一种多模态分子层析成像系统

摘要

本发明涉及一种多模态分子层析成像系统，其特征在于包括：向待扫描物体投射扫描光的X射线源、近红外激光光源和有限谱宽光源中的一种或多种光源，以及电动载物装置、成像装置和控制与处理装置；所述成像装置获取经扫描后的待扫描物体表面出射的X射线、可见光或近红外光的强度分布数据，输入所述控制与处理装置；所述控制与处理装置通过所述电动载物装置控制所述待扫描物体动作；所述控制与处理装置包括一层析成像模块，所述层析成像模块用于接收所述成像装置的数据，利用XCT和DOT模态重建物体外部边界和内部各组织边缘时的相似信息，融合重建出XCT、DOT、FMT和BLT各单模态或多模态融合后的层析图像，并输出。本发明适用于X射线及光学生物医学成像领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种分子层析成像系统，特别是关于一种多模态分子层析成像系统。

背景技术

目前运用计算机层析(CT，Computed Tomography)成像技术可实现对生物体的非侵入式三维成像，包括对生物体内部的结构层析成像和功能层析成像。其中，结构层析成像技术包括X射线层析成像(XCT)、核磁共振成像(MRI，nuclear magneticresonance imaging)、正电子发射断层成像(PET，Positron Emission Tomography)和单光子发射断层成像(SPECT，single photon emission computed tomography)等，现均已广泛应用于临床诊断，但上述各种成像技术都仅针对某一类生物体内部结构特征成像，并且大多系统造价昂贵。基于光学分子的功能层析成像技术包括扩散光学层析成像(DOT，Diffuse Optical Tomography)、激发荧光分子层析成像(FMT，FlorescenceMolecular Tomography)和自发荧光分子层析成像(BLT，Bioluminescence Tomography)等，它们仍处于理论发展的研究阶段，尚未获得令人满意的重建结果。

在一个成像系统中融合多种层析技术，不仅能提高各层析模态的重建速度和重建图像质量，还能极大地丰富最终重建图像的信息量，是当前生物医学成像领域的研究热点和发展方向。目前已提出的多模态融合成像系统，包括论文公开发表的实验系统和国际先进医疗影像公司研发的科研级产品设备，其中大部分仅是针对各模态投影(二维)图像的融合系统，而并不具备层析成像的功能。尽管也出现了针对XCT、FMT以及BLT模态下层析(三维)图像的融合系统，但是，该融合系统遵循的是先对各模态分别完成层析重建、再对各层析图像进行融合的思路，使得重建耗时较长并且重建图像质量受限于各个模态的重建图像质量，此外尚无包括DOT模态在内的层析图像融合。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种将XCT、DOT、BLT和FMT多种模态进行融合的多模态分子层析成像系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多模态分子层析成像系统，其特征在于包括：向待扫描物体投射扫描光的X射线源、近红外激光光源和有限谱宽光源中的一种或多种光源，以及电动载物装置、成像装置和控制与处理装置；所述成像装置获取经扫描后的待扫描物体表面出射的X射线、可见光或近红外光的强度分布数据，输入所述控制与处理装置；所述控制与处理装置通过所述电动载物装置控制所述待扫描物体动作；所述控制与处理装置包括一层析成像模块，所述层析成像模块用于接收所述成像装置的数据，利用XCT和DOT模态重建物体外部边界和内部各组织边缘时的相似信息，融合重建出XCT、DOT、FMT和BLT各单模态或多模态融合后的层析图像，并输出。

