熒光散射光學成像系統及方法

熒光散射光學成像系統及方法
【專利摘要】本發明提供一種熒光散射光學成像系統及方法，該系統包括：激光器、微位移臺、載物臺、至少一個平面反光鏡、濾光片、CCD相機及處理器；該激光器的光纖頭搭載在該微位移臺上；該平面反光鏡的反射面朝向該載物臺上的待測物；該微位移臺及該CCD相機與該處理器電連接；該微位移臺用于根據該處理器的控制信號在二維平面移動；該激光器用于掃描內置熒光物質的待測物的待測區以激發熒光；該CCD相機用于直接及基于該平面反光鏡的反射獲取熒光圖像及激光圖像；該處理器用于獲取CCD相機的位置信息、光纖頭的位置信息、平面反光鏡的位置信息、待測物的CT圖像或MRI圖像、該熒光圖像及激光圖像，生成待測區的三維熒光圖像。本發明能夠提高成像質量且簡化系統結構。
【專利說明】
熒光散射光學成像系統及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及醫學成像技術領域，尤其涉及一種熒光散射光學成像系統及方法。
【背景技術】
[0002] 焚光散射光學斷層成像技術(Fluorescence Diffuse Optical Tomography， FDOT)的工作原理是，事先在小動物體內植入腫瘤和相應靶向熒光試劑，使用激光在小動物 所在區域的某一平面內掃描，熒光試劑受激光激發，發射近紅外光，之后通過檢測器獲得激 發光的圖片，最后通過三維重建確定腫瘤在動物體內的位置和分布情況。與核磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging，MRI)、計算機斷層掃描成像（Computed Tomography，CT)、 正電子斷層顯像(Positron Emission Tomography，PET)相比，FDOT成像具有造價低、易操 作、無輻射等優點，常用于小動物活體成像。
[0003] 現有研究表明FD0T與PET相結合的ro〇T/PET雙模態成像可提供實驗物體不同的生 理功能進程相關信息。這種組合可有助于提高在給定時間點所提供的分子水平信息。比較 兩種模態成像系統特征，pet系統臺架可從各個可能的角度記錄采集信號。但是，這種ro〇T/ PET雙模態成像系統結構復雜，造價高。
[0004] 現有單角度成像的FD0T系統中，COKCharge-coupled Device，電荷親合元件）相 機是固定在待測物的頂部，激發光源在CCD相機的正對面執行平面掃描，因而現有常見的 ro〇T系統呈單角度成像采集結構。與PET相比，單角度成像的ro〇T系統的采集模態少，采集 信息量少，采集周期長，且重建難度較大。另外，單角度采集圖像使得ro〇T成像沿光源-CCD 相機連線方向呈縱向斷層成像劣質化。在通常情況下，圖像采集系統的幾何架構會進而影 響輸出圖像的重建質量。

【發明內容】

[0005] 本發明提供一種熒光散射光學成像系統及方法，以提高熒光散射光學斷層成像質 量，縮短成像時間。
[0006] 本發明提供一種熒光散射光學成像系統，包括:激光器、微位移臺、載物臺、至少一 個平面反光鏡、濾光片、CCD相機及處理器;所述激光器的光纖頭搭載在所述微位移臺上;所 述平面反光鏡的反射面朝向所述載物臺上的待測物;所述微位移臺及所述CCD相機分別與 所述處理器電連接;所述微位移臺用于根據所述處理器的控制信號于所述載物臺下方的設 定平面區域內移動;所述激光器用于掃描內置熒光物質的所述待測物的待測區以激發出熒 光;所述CCD相機用于從所述載物臺上方獲取熒光圖像及激光圖像，獲取方式包括:直接從 待測物采集以及基于所述平面反光鏡的反射采集;所述處理器用于獲取CCD相機的位置信 息、光纖頭的位置信息、平面反光鏡的位置信息、待測物的CT圖像或MRI圖像、所述熒光圖像 及激光圖像，并籍此生成所述待測區的三維熒光圖像。
[0007] -個實施例中，所述平面反光鏡的一邊緣貼合于所述載物臺上。
[0008] -個實施例中，所述系統包括兩個所述平面反光鏡;兩個所述平面反光鏡各自與 所述載物臺貼合的邊相互平行，且兩個所述平面反光鏡與所述載物臺的夾角大小相同。
[0009] 一個實施例中，所述濾光片包括用于濾除熒光的熒光濾光片和用于濾除激光的激 光濾光片;所述焚光濾光片為488nm窄帶通濾光片，所述激光濾光片為600nm以上長通濾波 片。
[0010] 本發明還提供一種熒光散射光學成像方法，包括:微位移臺根據處理器的控制信 號帶動搭載其上的激光器的光纖頭于載物臺下方的設定平面區域內移動;所述激光器對待 測物的待測區進行二維激光掃描以誘導所述待測區內的熒光物質發出熒光;CCD相機從所 述載物臺上方采集復合熒光圖像及復合激光圖像，采集方式包括:直接從待測物進行采集 以及基于所述平面反光鏡的反射進行采集;處理器獲取CCD相機的位置信息、光纖頭的位置 信息、平面反光鏡的位置信息、待測物的CT圖像或MRI圖像、所述復合熒光圖像及復合激光 圖像，并籍此生成所述待測區的三維熒光圖像。
[0011] -個實施例中，處理器獲取CCD相機的位置信息、光纖頭的位置信息、平面反光鏡 的位置信息、待測物的CT圖像或MRI圖像、所述復合熒光圖像及復合激光圖像，并籍此生成 所述待測區的三維熒光圖像，包括:將所述復合激光圖像及復合熒光圖像分別剪裁成多個 單幅激光圖像及多個單幅熒光圖像;根據所述光纖頭的位置信息、所述CCD相機的位置信 息、所述平面反光鏡的位置信息、所述待測物的CT或MRI圖像、所述單幅激光圖像及所述單 幅熒光圖像，通過三維重建軟件生成所述待測區的三維熒光圖像。
