專利名稱：一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熒光分子斷層成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置及方法。
背景技術(shù)：
在活體熒光成像中，特異性的熒光分子探針被用來標記小動物體內(nèi)的細胞和分子。通過激發(fā)光激發(fā)這些熒光分子探針發(fā)出熒光，并在表面檢測出射的熒光光子，可以得到與特定生物活動關(guān)聯(lián)的信息。在各種活體熒光成像方法中，熒光分子斷層成像 (Fluorescence moleculartomography, FMT)技術(shù)考慮了光子在生物組織中漫射傳播的數(shù)學模型，能夠從表面探測到的熒光光子重建出熒光探針在小動物內(nèi)部的三維分布等參數(shù)。 這些定量化參數(shù)為生物和醫(yī)學研究提供了重要的定量評價信息，可用于觀察腫瘤的發(fā)展過程、評估藥物對疾病的療效、觀察功能分子的相互作用、發(fā)現(xiàn)新的藥物作用靶點等。雙參數(shù)熒光分子斷層成像可同時獲取熒光探針的熒光濃度和熒光壽命的三維分布，相對于只獲取熒光濃度圖像的單參數(shù)熒光分子斷層成像可提供更多有價值的評價信息。MBrambilla等提出了一種可同時檢測反射和透射信號的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置(Time-resolved scanning system for double reflectance and transmittance fluorescence imaging of diffusive media. Review of Scientific Instrnments，2008， 79,013103. )0該裝置中，激發(fā)光是一超短脈沖激光，檢測器是時間相關(guān)單光子計數(shù)檢測器(透射端一個、反射端一個)，檢測的是出射光學信號(熒光和激發(fā)光)的飛行時間曲線信息。通過二維機械移動裝置移動成像物體，可實現(xiàn)在不同空間位置激發(fā)和檢測。受限于有限的通道數(shù)，該裝置的成像時間較長，能達到的空間分辨率也有限。Α. T. N. Kumar等提出了一種可密集空間采樣的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置(Atime domain fluorescence tomography system for small animal imagmg. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2008,27(8) :1152-1163.)。該裝置同樣使用超短脈沖激光作為激發(fā)光，但其檢測端使用的是時間選通增強的CCD相機，通過逐時間點選通得到整個CCD視場內(nèi)的光學信號的飛行時間曲線信息。該裝置可以得到較多的光源-檢測器對數(shù)，提高雙參數(shù)圖像的空間分辨率。然而，受限于微弱的光學信號、逐時間點選通和小的CCD像素點等，整個信號檢測過程花費超長的時間(幾十分鐘到幾小時)。超長的成像時間局限了該裝置在很多研究中的應用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置及方法。本發(fā)明利用CCD相機密集空間采樣光學信號的強度信息，并在部分檢測點利用單光子計數(shù)光電倍增管同步采集光學信號的飛行時間曲線信息，可在較短的成像時間內(nèi)獲取較多的雙參數(shù)成像所需的信息，提高雙參數(shù)成像的時空分辨率。本發(fā)明利用偽隨機編碼的激發(fā)光獲取飛行時間曲線信息，具有較低成本和準確度高的優(yōu)點。
