分辨率至少為50μm在體多模成像檢測系統的制作方法

專利名稱：分辨率至少為 50μm 在體多模成像檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及在體成像檢測技術與科學儀器裝置結構，特別是提供一種結構靈巧，成本低廉，檢測分辨率顯著高于現有影像技術與數字X光機、CT、PET醫療影像設備的高分辨率在體成像系統結構。
背景技術：
在體分子影像是醫學系統生物學研究中的關鍵環節，是從分子細胞水平檢測向臨床應用轉化的中間橋梁。常規臨床醫學在體成像檢測技術包括數字X光透視、CT(CompUtedTomography,計算機斷層成像)、PET (PositronEmissionTomography,正電子發射斷層成像)、MRI (Magnetic Resnane Iamge,磁共振成像)等,這些儀器不僅價格昂貴,幾百萬元一幾千萬元不等，而且，在檢測分辨率、靈敏度等方面還存在較大的缺陷，達不到少數細胞和 分子水平的檢測要求。如，目前臨床醫療數字X光透視和CT檢測的分辨率均在100 μ m以上，常見基于平板探測器的分辨率有127 μ m、139 μ m、194 μ m等；在PET在體成像測量中，由于受晶體條制作工藝的限制，PET檢測的分辨率目前最好的水平在Imm左右；在1 1在體成像測量中，由于受磁場強度和頻率的限制，MRI檢測的分辨率目前最好的水平也在Imm左右。光學在體成像以Xenogen公司的小動物在體可見光熒光檢測儀器為代表，價格依然比較昂貴，200萬一300萬元左右，由于受組織散射的影響，檢測分辨率隨著組織深層散射影響而逐漸降低，也是在Imm左右，遠不及光學顯微成像的分辨率。常見在體分子影像的測試樣本包括人體、小動物、模式生物(如線蟲)等。隨著在體成像檢測技術的發展，尤其是應用于少數細胞和分子水平的疾病早期診斷檢測，100 μ m以上分辨率的在體成像系統根本無法滿足使用要求，非常有必要對現有數字X光透視、CT、PET、MRI以及光學在體成像方法等進行創新研究，提高其在體成像檢測的分辨率。同時，可以發明新的旋轉掃描探測結構代替常規CT、PET、MRI上采用的環形探測器結構，可以大幅度降低檢測系統的硬件成本。圖像融合(Image Fusion)是指將多源信道所采集到的關于同一目標的圖像數據經過圖像處理和計算機技術等，最大限度的提取各自信道中的有利信息，最后綜合成高質量的圖像，以提高圖像信息的利用率、改善計算機解譯精度和可靠性、提升原始圖像的空間分辨率和光譜分辨率，利于監測。圖像融合由低到高分為三個層次數據級融合、特征級融合、決策級融合。數據級融合也稱像素級融合，是指直接對檢測傳感器采集獲得的數據進行處理而獲得融合圖像的過程，它是高層次圖像融合的基礎，也是目前圖像融合研究的重點之一。這種融合的優點是保持盡可能多的現場原始數據，提供其它融合層次所不能提供的細微信息。像素級融合中有空間域算法和變換域算法，空間域算法中又有多種融合規則方法，如邏輯濾波法，灰度加權平均法，對比調制法等；變換域中又有金字塔分解融合法，小波變換法。其中的小波變換是當前最重要，最常用的方法。在特征級融合中，保證不同圖像包含信息的特征，如紅外光對于對象熱量的表征，可見光對于對象亮度的表征等等。決策級融合主要在于主觀的要求，同樣也有一些規則，如貝葉斯法，D-S證據法和表決法等。融合算法常結合圖像的平均值、熵值、標準偏差、平均梯度。平均梯度反映了圖像中的微小細節反差與紋理變化特征，同時也反映了圖像的清晰度。目前對圖像融合存在兩個問題最佳小波基函數的選取和最佳小波分解層數的選取。圖像融合技術在多源數據重建中廣泛使用。

發明內容