[0012] -個實施例中，該方法還包括:在所述CCD相機前設置熒光濾光片濾除所述熒光物 質發出的熒光;CCD相機從所述載物臺上方采集復合激光圖像，包括:所述CCD相機直接采集 由所述激光器光纖頭出射并穿過所述待測物的激光，生成第一激光圖像，同時采集穿過所 述待測物并經所述平面反光鏡反射的激光，生成第二激光圖像，所述第一激光圖像及第二 激光圖像構成所述復合激光圖像。
[0013] -個實施例中，該方法還包括:在所述CCD相機前設置激光濾光片濾除所述激光器 光纖頭出射的激光;CCD相機從所述載物臺上方采集復合熒光圖像，包括:所述CCD相機直接 采集由所述待測區內的熒光物質發出的熒光，生成第一熒光圖像，同時采集所述待測區內 的熒光物質發出的且經所述平面反光鏡的反射的熒光，生成第二熒光圖像，所述第一熒光 圖像及第二熒光圖像構成所述復合熒光圖像。
[0014] -個實施例中，根據所述光纖頭的位置信息、所述CCD相機的位置信息、所述平面 反光鏡的位置信息、所述待測物的CT或MRI圖像、所述單幅激光圖像及所述單幅熒光圖像， 通過三維重建軟件生成所述待測區的三維熒光圖像，包括:通過體網格生成軟件對所述CT 圖像或MRI圖像進行網格劃分，生成所述待測區的體表面網格數據;根據所述CCD相機的位 置信息和所述平面反光鏡的位置信息，利用鏡面反射原理計算得到所述平面反光鏡中的 CCD相機像的位置信息;將所述光纖頭的位置信息、所述CCD相機的位置信息、所述CCD相機 像的位置信息、所述單幅激光圖像、所述單幅熒光圖像及所述體表面網格數據輸入至所述 三維重建軟件中，計算得到所述三維熒光圖像。
[0015] -個實施例中，將所述光纖頭的位置信息、所述CCD相機的位置信息、所述CCD相機 像的位置信息、所述單幅激光圖像、所述單幅熒光圖像及所述體表面網格數據輸入至所述 三維重建軟件中，計算得到所述三維熒光圖像，包括:將所述激光圖像和所述熒光圖像縮放 匹配至所述待測區的實際尺寸；將縮放匹配后的所述激光圖像、縮放匹配后的所述熒光圖 像、所述光纖頭的位置信息、所述CCD相機的位置信息、所述CCD相機像的位置信息及所述體 表面網格數據輸入至所述三維重建軟件中，計算得到所述三維熒光圖像。
[0016] -個實施例中，所述平面反光鏡的一邊貼合于所述載物臺上;將所述復合激光圖 像及復合熒光圖像分別剪裁成多個單幅激光圖像及多個單幅熒光圖像，包括:沿所述平面 反光鏡所在平面與所述載物臺所在平面的交線將所述復合激光圖像剪裁成多個所述單幅 激光圖像;沿所述平面反光鏡所在平面與所述載物臺所在平面的交線將所述復合熒光圖像 剪裁成多個所述單幅熒光圖像。
[0017] 本發明實施例的熒光散射光學成像系統及方法，通過平面反光鏡反射激光和熒 光，可以從不同于真實CCD相機的角度采集從待測物出來的激光和熒光，從而獲得更豐富的 待測物的二維熒光圖像和二維激光圖像信息，據此可以提高圖像重建精度，提高重建信號 的強度，可以得到成像質量比現有單角度ro〇T系統成像質量更高的三維熒光圖像。本發明 實施例的成像系統只需一個真實CCD相機就可以實現多角度拍攝，與多角度成像的ro〇T系 統相比，具有設備造價低的優點，而且真實CCD相機和至少一個CCD相機像同時拍攝待測物 的激光圖像及熒光圖像，本發明的成系統的成像速度更快。
【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：
[0019] 圖1是本發明一實施例的熒光散射光學成像系統的結構示意圖；
[0020] 圖2是本發明一實施例中CCD相機在平面反光鏡中成像的示意圖；
[0021] 圖3是圖1所示熒光散射光學成像系統所生成的復合熒光圖像及剪裁示意圖；
[0022] 圖4是本發明一實施例中平面反光鏡的位置設置示意圖；
[0023] 圖5是本發明一實施例的熒光散射光學成像方法的流程示意圖；
[0024] 圖6是本發明一實施例中三維熒光圖像成像的方法流程示意圖；
[0025] 圖7是本發明一實施例中將復合圖像剪裁成單幅圖像的方法的流程示意圖；
[0026] 圖8是本發明一實施例中三維熒光圖像成像的方法流程示意圖；
[0027] 圖9是本發明一實施例中進行三維熒光圖像成像的方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合附圖對本發 明實施例做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，但并 不作為對本發明的限定。
[0029] 現有的單角度成像的ro〇T系統具有造價低、無輻射等優點，但又存在采集模態少、 采集信息量少、重建難度大及成質量縱向劣化等缺點。為了利用當前ro〇T系統的優點，發明 人考慮到現有ro〇T系統的幾何架構對其輸出圖像質量的影響，經過創造性的勞動對現有單 角度成像的FD0T系統的幾何架構進行改進，以在保證成像速度的同時提高成像質量。
[0030] 圖1是本發明一實施例的熒光散射光學成像系統的結構示意圖。如圖1所示，本發 明實施例的熒光散射光學成像系統可包括:激光器101、微位移臺102、載物臺103、至少一個 平面反光鏡104、濾光片105、C⑶相機106及處理器107。激光器101的光纖頭搭載在微位移臺 102上。平面反光鏡104的反射面朝向載物臺103上的待測物。微位移臺102及CCD相機103分 別與處理器107電連接。