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本發(fā)明提出的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置，由偽隨機編碼激發(fā)模塊、成像物體旋轉(zhuǎn)模塊和光學信號檢測模塊組成。偽隨機編碼激發(fā)模塊由激光器、相位/強度調(diào)制器、偽隨機碼生成器、聚焦光路和光學掃描振鏡構(gòu)成。成像物體旋轉(zhuǎn)模塊由同軸旋轉(zhuǎn)臺和成像物體固定裝置組成。光學信號檢測模塊包括分束鏡、強度信息檢測子模塊和飛行時間曲線信息檢測子模塊。偽隨機編碼激發(fā)模塊由激光器、相位/強度調(diào)制器、偽隨機碼生成器、聚焦光路和光學掃描振鏡構(gòu)成。激光器發(fā)出的激光在相位/強度調(diào)制器中被偽隨機碼生成器生成的高比特速率(>=10(ib/S)、高碼長(10M位)的偽隨機碼調(diào)制的激光。該偽隨機碼調(diào)制的激光通過聚焦光路后，在距離成像物體后表面的臨近位置被聚焦成一個直徑小于Imm的小激光點，即偽隨機編碼的激發(fā)光點。然后通過計算機控制光學掃描振鏡，將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體后表面的不同位置，該成像物體與光學掃描振鏡沿水平方向的同一直線設置，所述的成像物體后表面是指成像物體朝向偽隨機編碼激發(fā)模塊的正表面。偽隨機碼調(diào)制激發(fā)的主要目的在于獲取光學信號的飛行時間曲線信息。偽隨機碼生成器在生成偽隨機碼序列后還向飛行時間曲線信息檢測子模塊發(fā)出觸發(fā)信號(表征一段偽隨機碼序列開始的高電平脈沖)，用于確定偽隨機碼序列和檢測電子脈沖的相對時間關(guān)系。成像物體旋轉(zhuǎn)模塊由同軸旋轉(zhuǎn)臺和成像物體固定裝置組成。所述同軸旋轉(zhuǎn)臺包括上下兩個部分，通過螺桿和齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)上下旋轉(zhuǎn)臺的同步旋轉(zhuǎn)。成像物體4通過成像物體固定裝置固定于同軸旋轉(zhuǎn)臺上，可以被同軸旋轉(zhuǎn)臺的水平旋轉(zhuǎn)到不同的角度。其中旋轉(zhuǎn)角度定義為，以同軸旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸心為原點，同軸旋轉(zhuǎn)臺未旋轉(zhuǎn)的原始角度即平行于水平方向時為0°，在每一次成像過程中，通過計算機控制同軸旋轉(zhuǎn)臺沿逆時針旋轉(zhuǎn)到不同的旋轉(zhuǎn)角度。經(jīng)光學掃描振鏡將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體后表面的不同位置后，經(jīng)成像物體前表面發(fā)射出出射的光學信號，該光學信號經(jīng)與水平方向夾角為45°方向的分束鏡后，一定比例的光學信號不改變傳播方向，沿原方向即水平方向到達強度信息檢測子模塊；另一部分光學信號的傳播方向被偏置了 90° (即垂直于水平方向向下偏置)， 到達飛行時間曲線信息檢測子模塊。其中光學掃描振鏡、成像物體和分束鏡沿同一直線設置。強度信息檢測子模塊由濾光片轉(zhuǎn)輪A、攝像鏡頭和CCD相機構(gòu)成。濾光片轉(zhuǎn)輪A垂直于水平面設置，接收經(jīng)分束鏡透過的不改變傳播方向的一定比例的光學信號，其平面垂直于攝像鏡頭和CCD相機所構(gòu)成光路的光軸。通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪A旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片A選擇性地透過熒光或激發(fā)光。透過帶通光學濾光片A的熒光或激發(fā)光，被攝像鏡頭成像于CXD相機的檢測區(qū)域((XD芯片)。CXD相機通過其上的大像素的CCD芯片實現(xiàn)了對檢測區(qū)域的光學信號強度信息的密集空間采樣，可獲得較多的光源-檢測點對數(shù)，有利于提高熒光分子斷層成像的空間分辨率。飛行時間曲線信息檢測子模塊由濾光片轉(zhuǎn)輪B、多個光纖傳導結(jié)構(gòu)、多個單光子計數(shù)光電倍增管和多通道時間計數(shù)器構(gòu)成。濾光片轉(zhuǎn)輪B平行于水平面設置，接收經(jīng)分束鏡透過的一定比例的被偏置的光學信號。通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪B旋轉(zhuǎn)到不同的孔位， 利用相應孔位的帶通光學濾光片B選擇性地透過熒光或激發(fā)光。多個光纖傳導結(jié)構(gòu)置于濾光片轉(zhuǎn)輪B的下方，多個單光子計數(shù)光電倍增管置于濾光片轉(zhuǎn)輪B的下方。每一個光纖傳導結(jié)構(gòu)的頭部均有一聚焦鏡A，使得光纖傳導結(jié)構(gòu)的光纖只收集成像物體表面的一個小檢
