一种双模态融合的血管成像系统

1.本发明涉及血管成像技术领域，尤其涉及一种双模态融合的血管成像系统。


背景技术：

2.成像技术的发展与进步大大推动了人类对疾病的临床诊断、病理认知与治疗，从而显著减少了病人的痛苦并延长了人类的预期寿命。在血管成像方面，较常见的无创血管造影技术有ct血管造影和磁共振成像，它们可用于评估血管疾病的临床分期，并探测病灶的位置、组织形态信息和周围的血流动力学信息。血管内成像技术主要包括血管内超声(intravascular ultrasound,ivus)和血管内光学相干断层成像(intravascular optical coherence tomography,ivoct)技术。它们具有更好的分辨率，可更精细地直接观察病灶发展过程中的组织结构特征和组织结构变化等。ivus的分辨率约为100-200μm。ivoct的分辨率可到达约10μm，可准确地检测病灶内部的组织结构。然而，无创血管造影技术的分辨率(约400μm-1cm)往往不足以直接获取病灶的微小形态特征。ivus的分辨率不足以准确测量病灶中的微小结构。ivoct的视场和成像深度较小，难以获得病灶在全身中的位置、全貌和周围大视野的血流动力学参数等宏观信息。综上所述，常见的单一模态在体成像技术无法准确全面地测量血管内病灶的组织信息，这阻碍了对病灶的精准评估与相关疾病的准确诊断。
3.偏振光敏感光学相干断层成像(polarization-sensitive optical coherence tomography,ps-oct)是oct系统功能扩展的结果，它不仅可以获得一般oct系统检测的生物信息，还可以通过检测生物组织对光偏振状态的影响来获得额外的生物信息，包括：组织的双折射性、快光轴方向、去偏振度等。因此，ps-oct的血管内成像，即血管内偏振光敏感光学相干断层成像(iv-ps-oct)，可提供更全面的诊断信息。在现有方法中，iv-ps-oct成像需使用ct血管造影对病灶进行定位，再通过ct影像导航ps-oct探头至病灶处。该方法需使用x射线，不仅对患者和医生产生电离辐射伤害，且无法对病灶的宏观信息进行较为全面的测量。
4.磁粒子成像技术(magnetic particle imaging，mpi)是新兴的成像设备，它通过追踪注射到血管内的超顺磁性氧化铁纳米颗粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticle，spio)的运动轨迹可实现血管造影和血流动力学的测量。mpi对血管的测量可在无电离辐射的情况下发现病灶位置，导航iv-ps-oct探头至病灶处，并补足iv-ps-oct成像缺失的宏观测量信息，包括：病灶的整体形态、血液粘度和附近的血流动力学信息等，因此，mpi和iv-ps-oct双模态融合成像有望对血管病灶进行更全面的在体检测，从而帮助更深刻地研究血管疾病机理并更准确地在体评估疾病的风险层级。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在单一模态的血管检测技术测量信息少、以及现有iv-ps-oct检测过程中使用ct造成电离辐射伤害的缺点，而提出的一种双模态融合的血管成像系统。