[0031]激光器101用于掃描內置熒光物質的待測物的待測區以激發出熒光。該待測物可 以是活體小動物，該待測區可以是小動物的組織或器官，例如腫瘤區域。該激光器101發出 的激光可以是近紅外激光。如圖1所示，激光器101由下至上發射激光，該激光誘導載物臺 103上的待測物內的熒光物質發出熒光，該激光和該熒光均可被CCD相機106接收。在其他實 施例中，激光器101可以從由上到下照射待測物，相應地，(XD相機106可以在待測物的下方 接收激光和熒光。
[0032]微位移臺102用于根據處理器107的控制信號于載物臺103下方的設定平面區域內 移動。在微位移臺102的帶動下，例如將光纖頭夾持在微位移臺上，激光器101的光纖頭可以 在xy平面內沿設定路徑移動，以進行二維激光掃描。例如，激光掃描的位置可以是沿x軸每 隔一設定距離移動一個位置，共移動N次，沿y軸每隔一設定距離移動一個位置，共移動N次， 形成激光的（N+1MN+1)陣列。再例如，激光掃描的可以是以某一設定點為圓心，沿著圓周 方向每隔一設定角度移動一個位置，移動M次，形成激光陣列。
[0033] 由于上述的激光和熒光兩種光通常同時存在，所以在單獨采集激光圖像或單獨采 集熒光圖像時，需要利用濾光片105濾除不需要的光后再由CCD相機106進行采集。濾光片 10 5可包括用于濾除熒光的熒光濾光片和用于濾除激光的激光濾光片。該熒光濾光片可為 488nm窄帶通濾光片，可只讓C⑶相機106采集到488nm的光線，適用于采集相應波長的激光。 該激光濾光片可為600nm以上長通濾波片，可只讓(XD相機106采集到600nm以上的光線，而 由于在488nm激光的激發下，待測物通常可發出600~700nm的焚光，所以該600nm以上長通 濾波片能夠較好地采集熒光。
[0034] (XD相機106用于從載物臺103上方獲取熒光圖像及激光圖像，獲取方式包括:直接 從待測物采集以及基于平面反光鏡104的反射采集。其中，利用直接從待測物采集的方式采 集熒光圖像及激光圖像時，激光和熒光不經過平面反光鏡104,具體地，穿過待測物的激光 直接進入CCD相機106,由待測物內熒光物質發出的熒光直接進入CCD相機106。兩種采集方 式的根本區別在于直接從待測物采集時從待測物出來的激光和熒光后續傳播至CCD相機 106的路徑未被改變，所以本發明并不限定直接從待測物采集圖像時待測物和CCD相機106 之間具有其他不改變光路的元件。
[0035] 一個實施例中，CCD相機106可以是電子倍增CCD(Electron-Multiplying CCD， EMCCD)相機或液體制冷CCD，可以具有更加的圖像采集效果。
[0036] 處理器107用于獲取CCD相機106的位置信息、激光器101的光纖頭的位置信息、平 面反光鏡104的位置信息、載物臺103上待測物的CT圖像或MRI圖像、熒光圖像及激光圖像， 并籍此生成上述待測區的三維熒光圖像。處理器107可以是各種能夠根據上述輸入的信息 計算得到上述三維熒光圖像的設備，例如計算機。平面反光鏡104的位置信息可以通過人工 手動輸入至處理器107。利用平面反光鏡104的位置信息和CCD相機106的位置信息可以計算 得到CCD相機106在平面反光鏡104中的CCD相機像的位置信息，利用CCD相機像的位置信息 可以用于計算得到待測物的待測區的三維熒光圖像。載物臺103上待測物的CT圖像或MRI圖 像可以是待測物的待測區的三維圖像，可以預先通過相應的設備采集得到。
[0037] 圖2是本發明一實施例中CCD相機在平面反光鏡中成像的示意圖。如圖2所示，平面 反光鏡104用于將激光和熒光反射至真實的C⑶相機106,以形成(XD相機像106a、106b，并從 不同于該真實的CCD相機106的拍攝角度的CCD相機像106a、106b的拍攝角度拍攝待測區的 二維激光圖像和二維熒光圖像兩種圖像。由圖2可清楚得知，CCD相機106在每個平面反光鏡 104中可以成一個CCD相機像。在設置有多個平面反光鏡104的熒光散射光學成像系統中，可 以相應地成多個CCD相機像，各個CCD相機像從載物臺103上待測物的待測區采集熒光及激 光的角度可不同，從而通過上述CCD相機106和各個CCD相機像可以得到至少從兩個不同角 度拍攝的待測區的二維熒光圖像及二維激光圖像。
[0038] 如圖1和圖2所示，該系統中設置有兩個平面反光鏡104,這樣的構造就相當于三個 相同光學特性的C⑶相機(物體頂部真實的(XD相機106和物體左側虛擬的(XD相機106b和右 側虛擬的CCD相機106a)，同時在三個位置來記錄物體內發出的熒光信號。與現有的多角度 ro〇T系統相比，通過平面反光鏡形成的多角度成像系統在大幅簡化系統結構的同時，由于 保留了原單角度系統結構，因此仍然可以適用于常規的FD0T圖像采集方案，適用范圍廣。
[0039] 本發明實施例的熒光散射光學成像系統中可只有一個真實的CCD相機106,如此一 來，各個二維熒光圖像會在一幅復合熒光圖像上，各個二維激光圖像會在一幅復合激光圖 像上。