6測區(qū)域的出射光子。多個光纖傳導結(jié)構(gòu)的光纖的頭部在水平的平面上按照環(huán)形排布，以同時分別收集成像物體表面的多個檢測點的出射光子。光子通過光纖傳導結(jié)構(gòu)后到達單光子計數(shù)光電倍增管后，被轉(zhuǎn)換成一系列單獨的電脈沖。這些電脈沖被多通道時間計數(shù)器時間計數(shù)后，傳輸?shù)接嬎銠C后，電脈沖信號同編碼激發(fā)光的偽隨機碼序列做自相關(guān)，可得到相應的飛行時間曲線信息。偽隨機碼生成器通過電纜連接到多通道時間計數(shù)器，偽隨機碼生成器生成的觸發(fā)信號也被多通道時間計數(shù)器進行時間計數(shù)，以確定偽隨機碼序列和檢測電子脈沖的相對時間關(guān)系。所述的每個光纖傳導結(jié)構(gòu)均由聚焦鏡A、光纖、聚焦鏡B和濾光片轉(zhuǎn)輪C組成，聚焦鏡A的聚焦平面平行于水平面，聚焦鏡B的聚焦平面與聚焦鏡A的聚焦平面互相垂直。其中聚焦鏡A的光軸垂直于光纖一端，而聚焦鏡B光軸垂直于光纖的另一端。聚焦鏡B將光纖后端出射的光子耦合到單光子計數(shù)光電倍增管的檢測區(qū)域。且聚焦鏡B的光軸垂直于光電倍增管的檢測區(qū)域平面。濾光片轉(zhuǎn)輪C在聚焦鏡B和單光子計數(shù)光電倍增管之間，垂直于聚焦鏡B的光軸。每一濾光片轉(zhuǎn)輪C上安裝有不同透過率的光學衰減片C，以調(diào)節(jié)達到單光子計數(shù)光電倍增管的光學信號的強度，保持電脈沖的生成速度接近但不超過單光子計數(shù)光電倍增管和多通道時間計數(shù)器所能達到的最大單光子計數(shù)速率。所述的光學掃描振鏡、同軸旋轉(zhuǎn)臺、濾光片轉(zhuǎn)輪A、濾光片轉(zhuǎn)輪B、濾光片轉(zhuǎn)輪C、 CCD相機、單光子計數(shù)光電倍增管、多通道時間計數(shù)器均與計算機相連接。本發(fā)明提出的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像方法，具體包括以下幾個步驟步驟一開啟本裝置偽隨機編碼激發(fā)模塊、成像物體旋轉(zhuǎn)模塊和光學信號檢測模塊，并預熱5 10分鐘。預熱后，從激光器出射穩(wěn)定的恒定強度激光被相位/強度調(diào)制器和偽隨機碼生成器處理成偽隨機碼調(diào)制的激光，該偽隨機碼調(diào)制的激光通過聚焦光路104 后，在距離成像物體后表面的臨近位置被聚焦成偽隨機編碼的激發(fā)光點。步驟二 通過計算機定義圖像采集的基本參數(shù)。(1)確定進行信號檢測時同軸旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度θ、相鄰旋轉(zhuǎn)角度之間間隔Δ θ 以及旋轉(zhuǎn)角度的總數(shù)目i，進而可以知道旋轉(zhuǎn)角度的最大度數(shù)。通常進行信號檢測的旋轉(zhuǎn)角度均勻分布在，360° )范圍內(nèi)。例如，當旋轉(zhuǎn)角度的總數(shù)目i = M時，相應的旋轉(zhuǎn)角度θ的范圍為
，其相鄰旋轉(zhuǎn)角度之間的間隔Δ θ為15°。所述的旋轉(zhuǎn)角度 θ = 0°是指同軸旋轉(zhuǎn)臺未旋轉(zhuǎn)。(2)確定成像物體后表面的激光投射位置，激光投射位置具有多個，均勻分布于成像物體的后表面上，激光投射位置滿足成像物體后表面每2cm2具有1到6個激光投射位置。 為使整個圖像采集過程能取得更多的光源-檢測點對數(shù)，在每個旋轉(zhuǎn)角度，聚焦的激發(fā)光點會被光學掃描振鏡投射到不同激光投射位置，在每個激光投射位置，光學信號檢測模塊均將采集出射的熒光和激發(fā)光信號。步驟三(1)通過計算機控制同軸旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)成像物體到起始旋轉(zhuǎn)角度θ = θ ‘(如 θ = θ ‘ = 0° )。