本發明的目的是提供一種X光透視、CT、PET多模信息融合的高分辨率在體成像系統，使X光透視、CT、PET的數字化空間成像檢測分辨率達到50 μ m或更高的分辨率，結構靈巧，成本低廉，可以廣泛應用于包括人體醫學影像、小動物分子成像檢測在內的在體成像應用中。本發明的特征在于，包含一種用于實現X光透視、CT和PET多模融合的高分辨率成 像系統，由一個PET核素成像單元，一個X射線成像單元，一個CT成像單元，一個放置測試樣本的旋轉載物平臺，一個多軸運動控制器，一個多通道信號采集處理器，一個連接多軸運動控制器和多通道處理器的計算機，以及一個多模融合在體成像的圖像處理顯示軟件。以旋轉載物平臺中放置的測試樣本(小動物)為中心，所述的PET核素成像單元、CT成像單元、X射線成像單元分布在該旋轉載物平臺的四周，共用一個多通道信號采集處理器。其中所述一種用于實現X光透視、CT和PET多模融合的高分辨率成像系統，采用光纖光錘或透鏡光導進行精細空間分割處理，將X光透視、CT和PET的在體成像分辨率提高到50微米或更高分辨率。所述的光纖光錘由至少10根光纖加熱拉制成錘狀，光纖之間進行密光隔離，防止光串擾。光纖光錘可以通過高變倍比例O 5:1)—次拉制成型，或采用低變倍比例(〈5:1)光纖光錘多級耦合串連實現合成高變倍比例，最佳信息傳輸狀態是相鄰兩級光錘耦合面所對應光纖的芯徑滿足整數倍對應關系，并且通過拋光耦合面并用環氧樹脂膠合提高光信號傳輸耦合效率。光纖種類可以是石英光纖或玻璃光纖或液芯光纖。光纖光錘具有高變倍比例成像功能，光纖光錘兩端面分別對應物面(大頭)和成像面(小頭)。所述的透鏡光導由一個或多個(> 2)鏡片或非球面鏡組成，能將光子晶體或X射線可見光轉換材料涂層的光信號清晰成像在面CCD (Charge-coupled Device,電荷f禹合元件)探測器，并具有一定的光學濾波功能，消除雜散光串擾。透鏡光導還具有高變倍比例
5:1)光束變換和成像功能，物面與成像面的位置相對固定，分別對應其輸入端面和輸出端面，滿足大視場的面CCD成像探測需要。所述的PET核素成像單元、CT成像單元、X射線成像單元可以按照不同的應用要求進行分解成單個模式獨立使用，或任意兩種模式組合在一起使用實現雙模信息融合成像，或三種模式組合在一起使用實現三模信息融合成像。所述的多模融合在體成像圖像處理顯示軟件，包括PET核素放射圖像重構軟件模塊，CT圖像重構軟件模塊，X射線成像軟件模塊，圖像融合分析處理模塊和圖像顯示模塊等。所述PET核素放射圖像重構軟件模塊實現對放置測試樣本的旋轉載物平臺的角度位置控制一在每一角度位置對PET核素探測器進行信號采集一將不同位置采集的PET核素放射圖像進行重建，生成三維核素放射圖像。所述CT圖像重構軟件模塊實現對放置測試樣本的旋轉載物平臺的角度位置控制一在每一角度位置對CT成像探測器進行信號采集一將不同位置采集的CT圖像切片進行重建，生成三維CT圖像。所述X射線成像軟件模塊實現對放置測試樣本的旋轉載物平臺的角度位置控制一在每一角度位置對X射線成像探測器進行信號采集一將不同位置采集的X射線圖像進行重建，生成三維X射線圖像。所述圖像融合分析處理模塊實現對每一角度位置的CT圖像、PET核素放射圖像和X射線圖像進行融合一分析處理一三維重建，生成三維PET、CT和X射線融合圖像。所述圖像顯示模塊實現對CT圖像、PET核素放射圖像和X射線圖像單獨顯示一CT圖像、PET核素放射圖像和X射線圖像任意兩模融合，進行顏色宣染后顯示一CT圖像、PET核素放射圖像和X射線圖像三模融合，進行顏色宣染后顯示。所述的多通道信號采集處理器，包含有2個或以上信號采集通道，兼有信號濾波、放大、對兩個通道采集信號進行符合處理以及其它常規信號處理功能。所述的多軸運動控制器，包含有2個或以上電機的驅動控制功能，電機可以是步 進電機或直流電機或侍服電機。所述旋轉載物平臺，包含一個旋轉電機、一個升降電機、一個恒溫控制板、一個帶麻醉氣體導入接口的麻醉氣體罩以及一個測試樣本，能在360度范圍內做精密旋轉運動，并具有升降功能，便于裝卸測試樣本，旋轉定位精度> O. I度，升降定位精度>5微米；旋轉載物平臺可以裝載多種測試樣本，包括小動物，模式生物，或其他有生命和無生命的被測對象。