專利名稱：基于小波數據壓縮的雙模式活體成像系統及方法
技術領域：
本發明屬于分子影像技術領域，涉及一種成像系統及方法，特別涉及一種將微型 CT和熒光分子斷層成像相結合的基于小波數據壓縮的雙模式活體成像系統及方法。
背景技術：
微型CT利用生物組織對X射線的吸收系數差異成像，是一種高分辨率的三維結構成像技術；熒光分子斷層成像技術可以對小動物體內特異性標記的熒光探針進行在體的三維定量成像，可用于觀察特定細胞和分子的功能變化。將微型CT和熒光分子斷層成像技術相結合，可以同時獲得小動物的結構信息和功能信息，提供單一系統所無法提供的豐富信息量，在疾病診斷、藥物研發和基因表達監測等方面有著廣闊的應用前景。在目前的熒光分子斷層成像系統中，通常利用窄束激發光分時逐點掃描小動物表面的多個激發點，例如中國發明專利ZL 200780001891. 0和申請號為200910306890. 8的中國發明專利申請都采用光束聚焦和掃描器件將縮小后的光斑投射到小動物表面，激發光在小動物組織內傳播并激發熒光探針發出熒光，利用CCD相機通過合適的濾光片采集從組織邊界上溢出的熒光信號，因此對每一個掃描點可以采集一幅熒光圖像。相應的重建算法需要不同投影角度下的不同激發點單獨作用時，在不同探測點處采集的光強信息以提高重建質量，因此往往需要對數百至上千個點逐點激發，大大增加了原始數據的采集時間。另一方面，目前通常采用面陣CCD相機作為光學探測器，可采集非常大的原始數據量。而受限于計算資源，目前只能利用很小一部分原始數據進行重建，通常的原則是保證數據量大于要重構的光學參數數目即可。即使這樣，重建時間仍然在數分鐘至數十分鐘。因此，如何實現原始數據的快速采集和如何利用超大數據集進行快速重建是一個非常關鍵的問題。利用均勻的或經過調制的線光源和面光源作為激發源可以顯著縮短數據采集時間，如申請號為200980100694. 3的中國發明專利申請利用線光源進行激發，而申請號為201080000866. 2的中國發明專利申請則提出了一種可空間編碼的并行激發系統及方法，但這些方法都無法解決重建算法耗時長的問題。聲光偏轉器是一種常用的快速光學掃描器件，應用范圍非常廣，如顯微鏡(如中國發明專利ZL 200510019130. 0和美國專利US7221503B2)，激光測振儀(如美國專利 US62719MB1)，以及快速微加工技術(如美國專利US7666759B》等。但這些應用中只是利用了聲光偏轉器響應速度快、定位精度高的特點，實現對整個感興趣區域的快速掃描。而在熒光分子斷層成像中，激發光的掃描模式不僅會影響原始數據的采集速度，而且會影響重建算法的速度，因此需要建立一種適合于快速采集和重建的激發光掃描模式。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像系統及方法，用于實現熒光分子斷層成像技術中原始數據的快速采集和利用超大數據集進行熒光探針分布重建，并提出相應的快速重建算法。
本發明提供了一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像系統，包括用于采集成像對象(1)的X射線投影圖的微型CT子系統和用于采集成像對象(1)的熒光圖像的熒光分子斷層成像子系統，兩子系統按正交方式排列；所述成像對象(1)固定在能夠360°旋轉的載物臺(2)上，位于微型CT子系統和熒光分子斷層成像子系統的共同視場內，在所述熒光分子斷層成像子系統中具有二維聲光偏轉器(7)，用于控制激發光實現如下方式的掃描在旋轉的載物臺(2)運動一步并停止運動后，首先使CXD相機(9)開始曝光，不斷改變超聲的調制頻率，使激發光束依次掃描激發圖案的每個像素對應的激發點，在每個激發點的停留時間與像素的灰度值成正比，像素灰度值為0的激發點不掃描，掃描完所有不為0的激發點后CXD相機(9)停止曝光。