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种双模态融合的血管成像系统，包括iv-ps-oct子系统、mpi子系统和控制子系统，iv-ps-oct子系统包括激光器、单模光纤、第一光纤耦合器、偏振控制器、第一光环行器、准直器、减光镜、聚焦透镜、反射镜、光纤终端、偏振调制器、第二光环行器、第二光纤耦合器、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一平衡光探测器、第二平衡光探测器、导管和探头，激光器通过单模光纤与第一光纤耦合器连接，第一光纤耦合器通过单模光纤与偏振控制器和偏振调制器连接，偏振调制器通过单模光纤和第二光环行器连接，第二光环行器通过导管和探头连接，并且通过单模光纤与第二光纤耦合器连接，所述偏振控制器通过单模光纤与第一光环行器连接，第一光环行器通过单模光纤同时与第二光纤耦合器和准直器连接；准直器、减光镜、聚焦透镜与反射镜依次同轴相互平行放置；探头包括单模光纤、梯度折射率透镜、透明外护套、棱镜、微型电机和超顺磁性涂层，mpi子系统包括第一扫描线圈、第一永磁体、第二扫描线圈、激励线圈、第三扫描线圈、第四扫描线圈、第二永磁体和接收线圈，控制子系统包括终端电脑pc、多通道数据采集卡daq和扫描光路控制装置，终端电脑pc与多通道数据采集卡daq和扫描光路控制装置连接；多通道数据采集卡daq与扫描光路控制装置连接；扫描光路控制装置的控制端口与微型电机连接。
8.优选的，所述激光器激光的中心波长为450-1800nm，波长的半峰全宽范围为45-400nm。
9.优选的，所述导管内部设有单模光纤。
10.优选的，所述探头还包括扫描光路，扫描光路由梯度折射率透镜和棱镜组成。
11.优选的，所述微型电机安装在探头远端与棱镜相连，超顺磁性涂层位于探头远端表面。
12.优选的，所述超顺磁性涂层的制备方法为：将聚乙烯醇溶液加热并搅拌12小时以上；该溶液冷却到室温后，加入二甲基亚砜和超顺磁性氧化铁，并在室温下搅拌，然后，将反应的混合溶液进行透析，并将透析液与异丙醇混合；使用磁体分离该混合溶液中的含铁物质与不含铁的杂质；最后，将分离的含铁部分掺入到清漆中；此方法只是多种制备磁性涂层方法中的一种。
13.优选的，所述多通道数据采集卡daq至少包括第一模拟接收通道io0、第二模拟接收通道io1、第三模拟接收通道io2和第四模拟接收通道io3以及触发输出通道tri，还可以包括第一模拟输出通道ao0、第二模拟输出通道ao1和第三模拟输出通道ao2。
14.优选的，所述成像系统包含以下步骤：
15.步骤1，将血管内的iv-ps-oct探头放入mpi子系统的成像视野内；
16.步骤2，开启iv-ps-oct子系统的实时成像；同时，通过mpi成像技术进行血管造影并探测血管内iv-ps-oct探头的超顺磁性涂层信号；
17.步骤3：使用步骤2得到的mpi信号进行三维图像重建，同时获得血管影像及iv-ps-oct探头的空间位置；然后，通过iv-ps-oct探头的空间位置计算出iv-ps-oct视场在mpi影像中的空间分布；
18.步骤4：基于步骤3中获得的iv-ps-oct视场在mpi影像中的空间分布，使用计算机图像融合技术将上述同步的mpi与iv-ps-oct影像进行实时融合与重建，获得iv-ps-oct与mpi的双模态融合影像，以便实现mpi对iv-ps-oct探头直观有效的导航。
19.优选的，所述血管造影方法为：将稀释的spio溶液注入到血管中，使用mpi子系统中的高频正弦交变磁场激励spio，通过mpi子系统的接收线圈接收spio在交变磁场中的非线性响应信号，同时通过mpi子系统的空间扫描实现spio的空间定位；经过mpi子系统的图像重建后，血管中的spio被mpi影像追踪，spio溶液在血管中的流动轨迹即为血管影像。
20.本发明中，所述一种双模态融合的血管成像系统的有益效果：
21.通过mpi血管造影的方法可视化血管的宏观信息，同时探测并定位涂有超顺磁性涂层的iv-ps-oct探头，利用图像融合技术将mpi探测的血管影像与iv-ps-oct影像进行实时融合，既实现mpi对血管内iv-ps-oct探头直观且无电离辐射地导航，又获得全面的从宏观到介观的血管内在体检测信息。