(2)通過計算機控制光學掃描振鏡隨機地將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體的表面的第一個激光投射位置，該第一個激光投射位置是隨機而定的，通過光學信號檢測模塊采集成像物體表面出射的熒光和激發(fā)光信號，其中一部分熒光和激發(fā)光信號不改變傳播方向，到達強度信息檢測子模塊，通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪A旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片A選擇性地透過熒光或激發(fā)光，并傳輸?shù)接嬎銠C；另一部分熒光和激發(fā)光信號經(jīng)分束鏡被偏置，到達飛行時間曲線信息檢測子模塊，并通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪B旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片B選擇性地透過熒光或激發(fā)光，并傳輸?shù)接嬎銠C進行檢測。步驟四返回步驟三O)，按順序完成該旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)其余所有激光投射位置進行激光點投射，其余各激光投射位置的投射順序是隨機而定的，一般從第一個激光投射位置開始，按順序逐次展開其余各個點的投射，并通過計算機檢測相應的出射的熒光和激發(fā)光信號。同軸旋轉(zhuǎn)臺和計算機之間通過232串口實現(xiàn)通信；光學掃描振鏡同計算機之間也通過232串口實現(xiàn)通信；光學信號檢測模塊的各子模塊同計算機通過usb接口實現(xiàn)通信。步驟五通過計算機控制同軸旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)成像物體的旋轉(zhuǎn)角度為θ = θ ‘ +Δ θ，返回步驟三( 步驟四，按照與初始旋轉(zhuǎn)角度投射時相同的激光投射位置的進行投射；步驟六判斷旋轉(zhuǎn)角度θ = θ ‘ +Δ θ是否滿足步驟一中設定的最大的旋轉(zhuǎn)角度，當滿足時，完成所有指定旋轉(zhuǎn)角度的激發(fā)和檢測，當不滿足時，令旋轉(zhuǎn)角度θ為 Θ+Δ θ，并返回步驟五，直至旋轉(zhuǎn)角度θ滿足步驟一中設定的最大的投影角度。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明提出的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置及方法，利用CCD相機密集空間采樣光學信號的強度信息，并在部分檢測點利用單光子計數(shù)光電倍增管同步采集光學信號的飛行時間曲線信息，可在較短的成像時間內(nèi)獲取較多的雙參數(shù)成像所需的信息，提高雙參數(shù)成像的時空分辨率。2、本發(fā)明提出的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置及方法，通過旋轉(zhuǎn)成像物體實現(xiàn)在360°范圍的全角度成像，能夠獲得較多的光源-檢測點對數(shù)，有利于提高雙參數(shù)成像的空間分辨率。3、本發(fā)明提出的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置及方法，利用偽隨機編碼的激發(fā)光獲取飛行時間曲線信息，具有較低成本和準確度高的優(yōu)點。


圖1 本發(fā)明提出的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置的結(jié)果示意圖；圖2 本發(fā)明中偽隨機編碼激發(fā)模塊的示意圖；圖3 本發(fā)明中成像物體旋轉(zhuǎn)模塊的示意圖；圖4 本發(fā)明中光學信號檢測模塊的強度信息檢測子模塊的示意圖；圖5 本發(fā)明中光學信號檢測模塊的飛行時間曲線信息檢測子模塊的示意圖；圖6 本發(fā)明中光學信號檢測模塊的飛行時間曲線信息檢測子模塊的光纖傳導結(jié)構(gòu)的示意圖。1-偽隨機編碼激發(fā)模塊；2-成像物體旋轉(zhuǎn)模塊；3-光學信號檢測模塊；4-成像物體；101-激光器；102-相位/強度調(diào)制器；103-偽隨機碼生成器；104-聚焦光路；105-光學掃描振鏡；106-觸發(fā)信號；201-同軸旋轉(zhuǎn)臺； 202-成像物體固定裝置；