所述的PET核素成像單元，由2個核素成像探測器、一個多通道信號采集處理器和一個核素放射圖像重構軟件模塊構成，2個核素成像探測器對稱分布在旋轉載物平臺兩邊。核素成像探測器的結構組合順序是光子晶體一光纖光錘或透鏡光導一面CXD探測器。光子晶體的材料可以采用BGO (BiGeO，鍺酸鉍)、LYS0 (Lul. 9Y0. lSi05 Ce,硅酸镥)、NaI (碘化鈉)、LSO (Lu2Si05:Ce，摻鈰硅酸镥)和GSO (Gd2Si05:Ce，摻鈰硅酸釓)或其他可以將高能射線轉換成可見光的材料，制作成片狀，兩面拋光；光子晶體還可以采用在石英玻璃平板或光纖面板上鍍高能射線轉換成可見光的材料來替代。所述的CT成像單元，由I個X射線成像探測器、一個X射線源、一個多通道信號采集處理器和一個CT圖像重構軟件模塊構成，X射線成像探測器與X射線源對稱分布在旋轉載物平臺兩邊，X射線成像探測器的結構組合順序是X射線可見光轉換材料涂層板一光纖光錘或透鏡光導一面CXD探測器。X射線可見光轉換材料涂層板可以通過在石英玻璃平板或光纖面板上鍍X射線轉換成可見光的材料來實現，鍍膜材料可以是碘化銫、碘化鈉或其他可以將X射線轉換成可見光的材料。所述的X射線成像單元，由I個X射線成像探測器、一個X射線源、一個多通道信號采集處理器和一個X射線平面投影成像軟件模塊構成，X射線成像探測器與X射線源對稱分布在旋轉載物平臺兩邊，X射線成像探測器的結構組合順序是X射線可見光轉換材料涂層板一光纖光錘或透鏡光導一面CXD探測器。本發明由于采取以上設計，具有以下優點I、本發明提供了一種光纖光錘或透鏡光導高變倍比例傳光成像方法，使PET核素成像、X射線成像和CT成像的分辨率達到50um或更高，系統結構簡單，實現容易。
2、本發明中設置了一種多模混合的小動物在體成像檢測系統裝置結構，可以同時從核素(PET)成像、CT成像和X射線成像等多個模式進行復合檢測，充分發揮他們各自的優勢，得到一個完整、全面的在體分子影像圖像，解決目前單模式檢測分辨率不高、定位不準確、只能進行單一的結構成像或功能成像等技術難題。3、本發明中采用旋轉載物平臺的在體成像檢測系統裝置結構，與通常的固定載物平臺成像檢測方案相比，可以實現360度全景范圍內的掃描成像，能夠從不同角度或多個角度獲得測試樣本在體的平面圖像、斷層圖像和三維重建圖像，無視場死角。可以通過多個角度交叉定位獲得樣本體內發光組織或器官或細胞或基因蛋白分子的準確位置，解決單模式或單方向成像無法對漫射物體內部進行準確定位的技術難題。4、本發明中采用360度旋轉掃描檢測方法，PET核素成像只需要使用一組雙極對稱探測器就可實現測試樣本的360度全景PET三維成像，CT成像也只需要使用I個X射線成像探測器和一個X射線源就可實現測試樣本的360度全景CT三維成像，X射線成像只需要使用I個X射線成像探測器和一個X射線源同樣可以實現測試樣本的360度全景X射線透視成像。


圖I是本發明的高分辨率在體多模信息融合成像系統的結構示意圖；圖2是本發明的旋轉平臺的結構示意圖；圖3是本發明的光纖光錘傳光PET成像探測的結構示意圖；圖4是本發明的透鏡光導傳光X射線成像探測的結構示意圖；圖5是本發明的多模融合在體成像圖像處理顯示軟件的功能示意圖。
具體實施例方式為了實現X光透視、CT、PET多模信息融合的高分辨率在體成像，本發明發展了一種光纖光錘或透鏡光導進行精細空間分割與局域變頻濾波處理方法，并設計了一種高分辨率在體多模成像檢測系統，將X光透視、CT和PET的在體成像分辨率提高到50微米或更高分辨率。本發明的高分辨率在體多模信息融合成像檢測系統的實施例如圖I所示，包含一個PET核素成像單元(11，12)，一個X射線成像單元(14，15)，一個CT成像單元(13，16)，一個放置測試樣本的旋轉載物平臺(00)，一個多軸運動控制器(17)，一個多通道信號采集處理器(18)，一個連接多軸運動控制器和多通道處理器的計算機(19)，以及一個安裝在計算機上的多模融合在體成像的圖像處理顯示軟件。