22.本发明可在无x射线电离辐射的情况下同时在体测量血管的介观与宏观信息，从而获取更全面的血管信息，为多维度理解相关血管疾病机理、血管疾病的风险分层、早期干预或针对性治疗提供重要技术手段。
附图说明
23.图1是本发明结合mpi和iv-ps-oct双模态血管成像系统的一个实施示意图；
24.图2是本发明iv-ps-oct探头的一个实施示意图；
25.图3是本发明结合mpi和iv-ps-oct双模态血管成像系统的结构框图；
26.图4是本发明结合mpi和iv-ps-oct双模态血管成像系统的控制子系统与集成在该子系统中的mpi信号发生器的结构框图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.参照图1-4，一种双模态融合的血管成像系统，包括iv-ps-oct子系统、mpi子系统和控制子系统；如图1所示，iv-ps-oct子系统包括：激光器101、单模光纤102、第一光纤耦合器103、偏振控制器104、第一光环行器105、准直器106、减光镜107、聚焦透镜108、反射镜109、光纤终端110、偏振调制器111、第二光环行器112、第二光纤耦合器113、第一偏振分光棱镜114、第二偏振分光棱镜115、第一平衡光探测器116、第二平衡光探测器117、导管118和探头119。其中激光器101发射出短相干光；短相干光通过单模光纤102进行传输，短相干光传输第一光纤耦合器103，被光纤耦合器103分成两束分光，分别为第一分光和第二分光，第一分光作为参考臂的光源，第二分光作为样品臂的光源；第一分光通过偏振控制器104调节参考臂光束的偏振状态，经过第一光环行器105被准直器106准直成平行光，并进入参考臂；参考臂光束经过减光镜107和聚焦透镜108被反射镜109反射后原路返回，再次到达第一光环行器105；参考臂光束通过第一光环行器105导入到第二光纤耦合器113。第二分光通过偏振调制器将其调制为交变的线偏振光与圆偏振光；调制的第二分光经过第二光环行器112进入样品臂中的导管118，到达探头119；导管118用于在体内传播光束；探头119用以将探测光聚焦在探头119侧方的组织平面上，并实现360度圆周扫描，探测光束与生物样品发生反向散射或菲涅耳反射，并携带生物信息原路返回，再次到达第二光环行器112，并通过第二光环行器112导入到第二光纤耦合器113，与参考臂光束发生干涉；此干涉信号被第二光纤
耦合器113平均分成两份，分别到达第一偏振分光棱镜114和第二偏振分光棱镜115；第一偏振分光棱镜114和第二偏振分光棱镜115分别将干涉光分为垂直线偏振光和水平线偏振光；两束垂直线偏振光被第一平衡光探测器116接收；两束水平线偏振光被第二平衡光探测器117接收；
29.如图2所示，iv-ps-oct子系统的探头119包括单模光纤128、梯度折射率透镜129、透明外护套130、棱镜131、微型电机132和超顺磁性涂层133；其中，单模光纤128传输iv-ps-oct样品臂的光束至梯度折射率透镜129；光束通过梯度折射率透镜129聚焦，被棱镜131反射至探头侧方；透明外护套130用于保护探头内部结构以及防止成像过程中的血管划伤；微型电机132用以提供360度圆周扫描的角动能；超顺磁性涂层133用于提供探头在mpi子系统中的探测信号；
30.如图1所示，mpi子系统包括：第一扫描线圈120、第一永磁体121、第二扫描线圈122、激励线圈123、第三扫描线圈124、第四扫描线圈125、第二永磁体126和接收线圈127，其中，第一永磁体121和第二永磁体126同极相向放置，在接收线圈127中心位置产生磁场自由点，用于编码超顺磁性物质的空间位置，第一扫描线圈120和第三扫描线圈124串联，接入低频的正弦交流电，用于水平方向磁场自由点的扫描；第二扫描线圈122和第四扫描线圈125串联，接入低频的正弦交流电，用于垂直方向磁场自由点的扫描。激励线圈123接入高频的正弦交流电，用于激励超顺磁性物质的非线性响应信号以及磁场自由点在垂直于纸面方向的扫描；接收线圈127用于接收磁性物质的响应信号；