所述层析成像模块包括：一XCT与DOT交互重建模块，包括目标函数模型和迭代模块，用于接收所述成像装置输入的X射线强度分布和近红外光强度分布数据，并将各数据输入所述目标函数模型和迭代模块，融合重建出XCT和DOT模态下的层析图像；一几何模型生成模块，用于接收XCT模态下的层析图像，并将XCT模态下的层析图像转变为三维几何结构模型；一FMT重建模块，用于接收所述成像装置测得的待扫描物体表面受激出射的荧光强度分布、所述几何模型生成模块输出的三维几何结构模型以及所述XCT与DOT交互重建模块输出的DOT模态下的层析图像，并根据输入的各数据重建FMT模态下的层析图像；一BLT重建模块，用于接收所述成像装置测得的待扫描物体表面自发出射的荧光强度分布、所述几何模型生成模块输出的三维几何结构模型以及所述XCT与DOT交互重建模块输出的DOT模态下的层析图像，并根据输入的各数据重建BLT模态下的层析图像；一三维图像显示模块，用于接收由所述XCT与DOT交互重建模块输出的XCT和DOT模态下的层析图像、由所述BLT重建模块输出的BLT模态下的层析图像以及由所述FMT重建模块输出的FMT模态下的层析图像，并对各图像进行同尺度空间配准和图像融合，输出单模态图像或多模态融合的层析图像。

所述目标函数模型的表达形式为：

其中，

式中，和x_D(r)分别为r处待扫描物体的XCT和DOT模态下的层析图像，λ₁、λ₂、λ₃和λ₄分别为四个可调节系数，‖·‖_TV用于刻画x_D(r)、分布的分片光滑程度的全变差函数，I(·，·)是用来刻画x_D(r)、分布之间的相似性的相对熵函数，y_R(r)和y_D(r)分别为r处经X射线源和近红外光源分别扫描测得的物体表面出射的X射线和近红外光的光强分布，M_R(x_R(r))和M_D(x_D(r))分别表示通过模型计算得到的r处经X射线源和近红外光源分别扫描测得的物体表面出射的X射线和近红外光的光强分布。

所述迭代模块中预置有DOT和XCT模态的正问题模型M_D、M_R，迭代增量计算模块和差异阈值，用于构建XCT模态和DOT模态的交互式重建算法。

所述层析成像模块还包括：一XCT重建模块，用于接收所述成像装置测得的物体表面出射的X射线强度分布，重建出待扫描物体的XCT模态下的层析图像；一DOT重建模块，用于接收所述成像装置测得的物体表面出射的近红外光强分布，重建出待扫描物体的DOT模态下的层析图像。

所述电动载物装置包括一具有导轨的电控平移台，所述电控平移台通过一转接板连接两磁性表座；所述导轨上滑动连接一沿其做平移的转接支架，所述转接支架固连一探出所述电控平移台之外的窗口；所述窗口内的一侧固连有一电控旋转台，所述电控旋转台的载台上固设有第一套管支撑，该套管支撑与一装载待扫描物体用的载物套管固连；所述载物套管的另一端固连第二套管支撑，该第二套管支撑通过一轴固设在一从动轴承中；所述从动轴承的轴承座固设在所述窗口底部，并与所述电控旋转台的载台相对；所述电控平移台和电控旋转台均通过一二轴步进电机电连接所述控制与处理装置中的载物驱动模块。

所述控制与处理装置还包括一载物驱动模块，用于控制所述电控平移台和电控旋转台的运动轨迹和操作时间进行控制。

所述X射线源是能够产生呈圆锥体状X射线的光源。

所述近红外激光光源包括一台以上近红外激光器和一激光束准直投射器；每一所述近红外激光器输出的光分别经过一尾纤，再同时依次经一光纤合束器和一单模光纤跳线，进入一FC/PC接口；所述激光束准直投射器包括一准直所述FC/PC接口出射的近红外光用的准直镜，以及位于所述准直镜准直后的光路上的两个相对角度可调的反射镜。

所述有限谱宽光源包括一可见光谱段的光源，该光源产生的可见光经一中性滤光片光能衰减后，再依次通过一窄带滤光片和一会聚透镜组，会聚到由FC/PC接口固定的一光纤跳线的纤芯上。