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301-分束鏡；302-強度信息檢測子模塊；303-飛行時間曲線信息檢測子模塊；501-濾光片轉(zhuǎn)輪A ；A502-帶通光學濾光片；503-攝像鏡頭；504-CCD相機；601-濾光片轉(zhuǎn)輪B; 602-帶通光學濾光片B 603-多個光纖傳導結(jié)構(gòu)；604-多個單光子計數(shù)光電倍增管；605-多通道時間計數(shù)器；6031-聚焦鏡 A ；6032-光纖；6033-聚焦鏡 B ； 6034-濾光片轉(zhuǎn)輪C ； 6035-光學衰減片C。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。本發(fā)明提出的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置，如圖1 所示，由偽隨機編碼激發(fā)模塊1、成像物體旋轉(zhuǎn)模塊2和光學信號檢測模塊3組成。如圖2 所示，偽隨機編碼激發(fā)模塊1由激光器101、相位/強度調(diào)制器102、偽隨機碼生成器103、 聚焦光路104和光學掃描振鏡105構(gòu)成。如圖3所示，成像物體旋轉(zhuǎn)模塊2由同軸旋轉(zhuǎn)臺 201和成像物體固定裝置202組成。如圖1所示，光學信號檢測模塊3包括分束鏡301、強度信息檢測子模塊302和飛行時間曲線信息檢測子模塊303。如圖2所示，偽隨機編碼激發(fā)模塊1由激光器101、相位/強度調(diào)制器102、偽隨機碼生成器103、聚焦光路104和光學掃描振鏡105構(gòu)成。激光器101發(fā)出的激光在相位/ 強度調(diào)制器102中被偽隨機碼生成器103生成的高比特速率(>=10Gb/s)、高碼長(10M 位)的偽隨機碼調(diào)制的激光。該偽隨機碼調(diào)制的激光通過聚焦光路104后，在距離成像物體后表面的臨近位置被聚焦成一個直徑小于Imm的小激光點即偽隨機編碼的激發(fā)光點。然后通過計算機控制光學掃描振鏡105，將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體后表面的不同位置，該成像物體與光學掃描振鏡105沿水平方向的同一直線設置，所述的成像物體后表面是指成像物體朝向偽隨機編碼激發(fā)模塊1的正表面。偽隨機碼調(diào)制激發(fā)的主要目的在于獲取光學信號的飛行時間曲線信息。偽隨機碼生成器103在生成偽隨機碼序列后還向飛行時間曲線信息檢測子模塊303發(fā)出觸發(fā)信號16 (表征一段偽隨機碼序列開始的高電平脈沖)，用于確定偽隨機碼序列和檢測電子脈沖的相對時間關(guān)系。如圖3所示，成像物體旋轉(zhuǎn)模塊2由同軸旋轉(zhuǎn)臺201和成像物體固定裝置202組成。所述同軸旋轉(zhuǎn)臺201包括上下兩個部分，通過螺桿和齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)上下旋轉(zhuǎn)臺的同步旋轉(zhuǎn)。成像物體4通過成像物體固定裝置202固定于同軸旋轉(zhuǎn)臺201上，可以被同軸旋轉(zhuǎn)臺201的水平旋轉(zhuǎn)到不同的角度。其中旋轉(zhuǎn)角度定義為，以同軸旋轉(zhuǎn)臺201的旋轉(zhuǎn)軸心為原點，同軸旋轉(zhuǎn)臺201未旋轉(zhuǎn)的原始角度即平行于水平方向時為0°，在每一次成像過程中，通過計算機控制同軸旋轉(zhuǎn)臺201沿逆時針旋轉(zhuǎn)到不同的旋轉(zhuǎn)角度。經(jīng)光學掃描振鏡 105將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體后表面的不同位置后，經(jīng)成像物體前表面發(fā)射出出射的光學信號，該光學信號經(jīng)與水平方向夾角為45°方向的分束鏡301后，一定比例的光學信號不改變傳播方向，沿原方向即水平方向到達強度信息檢測子模塊302 ；另一部分光學信號的傳播方向被偏置了 90° (即垂直于水平方向向下偏置)，到達飛行時間曲線信息檢測子模塊303。其中光學掃描振鏡105、成像物體和分束鏡301沿同一直線設置。如圖4所示，強度信息檢測子模塊302由濾光片轉(zhuǎn)輪A501、攝像鏡頭503和CXD相機504構(gòu)成。濾光片轉(zhuǎn)輪A501垂直于水平面設置，接收經(jīng)分束鏡301透過的不改變傳播方向的一定比例的光學信號，其平面垂直于攝像鏡頭503和CCD相機504所構(gòu)成光路的光軸。通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪A501旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片 A502選擇性地透過熒光或激發(fā)光，并傳輸?shù)接嬎銠C。