[0040] 圖3是圖1所示熒光散射光學成像系統所生成的復合熒光圖像及剪裁示意圖。如圖 1和圖3所示，該實施例的熒光散射光學成像系統中設置有兩個平面反光鏡104,通過設置在 小鼠兩側的兩個平面反光鏡106,可以得到一幅包含三幅二維熒光圖像的復合熒光圖像 200。該復合熒光圖像200包含，載物臺103上小鼠（待測物）的頂部的CCD相機106拍攝到小鼠 頂部的熒光圖像201，及CCD相機106在兩個平面反光鏡106中的CCD相機像分別拍攝到小鼠 側面的熒光圖像202和203。
[0041] 圖4是本發明一實施例中平面反光鏡的位置設置示意圖。如圖4所示，平面反光鏡 104可以以多種方式設置，可位于各種位置，其與水平面的夾角（例如夾角a、P)可以為各種 角度，平面反光鏡104與待測物之間的距離L可以是各種數值，只要平面反光鏡104能夠將來 自待測物的待測區的激光和熒光反射至CCD相機106即可。
[0042] -個實施例中，平面反光鏡104可以設置在載物臺103上，具體地，可使平面反光鏡 104的一邊緣貼合于載物臺103上，如此一來，平面反光鏡104設置方便，且可以采集到待測 物側面的圖像。
[0043] -個實施例中，該熒光散射光學成像系統可包括兩個平面反光鏡104。這兩個平面 反光鏡104各自與載物臺103貼合的邊可相互平行，即兩個平面反光鏡104所在平面各自與 載物臺103所在平面的交線可相互平行。這兩個平面反光鏡104與載物臺103的夾角大小可 相同，即在平面反光鏡104朝向上述待測物的情況下，這兩個平面反光鏡104所在平面與載 物臺103所在平面的夾角大小可相同。如圖1所示，兩個平面反光鏡104與載物臺103的夾角a 和0的大小可相同，在其他實施例中，夾角a和0的大小可不同。夾角a、0的大小可以為多種取 值，發明人通過計算CCD相機106在平面反光鏡104中CCD相機像的拍攝角度后發現，較佳地， 夾角a、f3的大小在30°~40°范圍，如此一來，可以獲取較多的待測物的圖像信息。
[0044] 本發明實施例的熒光散射光學成像系統，通過平面反光鏡反射激光和熒光，可以 從不同于真實CCD相機的角度采集從待測物出來的激光和熒光，從而獲得更豐富的待測物 的二維熒光圖像和二維激光圖像信息，據此可以得到成像質量比現有單角度ro〇T系統成像 質量更高的三維熒光圖像。本發明實施例的成像系統只需一個真實CCD相機就可以實現多 角度拍攝，與多角度成像的ro〇T系統相比，具有設備造價低的優點，而且真實CCD相機和至 少一個CCD相機像同時拍攝待測物的激光圖像及熒光圖像，本發明的成系統的成像速度更 快。
[0045] 基于與圖1所示的熒光散射光學成像系統相同的發明構思，本申請實施例還提供 了 一種熒光散射光學成像方法，如下面實施例所述。由于該熒光散射光學成像方法解決問 題的原理與熒光散射光學成像系統相似，因此該熒光散射光學成像方法的實施可以參見熒 光散射光學成像系統的實施，重復之處不再贅述。
[0046] 圖5是本發明一實施例的熒光散射光學成像方法的流程示意圖。如圖5所示，本發 明實施例的熒光散射光學成像方法，可包括步驟：
[0047] S310:微位移臺根據處理器的控制信號帶動搭載其上的激光器的光纖頭于載物臺 下方的設定平面區域內移動；
[0048] S320:上述激光器對待測物的待測區進行二維激光掃描以誘導上述待測區內的熒 光物質發出熒光；
[0049] S330:CCD相機從上述載物臺上方采集復合熒光圖像及復合激光圖像，采集方式包 括:直接從待測物進行采集以及基于上述平面反光鏡的反射進行采集；
[0050] S340:處理器獲取CCD相機的位置信息、光纖頭的位置信息、平面反光鏡的位置信 息、待測物的CT圖像或MRI圖像、上述復合熒光圖像及復合激光圖像，并籍此生成上述待測 區的三維熒光圖像。
[0051] 在上述步驟S310中，在微位移臺的帶動下，例如將光纖頭夾持在微位移臺上，激光 器的光纖頭可以在設定二維平面內沿設定路徑移動，以進行二維激光掃描。例如，如上所 述，激光掃描的位置可以是沿x軸每隔一設定距離移動一個位置，共移動N次，沿y軸每隔一 設定距離移動一個位置，共移動N次，形成激光的（N+1MN+1)陣列。再例如，激光掃描的可 以是以某一設定點為圓心，沿著圓周方向每隔一設定角度移動一個位置，移動M次，形成激 光陣列。該激光器發出的激光可以是近紅外激光。
[0052] 在上述步驟S320中，該待測物可以是活體小動物，該待測區可以是小動物的組織 或器官，例如腫瘤區域。例如采用波長為488nm的激光照射待測物，待測物內的熒光物質可 以發出600~700nm的熒光。
[0053]在上述步驟S330中，利用直接從待測物采集的方式采集復合熒光圖像及復合激光 圖像時，激光和熒光不經過平面反光鏡反射，具體地，穿過待測物的激光直接進入CCD相機， 由待測物內熒光物質發出的熒光直接進入CCD相機。兩種采集方式的根本區別在于直接從 待測物采集時從待測物出來的激光和熒光后續傳播至CCD相機的路徑未被改變。其中，復合 激光圖像中可包括多幅二維激光圖像，復合熒光圖像中可包括多幅二維熒光圖像，如圖3所 示，復合熒光圖像200包括三幅二維熒光圖像201、202及203。
[0054]在上述步驟S340中，該待測物的CT圖像或MRI圖像可以是待測物的待測區的三維 圖像，可以預先通過相應的設備采集得到。
[0055]本發明實施例中，FD0T成像系統所采集的圖像可與CT圖像融合，或與MRI圖像融 合，以便使roOT所提供的功能圖像可以在與CT圖像或MRI圖像進行比較和處理的過程中，借 助由CT圖像或MRI圖像所提供的空間結構而更直觀準確地被呈現出來。