所述成像装置包括一斜面与待扫描物体产生的光成45°角的反射棱镜，所述反射棱镜的反射光路上设置有一科学级CCD光电探测器；所述CCD光电探测器的入光口沿入射光路方向依次设置有滤光片、变焦-变光阑透镜组、机械快门和CCD芯片；所述CCD芯片电连接所述层析成像模块。

接近成像物面的截面处设置有一X射线-可见光转换磷屏。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明设置了向待扫描物体投射扫描光的X射线源、近红外激光光源和有限谱宽光源中的一种或多种光源，以及电动载物装置、成像装置和控制与处理装置，而且在控制与处理装置中设置了层析成像模块，因此层析成像模块利用接收成像装置的数据，利用XCT和DOT模态重建物体外部边界和内部各组织边缘时的相似信息，从而能够提供XCT、DOT、FMT和BLT各单模态或多模态融合后的层析图像。2、由于本发明在层析成像模块中预置有包括目标函数模型和迭代模块的XCT与DOT交互重建模块，目标函数模型和迭代模块可以对输入的X射线强度分布和近红外光强度分布数据，进行融合重建，输出XCT和DOT模态下的层析图像，再将XCT层析图像通过几何模型生成模块转变为三维几何结构模型，分别输入FMT重建模块和BLT重建模块，因此可以在较短的时间内重建出高质量的图像，而不再完全受限于某一个模态的重建结果好坏。3、由于本发明采用光源及探测器固定、物体运动的层析扫描模式，使得各成像模态的几何坐标保持一致，因此不涉及三维图像的空间配准问题。4、由于本发明的电动载物装置通过两磁性表座固定在实验台上，具有方便收取和携带的特点。本发明适用于X射线及光学生物医学成像领域。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图

图2是本发明中电载物装置的结构示意图

图3是本发明的控制与处理装置中的层析成像模块的结构方框图

图4本发明的层析成像模块中的XCT与DOT交互重建模块的工作流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括X射线源1、近红外激光光源2和有限谱宽光源3中的一种或多种，以及电动载物装置4、成像装置5和控制与处理装置6。在控制与处理装置6的控制下，电动载物装置4带动待扫描物体平移和/或以平移方向为轴进行360°旋转，X射线源1、近红外激光光源2和有限谱宽光源3中的一种或多种向待扫描物体投射扫描光。成像装置5对经光源扫描后的待扫描物体表面出射的光强分布进行测量和光电转换。控制与处理装置6获取光电转换后待扫描物体表面出射的光强分布，重建出XCT(X-Ray Computed Tomography，X射线层析)、DOT(Diffuse OpticalTomography，扩散光学层析)、FMT(Florescence Molecular Tomography，激发荧光层析)和BLT(Bioluminescence Tomography，自发荧光层析)各单模态或多模态融合后的层析图像。

本发明的X射线源1用于产生XCT模态下的层析图像，即待扫描物体各个组织对X射线的吸收系数分布。X射线源1产生的X射线呈一圆锥体状。在本实施例中，X射线源1的规格标准是：焦点尺寸50μm，射线发散角接近30°，工作电压可调且峰值50kV。

本发明的近红外激光光源2用于产生DOT模态下的层析图像，即待扫描物体各个组织对近红外光的吸收系数和散射系数分布。近红外激光光源2包括一台以上近红外激光器21和一激光束准直投射器22。在本实施例中，近红外激光光源2采用的是三台近红外激光器21，分别产生650nm、680nm和780nm波长的近红外光，这三台近红外激光器21可以根据需要来选择使用数量，而且近红外激光光源2采用的激光器数目还可以多于三台。每一近红外激光器21的输出功率可调，出光模式可选连续出光型或TTL信号调制出光型。每一近红外激光器21输出的光分别经过一尾纤23，再同时依次经一光纤合束器24和一单模光纤跳线25，进入一FC/PC接口26。激光束准直投射器22作用在于对激光束出射方向和发射角进行控制，其可以通过以下步骤来实现：

