專利名稱：X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法
X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法技術領域
本發明屬于分子影像技術領域，涉及到成像系統的幾何校準和圖像處理，特別涉及到適用于復雜形狀對象的非接觸式X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法。
背景技術：
傳統的醫學成像技術如X射線計算機斷層成像(CT)、磁共振成像(MRI)和超聲成像等主要利用生物體本身的物理特性或生理參數作為成像源。這些物理量或生理量對于與疾病或生理功能相關的細胞或分子沒有特異性。而熒光分子斷層成像技術能夠對活體小動物體內的特異性熒光探針進行整體的三維、定量成像，具有非侵入、無電離輻射，低成本等優點。將X射線計算機斷層成像與熒光分子斷層成像技術相結合的X射線和熒光雙模式活體成像系統，可以在同一實驗平臺上獲得小動物的分子信息和結構信息，可能在疾病早期診療、藥物研發和基礎研究等方面發揮重要作用。近年來發展的非接觸式探測技術利用電荷耦合器件(CCD)相機作為探測器，大大提高了光子的空間采樣率；而適用于復雜形狀對象的非接觸式探測技術使成像過程中不需要擠壓對象或利用光學參數匹配液簡化邊界條件，大大簡化了實驗操作。
發展適用于復雜形狀對象的非接觸式X射線和熒光雙模式活體成像系統，必須獲得描述各部件相互空間關系的幾何參數集，并對來自于不同子系統的圖像進行精確的配準。目前已有多種校準方法可實現對熒光分子斷層成像子系統的探測器一 CCD相機的校準，如美國專利US7949150 Automatic camera calibration and geo-registration using objects that provide positional information, US6437823 Method and system for calibrating digital cameras，但都需要能夠提供多個標記點位置信息的特殊校準模體， 并且由于這些方法并非基于線性模型，因此無法采用光線跟蹤方法判斷探測器的有效性。
近年來，已有多種方法用來解決X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準及圖像配準問題，但均對系統結構或對象的形狀有較嚴格的限制。Da Silva等提出了一種幾何和光學校準技術，該方法要求樣品必須放在圓柱形容器內并浸泡在參數匹配液中，校準及實驗過程非常復雜。khulz等提出了一種熒光分子斷層成像子系統的校準方法，但該方法只有在CCD相機的光軸平行于旋轉架平面且旋轉架平面垂直于旋轉軸時才有效。Cao等提出了解析計算和最優化相結合的幾何校準方法，并可實現子系統圖像的直接融合。但該方法只允許CCD相機在一個方向上存在角度偏移，并且對校準模體的位置有嚴格的限定。發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法，用于實現更通用的幾何校準方法，對雙模式活體成像系統的系統結構限制更少， 并且對象可以為任意復雜形狀，并發展相應的數據處理方法，實現來自于不同子系統的圖像的配準。
本發明的實施例提供了一種X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法，包括
建立雙模式活體成像系統的基本坐標系和相關坐標系；
在所述基本坐標系與相關坐標系中，用小鋼球標記經過視場的多條激發光束，得到激發光束的起點；
改變雙軸振鏡的輸入電壓，使激發光束依次掃描視場內的多個位置，得到激發光束的方向參數；