31.如图4所示，控制子系统包括终端电脑pc、多通道数据采集卡daq和扫描光路控制装置；其中，终端电脑pc同时连接至多通道数据采集卡daq和扫描光路控制装置；多通道数据采集卡daq的触发输出通道tri连接至扫描光路控制装置的触发端；扫描光路控制装置的控制端口连接至探头119的微型电机132；
32.多通道数据采集卡daq包括第一至第四模拟接收通道io0～io3和触发输出通道tri，还可以包括第一至第三模拟输出通道ao0～io2；第一至第四模拟接收通道io0～io3分别用以接收mpi接收线圈信号、iv-ps-oct第一平衡光探测器信号、iv-ps-oct第二平衡光探测器信号和iv-ps-oct激光器触发信号；多通道数据采集卡daq的接收通道io3接收到激光器触发信号后，多通道数据采集卡daq的触发输出通道tri向扫描光路控制装置发出触发信号；扫描光路控制装置接收到触发信号后向微型电机132发出调控指令，用以调控探头119的扫描方式与时序。第一至第三模拟输出通道ao0～io2用作mpi子系统的信号发生器；第一至第三模拟输出通道ao0～io2分别连接至mpi子系统的功率放大器，分别用以产生mpi激励线圈、mpi的垂直方向扫描线圈和mpi的水平方向扫描线圈的正弦交流电。多通道数据采集卡daq接收到来自终端电脑pc单独的调控指令或激光器触发信号后，第一至第三模拟输出通道ao0～io2在指定的频率与振幅上，分别发出1个高频的激发电流和2个低频的扫描电流；第一至第三模拟接收通道io0～io2同步开始分别采集mpi与iv-ps-oct子系统的信号；采集的信号储存到终端电脑pc缓存中等待图像重建；
33.本实施例的结合mpi与iv-ps-oct的双模态血管成像方法，包括以下步骤：
34.(1)将探头119通过导管118放入到血管内，并让探头处在mpi子系统的成像视野中；同时，开始进行iv-ps-oct子系统的实时成像；
35.(2)将稀释的spio溶液注入到血管中，使用mpi子系统中的高频正弦交变磁场同时
激励血管内的spio和超顺磁性涂层133，并通过接收线圈127同时接收spio和超顺磁性涂层133在交变磁场中的非线性响应信号；高频的正弦交流电接入到激励线圈123中，产生高频激励磁场的同时实现磁场自由点在垂直于纸面方向的扫描；低频的正弦交流电接入到第一扫描线圈120和第三扫描线圈124中，产生水平方向的交变磁场，实现水平方向磁场自由点的扫描；低频的正弦交流电接入到第二扫描线圈122和第四扫描线圈125中，产生垂直方向的交变磁场，实现垂直方向磁场自由点的扫描；mpi子系统中的激励线圈123、第一扫描线圈120、第二扫描线圈122、第三扫描线圈124和第四扫描线圈125产生的磁场相互结合，实现磁场自由点的空间扫描与mpi成像视野中的超顺磁性物质的非线性响应信号的激励；
36.(3)：使用接收线圈127在(2)中测得的响应信号，通过标准的mpi系统矩阵图像重建方法实现mpi子系统的三维图像重建，从而同时获得血管影像和iv-ps-oct探头119所在位置；然后，通过iv-ps-oct探头119的空间位置计算出iv-ps-oct视场在mpi影像中的空间分布；
37.(4)：基于(3)中获得的iv-ps-oct视场在mpi影像中的空间分布以及计算机图像融合技术将上述同步的mpi与iv-ps-oct影像进行实时融合与重建，得到iv-ps-oct与mpi的双模态图像，并实现mpi对iv-ps-oct探头的导航。
38.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。