透過帶通光學濾光片A502的熒光或激發(fā)光，被攝像鏡頭503成像于CXD相機504的檢測區(qū)域((XD芯片)。CXD相機504通過其上的大像素的CCD芯片實現(xiàn)了對檢測區(qū)域的光學信號強度信息的密集空間采樣，可獲得較多的光源-檢測點對數(shù)，有利于提高熒光分子斷層成像的空間分辨率。如圖5所示，飛行時間曲線信息檢測子模塊303由濾光片轉(zhuǎn)輪B601、多個光纖傳導結(jié)構(gòu)603、多個單光子計數(shù)光電倍增管604和多通道時間計數(shù)器605構(gòu)成。濾光片轉(zhuǎn)輪 B601平行于水平面設置，接收經(jīng)分束鏡301透過的一定比例的被偏置的光學信號。通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪B601旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片B602選擇性地透過熒光或激發(fā)光，并傳輸?shù)接嬎銠C。多個光纖傳導結(jié)構(gòu)603置于濾光片轉(zhuǎn)輪B601的下方，多個單光子計數(shù)光電倍增管604置于濾光片轉(zhuǎn)輪B601的下方。每一個光纖傳導結(jié)構(gòu) 603的頭部均有一聚焦鏡A6031，使得光纖傳導結(jié)構(gòu)603的光纖6032只收集成像物體表面的一個小檢測區(qū)域的出射光子。多個光纖傳導結(jié)構(gòu)603的光纖6032的頭部在水平的平面上按照環(huán)形排布，以同時分別收集成像物體表面的多個檢測點的出射光子。光子通過光纖傳導結(jié)構(gòu)603后到達單光子計數(shù)光電倍增管604后，被轉(zhuǎn)換成一系列單獨的電脈沖。這些電脈沖被多通道時間計數(shù)器605時間計數(shù)后，傳輸?shù)接嬎銠C后，電脈沖信號同編碼激發(fā)光的偽隨機碼序列做自相關(guān)，可得到相應的飛行時間曲線信息。偽隨機碼生成器103通過電纜連接到多通道時間計數(shù)器605，如圖2和圖5所示，偽隨機碼生成器103生成的觸發(fā)信號 106(表征一個偽隨機碼序列開始的高電平脈沖)也被多通道時間計數(shù)器605進行時間計數(shù)，以確定偽隨機碼序列和檢測電子脈沖的相對時間關(guān)系。如圖6所示，所述的每個光纖傳導結(jié)構(gòu)603均由聚焦鏡A6031、光纖6032、聚焦鏡 B6033和濾光片轉(zhuǎn)輪C6034組成，聚焦鏡A6031的聚焦平面平行于水平面，聚焦鏡B6033的聚焦平面與聚焦鏡A6031的聚焦平面互相垂直。其中聚焦鏡A6031的光軸垂直于光纖6032 一端，而聚焦鏡B6033光軸垂直于光纖6032的另一端。聚焦鏡B6033將光纖6032后端出射的光子耦合到單光子計數(shù)光電倍增管604的檢測區(qū)域。且聚焦鏡B6033的光軸垂直于光電倍增管604的檢測區(qū)域平面。濾光片轉(zhuǎn)輪C6034在聚焦鏡B6033和單光子計數(shù)光電倍增管604之間，垂直于聚焦鏡B6033的光軸。每一濾光片轉(zhuǎn)輪C634上安裝有不同透過率的光學衰減片C6035，以調(diào)節(jié)達到單光子計數(shù)光電倍增管604的光學信號的強度，保持電脈沖的生成速度接近但不超過單光子計數(shù)光電倍增管604和多通道時間計數(shù)器605所能達到的最大單光子計數(shù)速率。所述的光學掃描振鏡105、同軸旋轉(zhuǎn)臺201、濾光片轉(zhuǎn)輪A501、濾光片轉(zhuǎn)輪B601、濾光片轉(zhuǎn)輪C6034、CXD相機504、單光子計數(shù)光電倍增管604、多通道時間計數(shù)器605均與計算機相連接。本發(fā)明提出的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像方法，具體包括以下幾個步驟步驟一開啟本裝置偽隨機編碼激發(fā)模塊1、成像物體旋轉(zhuǎn)模塊2和光學信號檢測模塊3，并預熱5 10分鐘。預熱后，從激光器101出射穩(wěn)定的恒定強度激光被相位/強度調(diào)制器102和偽隨機碼生成器103處理成偽隨機碼調(diào)制的激光，該偽隨機碼調(diào)制的激光通過聚焦光路104后，在距離成像物體后表面的臨近位置被聚焦成偽隨機編碼的激發(fā)光點。步驟二 通過計算機定義圖像采集的基本參數(shù)。(1)確定進行信號檢測時同軸旋轉(zhuǎn)臺201的旋轉(zhuǎn)角度θ、相鄰旋轉(zhuǎn)角度之間間隔 Δ θ以及旋轉(zhuǎn)角度的總數(shù)目i，進而獲得旋轉(zhuǎn)角度的最大度數(shù)。通常進行信號檢測的旋轉(zhuǎn)角度均勻分布在，360° )范圍內(nèi)。例如，當旋轉(zhuǎn)角度的總數(shù)目i = M時，相應的旋轉(zhuǎn)角度θ的范圍為