[0056]本發明實施例的熒光散射光學成像系統通過平面反光鏡反射激光和熒光，可以從 不同于真實CCD相機的角度采集從待測物出來的激光和熒光，從而獲得更豐富的待測物的 二維熒光圖像和二維激光圖像信息，據此可以得到成像質量比現有單角度ro〇T系統成像質 量更高的三維熒光圖像。
[0057]圖6是本發明一實施例中三維熒光圖像成像的方法流程示意圖。如圖6所示，在上 述步驟S340中，處理器獲取CCD相機的位置信息、光纖頭的位置信息、平面反光鏡的位置信 息、待測物的CT圖像或MRI圖像、上述復合熒光圖像及復合激光圖像，并籍此生成上述待測 區的三維熒光圖像的方法，可包括步驟：
[0058] S341:將上述復合激光圖像及復合熒光圖像分別剪裁成多個單幅激光圖像及多個 單幅熒光圖像；
[0059] S342:根據上述光纖頭的位置信息、上述CCD相機的位置信息、上述平面反光鏡的 位置信息、上述待測物的CT或MRI圖像、上述單幅激光圖像及上述單幅熒光圖像，通過三維 重建軟件生成上述待測區的三維熒光圖像。
[0060] 在上述步驟S341中，在微位移臺的帶動下，激光從不同位置點掃描待測物時均采 集CCD圖像，并保存為激光激發的激光圖像序列和熒光圖像序列，則將上述復合激光圖像及 復合熒光圖像分別剪裁成多個單幅激光圖像及多個單幅熒光圖像時，即對上述的激光圖像 序列和熒光圖像序列進行剪裁處理。其中，上述的單幅激光圖像和單幅熒光圖像均可以是 上述待測區的圖像。
[0061] 本實施例中，將復合激光圖像及復合熒光圖像分別剪裁成多個單幅激光圖像及多 個單幅熒光圖像，可僅保留待測區的圖像，生成三維熒光圖像時，可僅對于待測區的圖像進 行重建，無需對非目標成像區域進行重建，有助于節省三維熒光圖像的重建時間，進而提高 成像速度。
[0062] 圖7是本發明一實施例中將復合圖像剪裁成單幅圖像的方法的流程示意圖。上述 平面反光鏡的一邊貼合于上述載物臺上，此時，如圖7所示，在上述步驟S341中，將上述復合 激光圖像及復合熒光圖像分別剪裁成多個單幅激光圖像及多個單幅熒光圖像的方法，可包 括步驟：
[0063] S3411:沿上述平面反光鏡所在平面與上述載物臺所在平面的交線將上述復合激 光圖像剪裁成多個上述單幅激光圖像；
[0064] S3412:沿上述平面反光鏡所在平面與上述載物臺所在平面的交線將上述復合熒 光圖像剪裁成多個上述單幅熒光圖像。
[0065] 本實施例中，沿平面反光鏡所在平面與載物臺所在平面的交線將復合圖像(復合 激光圖像、復合熒光圖像)剪裁成多個單幅圖像(單幅激光圖像、單幅熒光圖像）。一個實施 例中，如圖3所示，沿交線2021、2031將復合熒光圖像200剪裁成三幅單幅熒光圖像201、202 及203。其中，單幅熒光圖像202的剪裁區域2022和單幅熒光圖像203的剪裁區域2032可根據 需要選定，例如，可剪裁出如圖3所示的方形區域2022、2032,再剪裁得到待測物的待測區所 對應的圖像區域，或者，僅通過一次處理就剪裁出待測區的二維的熒光圖像及激光圖像，具 體可視需要進行選擇。
[0066]本實施例中，通過沿平面反光鏡所在平面與載物臺所在平面的交線將復合圖像剪 裁成單幅圖像，可以容易地得到完整的單幅圖像，不易出現剪裁失誤。
[0067]在其他實施例中，利用圖7所示的方法剪裁得到的復合激光圖像和復合熒光圖像， 在用于生成三維熒光圖像之前，還可以進一步將該單幅激光圖像剪裁成上述待測區的激光 圖像，將該單幅熒光圖像剪裁成該待測區的熒光圖像，以減少處理器的數據處理量，提高三 維熒光圖像的成像時間。
[0068] -個實施例中，在上述CCD相機前設置熒光濾光片濾除上述熒光物質發出的熒光， 例如，待測物在488nm下受到激發，發出600-700nm的熒光，首先放置的濾光片為488nm窄帶 通(通帶10nm)的濾光片，只讓(XD采集到488nm的光線。此時，在上述步驟S330中，(XD相機從 上述載物臺上方采集復合激光圖像的方法，可包括步驟：
[0069] S331:上述(XD相機直接采集由上述激光器光纖頭出射并穿過上述待測物的激光， 生成第一激光圖像，同時采集穿過上述待測物并經上述平面反光鏡反射的激光，生成第二 激光圖像，上述第一激光圖像及第二激光圖像構成上述復合激光圖像。
[0070] -個實施例中，在上述CCD相機前設置激光濾光片濾除上述激光器光纖頭出射的 激光，具體地，例如，待測物在488nm下受到激發，發出600-700nm的熒光，更改濾光片為 600nm以上長通的濾光片，使CCD相機采集到熒光圖像。此時，CCD相機從上述載物臺上方采 集復合熒光圖像的方法，可包括步驟：
[0071] S332:上述CCD相機直接采集由上述待測區內的熒光物質發出的熒光，生成第一熒 光圖像，同時采集上述待測區內的熒光物質發出的且經上述平面反光鏡的反射的熒光，生 成第二熒光圖像，上述第一熒光圖像及第二熒光圖像構成上述復合熒光圖像。
[0072] 圖8是本發明一實施例中三維熒光圖像成像的方法流程示意圖。如圖8所示，在上 述步驟S342中，根據上述光纖頭的位置信息、上述CCD相機的位置信息、上述平面反光鏡的 位置信息、上述待測物的CT或MRI圖像、上述單幅激光圖像及上述單幅熒光圖像，通過三維 重建軟件生成上述待測區的三維熒光圖像的方法，可包括步驟：
[0073] S3421:通過體網格生成軟件對上述CT圖像或MRI圖像進行網格劃分，生成上述待 測區的體表面網格數據；