對視場內的多個磷光小球進行成像，建立空間點與光學投影點的關系；
采集對象的X射線投影數據和熒光投影數據，并對X射線投影數據進行重建；
利用得到的所述激發光束的起點、方向參數及空間點與光學投影點的關系，直接根據CT重建結果，生成用于重建熒光團分布的數據；
進行熒光團分布重建，通過直接圖像疊加完成圖像配準。
本發明建立了一種適用于復雜形狀對象的非接觸式X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法，得到熒光分子斷層成像子系統的各個部件在雙模式活體成像系統的基本坐標系內的位置和方向等幾何參數，可以精確地描述雙模式活體成像系統的結構； 以CT重建結果為基礎構建和提取重建熒光團分布的算法所需要的原始數據，因此子系統的重建結果在空間上是自然對應的，通過在三維空間的直接疊加即可實現圖像配準，配準過程并無任何誤差引入。本發明提供的方法適用于更廣泛的系統結構和任意形狀的對象， 不僅可以獲得精確的雙模式活體成像系統結構的幾何參數集，并且提供了一種包括幾何校準，數據處理和圖像配準的完整方法。
圖1為本發明實施例提供的適用于復雜形狀對象的非接觸式X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法的流程圖2為本發明實施例提供的雙模式活體成像系統的基本坐標系和相關坐標系；
圖3為本發明實施例提供的根據CT重建結果生成用于熒光團分布重建數據的方法流程圖4為基于本發明實施例提供的方法得到的組織模型切片上的探測器分布圖和所有光源及探測器的分布圖5為本發明實施例中激發光圖像和熒光圖像中探測器的光學投影點的位置分布圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。
本發明實施例提供的X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法，首先建立了雙模式活體成像系統的基本坐標系，并實現了對雙模式活體成像系統的幾何校準，將得到的幾何參數集用于熒光分子斷層成像原始數據的處理過程，最終得到的熒光團分布重建結果可通過直接圖像疊加的方式實現與CT重建結果的配準。本發明實施例提供的方法適用于更廣泛的系統結構和任意形狀的對象，不僅可以獲得精確的雙模式活體成像系統結構的幾何參數集，并且提供了一種包括幾何校準、數據處理和圖像配準的完整方法。
本發明實施例所述的適用于復雜形狀對象的非接觸式X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法，基于如下結構的雙模式活體成像系統CT子系統與熒光分子斷層成像子系統具有共同的視場，載物臺可帶動對象進行360°旋轉；熒光分子斷層成像子系統利用雙軸振鏡實現激發光在樣品表面的掃描，通過CCD相機采集從樣品表面溢出的激發光信號和熒光信號。對激發光和探測器的校準是利用不同的模體獨立進行的，相互之間并無任何關系。模體是對所用的小鋼球和磷光小球的統稱。
圖1是本發明實施例提供的X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法的流程圖，其實施步驟如下
步驟101、建立X射線和熒光雙模式活體成像系統的基本坐標系和相關坐標系。這里的相關坐標系是指以下三個坐標系熒光分子斷層成像子系統的坐標系Of-XfYgf物理圖像坐標系O1-XY和像素坐標系O2-UV。
采用針孔模型來描述雙模式活體成像系統中的CCD相機，即CCD相機可以被模擬為一個成像面和投影中心的組合。為了描述對象的光學投影關系，建立如圖2所示的四個相關坐標系