首先设置一准直镜221，使经FC/PC接口26出射的近红外光通过准直镜221准直，然后在准直后的光路上设置反射镜222和反射镜223，使激光束实现由上至下方向入射到待扫描物体的上表面。上述过程中，通过调节反射镜222与反射镜223之间的相对角度，可以改变激光束出射方向，进而实现对入射到待扫描物体表面的激光束的位置调节。通过将准直镜221沿光轴方向平移，可改变激光束发散角，进而实现对入射到待扫描物体表面的激光束的束斑半径调节。

本发明的有限谱宽光源3作为激发光光源，用于产生FMT模态下的光学系数分布，即待扫描物体内部的激发荧光产额分布。有限谱宽光源3包括一可见光(380nm～760nm)谱段的光源31，它可以采用发光二极管(LED)、卤素灯或氙灯。光源31产生的可见光经过一中性滤光片32进行当前模态指定衰减系数的光能衰减，之后通过一窄带滤光片33获取当前模态指定中心波长和带宽的光谱，然后再通过一会聚透镜组34会聚到由FC/PC接口35固定的一光纤跳线36的纤芯上。最终，经光纤跳线36传输一段距离进行光束整形后，从光纤跳线36的另一端输出，以对待扫描物体进行受激荧光的照射。

如图2所示，本发明的电动载物装置4包括一电控平移台41，电控平移台41通过一转接板42连接两磁性表座43。两磁性表座43通过磁力固定在金属实验台7的面上，非使用状态时可以将磁性表座43磁力取消，方便收取和携带。电控平移台41上具有一导轨411，导轨411上滑动连接一转接支架44，沿导轨411转接支架44可以做平移运动。本实施例中，电控平移台41可以采用日本Sigma公司型号为SGSP26-150X的精密电控平移台，行程150mm，分辨率2μm，定位精度和重复定位精度分别为15μm和6μm。

转接支架44固连一长方形的窗口45，窗口45探出电控平移台41之外。窗口45内的一侧固连有一电控旋转台46，电控旋转台46的载台(图中未示出)可以沿转接支架44的平移方向进行360°的旋转。载台上固设有第一套管支撑47，该套管支撑47与一载物套管48固连。载物套管48用于装载待扫描物体，位于光照面大于自身的截面位置，从而X射线源1和有限谱宽光源3能够最大范围地扫描载物套管48中的待扫描物体。载物套管48的另一端也固连有第二套管支撑49，由于载物套管48采用的是有机玻璃，因此载物套管48与第一、二套管支撑47、49连接时使用聚氟乙烯螺钉进行固定。第二套管支撑49通过一轴固设在一从动轴承410中。从动轴承410的轴承座412固设在窗口45的底部，并与电控旋转台46的载台相对。电控平移台41和电控旋转台46均电连接一二轴步进电机(图中未示出)，二轴步进电机电连接控制与处理装置6。电动载物装置工作时，由接收控制与处理装置6向二轴步进电机输出控制指令，再由二轴步进电机驱动电控平移台41和电控旋转台46实现步进运动。本实施例中，电控旋转台46可以采用日本Sigma公司型号为SGSP-60YAW的精密电控旋转台，分辨率0.0025度，重复定位精度为0.02度。

如图1所示，本发明的成像装置5获取经扫描后的待扫描物体表面出射的X射线、可见光或近红外光的强度分布数据，它包括一反射棱镜51，反射棱镜51的斜面与待扫描物体产生的光成45°角，反射棱镜51反射的光路上设置有一科学级CCD光电探测器52。CCD光电探测器52的入光口沿入射光路方向依次设置有滤光片53、变焦-变光阑透镜组54和机械快门55。其中，通过滤光片53可获取当前模态指定中心波长和带宽的光谱，通过变焦-变光阑透镜组54可分别实现对待扫描物体不同深度的定焦、调节成像面的视场和摄光量。CCD光电探测器52通过一CCD芯片521将位于该芯片处的光信号分布转换为电信号分布，经由内置的硬件处理为数字信号，最后输出至控制与处理装置6，其中探测面的光强分布即为待扫描物体的二维投影图像。由于CCD探测器52的光谱响应仅在可见光和近红外范围内，当进行XCT模态成像时，需在接近成像物面的截面处设置一X射线-可见光转换磷屏57，以使成像装置5也适用于X射线成像，X射线-可见光转换磷屏57为现有设备，在此不再详述。