[0074] S3422:根據上述CCD相機的位置信息和上述平面反光鏡的位置信息，利用鏡面反 射原理計算得到上述平面反光鏡中的CCD相機像的位置信息；
[0075] S3423:將上述光纖頭的位置信息、上述CCD相機的位置信息、上述CCD相機像的位 置信息、上述單幅激光圖像、上述單幅熒光圖像及上述體表面網格數據輸入至上述三維重 建軟件中，計算得到上述三維熒光圖像。
[0076]在上述步驟S3421中，體網格生成軟件可以是多種不同網格劃分軟件，例如 iso2mesh軟件。在上述步驟S3421中，三維重建軟件可以是多種不同重建軟件，例如toast軟 件。
[0077]在利用三維重建軟件重建生成三維熒光圖像時，首先，利用有限元基準迭代算法 生成熒光圖像，其中，該基準迭代算法所依據的描述待測區中激發光傳播和散射光的耦合 擴散方程為：
[0078] ▽(￡)、(/)▽歡(，)) - /(?'(，) + .S'(r) = 0，. ( 1)
[0079] V (D,"(r)V,fw(/-))-/./" {r)<pm(r) + (r)^((r) = 0 , 12)
[0080]其中，r表示位置變量，4>x是激發光x的光子密度，4^是散射光m的光子密度， A 4 /如", (r) + //>'))是激發光x的擴散系數，A，1 / 3(M," (r) + //.v (r))是擴散系數， 是激發光x的吸收系數，八"是散射光m的吸收系數，是激發光x的衰減的散射系數，是 散射光m的衰減的散射系數，a是內部反射的邊界相關系數，Sx(r)=S〇S(r- rQ)是激發光x點 源的激勵源項，So表示點源的強度，5 (r-ro)是以位置ro的點源為中心的D irac-de 1 ta函數，n 是邊緣擴散系數，為激發光的吸收系數Av或散射光的吸收系數。
[0081]利用有限元離散關系得到的方程矩陣如公式（1)和(2)所示，進一步得到一系列用 于解決反向問題的等式：
(4) (5)
[0085] 其中，矩陣[Ax,?]的參數和列向量{bx,m}中的項可以用一組空間變化來表示拉格朗 日基礎函數;J x,m是由4>x,m的衍生物在每個邊界觀察節點對于x的雅克比矩陣；Ax是光學和 熒光特性分布更新矢量;I是單位矩陣必可以是一個尺度或對角矩陣;是矩陣Jx,m的轉置 矩陣;x是熒光特性分布矢量，表達了Dx、/\或者是激發光x或散射光m的光子密 度；是被觀察到的激發光x或散射光m的光子密度;是計算得到的激發光x或散射光m 的光子密度。激光圖像和熒光圖像通過式(3)~（5)迭代地求解形成，并從這些屬性大概均 勻初步估算更新光學熒光特性分布。
[0086] 圖9是本發明一實施例中進行三維熒光圖像成像的方法流程示意圖。如圖9所示， 在上述步驟S3423中，將上述光纖頭的位置信息、上述CCD相機的位置信息、上述CCD相機像 的位置信息、上述單幅激光圖像、上述單幅熒光圖像及上述體表面網格數據輸入至上述三 維重建軟件中，計算得到上述三維熒光圖像的方法，可包括步驟：
[0087] S34231:將上述激光圖像和上述熒光圖像縮放匹配至上述待測區的實際尺寸；
[0088] S34232:將縮放匹配后的上述激光圖像、縮放匹配后的上述熒光圖像、上述光纖頭 的位置信息、上述CCD相機的位置信息、上述CCD相機像的位置信息及上述體表面網格數據 輸入至上述三維重建軟件中，計算得到上述三維熒光圖像。
[0089] -個實施例中，熒光散射光學成像方法包括步驟：
[0090] 1)在載物臺上放置需被重建的物體，物體內含有在相應激發光源下能夠激發出熒 光的熒光物質，調整CCD相機的視野至能夠覆蓋整個物體；
[0091] 2)在CCD相機下放上濾光片，濾掉物體發出的熒光。例如物體在488nm激光下受到 激發，發出波長為600-700nm的熒光。首先放置的濾光片為488nm窄帶通(通帶10nm)的濾光 片，只讓(XD采集到488nm的光線。
[0092] 3)操作二維微位移臺，使之按處理器中編好的程序移動，即移動激光光纖頭的位 置，使之在不同的位置發射激光；
[0093] 4)同時在激光不同掃描位置上采集CCD圖像，保存為激光激發的圖像序列；
[0094] 5)更改濾光片，例如物體在488nm激光下受到激發，發出600-700nm的熒光時，可更 改濾光片為600nm以上長通的濾光片，使CCD采集到熒光圖像；
[0095] 6)對CCD相機拍到的復合激光圖像和復合熒光圖像進行剪裁，把正面及兩側的物 體圖像剪裁開，可以平面反光鏡與水平面的交線為分割線進行剪裁。
[0096] 7)掃描物體的CT圖像，并由生成體網格的軟件(例如i so2mesh)生成物體的表面體 網格數據網格mesh;
[0097] 8)把激光圖像和熒光圖像，以及CCD相機(真實的CCD相機和CCD相機在平面反光鏡 中的像)與激光源的位置信息，物體的mesh信息作為重建軟件的輸入信息，通過三維重建軟 件(例如toast)，生成包含熒光分布的三維數據。