在圖2 (a)中，Oc-XcYcZc為CT子系統的坐標系，將該坐標系視為雙模式活體成像系統的基本坐標系，后面將要介紹的幾何校準過程主要在該坐標系內實現。其中載物臺的旋轉軸被定義為4軸，經過X射線管焦點且垂直于\軸的軸被定義為X。軸，垂直于W平面且經過X。軸和\軸交點的軸被定義為Y。軸。Of-XfYfZf為熒光分子斷層成像子系統的坐標系，其原點Of為投影中心，4軸定義為沿著CCD相機光軸的方向，&軸和Yf軸分別與成像面上像素行和列的方向平行。
在圖2(b)中，圖像坐標系O1-XY和O2-UV均定義在成像面上。其中0「ΧΥ為物理圖像坐標系，其原點O1定義在CCD相機的光軸與成像面的交點，該點通常位于圖像中心處； X軸和Y軸分別定義為沿著成像面的水平和垂直方向，即像素的行和列方向。O2-UV為像素坐標系，其原點A定義為圖像最左下角的像素，υ軸表示像素行方向，ν軸表示像素列方向。
步驟102、用小鋼球標記經過視場的多條激發光束，得到激發光束的起點。小鋼球對X射線的吸收很強，在X射線投影圖像中可以產生很好的對比度，在很多CT校準文章中都用小鋼球作為樣品。
首先為雙軸振鏡提供一對輸入電壓值，使激發光束經過視場，并在該光束的傳播路徑上固定兩個半徑為0. 4mm的小鋼球來標記該路徑；然后改變輸入電壓使光束偏轉，再次固定兩個小鋼球來標記偏轉后的光束路徑；如此循環操作，一共標記三條以上的激發光束ο
然后用CT子系統對所有的鋼球同時進行掃描及重建，并計算小鋼球的坐標。只要確定了小鋼球的坐標，即確定了所標記的光束路徑。所有的激發光束均可視為由空間內的某一固定點發出，光束的方向隨著雙軸振鏡的輸入電壓變化而改變，因此被標記的光束路徑的交點即為所有激發光束的共同起點0 ，利用最優化方法計算得到該起點的坐標。本實施例采用的最優化方法是Nelder-Mead單純形法。
步驟103、改變雙軸振鏡的輸入電壓，使激發光束依次掃描視場內的多個位置，得到激發光束的方向參數。
激發光束方向Dex的確定原理如下如果用φ和θ分別表示激發光束方向與基本坐標系的X。軸和\軸正方向的夾角，則光束的單位方向向量可表示為
權利要求
1.一種X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法，其特征在于，包括 建立雙模式活體成像系統的基本坐標系和相關坐標系；在所述基本坐標系與相關坐標系中，用小鋼球標記經過視場的多條激發光束，得到激發光束的起點；改變雙軸振鏡的輸入電壓，使激發光束依次掃描視場內的多個位置，得到激發光束的方向參數；對視場內的多個磷光小球進行成像，建立空間點與光學投影點的關系； 采集對象的X射線投影數據和熒光投影數據，并對X射線投影數據進行重建； 利用得到的所述激發光束的起點、方向參數及空間點與光學投影點的關系，直接根據 CT重建結果，生成用于重建熒光團分布的數據；進行熒光團分布重建，通過直接圖像疊加完成圖像配準。
2.根據權利要求1所述的幾何校準方法，其特征在于，所述建立雙模式活體成像系統的基本坐標系和相關坐標系包括建立CT子系統的坐標系α-xjj。，作為所述雙模式活體成像系統的基本坐標系原點為0。，載物臺的旋轉軸被定義為4軸，經過X射線管焦點且垂直于4軸的軸被定義為X。軸， 垂直于Kk平面且經過X。軸和\軸交點的軸被定義為Y。軸；建立熒光分子斷層成像子系統的坐標系Of-XfYfZf,原點Of為投影中心，Zf軸定義為沿著CCD相機光軸的方向，)(f軸和Yf軸分別與成像面上像素行和列的方向平行；在成像面上建立圖像坐標系O1-XY和O2-UV 其中O1-XY為物理圖像坐標系，原點O1在 CCD相機的光軸與成像面的交點，X軸和Y軸分別為沿著成像面的水平和垂直方向-,O2-UV為像素坐標系，原點A為圖像最左下角的像素，υ軸表示像素行方向，ν軸表示像素列方向。
