专利名称：一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置及成像方法
技术领域：
本发明属于荧光分子断层成像技术领域，具体涉及一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置及方法。
背景技术：
利用荧光探针的高灵敏度和高特异性，荧光活体成像能够在活体层次上观察分子和细胞级别的生物活动，因而得到了广泛的关注和发展。传统的平面照相的荧光成像方法简单易用，但是受限于光子在生物组织的漫射传播，无法区分来自不同深度的信号。荧光分子断层成像(Fluorescence molecular tomography, FMT)的目标是从表面检测的突光光子来准确定位和定量荧光探针在小动物内部的分布，因而成为了近年来的研究热点。在这种方法中，在一侧，激发光点(某个波长的激光)在小动物表面的不同位置进行扫描。进入小动·物体内的激发光激发小动物体内的荧光团发出荧光。在另一侧，表面出射的荧光和激发光分别被探测器相应检测到。基于在大批量的光源-检测对上获取的原始信号，结合光子传播的数学模型，可以重建出荧光探针三维分布。荧光分子断层成像的性能高度依赖于其相应的图像采集系统的设置。早期的成像系统或者是利用光纤导入和导出光信号(Charge-coupled-device based scannerfor tomography of fluorescent near-infrared probes in turbid media. MedicalPhysics, 2002, 29(5) :803-809),或者是只采集了部分投影角度(A submillimeterresolution fluorescence molecular imaging system for small animal imaging.Medical Physics, 2003, 30 (5), 901-911)的图像，限制了其图像分辨能力。2007年，N. Deliolanis等提出了一种全角度采集的突光分子断层成像方法(Free_spacefluorescence molecular tomography utilizing360 ° geometry projections. OpticsLetters, 2007, 32(4) : 382-384)，能够在360度的角度范围内的多个角度采集图像，提高了光源-检测点对数，获取了更多的有效信息，大幅度改善了 FMT的图像分辨能力。为了简单，成像系统通过固定架将小动物悬挂在一个旋转台上以实现全角度图像采集。然而，这种情况下，小动物并不是处于其自然态，在一些生物学现象的应用上值得商榷。同时，小动物的悬挂复杂耗时，降低了系统的成像通量。另外，为了避免小动物内部器官的扭曲，旋转台的旋转速度通常不能很快，限制了系统的成像速度的提高，限制了它在一些快生物现象的观察上应用。C. Li等提出了一种基于锥形镜的FMT成像系统(A three-dimensionalmultispectral fluorescence optical tomography imaging system for small animalsbased on a conical mirror design. Optics Express, 2009，17 (9) : 7571-7585)。这个系统，利用锥形镜能够一次观察小动物的360度方向的表面，并利用一对光学扫描振镜实现激发光的位置扫描。在该成像系统下，小动物不用被旋转。但是，该系统有以下局限1)只有一小部分的相机检测区域被有效用于检测信号，使得其效率比较低，原始信号的分辨能力也较低；2)锥形镜使得成像有离焦现象，模糊了原始图像。这些局限均使得该全角度系统的空间分辨能力有所损失。近些年来，一些研究组也报道了类似于X-ray CT的FMT的成像系统(中国发明专利CN101147673A)。其中，激发光和检测相机均安装在一个旋转架上。旋转架的连续旋转会造成连接导线的缠绕。为解决这个问题，这类系统或者采取简单的正转一圈，再反转一圈的方式避免缠绕，或者采用大量的滑环来解决缠绕。其中前一种方法，在连续观察快生物学现象时会有所局限，而后一种方法的系统实现会非常复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置及方法。该成像装置能够在体、无创地断层成像荧光探针的分布，可以用于小动物癌症检测、药物疗效评估等应用。该成像装置能够方便地获取360度范围内的多个角度的投影，得到成像所需要的大量检测数据，从而提高成像质量。采用该成像装置，小动物无需悬吊，保持了其自然形态，为相关生物学和医学应用提供方便。同时，该成像装置通过采用平面反射镜避免了电源线和数据线的缠绕，简化了装置设计。本发明提供的基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置，包括激光模块(I)、光学振镜扫描模块(2)、大平面反射镜(3)、旋转镜模块(4)和光学探测模块(5)，激光模块·
