，从而在改进空间分辨率和成像质量的同时，能在生物组织 中穿透更深。同时，SWIR波段可有效避开生物组织自发光的影响，结合纳米发光材料的研 究，基于SWIR谱段的X射线激发发光成像可实现深部组织的断层成像。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种用于深部组织X射线激发多光谱断层成像的系统及方 法，旨在解决目前X射线激发光的发射谱段大部分在可见光以及近红外谱段，XLCT的成像深 度有限，重建结果准确性低，难以实现活体小动物深部组织的成像的问题。目前尚未见采用 具有更好穿透性的短波红外光XLCT成像相关专利，亦未见与之相配的能够被X射线激发的 纳米发光材料和针对深部组织成像的多光谱数据的分析方法。
[0006] 本发明实现一种深部组织X射线激发多光谱断层成像的系统，该系统包括1、X射线 源2、X射线平板探测器3、EMC⑶相机4、电控旋转台5、窄带滤波片6、计算机7、铅板8、 成像物体。窄带滤波片置于EMCCD相机的镜头前，二者位于X射线源，成像物体和X射线平板 探测器连线的垂直方向；X射线源、X射线平板探测器、EMCCD相机、电控旋转台均与计算机相 连，使用计算机控制其运行。
[0007] 进一步，所述X射线源用来发射X射线。
[0008] 进一步，所述X射线平板探测器用来接收探测X射线。
[0009] 进一步，所述EMC⑶相机，用来接收短波红外光及其它特定谱段光。
[0010] 进一步，所述电控旋转台，用来固定支持成像物体并进行旋转以采集多个角度下 的X射线投影数据和光学投影数据。
[0011] 进一步，所述窄带滤波片，用来滤除标示带宽之外谱段的光。
[0012]进一步，所述计算机，用来控制X射线源、X射线平板探测器、EMCCD相机、电控旋转 台的运行以及参数设置，控制光学数据和X射线投影数据的采集和重建，融合双模态的成 像。
[0013]进一步，所述铅板，用来滤除多余的X射线以减少射线对EMCCD芯片的损伤。
[0014] 本发明的另一目的在于提供一种深部组织X射线激发多光谱断层成像的方法，该 方法利用X射线激发注射到成像物体体内的特定纳米发光材料，这种材料在X射线激发下能 够发出短波红外和其他特定谱段的光;光穿过成像物体到达表面，经过窄带滤波片的过滤， 不同波长谱段的光被EMC⑶相机接收;在每个谱段下采用迭代重建算法对EMC⑶接收到的激 发光数据进行重建得到每个谱段下的成像和重建结果;采用多变量分析方法中的PCA分解 方法对多个谱段下的成像和重建结果进行处理分析，得到纳米发光材料在成像物体内的准 确分布，作为光学断层成像结果;穿过成像物体的X射线被X射线探测器接收保存为X射线投 影;通过经典的roK重建算法对X射线投影进行重建得到CT断层成像结果;对CT断层成像结 果与光学断层成像结果根据坐标关系进行配准并融合最终得到深部组织多模态的断层成 像图像，该用于深部组织X射线激发多光谱断层成像的方法包括以下步骤：
[0015] 步骤一，准备成像物体:将成像物体置于旋转台上，向成像物体内部加入X射线激 发的纳米发光材料。
[0016] 步骤二、激发光数据采集:利用X射线激发成像物体深部组织内的激发纳米发光材 料产生短波红外及其它特定谱段光，穿过组织的光学信号经过窄带滤波片的过滤被EMCCD 接收，每隔一定角度（如15度)采集一副激发光数据并保存，直至成像物体完成360度的旋 转；
[0017] 步骤三、白光数据采集:关闭X射线源，打开外界光源，取下窄带滤波片，每隔一定 角度(如5度)采集一幅成像物体的白光图像并保存，直至完成360度的旋转。
[0018] 步骤四、X射线投影数据的采集:打开X射线源发射X射线，利用X射线平板探测器采 集穿过成像物体的X射线，每隔一定角度(如1度)采集一幅投影数据并保存，直至成像物体 完成180度或360度的旋转。
[0019] 步骤五、光学三维断层重建:对步骤一获得的激发光图像进行预处理，采用二维滤 波器中的自适应中值滤波去除图像中的孤立亮点、坏点和部分噪点;每个谱段下处理图像， 利用步骤三中的白光数据构建物体轮廓并剖分，将各个角度下的光强映射到成像物体轮廓 表面，采用迭代重建算法得到该谱段下的断层重建结果。
[0020]步骤六、多光谱数据分析:对所有谱段下的激发光图像(步骤二)和重建结果(步骤 五)进行多变量分析，利用多光谱信息作为先验，获得短波红外谱段的更准确成像，从而得 到纳米发光材料在成像物体深部组织内的准确分布。
[0021] 步骤七、CT三维断层重建:对步骤四采集到的X射线投影数据进行预处理，包括坏 点校正，暗场校正以及亮场校正等，采用经典的Π )Κ重建算法对处理后投影数据进行重建， 得到小成像物体的三维结构成像。
[0022] 步骤八、双模态重建图像的配准融合:对步骤六和步骤七得到的短波红外光学断 层图像和CT断层图像根据坐标关系进行配准并融合，实现双模态成像。
[0023]进一步，所述步骤二根据本发明的特点和要求采用能够在X射线激发下发射短波 红外及其它特定谱段光并具有良好的生物兼容性的纳米发光材料(如稀土卤化物发光材料 LaBr3: Ce3+，NaYF4: Er，Yb等)通过静脉注射到成像物体体内。
[0024]进一步，所述步骤二关闭外界灯光光源，打开X射线源发射X射线；利用X射线激发 成像物体深部组织内的激发纳米发光材料产生短波红外光及其它特定谱段光，穿过组织的 光学信号经过窄带滤波片的过滤被EMCCD相机接收，形成激发光数据;计算机控制电控旋转 台每隔15度采集一副激发光数据并保存，直至成像物体完成360度的旋转，更换窄带滤波 片，重复上述步骤；
[0025] 进一步，所述步骤四打开X射线源发射X射线，利用X射线平板探测器采集穿过成像 物体的X射线，形成一幅投影数据并保存;计算机控制电控旋转台每隔1度采集一副X射线投 影数据并保存，直至成像物体完成360度的旋转。
[0026] 进一步，所述步骤五采用传输方程描述光子在生物组织中的传输过程。对于一个 谱段下的激发光数据，将每个角度下的激发光图像映射到物体表面，根据传输方程，利用有 限元方法建立表面节点上的光强与内部纳米发光材料分布的关系，采用迭代重建方法恢复 出内部纳米发光材料分布，完成一个谱段下的断层重建。
[0027] 进一步，所述步骤六对所有谱段下的激发光