3.根據權利要求2所述的幾何校準方法，其特征在于，所述得到激發光束的起點具體包括為雙軸振鏡提供一對輸入電壓值，使激發光束經過視場，并在該光束的傳播路徑上固定兩個所述小鋼球來標記該路徑；改變輸入電壓使光束偏轉，再次固定兩個所述小鋼球來標記偏轉后的光束路徑； 循環執行以上步驟，共標記三條以上的激發光束； 用CT子系統對所有的鋼球同時進行掃描及重建，并計算小鋼球的坐標； 被標記的光束路徑的交點為所有激發光束的共同起點0 ，利用最優化方法計算得到該起點的坐標。
4.根據權利要求3所述的幾何校準方法，其特征在于，所述得到激發光束的方向參數具體包括激發光束的單位方向向量為 Dex = (sin θ cos φ, sin θ sin φ, cos θ)φ = φ0+Δφνχ(1)θ = Θ0+Δ θ Vy其中，φ和θ分別表示激發光束方向與基本坐標系的X。軸和&軸正方向的夾角，φ0和 θ ο分別是輸入電壓為(0，0)時光束方向與X。軸和&軸正方向的夾角，Δφ和Δ θ分別為單位輸入電壓引起的X軸和Y軸振鏡的偏轉角，Vx和Vy分別為X軸振鏡和Y軸振鏡的輸入電壓；假設激發光束最終照射在視場內一點Prai，則光束的單位方向向量為
5.根據權利要求4所述的幾何校準方法，其特征在于，所述建立空間點與光學投影點的關系具體包括描述CXD相機針孔模型的參數為歸一化像素尺寸(dx' ,dy')和像主點的像素坐標 (u0, V0)，其中dx' = dx/f, dy' = dy/f，(dx, dy)為實際像素尺寸，f為焦距；CT子系統的坐標系與熒光分子斷層成像子系統的坐標系之間的關系用旋轉矩陣R與平移向量t來描述；旋轉矩陣R取決于熒光分子斷層成像子系統的坐標系相對于CT子系統的坐標系繞X。、Y。和&軸的旋轉角度α，β禾Π γ，關系式如下
6.根據權利要求5所述的幾何校準方法，其特征在于，所述生成用于重建熒光團分布的數據具體包括計算在初始旋轉角度下樣品的邊界體素坐標；計算光源的位置和方向；建立組織模型；計算探測器的坐標和方向；生成用于重建熒光團分布的原始數據文件。
7.根據權利要求6所述的幾何校準方法，其特征在于，所述計算在初始旋轉角度下樣品的邊界體素坐標具體包括對每一幅CT切片進行二維中值濾波，濾除圖像中的椒鹽噪聲，并保持圖像邊緣輪廓的細節；確定一個閾值T，用來區分CT切片中的空氣和生物組織，利用該閾值將所有CT切片轉化為二值化切片；進行像素合并后再進行二值化操作，或先進行二值化操作后再進行等間隔取樣，形成一幅新的二值化切片，進行BXB的像素合并或沿行和列方向進行間隔為B個像素的等間隔取樣；假設原CT切片的大小為M X N，則進行本步驟的操作后，二值化切片的大小為UX V，其中 U = M/B, V = N/B ；對得到的每一幅二值化切片，利用Carmy邊緣檢測器進行邊緣檢測，并對檢測得到的邊緣進行8連通測試，其中面積最大的邊緣為樣品邊界上的體素；求出樣品邊界體素的坐標，計算公式如下xc = (u-U/2-O. 5) BSyc = (v-V/2-0. 5)BS (9)zc= (-nsli+Nsli/2+0. 5) S其中(u，ν)為邊界體素在切片上的行號和列號，nsli為切片編號，S為像素尺寸；對每一幅CT切片進行相同的操作，求出所有在樣品邊界上的體素的坐標；該坐標值對應于初始旋轉角度，在數據采集過程中，隨著載物臺的旋轉，邊界體素的坐標隨之變化。