本发明的控制与处理装置6包括一载物驱动模块61和一层析成像模块62。其中，载物驱动模块61是基于Excel和Visual Basic语言混合编程开发的一二轴步进操控软件(含操控界面)，它对电控平移台41和电控旋转台46的运动轨迹和操作时间进行控制，通过驱动待扫描物体平移和/或以平移方向为轴进行360°旋转实现对待扫描物体进行全角度、大行程扫描。

如图3所示，层析成像模块62用于接收成像装置5的数据，利用XCT和DOT模态重建物体外部边界和内部各组织边缘时的相似信息，融合重建出XCT、DOT、FMT和BLT各单模态或多模态融合后的层析图像，并输出。层析成像模块62也可以直接利用接收到的成像装置5的数据，分别重建XCT、DOT、FMT和BLT各模态下的层析图像并输出。层析成像模块62中预设置有一XCT与DOT交互重建模块621、一XCT重建模块622、一DOT重建模块623、一几何模型生成模块624、一FMT重建模块625、一BLT重建模块626和一三维图像显示模块627。

其中，层析成像模块62中的XCT与DOT交互重建模块621包括目标函数模型和迭代模块。XCT与DOT交互重建模块621用于接收成像装置5输入的经X射线源1和近红外激光光源2扫描测得的物体表面出射的X射线强度分布y_R(r)和近红外光强度分布y_D(r)，并将各数据输入目标函数模型和迭代模块，融合重建并输出X射线的吸收系数分布和近红外光的吸收、散射系数分布x_D(r)，即XCT和DOT模态下的层析图像。

迭代模块中预置有DOT和XCT模态的正问题模型M_D、M_R，迭代增量计算模块，以及相关的迭代内设参数，例如差异阈值等。其中：目标函数模型的表达形式为：

其中，

上式中，为r处待扫描物体对X射线的吸收系数分布，即XCT模态下的层析图像；x_D(r)为r处待扫描物体对近红外光的吸收和散射系数分布，即DOT模态下的层析图像；λ₁、λ₂、λ₃和λ₄分别为四个可调节系数，根据不同类型的被测物体进行优化取值；‖·‖_TV表示全变差函数，用来刻画x_D(r)、分布的分片光滑程度；I(·，·)是相对熵函数，用来刻画x_D(r)、分布之间的相似性；y_R(r)是r处经X射线源1扫描测得的物体表面出射的X射线强度分布；y_D(r)是r处经近红外光源5扫描测得的物体表面出射的光强分布；M_R(x_R(r))表示通过模型计算得到的r处经X射线源1扫描测得的物体表面出射的X射线强度分布；M_D(x_D(r))表示通过模型计算得到的r处经近红外光源5扫描测得的物体表面出射的光强分布。

在本实施例中，该极小化问题可以采用引入TV正则化后的梯度搜索算法求解。

如图4所示，XCT与DOT交互重建模块621的工作包括以下步骤：

1)给出一个待扫描物体针对X射线和近红外光初始的光学系数分布，即XCT模态和DOT模态下的层析图像，根据经X射线源1和近红外激光光源2扫描测得的物体表面出射的X射线强度分布y_R(r)和近红外光强分布y_D(r)，通过目标函数模型计算出首轮目标函数值。