以旋轉載物平臺中放置的測試樣本(01)為中心，PET核素成像單元、CT成像單元、X射線成像單元分布在該旋轉載物平臺的四周(可以在同一個平面內，也可以不在同一個平面內)，共用一個多通道信號采集處理器。麻醉氣體罩(02)將與外界麻醉氣體產生設備相連,提供適量的麻醉氣體,保持活動物處于暈睡靜止狀態，便于成像檢測實驗。多模融合在體成像圖像處理顯示軟件安裝在計算機(19)上，軟件主要功能包括PET核素放射圖像重建軟件模塊、CT圖像重建軟件模塊、X射線成像軟件模塊、圖像融合分析處理模塊和圖像顯示模塊，可以自動接收多通道信號采集處理器(18)傳輸的圖像，進行三維圖像重建處理與圖像融合顯示。
旋轉載物平臺(00)的組成結構實施例如圖2所示,包含一個旋轉載物臺底座
(03)、一個旋轉載物臺溫控板(04)、一個旋轉電機(05)、一個升降電機(06)和升降機構
(07)、一個帶麻醉氣體通入口的麻醉氣體罩(02)以及一個測試樣本(01)。旋轉載物平臺
(00)的旋轉定位精度> O. I度，升降定位精度> 5微米，升降運動行程范圍O — 500_，恒溫控制精度> O. I度，溫度可變化范圍O — 50度。測試樣本(01)固定在旋轉載物平臺(00)的中心，能隨旋轉載物平臺在360度范圍內做精密旋轉運動和升降運動。溫控板可以安裝在旋轉載物臺底座的上方，也可以安裝在旋轉載物臺底座的下方或側面。旋轉載物平臺可以裝載多種測試樣本，包括小動物，模式生物，或其他有生命和無生命的被測對象。多軸運動控制器(17)，包含有2個或以上電機的驅動控制功能，可以按照計算機
(19)的控制指令操作管理旋轉載物平臺(00)的旋轉運動或升降運動，電機可以是步進電機 或直流電機或侍服電機或直線電機。多通道信號采集處理器(18)包含有2個或以上信號 采集通道，兼有信號濾波、放大、對兩個通道采集信號進行符合處理以及其它常規信號處理功能，能夠對2個PET核素成像探測器(第I個為11，第2個為12)的信號進行符合處理，解析生成PET圖像，還可以并行處理CT成像探測器(13)和X射線成像探測器(14)的圖像，并快速上傳給計算機(19 )。PET核素成像單元，由2個核素成像探測器(第I個為11，第2個為12)、一個多通道信號采集處理器(18)和一個核素放射圖像重構軟件模塊構成，2個核素成像探測器對稱分布在旋轉載物平臺兩邊。在本發明的高分辨率在體多模成像檢測系統的PET成像探測模式下，旋轉載物平臺中放置的測試樣本(01)經過核素標記后產生高能射線，被正對的2個PET核素成像探測器(11，12)接收，由一個多通道信號采集處理器(18)進行符合處理后輸入計算機(19)，最后由計算機上的核素放射圖像重構軟件模塊重建成三維圖像。PET核素成像探測器的組成結構實施例如圖3所示，包括一個光子晶體(21)、一個光纖光錘(22)和一個面CXD探測器(23)，結構組合順序是光子晶體(21)—光纖光錘(22)—面CXD探測器
(23)。光子晶體將測試樣本發出的高能射線轉換成熒光，然后由光纖光錘進行高比例(5 I倍或以上)壓縮，并成像在面CCD探測器上，面CCD探測器進行光電轉換成模擬或數字信號，傳輸給多通道信號采集處理器，最后由計算機重建成三維圖像。光子晶體可以采用BG0、LYS0.NaI.LS0和GSO或其他可以將高能射線轉換成可見光的材料，制作成片狀，兩面拋光；還能采用在石英玻璃平板或光纖面板上鍍高能射線轉換成可見光的材料來替代。CT成像單元，包括第I個X射線成像探測器(13)、第I個X射線源(16)、一個多通道信號采集處理器(18 )和一個CT圖像重構軟件模塊構成，X射線成像探測器(13 )與X射線源(16)對稱分布在旋轉載物平臺兩邊。在本發明的高分辨率在體多模成像檢測系統的CT成像探測模式下，X射線源(16)產生的X射線照射旋轉載物平臺中放置的測試樣本(01)，將測試樣本(01)的透視圖像投射在X射線探測器(13)上，通過X射線探測器(13)轉換為模擬或數字信號，由多通道信號采集處理器(18)處理后輸入計算機(19)，最后由計算機上的CT圖像重構軟件模塊重建成三維圖像。X射線探測器的組成結構如圖4所示，結構組合順序是X射線可見光轉換材料涂層板(31)—透鏡光導(32)—面CXD探測器(33)。X射線可見光轉換材料涂層板可以通過在石英玻璃(或普通光學玻璃或玻璃鋼)平板或光纖面板上鍍 X射線轉換成可見光的材料來實現，鍍膜材料可以是碘化銫、碘化鈉或其他可以將X射線轉換成可見光的材料。