(I)用于发出圆形准直激光束到光学振镜扫描模块(2)，经过光学振镜扫描模块(2)反射到大平面反射镜(3)后，继续反射到达旋转镜模块(4)，所述的光学探测模块(5)用于接收旋转镜模块(4)反射光并成像。所述的光学振镜扫描模块(2)由L形固定块(21)、两个手动旋转台(22)、两个光学扫描振镜A(23)和光学扫描振镜B(24)构成。所述的L形固定块(21)的一个外侧面连接在支撑架(49)上，两个内侧面上分别固定连接有两个手动旋转台(22)，每个手动旋转台
(22)上固定连接一个光学扫描振镜A(23)和光学扫描振镜B(24)。所述的旋转镜模块(4)包括平面反射镜A (41)、平面反射镜B (42)、平面反射镜C (43)和平面反射镜D (44)、挡板
(45)、转轮(46)、成像托盘(48)、支撑架(49)、步进电机(410)和传送带(411)。所述的转轮(46)被放置在支撑架(49)上，包括通过杆件连接的两个转盘A (463)和转盘B (464)，其中一个转盘A (463)与步进电机(410)通过传送带(411)连接。在所述的两个转盘A (463)和转盘B(464)内侧固定有平面反射镜A(41)、平面反射镜B(42)、平面反射镜C(43)和平面反射镜D(44)和挡板(45)，所述的挡板(45)用于保证从成像物体(47)到达平面反射镜D(44)的光均先后通过平面反射镜B(42)和平面反射镜C(43)。所述平面反射镜A(41)、平面反射镜B(42)、平面反射镜C(43)和平面反射镜D(44)和挡板(45)随转轮(46) —起转动。本发明具有以下优点I、本发明提出的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置及方法，实现在360°范围的全角度成像，能够获得较多的光源-检测点对数，有利于提高成像的空间分辨率。2、本发明提出的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置及方法，利用旋转镜实现360度范围内不同角度的投影图像的采集，不用悬吊和旋转成像物体，使得成像更方便，更可靠。3、本发明提出的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置及方法，利用旋转镜实现360度范围内不同角度的投影图像的采集，不用旋转激发光源和探测器，不存在导线缠绕的问题，同时旋转架负载的减少对运动系统的设计要求也大大降低，这都使得系统搭建更简单。
图I :本发明提出的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置的三维示意图；图2 :本发明装置中激光投射部分的三维示意图； 图3 :本发明装置中旋转镜部分的三维示意图；图4 :本发明装置中支撑架和转轮的通孔和豁口指示图；图5 :本发明装置中光学探测模块的三维示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细的描述。本发明提出的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置，如图I所示，所述的成像装置主要包括激光模块I、光学振镜扫描模块2、大平面反射镜3、旋转镜模块4和光学探测模块5。如图2所示，所述的光学振镜扫描模块2由L形固定块21、两个手动旋转台22、两个光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24构成。光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24被分别固定在两个手动旋转台22上。手动旋转台22被固定在L形固定块21的两个内侧面上。初始安装时光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24的镜片与水平面(χ-y坐标轴构成的平面)成45度角。安装后,光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24的偏转轴相互垂直，其中光学扫描振镜A23的偏转轴平行于y轴，而光学扫描振镜B24的偏转轴平行于x轴，如图2所示。L形固定块21的其中一个外侧面则和旋转镜模块4的支撑架49直接连接固定，连接时保证光学扫描振镜A23的镜片中心正好处于旋转镜模块4中转轮46 (图3)的轴心延长线上。如图2所示，激光模块I发出的小于Imm直径的圆形准直激光束(虚线所示，平行于I轴)到达光学扫描振镜B24的反射镜片后，被反射到光学扫描振镜A23的反射镜片，进一步被反射到达大平面反射镜3。其中光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24位置安装和镜片大小的选择均保证上述反射过程的顺利进行。大平面反射镜3的镜面竖直放置，并且镜面垂直于转轮46的轴心延长线。如图3所示，该圆形准直激光束被大平面反射镜3反射后，穿过转轮46的豁口 462 (图4)后，到达平面反射镜A41，并被平面反射镜A41反射后到达放置于成像托盘48上的成像物体47的表面。其中，成像托盘48由透明的玻璃制成，具有高效率的透光能力。通过计算机控制光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24的偏转角度，可投射圆形准直激光束到成像物体47表面的不同位置。