本發明還提供了一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像方法，包括采集X射線投影圖和熒光圖像，在采集熒光圖像過程中，利用二維聲光偏轉器控制激發光進行掃描；獲取激發點的位置和方向；壓縮熒光圖像得到探測圖案集；基于所述激發點的位置和方向以及探測圖案集，來獲取測量值向量和雅克比矩陣；利用所述測量值向量和雅克比矩陣反演得到熒光探針分布。本發明利用二維聲光偏轉器，在采集一幅熒光圖像的曝光時間內，實現了利用激發圖案的掃描激發，大大減少了數據采集時間；同時利用對熒光圖像的壓縮，以及通過計算測量值向量和雅克比矩陣的新方法，將所采集的全部熒光數據用于建立適用于圖像壓縮的線性方程組，并且大大降低了線性方程組的維數，因此不僅提高了成像質量，重建時間也顯著縮短。
圖1為本發明實施例提供的一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像系統的結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像方法的流程圖；圖3為本發明實施例提供的計算激發點的位置和方向的示意圖；圖4為本發明實施例提供的熒光圖像的小波壓縮過程的示意圖。
具體實施例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。本發明實施例利用二維聲光偏轉器，在采集一幅熒光圖像的曝光時間內，實現了利用激發圖案的掃描激發，大大減少了數據采集時間；同時利用對熒光圖像的壓縮，以及通過計算測量值向量和雅克比矩陣的新方法，將所采集的全部熒光數據用于建立適用于圖像壓縮的線性方程組，并且大大降低了線性方程組的維數，因此不僅提高了成像質量，重建時間也顯著縮短。
本發明實施例提供了一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像系統，其系統結構如圖1所示雙模式活體成像系統由微型CT子系統和熒光分子斷層成像子系統組成，按正交方式排列。微型CT子系統，用于采集成像對象1的X射線投影圖。熒光分子斷層成像子系統，用于采集成像對象1的熒光圖像。成像對象1固定在可360°旋轉的載物臺2上，位于微型CT子系統和熒光分子斷層成像子系統的共同視場內。微型CT子系統由微焦斑射線源3和平板探測器4組成。其中，微焦斑射線源3，用于發射高功率和圓微焦的X射線。平板探測器4，用于將透過成像對象1的X射線轉化為數字投影圖。在熒光分子斷層成像子系統中，包括激光器5，用于發射激發光。窄帶濾光片6，用于改善激發光的單色性。由于窄帶濾光片只允許中心激發波長附近很小波段范圍內(士5nm)的激發光透過，所以可使激發光的單色性更好。隨后激發光進入二維聲光偏轉器7的通光孔。二維聲光偏轉器7，用于通過改變超聲調制頻率改變激發光的偏轉角，從而改變激發光在成像對象1表面的投射位置。帶通濾光片8，用于過濾信號。由于帶通濾光片只允許感興趣的波段范圍內的熒光信號通過，而隔離了激發光和周圍環境的雜散光，保證CCD相機9采集的信號主要是熒光信號。CCD相機9，激發光在成像對象1體內傳播并激發其內部的熒光探針發出熒光，利用CXD相機9采集從成像對象1表面溢出的熒光信號。圖2是本發明實施例提供的基于小波數據壓縮的雙模式活體成像方法的流程圖， 其實施步驟如下步驟201、采集X射線投影圖和熒光圖像。首先采集X射線投影圖。載物臺2從某初始旋轉角度開始以0.9°的步進量運動， 在每一步運動停止后立刻進行X射線投影圖的采集，因此在旋轉360°過程中共采集400幅投影圖。然后控制載物臺2回到初始旋轉角度，用Ns個小波尺度函數生成的激發圖案Si (i =1,2, ...Ns)為成像對象1提供激發光照明，進行熒光圖像的采集。在采集過程中，載物臺2首先以18°的步進量運動，在每一步運動停止后，依次將Ns個激發圖案投射到樣品上，
并對每一幅激發圖案采集一幅熒光圖像論 ,其中，m表示該圖像為熒光圖像，i表示該幅熒