，其相鄰旋轉(zhuǎn)角度之間的間隔Δ θ為15°。所述的旋轉(zhuǎn)角度θ = 0°是指同軸旋轉(zhuǎn)臺201未旋轉(zhuǎn)。(2)確定成像物體后表面的激光投射位置，激光投射位置具有多個，均勻分布于成像物體的后表面，激光投射位置滿足成像物體后表面每2cm2具有1到6個激光投射位置。 為使整個圖像采集過程能取得更多的光源-檢測點對數(shù)，在每個旋轉(zhuǎn)角度，聚焦的激發(fā)光點會被光學掃描振鏡105投射到不同激光投射位置，在每個激光投射位置，光學信號檢測模塊3均將采集出射的熒光和激發(fā)光信號。步驟三(1)通過計算機控制同軸旋轉(zhuǎn)臺201旋轉(zhuǎn)成像物體203到起始旋轉(zhuǎn)角度 θ = θ ‘(如 0° )。(2)通過計算機控制光學掃描振鏡105隨機地將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體203的表面的第一個激光投射位置，該第一個激光投射位置是隨機而定的，通過光學信號檢測模塊3采集成像物體表面出射的熒光和激發(fā)光信號，其中一部分熒光和激發(fā)光信號不改變傳播方向，到達強度信息檢測子模塊302，通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪Α501旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片Α502選擇性地透過熒光或激發(fā)光，并傳輸?shù)接嬎銠C；另一部分熒光和激發(fā)光信號經(jīng)分束鏡被偏置，到達飛行時間曲線信息檢測子模塊303，并通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪Β601旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片Β602選擇性地透過熒光或激發(fā)光，并傳輸?shù)接嬎銠C進行檢測。步驟四返回步驟三O)，按順序完成該旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)其余所有激光投射位置的激光點投射，其余各激光投射位置的投射順序是隨機而定的，一般從第一個激光投射位置開始，按順序逐次展開其余各個點的投射，并通過計算機檢測相應的出射的熒光和激發(fā)光信號。同軸旋轉(zhuǎn)臺201和計算機之間通過232串口實現(xiàn)通信；光學掃描振鏡105同計算機之間也通過232串口實現(xiàn)通信；光學信號檢測模塊3的各子模塊同計算機通過usb接口實現(xiàn)
ififn。步驟五通過計算機控制同軸旋轉(zhuǎn)臺201旋轉(zhuǎn)成像物體203沿逆時針旋旋轉(zhuǎn)到θ =θ ‘ +Δ θ的旋轉(zhuǎn)角度上，返回步驟三(2) 步驟四，按照與初始旋轉(zhuǎn)角度投射時相同的激光投射位置的進行投射；步驟六判斷旋轉(zhuǎn)角度θ = θ ‘ +Δ θ是否滿足步驟一中設定的最大的旋轉(zhuǎn)角度，當滿足時，完成所有指定旋轉(zhuǎn)角度的激發(fā)和檢測，當不滿足時，令旋轉(zhuǎn)角度θ為 Θ+Δ θ，并返回步驟五，直至旋轉(zhuǎn)角度θ滿足步驟一中設定的最大的投影角度。所述的激光器101、濾光片Α502、濾光片Β602的選擇是根據(jù)成像物體203內(nèi)部的熒光探針的激發(fā)和發(fā)射波長來選取的。濾光片轉(zhuǎn)輪Α501和濾光片轉(zhuǎn)輪Β601的孔位在3到 5個之間，但是具體數(shù)目可以更多。在濾光片轉(zhuǎn)輪A 501和濾光片轉(zhuǎn)輪Β601至少均有兩個安裝光學濾光片Α502和光學濾光片Β602的孔位，其它孔位安裝不透光的擋片。