X射線成像單元，包括第2個X射線成像探測器(14)、第2個X射線源(15)、一個多通道信號采集處理器(18)和一個X射線成像軟件模塊構成，X射線成像探測器(14)與X射線源(15)對稱分布在旋轉載物平臺兩邊。在本發明的高分辨率在體多模成像檢測系統的X射線成像探測模式下，X射線源(15)產生的X射線照射旋轉載物平臺中放置的測試樣本(01)，將測試樣本(01)的透視圖像投射在X射線探測器(14)上，通過X射線探測器(14)轉換為模擬或數字信號，由多通道信號采集處理器(18)處理后輸入計算機(19)，最后由計算機上的X射線成像軟件模塊重建成X射線透視圖像。X射線探測器的組成結構實施例如圖4所示，結構組合順序是X射線可見光轉換材料涂層板(31)—透鏡光導(32)—面C⑶探測器(33)。
在本發明的高分辨率在體多模成像檢測系統中，PET核素成像單元、CT成像單元、X射線成像單元可以按照不同的應用要求進行分解成單個模式獨立使用，或任意兩種模式組合在一起使用實現雙模信息融合成像，或三種模式組合在一起并行使用實現三模信息融合成像。在本發明的高分辨率在體多模成像檢測系統中，發展了一種實現X光透視、CT和PET多模融合的高分辨率成像方法，采用光纖光錘或透鏡光導進行精細空間分割與局域變頻濾波處理，將X光透視、CT和PET的在體成像分辨率提高到50微米或更高分辨率(彡5微米)。如實施例之一，采用芯徑154 111光纖，對應像素尺寸為6.454 111\6.454 111的2/3英寸面CXD探測器，經過6. 98:1倍光纖光錘變換，可以實現45 μ m分辨率的在體成像；實施例之二，采用芯徑5 μ m光纖，對應像素尺寸為O. 8 μ mX O. 8 μ m的面CXD探測器，經過6. 25:1倍光纖光錘變換，可以實現5 μ m分辨率的在體成像；實施例之三，采用透鏡光導，設計透鏡光導的物方分辨率> 50微米，經過7. 75:1倍比例變換，就可以在對應像素尺寸為6. 45 μ mX6. 45 μ m的面CXD探測器上實現50 μ m分辨率在體成像；實施例之四，采用芯徑12 μ m光纖，對應像素尺寸為Ιμ ΧΙμπι的面CXD探測器，經過12:1倍光纖光錘變換，可以實現12 μ m分辨率的在體成像；實施例之五，采用芯徑100 μ m光纖，對應像素尺寸為Ιμ ΧΙμπι的面CXD探測器，經過100:1倍光纖光錘變換，可以實現100 μ m分辨率的在體成像。還可以根據實際應用需要，調整光纖的芯徑或透鏡光導的物方分辨率(1000 μ m — I μ m)、壓縮變倍比例(100:1 — 5:1)，實現在1000 μ m — I μ m范圍內任意分辨率的X光透視、CT和PET的單模、雙模和三模融合在體成像。光纖光錘(22)，由多根(> 2)光纖加熱拉制成圓臺狀或棱臺狀，光纖之間進行密光隔離，防止光串擾。光纖光錘可以通過高變倍比例O 5:1)—次拉制成型，也可以采用低變倍比例(〈5:1)光纖光錘多級耦合串連實現合成高變倍比例，光纖光錘多級耦合串連的最佳信息傳輸狀態是相鄰兩級光纖光錘耦合面所對應光纖的芯徑滿足整數倍對應關系，通過拋光耦合面并用環氧樹脂膠合提高光信號傳輸耦合效率；如果放寬要求，光纖光錘多級耦合串連的相鄰兩級光纖光錘耦合面所對應光纖的芯徑也可以是非整數倍對應關系，這樣，成像分辨率或圖像清晰度會有所下降。光纖種類可以是石英光纖或玻璃光纖或液芯光纖。光纖光錘具有高變倍比例成像功能，光纖光錘兩端面分別對應物面和成像面，能將光子晶體(21)產生的光信號清晰成像在面CXD探測器(23)上，如圖3所示。