[0098] 在步驟8)中，該熒光圖像包括分割得到的物體的正面的熒光圖像和側面的熒光圖 像。具體剪裁步驟可包括:選定物體的某個感興趣區R0I區域，例如小鼠的肺部(例如尺寸為 1.2cm*l.2cm)，將選定R0I區域后的激光圖像、熒光圖像都均與物體的實際尺寸相匹配，然 后剪裁出R0I區域，通過三維重建軟件生成Jacobian矩陣。位置信息包括:(XD的位置信息 (例如CCD相機位置信息為"12 14 40 0 0-1"，依次表示x軸、y軸、z軸的坐標，單位為mm，0 0-1表示CCD是向下采集）、激光源的位置信息（例如激光源位置信息為例如"12 14-5 0 0 1"，依次表示x軸、y軸、z軸的坐標，單位為mm，0 0 1表示激光源向上激發）、mesh信息（即體 表面網格三維坐標，例如為25.595,60.6565,20.565，分別表示1軸、7軸、2軸的坐標），通過 三維重建軟件（例如調用toastMapSolToMesh，toastSolutionMask，IWT2_P0，FD0TAdj0p或 tostQvec等)來重建得到熒光物質在物體中的分布信息，即三維熒光圖像。
[0099] 本發明實施例的熒光散射光學成像方法，通過平面反光鏡反射激光和熒光，可以 從不同于真實CCD相機的角度采集從待測物出來的激光和熒光，從而獲得更豐富的待測物 的二維熒光圖像和二維激光圖像信息，據此可以提高圖像重建精度，提高重建信號的強度， 可以得到成像質量比現有單角度FD0T系統成像質量更高的三維熒光圖像。本發明實施例的 成像系統只需一個真實ccd相機就可以實現多角度拍攝，與多角度成像的ro〇T系統相比，具 有設備造價低的優點，而且真實CCD相機和至少一個CCD相機像同時拍攝待測物的激光圖像 及熒光圖像，本發明的成系統的成像速度更快。
[0100] 在本說明書的描述中，參考術語"一個實施例"、"一個具體實施例"、"一些實施 例"、"例如"、"示例"、"具體示例"、或"一些示例"等的描述意指結合該實施例或示例描述的 具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中， 對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結 構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0101] 本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、系統、或計算機程序 產品。因此，本發明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實 施例的形式。而且，本發明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機 可用存儲介質（包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等）上實施的計算機程序產 品的形式。
[0102] 本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備（系統）、和計算機程序產品的流程 圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流 程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序 指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產 生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用于實 現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
[0103] 這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特 定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指 令裝置的制造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或 多個方框中指定的功能。
[0104] 這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計 算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或 其他可編程設備上執行的指令提供用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一 個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
[0105] 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保 護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本 發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種熒光散射光學成像系統，其特征在于，包括:激光器、微位移臺、載物臺、至少一 個平面反光鏡、濾光片、CCD相機及處理器； 所述激光器的光纖頭搭載在所述微位移臺上;所述平面反光鏡的反射面朝向所述載物 臺上的待測物;所述微位移臺及所述CCD相機分別與所述處理器電連接； 所述微位移臺用于根據所述處理器的控制信號于所述載物臺下方的設定平面區域內 移動； 所述激光器用于掃描內置熒光物質的所述待測物的待測區以激發出熒光； 所述CCD相機用于從所述載物臺上方獲取熒光圖像及激光圖像，獲取方式包括:直接從 待測物采集以及基于所述平面反光鏡的反射采集； 所述處理器用于獲取CCD相機的位置信息、光纖頭的位置信息、平面反光鏡的位置信 息、待測物的CT圖像或MRI圖像、所述熒光圖像及激光圖像，并籍此生成所述待測區的三維 熒光圖像。