8.根據權利要求7所述的幾何校準方法，其特征在于，所述計算光源的位置和方向具體包括采用光線跟蹤法計算光源的位置和方向，計算激發光束與樣品的邊界體素的交點坐標；根據對激發光的幾何校準結果，結合雙軸振鏡的輸入電壓值，由公式(1)確定激發光束的起點和方向；根據初始旋轉角度下樣品的邊界體素坐標，求得其對應的矢量的長度和方向p = 4xc2 + yc2θ = arctan(—)xC( 10)在掃描過程中，該邊界體素形成的軌跡為該矢量在\ = Z。平面順時針旋轉形成的圓， 在轉過Δ θ角度后，該邊界體素的坐標為Xc' = P cos( θ + Δ θ ) yc' = P sin( θ +Δ θ )zc' =zc (11)利用每一個邊界體素的坐標構建一個小的立方體，邊長為1. 5BS ；計算得到激發光束與所有的邊界體素形成的立方體的交點；如果交點不存在，則說明激發光沒有照射在樣品上，為無效光源；如果交點存在，取最近的交點作為光源位置，并將激發光束的方向作為光源的方向；對掃描過程中的所有角度進行同樣的計算過程，得到所有光源的位置和方向。
9.根據權利要求8所述的幾何校準方法，其特征在于，所述建立組織模型具體包括 首先確定組織模型的體素尺寸Sv ；令Sv為CT切片中像素尺寸S的整數倍，Sv = B2S,B2 e Z ；然后確定重建區域首先確定重建區域在\方向對應的第一幅和最后一幅CT切片 nmin和nmax，令nmax-nmin= (N2-I)B2, N2為組織模型沿&方向的切片層數；選定層號為Inmin， nmin+B2, nmin+2B2, ... , nmax}的CT切片作為建立組織模型的依據；對于選定的每一層CT切片，先進行中值濾波，去除圖像中的噪聲；然后利用圖像分割算法將切片分割為不同類型，用不同整數值表示不同組織類型；所述不同類型包括空氣，軟組織，骨骼；將圖像分割后的切片進行等間隔采樣，采樣間隔為B2，形成組織模型中的切片。
10.根據權利要求9所述的幾何校準方法，其特征在于，所述計算探測器的坐標和方向具體包括采用逐行或逐列判斷的方法來確定可選探測器；對切片中的每一行像素，根據每個像素的值判斷其組織類型，如果全是空氣，則該行像素均不能作為探測器，如果存在非空氣像素，則取具有最小列號和最大列號的非空氣像素作為可選探測器；對切片中的每一列像素，根據每個像素的值判斷其組織類型，如果全是空氣，則該列像素均不能作為探測器，如果存在非空氣像素，則取具有最小行號和最大行號的非空氣像素作為可選探測器；將沿行方向和沿列方向的可選探測器的并集作為該層切片上的可選探測器； 對探測器進行等間隔的篩選，篩選方法為首先計算本層切片上所有可選探測器的坐標，計算公式為xd = (ud-U/2-0. 5) Sv yd = (vd-V/2-0. 5) Sv zd = (-n+Nsli+0. 5) S (12)其中ud和vd分別為可選探測器的行號和列號，并得到所有可選探測器坐標的平均值 Od(xod, yM)，作為該層上可選探測器的中心；然后計算從Od到每個可選探測器的向量與k 軸正方向的夾角，并按該夾角的大小對可選探測器進行排序，然后按設定的間隔&選擇探測器；對nfflin < η < nmax且間隔為 的所有切片進行相同操作，得到所有探測器的坐標和方向。
全文摘要
本發明公開了一種X射線和熒光雙模式活體成像系統的幾何校準方法，包括建立雙模式活體成像系統的基本坐標系和相關坐標系；用小鋼球標記經過視場的多條激發光束，得到激發光束的起點；改變雙軸振鏡的輸入電壓，使激發光束依次掃描視場內的多個位置，得到激發光束的方向參數；對視場內的多個磷光小球進行成像，建立空間點與光學投影點的關系；采集對象的X射線投影數據和熒光投影數據，并對X射線投影數據進行重建；生成用于重建熒光團分布的數據；進行熒光團分布重建，通過直接圖像疊加完成圖像配準。本發明實現更通用的幾何校準方法，對雙模式活體成像系統的系統結構限制更少，并且對象可以為任意復雜形狀，實現來自于不同子系統的圖像的配準。
文檔編號A61B5/00GK102499701SQ20111029326
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者傅建偉, 楊孝全, 駱清銘, 龔輝 申請人:華中科技大學