透鏡光導(32)，由一個或多個(> 2)鏡片或非球面鏡組成，并具有一定的光學濾波功能，消除雜散光串擾。透鏡光導還具有高變倍比例O 5:1)光束變換和成像功能，物面與成像面的位置相對固定，分別對應其輸入端面和輸出端面，滿足大視場面CCD成像探測需要，能將X射線可見光轉換材料涂層(31)的光信號清晰成像在面CCD探測器(33)上，如圖4所示。多模融合在體成像圖像處理顯示軟件安裝在計算機(19)上，包括PET核素放射圖像重構軟件模塊，CT圖像重構軟件模塊，X射線成像軟件模塊，圖像融合分析處理模塊和圖像顯示模塊等。軟件工作流程如圖5所示，計算機向多軸運動控制器(17)發出控制指令，旋轉載物平臺(00)根據指令調整測試樣本(01)的升降位置和旋轉角度位置；然后，計算機向多通道信號采集處理器(18)發出信號采集指令，多通道信號采集處理器(18)根據指令要求，控制PET核素成像單元(11，12)、X射線成像單元(14，15)和CT成像單元(13，16)進行信號采集，并上傳給計算機；最后，由計算機根據應用要求，進行數字圖象處理與三維重建，并對圖像進行顯示。在X光透視、CT和PET的在體成像中，相同物面與成像面位置的光纖光錘和透鏡光導可以直接互換使用，對于不同物面與成像面位置的光纖光錘和透鏡光導可以通過調整 光子晶體或X射線可見光轉換材料涂層板與面CCD探測器的位置來進行互換使用，同樣實現50微米或更高分辨率的X光透視、CT和PET在體成像。在圖2實施例的旋轉載物平臺中，還可以增加多軸(> 2)掃描運動功能，實現自由定位測試樣本的感興區域。在本發明的高分辨率多模在體成像檢測系統中，PET核素成像、CT成像、X射線成像可以通過旋轉載物平臺的精密旋轉運動控制，實現360度全景成像，獲得任意角度的平面圖像、斷層圖像和三維重建圖像，無視場死角。通過本發明的旋轉掃描方法、光纖光錘或透鏡光導的精細空間分割與局域變頻濾波處理等創新工作，在PET核素成像檢測模式中，只需要使用一組雙極對稱探測器，可以通過旋轉載物平臺的精密運動控制，實現測試樣本的360度全景PET成像；在CT成像檢測模式中同樣也只需要使用I個X射線成像探測器和一個X射線源，可以通過旋轉載物平臺的精密運動控制，實現測試樣本的360度全景CT成像；在乂射線成像檢測模式中也只需要使用I個X射線成像探測器和一個X射線源，可以通過旋轉載物平臺的精密運動控制，實現測試樣本的360度全景X射線透視成像；此外，CT成像檢測模式和X射線成像檢測模式可以合二為一，使用同一組硬件(I個X射線成像探測器和一個X射線源)，只需要切換不同的軟件模塊就可以分別實現CT成像和X射線透視成像功能。本發明通過上面的設計，其可以達到的具體性能指標如下〈1>、可以實現測試樣本的X光透視、CT和PET多模融合在體成像檢測。〈2>、可以實現360度全景范圍的O. I度精細掃描成像檢測，無視場死角。〈3>、可以實現在體平面成像、斷層成像和三維成像。〈4>、可以實現50微米或更高分辨率的X光透視、CT和PET單模、雙模和三模融合的高分辨率在體成像。〈5>、系統的恒溫控制精度彡O. I度，溫度可變范圍O — 50度。〈6>、還可以根據實際應用需要，調整光纖的芯徑或透鏡光導的物方成像分辨率、壓縮變倍比例，實現在1000 μ m — I μ m范圍內任意分辨率的X光透視、CT和PET的單模、雙模和三模融合在體成像。
權利要求