光圖像的編號。由小波尺度函數生成的激發圖案為二維數字圖像，其每一個像素的灰度值代表激發光的強度。利用二維聲光偏轉器7可以將這幅二維數字圖像投射到成像對象表面，每個像素對應的成像對象表面點稱為激發點。在采集每一幅熒光圖像論 的過程中，利用二維聲光偏轉器7控制激發光實現如下方式的掃描在旋轉臺運動一步并停止運動后，首先使CCD 相機9開始曝光，不斷改變超聲的調制頻率，使激發光束依次掃描激發圖案的每個像素對應的激發點，在每個激發點的停留時間與像素的灰度值成正比，像素灰度值為0的激發點不掃描，掃描完所有不為0的激發點后CCD相機9停止曝光。為了保證激發圖案的完整性， 所有不為0的激發點要全部位于成像對象1的表面，即如果樣品Ω的邊界表示為θΩ ,激發圖案投射在己Ω的其中一部分,BP^ e 8Ω。步驟202、計算激發點的位置和方向。可以利用光線跟蹤法來計算激發點的位置和方向，其原理如圖3所示。從二維聲光偏轉器7出射的激發光可認為是由空間某一固定點Orai發出的，它的方向取決于激發圖案中的像素對應的超聲調制頻率，該激發光與成像對象1表面的第一個交點即為該像素對應的激發點的位置，光線的方向即為該激發點的方向。計算出激發圖案中的所有像素的投射位置，即確定了激發點的空間分布。步驟203、壓縮熒光圖像得到探測圖案集。傳統的方法一般利用熒光圖像上的數十至上百個孤立的像素點作為有效探測器， 將這些有效探測器記錄的灰度值直接用于重建熒光探針的三維分布；而采用小波數據壓縮的方法，并不直接利用熒光圖像上的像素值，而是將整幅熒光圖像作為一個整體，利用小波變換法提取其中最主要的空間域和頻率域成分，用于后續的熒光探針分布的重建過程。基本流程為對所采集的熒光圖像進行小波分解；保留絕對值最大的多個小波系數；并利用小波重建得到每個系數對應的探測圖案，所有探測圖案構成探測圖案集。對熒光圖像(i = 1，. . .，Ns)進行尺度數為η的小波分解，保留 個絕對值最大的小波系數(包括近似系數和細節系數)。每個保留的小波系數均可通過小波重構得到一個探測圖案Cliij，所有的探測圖案構成探測圖案集D = U Ui = 1，...，NS，j = 1，...， Nd)。不同的熒光圖像需要進行分解的尺度數η可能會有所不同，要根據實際情況進行調整， 以壓縮后的圖像與原始圖像的差異最小為原則。圖如為所采集的典型熒光圖像，其尺寸為U8X128像素。利用4階Daubechies 小波對該熒光圖像進行尺度數為5的小波分解，得到一個包含了 16384個小波系數的向量， 圖4b顯示了該向量中的前1 個系數。保留所有系數中絕對值最大的1 個系數，圖如中用圓圈表示的為所保留的系數，其余系數已設為0。然后利用修改后的小波系數進行小波重構，即可得到的壓縮后的熒光圖像如圖4d所示。與原始熒光圖像相比，壓縮熒光圖像的壓縮比為128 1，均方根誤差為1. 17%。步驟204、基于所述激發點的位置和方向，以及探測圖案集，來計算測量值向量和雅克比矩陣。與傳統的逐點激發模式有本質區別的是，基于小波數據壓縮的雙模式活體成像方法中用于重建熒光探針三維分布的線性方程組的構建方式是完全不同的。方程組中的測量值向量m利用對所有探測點上記錄的灰度值的線性加權得到；方程組中的雅克比矩陣利用激發圖案和探測圖案分別單獨作用時產生的激發場和探測場的乘積得到。熒光探針的分布可以通過求解以下線性方程組得到m = Jx (1)其中χ為濃度向量；m為測量值向量，m其中的任意一個元素附U = L纊(OO)辦.J為雅克比矩陣，其大小為NsNdXNv。從式⑴中可以看出，J的
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第(i，j)行(用Ji,」表示)將X映射為Hliij，它為激發場和探測場的乘積，其計算公式如下
九=(w,，》r (2)其中，激發場和探測場的光子密度向量奶和Vi,」來自于矩陣①=[約··明·· Wj和
ψ =[約，1"們，廣IuJ ,這兩個矩陣的計算方法如下ΡΦ = S(3)ΡΨ = D其中，S =為光源矩陣，^ !...《,.. ^馬]為探測矩陣，P為描述