当光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24的偏转角度均为O度时，从光学扫描振镜A23反射的激光束的中心线和旋转镜模块4中转轮46的轴线延长线重合。平面反射镜A41和转轮46的转盘A463所在平面(yz平面)的夹角在47度到60度之间，一般选择为50度较优。如图3所示，成像物体47在一侧被圆形准直激光束照射后，圆形准直激光束被成像物体47衰减的激光以及成像物体47内部的荧光团被激发发出的荧光从另一侧表面出射(点划线表示)后，经过反射，先后达到平面反射镜B42、平面反射镜C43和平面反射镜D44。平面反射镜B42、平面反射镜C43和平面反射镜D44与转轮46的转盘A463或转盘B464所在平面(yz平面)的夹角均为45度。黑色不透明的挡板45被放置于成像物体47、平面反射镜B42、平面反射镜C43和平面反射镜D44的中间，用于保证从成像物体47出射的荧光均先后通过平面反射镜B42和平面反射镜C43，最后到达平面反射镜D44。被平面反射镜D44反射后的光穿过转盘A463的通孔A461 (图4)后，先后通过滤光片转轮51上的滤光片54和镜头52，最终被高灵敏度的相机53 (图5)所检测。镜头52和相机53均与转轮46同轴心。通过旋转滤光片转轮51选择不同的滤光片54，可以选择性地通过激发光或者荧光。如图3所示，转轮46包括通过杆件连接的两个相互平行的转盘A463和转盘B464。转轮46被放置在支撑架49上。靠近相机53 —端的转盘A463与步进电机410通过传送带411 (皮带或同步带)连接。所述的转盘B464的边缘具有豁口 462，中心具有通孔B465，转盘A463的中心具有通孔A461。其中的成像托盘48穿过通孔B465固定在支撑架49上，成像托盘48上的成像物体47位于两个转盘A463和转盘B464之间。通过计算机控制步进电机410,可以通过传送带411带动转轮46绕其轴心旋转到不同的角度,实现对成像物体47在360度范围内的任一角度的成像。如图4所示，支撑架49上有豁口 491，用于减少支撑架·49在一些角度对入射激光束的遮挡。上述部件中，激光模块I、光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24、步进电机410、滤光片转轮51、相机53均与计算机相连接。激光模块I、光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24同计算机之间通过PCI多功能卡通信；步进电机410和滤光片转轮51与计算机之间通过232串口实现通信；光学探测模块5的各子模块同计算机通过USB或PCI接口实现通信。基于上述的成像装置，本发明还提出的基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像方法，具体包括以下几个步骤步骤一，开机，开启成像装置的所有子模块，并预热5分钟。预热后，从激光模块I出射稳定的恒定强度准直激光束。所述的所有子模块包括激光模块I、光学振镜扫描模块
2、大平面反射镜3、旋转镜模块4和光学探测模块5。步骤二，定义图像采集的基本参数。首先，确定投影角度和相邻角度之间的间隔。通常投影角度均匀分布在360度范围内。例如，投影数目为18个时，相邻角度之间的间隔通常均为20度。其次，确定在每个角度的激光扫描位置。为取得更多原始数据，在每个投影角度，投射的激光束会被光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24投射到不同扫描位置。在每个扫描位置，光学探测模块5均将采集出射的荧光和激发光信号。步骤三,通过计算机控制步进电机410带动转轮46旋转到起始角度(即O度,定义为豁口 462的开口向上，并且豁口 462的中线平行于z轴)。步骤四，通过计算机控制光学扫描振镜A23和光学扫描振镜B24的镜片偏转角度，将激光束投射到成像物体47表面的第一个指定的扫描位置(步骤二确定)。通过光学探测模块5采集成像物体47表面出射的荧光和激发光，并传输到计算机。步骤五，如果没有完成所有投影角度，则旋转转轮46，到步骤二指定的下一个投影角度，并转到步骤六。否则，则旋转转轮46到O度，并转到步骤七。步骤六，返回步骤四，完成在该投影角度的所有指定的激光扫描位置投射激光束，并检测相应的荧光和激发光信号。
步骤七，结束。
所述的激光模块I、滤光片54选择是根据成像物体47内部的荧光探针的激发和发射波长来选取的。滤光片转轮51的孔位在3到6个之间，但是具体数目可以更多。滤光片转轮51至少有两个光学滤光片54的孔位，其它孔位安装不透光的挡片。不检测信号时，通过计算机控制滤光片转轮51旋转到所述挡片所在的孔位，可保护所述相机53。
权利要求
1.一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置，其特征在于所述的成像装置，包括激光模块(I)、光学振镜扫描模块(2)、大平面反射镜(3)、旋转镜模块(4)和光学探测模块(5)，激光模块(I)用于发出圆形准直激光束到光学振镜扫描模块(2)，经过光学振镜扫描模块(2)反射到大平面反射镜(3)后，继续反射到达旋转镜模块(4)，所述的光学探测模块(5)用于接收旋转镜模块(4)反射光并成像。