1.分辨率至少為50 μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于，包含一個放置測試樣本的旋轉載物平臺，一個多通道信號采集處理器，一個多軸運動控制器，一臺計算機，一個CT成像單元，一個PET核素成像單元以及一個X射線成像單元，所述的PET核素成像單元、CT成像單元和X射線成像單元的排布以旋轉載物平臺中的測試樣本為中心，分布在四周，其中 旋轉載物平臺，包含一個旋轉電機，一個旋轉載物臺底座，一個旋轉載物臺溫控板，一個升降電機與升降機構，一個開有麻醉氣體通入口的麻醉氣體罩及一個測試樣本，能在360度范圍內作精密旋轉運動并具有上下升降功能，旋轉定位精度O. I度，升降定位精度5微米，其中 測試樣本，包括小動物，模式生物，或其他有生命和無生命的被測對象，放置在旋轉載物臺溫控板上， 旋轉電機，在旋轉載物臺底座的下方，與旋轉載物臺底座同軸轉動連接， 旋轉載物臺溫控板，固定在旋轉載物臺底座的上方，或安裝在旋轉載物臺底座的下方，這時測試樣本是放置在旋轉載物臺底座上， 升降機構，安裝在旋轉載物臺底座的側面，通過滑塊與升降電機上的絲杠連接，并通過滑塊與旋轉載物臺底座側面連接，由升降電機驅動旋轉載物臺底座上下移動； PET核素成像單元，包含有2個PET核素成像探測器，以測試樣本為中心對稱分布在旋轉載物平臺兩邊，所述PET核素成像探測器由光子晶體、光纖光錘或透鏡光導、面CCD探測器按照光子晶體一光纖光錘或透鏡光導一面CXD探測器的順序組成； CT成像單元，包含有第一個X射線成像探測器和第一個X射線源，以測試樣本為中心對稱分布在旋轉載物平臺兩邊，所述第I個X射線成像探測器由X射線可見光轉換材料涂層板、光纖光錘和面CCD探測器按照X射線可見光轉換材料涂層板一光纖光錘一面CCD探測器的順序組成； X射線成像單元，包含有第二個X射線成像探測器和第二個X射線源，以測試樣本為中心對稱分布在旋轉載物平臺兩邊，所述第2個X射線成像探測器由X射線可見光轉換材料涂層板、透鏡光導和面CCD探測器按照X射線可見光轉換材料涂層板一透鏡光導一面CCD探測器的順序組成； 多通道信號采集處理器，設有2個PET信號采集通道，分別與所述2個PET核素成像探測器的信號輸出端相連，還設有2個X射線信號采集通道，分別與所述2個X射線成像探測器的信號輸出端相連，還設有I個與計算機相連的信號輸出通道，將從2個PET信號采集通道和2個X射線信號采集通道獲得的信號輸入計算機，多通道信號采集處理器至少具有對采集信號進行濾波、放大的功能； 多軸運動控制器，通過一條信號線與計算機相連，接受計算機的運動控制指令，分別對所述旋轉電機、升降電機和2個X射線源進行控制； 計算機，內安裝有多模融合在體成像圖像處理顯示軟件，包括PET核素放射圖像重構軟件模塊，CT圖像重構軟件模塊，X射線平面投影成像軟件模塊，圖像融合分析處理模塊和圖像顯示模塊，其中 PET核素放射圖像重構軟件模塊，根據旋轉載物平臺的不同角度位置，對PET核素探測器采集的測試樣本信號進行重建，生成三維核素放射圖像，CT圖像重構軟件模塊，根據旋轉載物平臺的不同角度位置，對CT成像探測器采集的測試樣本圖像切片進行重建，生成三維CT圖像， X射線平面投影成像軟件模塊，根據旋轉載物平臺的不同角度位置，對X射線成像探測器采集的X射線透視圖像進行重建，生成三維X射線透視圖像， 圖像融合分析處理模塊，實現對每一角度位置的CT切片圖像、PET核素放射圖像和X射線透視圖像進行分析處理和三維重建，生成三維PET、CT和X射線融合圖像， 圖像顯示模塊，實現對CT圖像、PET核素放射圖像和X射線圖像單獨顯示、任意兩模融合宣染后顯示和三模融合宣染后顯示； 計算機內，還安裝有對多軸運動控制器的運動控制指令發送與控制反饋應答的控制管理軟件。
2.根據權利要求I所述的一種分辨率至少為50μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于，采用光纖光錘或透鏡光導進行精細空間分割，將X光透視、CT和PET的在體成像分辨率提高到50微米或更高分辨率，49微米一I微米。
3.根據權利要求I或2所述的一種分辨率至少為50μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于，所述光纖光錘由至少10根光纖組成,光纖光錘兩端直徑具有大于等于5 1的高變倍比例，光纖種類可以是石英光纖或玻璃光纖或液芯光纖，光纖之間進行密光隔離，防止光串擾。