2)通过迭代模块中的迭代增量计算模块，首先沿梯度方向分别更新待扫描物体针对X射线和近红外光的光学系数分布，即XCT模态和DOT模态下的层析图像，之后利用相对熵理论作为重建物体的外部边界和内部各组织边缘相似信息的判据，继续对上述光学系数分布进行交互式更新，得到下一轮迭代使用的光学系数分布。

3)通过正问题模型M_D和M_R，根据步骤2)获得的下一轮层析图像，计算出下一轮待扫描物体表面出射的光强分布期望值。

4)通过目标函数模型，根据步骤2)获得的下一轮光学系数分布和步骤3)获得的下一轮物体表面出射光强分布期望值以及测量值y_R(r)和y_D(r)，计算出下一轮目标函数值。

5)比较步骤4)获得的目标函数值同上一轮获得的目标函数之间的差异，判断是否下降且差异小于迭代模块中预置的差异阈值：若满足，则完成XCT和DOT模态的层析重建，输出步骤2)获得的两模态光学系数分布；若不满足，则返回步骤2)。

如图3所示，层析成像模块62中XCT重建模块622用于接收成像装置5测得的物体表面出射的X射线强度分布y_R(r)，并重建出待扫描物体对X射线的吸收系数的三维分布即XCT模态下的层析图像。

层析成像模块62中DOT重建模块623用于接收成像装置5测得的物体表面出射的近红外光强分布y_D(r)，重建出待扫描物体对近红外光的吸收和散射系数的三维分布x_D(r)，即DOT模态下的层析图像。

层析成像模块62中几何模型生成模块624是基于C++语言，并调用Qt、VTK、ITK等开源软件包以及tetgen、tetview等程序开发的操作界面，它具有图像分割、表面重建、三维网格生成等功能，可实现将XCT与DOT交互重建模块621或XCT重建模块622重建出的X射线吸收系数分布转变为三维几何结构模型，并提供给FMT重建模块625和BLT重建模块626。

层析成像模块62中FMT重建模块625用于接收成像装置5测得的待扫描物体表面受激出射的荧光强度分布y_F(r)。仅通过测得的待扫描物体表面受激出射的荧光强度分布y_F(r)重建待扫描物体内部激发荧光产额的三维分布，会造成重建图像分布的不唯一性以及重建图像的空间分辨率较低。为确保重建图像的唯一性和获得更高空间分辨率的重建图像，在进行FMT模态重建时，本发明采用结合测得的待扫描物体表面受激出射的荧光强度分布、由XCT模态重建而最终获得的三维几何结构模型以及由DOT模态重建获得的近红外光吸收、散射系数分布，重建待扫描物体内部激发荧光产额的三维分布，即FMT模态下的层析图像。

层析成像模块62中BLT重建模块626用于接收成像装置5测得的待扫描物体表面自发出射的荧光强度分布y_B(r)。仅通过测得的待扫描物体表面自发出射的荧光强度分布y_B(r)重建BLT模态下的自发荧光光源位置和强度分布，会造成重建光源位置和强度分布的不唯一性以及重建图像的空间分辨率较低。为确保重建光源位置和强度分布的唯一性和获得更高空间分辨率的重建图像，本发明采用结合测得的待扫描物体表面自发出射的荧光强度分布y_B(r)、由XCT模态重建而最终获得的三维几何结构模型以及由DOT模态重建获得的近红外光吸收、散射系数分布，重建BLT模态下的自发荧光光源位置和强度分布，即BLT模态下的层析图像。

层析成像模块62中三维图像显示模块627用于接收由XCT与DOT交互重建模块321重建出的X射线吸收系数分布和近红外光吸收和散射系数分布、由BLT重建模块325重建出的物体内部自发荧光光源位置和强度分布、由FMT重建模块324重建出的物体内部激发荧光产额分布，并对各图像进行同尺度空间配准和图像融合，最后根据用户要求输出单模态图像或多模态融合的层析图像。

本实施例中，XCT重建模块622、DOT重建模块623、BLT重建模块626和FMT重建模块625均为现有技术，在此不再详述。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。