光在組織中傳播規律的傳播算子的離散化。步驟205、利用測量值向量和雅克比矩陣反演得到熒光探針分布。采用TiWi0n0v正則化方法來求解式(1)，得到濃度向量χ = Jt (JJT+α I)-1H1 (4)其中α為正則化參數。利用聲光偏轉器也可以實現傳統的逐點掃描激發模式。在逐點掃描激發模式下， 首先設置超聲調制頻率將激發光投射在小動物表面的第一個激發點，然后CCD相機開始曝光采集第一幅熒光圖像，再改變超聲調制頻率使激發光投射在第二個激發點并采集第二幅熒光圖像。如此循環，實現所有熒光圖像的采集。需要強調的是，這種激發模式下只能利用傳統的重建方法，并不能提高重建算法的速度。利用聲光偏轉器控制激發光掃描，可以實現不同的掃描模式，只需要改變生成激發圖案的方式即可。如可以利用傅里葉變換生成按正弦曲線變化的條紋圖案，再利用相同的投射方式將該條紋圖案投射到成像對象的表面。生物組織對近紅外光具有低吸收高散射的特性，其效果類似于低通濾波器，導致穿過生物組織的頻率成分有限。因此在進行熒光圖像小波變換時，尺度數s并不是越大越好，需要根據不同的熒光圖像的具體情況調整，使壓縮后的圖像與采集的熒光圖像之間的差異最小。由于生物組織的低通特性，可以認為熒光圖像中的高頻成分為噪聲，小波變換同樣可以去除圖像中的高頻成分，實現去噪的目的。綜上所述，本發明實施例利用二維聲光偏轉器，在采集一幅熒光圖像的曝光時間內，實現了利用激發圖案的掃描激發，大大減少了數據采集時間；同時利用對熒光圖像的壓縮，以及通過計算測量值向量和雅克比矩陣的新方法，將所采集的全部熒光數據用于建立適用于圖像壓縮的線性方程組，并且大大降低了線性方程組的維數，因此不僅提高了成像質量，重建時間也顯著縮短。總之，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。
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權利要求
1.一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像系統，包括用于采集成像對象(1)的X射線投影圖的微型CT子系統和用于采集成像對象(1)的熒光圖像的熒光分子斷層成像子系統，兩子系統按正交方式排列；所述成像對象(1)固定在能夠360°旋轉的載物臺( 上， 位于微型CT子系統和熒光分子斷層成像子系統的共同視場內，其特征在于，在所述熒光分子斷層成像子系統中具有二維聲光偏轉器(7)，用于控制激發光實現如下方式的掃描在旋轉的載物臺(2)運動一步并停止運動后，首先使C⑶相機(9)開始曝光，不斷改變超聲的調制頻率，使激發光束依次掃描激發圖案的每個像素對應的激發點，在每個激發點的停留時間與像素的灰度值成正比，像素灰度值為0的激發點不掃描，掃描完所有不為0的激發點后C⑶相機(9)停止曝光。
2.根據權利要求1所述的雙模式活體成像系統，其特征在于，所述微型CT子系統具體包括微焦斑射線源(3)，用于發射高功率和圓微焦的X射線；平板探測器G)，用于將透過成像對象(1)的X射線轉化為數字投影圖。
3.根據權利要求2所述的雙模式活體成像系統，其特征在于，所述熒光分子斷層子系統具體包括激光器(5)，用于發射激發光；窄帶濾光片(6)，用于改善激發光的單色性，并將激發光導入二維聲光偏轉器(7)的通光孔；二維聲光偏轉器(7)，用于通過改變超聲調制頻率改變激發光的偏轉角，從而改變激發光在成像對象(1)表面的投射位置；帶通濾光片(8)，用于過濾信號，隔離激發光和周圍環境的雜散光； CCD相機(9)，用于采集從成像對象(1)表面溢出的熒光信號。
4.一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像方法，其特征在于，所述方法包括采集X射線投影圖和熒光圖像，在采集熒光圖像過程中，利用二維聲光偏轉器控制激發光進行掃描；獲取激發點的位置和方向； 壓縮熒光圖像得到探測圖案集；根據所述激發點的位置和方向以及探測圖案集，獲取測量值向量和雅克比矩陣； 根據所述測量值向量和雅克比矩陣反演得到熒光探針分布。