4.根據權利要求I或2或3所述的一種分辨率至少為50μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于，所述光纖光錘的高變倍比例> 5:1，是一次拉制成型，或采用低變倍比例〈5:1的光纖光錘多級耦合串連實現，光纖光錘具有高變倍比例成像功能，光錘兩端面分別對應物面和成像面。
5.根據權利要求I或2所述的一種分辨率至少為50μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于，所述透鏡光導實現大于等于5 :1的高變倍比例光束變換，透鏡光導是單個透鏡或非球面鏡或由多個鏡片或非球面鏡組合的透鏡組。
6.根據權利要求I所述的一種分辨率至少為50μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于所述的光子晶體采用BGO、LYSO、NaI、LSO和GSO或其他可以將高能射線轉換成可見光的材料，制作成片狀，兩面拋光； 所述的光子晶體還采用在石英玻璃，或普通光學玻璃或玻璃鋼平板，或光纖面板上鍍能將高能射線轉換成可見光的材料來替代，鍍膜材料可以是BGO、LYSO、NaI, LSO和GSO或其他將高能射線轉換成可見光的材料中的任何一種。
7.根據權利要求I所述的一種分辨率至少為50μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于，所述的X射線可見光轉換材料涂層板通過在石英玻璃，或普通光學玻璃或玻璃鋼平板，或光纖面板上鍍能將X射線轉換成可見光的材料來實現，鍍膜材料是碘化銫、碘化鈉或其他可以將X射線轉換成可見光的材料中的任何一種。
8.根據權利要求I所述的一種分辨率至少為50μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于，所述PET核素成像探測器和X射線成像探測器中，相同物面與成像面位置的光纖光錘和透鏡光導直接互換使用，對于不同物面與成像面位置的光纖光錘和透鏡光導通過調整光子晶體或X射線可見光轉換材料涂層板與面CCD探測器的位置進行互換使用，同樣實現50微米或更高分辨率的X光透視、CT和PET在體成像。
9.根據權利要求I所述的一種至少為50 μ m的多模在體成像檢測系統，其特征在于，PET核素成像、CT成像、X射線成像通過旋轉載物平臺的精密旋轉運動控制，實現360度全景成像，獲得任意角度的平面圖像、斷層圖像和三維重建圖像，無視場死角； 所述的PET核素成像只需要使用一組雙極對稱探測器，通過旋轉載物平臺的精密旋轉運動，實現測試樣本的360度全景PET三維成像； 所述的CT成像只需要使用I個X射線成像探測器和一個X射線源，通過旋轉載物平臺的精密旋轉運動，實現測試樣本的360度全景CT三維成像； 所述的X射線成像只需要使用I個X射線成像探測器和一個X射線源，通過旋轉載物平臺的精密旋轉運動，實現測試樣本的360度全景X射線透視三維成像。
全文摘要
分辨率至少為50μm的多模在體成像系統屬于在體檢測技術領域，其特征在于，包括一個PET核素成像單元、一個X射線成像單元、一個CT成像單元、一個放置測試樣本的旋轉載物平臺，一個多軸運動控制器，一個多通道信號采集處理器，一個連接多軸運動控制器和多通道信號采集處理器的計算機，以及一個多模融合在體成像的圖像處理顯示軟件。與國際上其他在體成像檢測儀器相比，本發明具有高分辨率、多模融合和360度全景掃描成像等特點，而且其結構靈巧，成本低廉，可以廣泛應用于包括人體醫學影像、小動物分子成像檢測在內的在體成像應用中。
文檔編號A61B6/00GK102871679SQ201210353038
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者黃國亮, 白凈, 趙松敏, 王同舟, 黎新 申請人:清華大學