2.根据权利要求I所述的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置，其特征在于所述的光学振镜扫描模块(2)由L形固定块(21)、两个手动旋转台(22)、两个光学扫描振镜A (23)和光学扫描振镜B (24)构成，所述的L形固定块(21)的一个外侧面连接在支撑架(49)上，两个内侧面上分别固定连接有两个手动旋转台(22)，每个手动旋转台(22)上固定连接一个光学扫描振镜A (23)和光学扫描振镜B (24)。
3.根据权利要求I所述的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置，其特征在于所述的旋转镜模块(4)包括平面反射镜A(41)、平面反射镜B(42)、平面反射镜C(43)和平面反射镜D (44)、挡板(45)、转轮(46)、成像托盘(48)、支撑架(49)、步进电机(410)和传送带(411)，所述的转轮(46)被放置在支撑架(49)上，包括通过杆件连接的两个转盘A (463)和转盘B (464)，其中一个转盘A (463)与步进电机(410)通过传送带(411)连接；在所述的两个转盘A(463)和转盘B (464)内侧固定有平面反射镜A(41)、平面反射镜B (42)、平面反射镜C(43)、平面反射镜D(44)和挡板(45)，所述的转盘B(464)的边缘具有豁口(462)，中心具有通孔B (465)，转盘A (463)的中心具有通孔A (461)，被大平面反射镜(3)反射后的光穿过转轮(46)的豁口(462)后，到达平面反射镜A(41)，并被平面反射镜A(41)反射后到达放置于成像托盘(48)上的成像物体(47)的表面；所述的挡板(45)用于保证从成像物体(47)到达平面反射镜D (44)的光均先后通过平面反射镜B (42)和平面反射镜C(43)。
4.根据权利要求I所述的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置，其特征在于光学扫描振镜A(23)和光学扫描振镜B(24)的镜片与水平面成45度角；光学扫描振镜A(23)和光学扫描振镜B(24)的偏转轴相互垂直,其中光学扫描振镜A(23)的偏转轴平行于y轴，而光学扫描振镜B(24)的偏转轴平行于X轴。
5.根据权利要求I所述的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置，其特征在于平面反射镜A(41)和转轮(46)的转盘A(463)所在平面的夹角在47度到60度之间。
6.根据权利要求I所述的一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置，其特征在于所述的支撑架(49)上有豁口(491)。
7.一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像方法，其特征在于具体包括以下几个步骤 步骤一，开机，开启成像装置的所有子模块，并预热；预热后，从激光模块(I)出射稳定的恒定强度准直激光束； 步骤二，定义图像采集的基本参数 首先，确定投影角度和相邻角度之间的间隔； 其次，确定在每个角度的激光扫描位置，在每个投影角度，投射的激光束会被光学扫描振镜A(23)和光学扫描振镜B(24)投射到不同扫描位置；在每个扫描位置，光学探测模块(5)均将采集出射的荧光和激发光信号；步骤三，通过计算机控制步进电机(410)带动转轮(46)旋转到起始角度； 步骤四，通过计算机控制光学扫描振镜A(23)和光学扫描振镜B(24)的镜片偏转角度，将激光束投射到成像物体(47)表面的第一个指定的扫描位置；通过光学探测模块(5)采集成像物体(47)表面出射的荧光和激发光，并传输到计算机； 步骤五，如果没有完成所有投影角度，则旋转转轮(46)，到步骤二指定的下一个投影角度，并转到步骤六；否则，则旋转转轮(46)到O度，并转到步骤七； 步骤六，返回步骤四，完成在该投影角度的所有指定的激光扫描位置投射激光束，并检测相应的荧光和激发光信号； 步骤七，结束。·
全文摘要
本发明公开了一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像装置及成像方法，属于荧光分子断层成像技术领域。所述成像装置，包括激光模块、光学振镜扫描模块、大平面反射镜、旋转镜模块和光学探测模块，激光模块用于发出圆形准直激光束到光学振镜扫描模块，经过光学振镜扫描模块反射到大平面反射镜后，继续反射到达旋转镜模块，所述的光学探测模块用于接收旋转镜模块反射光并成像。该成像装置能够在体、无创地断层成像荧光探针的分布，可以用于小动物癌症检测、药物疗效评估等应用；能够方便地获取360度范围内的多个角度的投影，得到成像所需要的大量检测数据，从而提高成像质量。
文档编号A61B5/00GK102961122SQ20121039489
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者汪待发, 李德玉, 贺进, 樊瑜波, 唐桥虹, 刘文勇 申请人:北京航空航天大学