5.根據權利要求4所述的雙模式活體成像方法，其特征在于，所述采集X射線投影圖和熒光圖像的步驟具體包括采集X射線投影圖時，載物臺( 從一個初始旋轉角度開始以0.9°的步進量運動，在每一步運動停止后立刻進行X射線投影圖的采集；控制載物臺O)回到初始旋轉角度，用Ns個小波尺度函數生成的激發圖案Si (i = 1， 2，. . . Ns)為成像對象(1)提供激發光照明； 采集熒光圖像時，載物臺( 首先以18°的步進量運動，在每一步運動停止后，依次將Ns個激發圖案投射到樣品上，并對每一幅激發圖案采集一幅熒光圖像€ ,其中，m表示該圖像為熒光圖像， i表示該幅熒光圖像的編號。
6.根據權利要求5所述的雙模式活體成像方法，其特征在于，所述利用二維聲光偏轉器控制激發光進行掃描的步驟具體包括在旋轉的載物臺(2)運動一步并停止運動后，首先使C⑶相機(9)開始曝光，不斷改變超聲的調制頻率，使激發光束依次掃描激發圖案的每個像素對應的激發點，在每個激發點的停留時間與像素的灰度值成正比，像素灰度值為0的激發點不掃描，掃描完所有不為0的激發點后C⑶相機(9)停止曝光。
7.根據權利要求5或6所述的雙模式活體成像方法，其特征在于，所述獲取激發點的位置和方向的步驟具體包括從所述二維聲光偏轉器(7)出射的激發光設置為由空間一固定點0 發出，方向取決于激發圖案中的像素對應的超聲調制頻率，該激發光與成像對象(1)表面的第一個交點為該像素對應的激發點的位置，激發點的方向為激發光的光線方向，計算出激發圖案中的所有像素的投射位置，從而確定了激發點的空間分布。
8.根據權利要求7所述的雙模式活體成像方法，其特征在于，所述壓縮熒光圖像得到探測圖案集的步驟具體包括對熒光圖像C (i = 1，. . . ,Ns)進行尺度數為η的小波分解，保留 個絕對值最大的小波系數，其中包括近似系數和細節系數，每個保留的小波系數均能夠通過小波重構得到一個探測圖案Cliij，所有的探測圖案構成探測圖案集D = U Ui = 1，...，NS，j = 1，...， )。
9.根據權利要求8所述的雙模式活體成像方法，其特征在于，所述獲取測量值向量和雅克比矩陣的方法具體為m = Jx (1)其中χ為濃度向量;m為測量值向量，m其中的任意一個元素 mU = \eJ7^)dh](r)dv. j 為雅克比矩陣，大小為 NsNdXNv ；5其中，J的第(i，j)行(用Ji,」表示)將X映射為Hli,」，為激發場和探測場的乘積，計算公式如下及=(仍。 )r (2)其中，激發場和探測場的光子密度向量奶和！^,」來自于矩陣Φ =[約··明和ψ = ^V"K，r··^^馬],這兩個矩陣的計算方法如下 ΡΦ = S ΡΨ = D (3)其中，S = [U...^]為光源矩陣，D = [+…《.，廣. /乂馬]為探測矩陣，ρ為描述光在組織中傳播規律的傳播算子的離散化。
10.根據權利要求9所述的雙模式活體成像方法，其特征在于，所述根據所述測量值向量和雅克比矩陣反演得到熒光探針分布的步驟具體包括采用TiWlonov正則化方法來求解式(1)，得到濃度向量 X = Jt (JJT+α D^1IIi (4) 其中α為正則化參數。
全文摘要
本發明公開了一種基于小波數據壓縮的雙模式活體成像系統及方法，屬于分子影像技術領域。所述系統包括微型CT子系統和熒光分子斷層成像子系統，兩子系統按正交方式排列；在熒光分子斷層成像子系統中具有二維聲光偏轉器。所述方法包括采集X射線投影圖和熒光圖像，在采集熒光圖像過程中，利用二維聲光偏轉器控制激發光進行掃描；獲取激發點的位置和方向；壓縮熒光圖像得到探測圖案集；根據激發點的位置和方向以及探測圖案集，獲取測量值向量和雅克比矩陣；根據測量值向量和雅克比矩陣反演得到熒光探針分布。本發明實現更快速的原始數據采集，并能利用所采集的超大數據集進行快速重建。
文檔編號A61B5/00GK102512193SQ20111036032
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者傅建偉, 楊孝全, 駱清銘, 龔輝 申請人:華中科技大學