2. 如權利要求1所述的熒光散射光學成像系統，其特征在于，所述平面反光鏡的一邊緣 貼合于所述載物臺上。3. 如權利要求2所述的熒光散射光學成像系統，其特征在于，所述系統包括兩個所述平 面反光鏡;兩個所述平面反光鏡各自與所述載物臺貼合的邊相互平行，且兩個所述平面反 光鏡與所述載物臺的夾角大小相同。4. 如權利要求1所述的熒光散射光學成像系統，其特征在于，所述濾光片包括用于濾除 焚光的焚光濾光片和用于濾除激光的激光濾光片;所述焚光濾光片為488nm窄帶通濾光片， 所述激光濾光片為600nm以上長通濾波片。5. -種熒光散射光學成像方法，其特征在于，包括： 微位移臺根據處理器的控制信號帶動搭載其上的激光器的光纖頭于載物臺下方的設 定平面區域內移動； 所述激光器對待測物的待測區進行二維激光掃描以誘導所述待測區內的熒光物質發 出熒光； CCD相機從所述載物臺上方采集復合熒光圖像及復合激光圖像，采集方式包括:直接從 待測物進行采集以及基于所述平面反光鏡的反射進行采集； 處理器獲取CCD相機的位置信息、光纖頭的位置信息、平面反光鏡的位置信息、待測物 的CT圖像或MRI圖像、所述復合熒光圖像及復合激光圖像，并籍此生成所述待測區的三維熒 光圖像。6. 如權利要求5所述的焚光散射光學成像方法，其特征在于，處理器獲取CCD相機的位 置信息、光纖頭的位置信息、平面反光鏡的位置信息、待測物的CT圖像或MRI圖像、所述復合 熒光圖像及復合激光圖像，并籍此生成所述待測區的三維熒光圖像，包括： 將所述復合激光圖像及復合熒光圖像分別剪裁成多個單幅激光圖像及多個單幅熒光 圖像； 根據所述光纖頭的位置信息、所述CCD相機的位置信息、所述平面反光鏡的位置信息、 所述待測物的CT或MRI圖像、所述單幅激光圖像及所述單幅熒光圖像，通過三維重建軟件生 成所述待測區的三維熒光圖像。7. 如權利要求5所述的熒光散射光學成像方法，其特征在于，還包括:在所述CCD相機前 設置熒光濾光片濾除所述熒光物質發出的熒光;CCD相機從所述載物臺上方采集復合激光 圖像，包括： 所述CCD相機直接采集由所述激光器光纖頭出射并穿過所述待測物的激光，生成第一 激光圖像，同時采集穿過所述待測物并經所述平面反光鏡反射的激光，生成第二激光圖像， 所述第一激光圖像及第二激光圖像構成所述復合激光圖像。8. 如權利要求5所述的熒光散射光學成像方法，其特征在于，還包括:在所述CCD相機前 設置激光濾光片濾除所述激光器光纖頭出射的激光;CCD相機從所述載物臺上方采集復合 熒光圖像，包括： 所述CCD相機直接采集由所述待測區內的熒光物質發出的熒光，生成第一熒光圖像，同 時采集所述待測區內的熒光物質發出的且經所述平面反光鏡的反射的熒光，生成第二熒光 圖像，所述第一熒光圖像及第二熒光圖像構成所述復合熒光圖像。9. 如權利要求6所述的熒光散射光學成像方法，其特征在于，根據所述光纖頭的位置信 息、所述CCD相機的位置信息、所述平面反光鏡的位置信息、所述待測物的CT或MRI圖像、所 述單幅激光圖像及所述單幅熒光圖像，通過三維重建軟件生成所述待測區的三維熒光圖 像，包括： 通過體網格生成軟件對所述CT圖像或MRI圖像進行網格劃分，生成所述待測區的體表 面網格數據； 根據所述CCD相機的位置信息和所述平面反光鏡的位置信息，利用鏡面反射原理計算 得到所述平面反光鏡中的CCD相機像的位置信息； 將所述光纖頭的位置信息、所述CCD相機的位置信息、所述CCD相機像的位置信息、所述 單幅激光圖像、所述單幅熒光圖像及所述體表面網格數據輸入至所述三維重建軟件中，計 算得到所述三維熒光圖像。10. 如權利要求9所述的熒光散射光學成像方法，其特征在于，將所述光纖頭的位置信 息、所述CCD相機的位置信息、所述CCD相機像的位置信息、所述單幅激光圖像、所述單幅熒 光圖像及所述體表面網格數據輸入至所述三維重建軟件中，計算得到所述三維熒光圖像， 包括： 將所述激光圖像和所述熒光圖像縮放匹配至所述待測區的實際尺寸； 將縮放匹配后的所述激光圖像、縮放匹配后的所述熒光圖像、所述光纖頭的位置信息、 所述CCD相機的位置信息、所述CCD相機像的位置信息及所述體表面網格數據輸入至所述三 維重建軟件中，計算得到所述三維熒光圖像。11. 如權利要求6所述的熒光散射光學成像方法，其特征在于，所述平面反光鏡的一邊 貼合于所述載物臺上； 將所述復合激光圖像及復合熒光圖像分別剪裁成多個單幅激光圖像及多個單幅熒光 圖像，包括： 沿所述平面反光鏡所在平面與所述載物臺所在平面的交線將所述復合激光圖像剪裁 成多個所述單幅激光圖像； 沿所述平面反光鏡所在平面與所述載物臺所在平面的交線將所述復合熒光圖像剪裁 成多個所述單幅熒光圖像。
【文檔編號】A61B5/00GK105873501SQ201680000101
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】陳昳麗, 付楠, 朱艷春, 李榮茂, 余紹德, 陳鳴閩, 謝耀欽
【申請人】中國科學院深圳先進技術研究院