不檢測信號時，通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪Α501和濾光片轉(zhuǎn)輪Β601旋轉(zhuǎn)到不透光的擋片所在的孔位，可保護所述檢測器CCD相機504和多個單光子計數(shù)光電倍增管604，延長其使用壽命。濾光片轉(zhuǎn)輪6034的孔位3到5個之間每個孔位配置不同透過率的光學衰減片 6035，其中第一個孔位的光學衰減片的透過率為90%，其他孔位的透過率按照10倍比例逐次遞減，即透光率依次為9%、0. 9%、0. 09%等。所述的光纖傳導結(jié)構(gòu)603的數(shù)目在3到5個之間，排布在80 120度的半環(huán)形角度內(nèi)。單光子計數(shù)光電倍增管604的數(shù)目與光纖傳導結(jié)構(gòu)603數(shù)目一致。
權(quán)利要求
1.一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置，其特征在于包括偽隨機編碼激發(fā)模塊、成像物體旋轉(zhuǎn)模塊和光學信號檢測模塊，偽隨機編碼激發(fā)模塊包括激光器、相位/強度調(diào)制器、偽隨機碼生成器、聚焦光路和光學掃描振鏡，成像物體旋轉(zhuǎn)模塊包括同軸旋轉(zhuǎn)臺和成像物體固定裝置，光學信號檢測模塊包括分束鏡、強度信息檢測子模塊和飛行時間曲線信息檢測子模塊；激光器發(fā)出的激光在相位/強度調(diào)制器中被偽隨機碼生成器生成偽隨機碼調(diào)制的激光，該激光通過聚焦光路后，在距離成像物體后表面的臨近位置被聚焦成偽隨機編碼的激發(fā)光點，然后通過計算機控制光學掃描振鏡，將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體后表面，該成像物體與光學掃描振鏡沿水平方向的同一直線設置偽隨機碼生成器在生成偽隨機碼序列后還向飛行時間曲線信息檢測子模塊發(fā)出觸發(fā)信號；所述同軸旋轉(zhuǎn)臺包括上下兩個部分，通過螺桿和齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)上下旋轉(zhuǎn)臺的同步旋轉(zhuǎn)；成像物體通過成像物體固定裝置固定于同軸旋轉(zhuǎn)臺上，被同軸旋轉(zhuǎn)臺水平旋轉(zhuǎn)到不同的角度，經(jīng)光學掃描振鏡將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體后表面的不同位置后，經(jīng)成像物體前表面發(fā)射出出射的光學信號，該光學信號經(jīng)與水平方向夾角為45°方向的分束鏡后，一部分光學信號不改變傳播方向，沿原方向即水平方向到達強度信息檢測子模塊；另一部分光學信號的傳播方向被偏置了 90°，到達飛行時間曲線信息檢測子模塊； 所述的光學掃描振鏡、成像物體和分束鏡沿同一直線設置；強度信息檢測子模塊由濾光片轉(zhuǎn)輪A、攝像鏡頭和CCD相機構(gòu)成，濾光片轉(zhuǎn)輪A垂直于水平面設置，接收經(jīng)分束鏡透過的不改變傳播方向的光學信號，其平面垂直于攝像鏡頭和 CCD相機所構(gòu)成光路的光軸，通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪A旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片A選擇性地透過熒光或激發(fā)光，透過帶通光學濾光片A的熒光或激發(fā)光，被攝像鏡頭成像于CCD相機的檢測區(qū)域；CCD相機通過CCD芯片實現(xiàn)對檢測區(qū)域的光學信號強度信息的密集空間采樣；飛行時間曲線信息檢測子模塊由濾光片轉(zhuǎn)輪B、多個光纖傳導結(jié)構(gòu)、多個單光子計數(shù)光電倍增管和多通道時間計數(shù)器構(gòu)成，濾光片轉(zhuǎn)輪B平行于水平面設置，接收經(jīng)分束鏡透過的被偏置的光學信號，通過計算機控制濾光片轉(zhuǎn)輪B旋轉(zhuǎn)到不同的孔位，利用相應孔位的帶通光學濾光片B選擇性地透過熒光或激發(fā)光；多個光纖傳導結(jié)構(gòu)置于濾光片轉(zhuǎn)輪B的下方，多個單光子計數(shù)光電倍增管置于濾光片轉(zhuǎn)輪B的下方；光子通過光纖傳導結(jié)構(gòu)后到達單光子計數(shù)光電倍增管后，被轉(zhuǎn)換成一系列單獨的電脈沖，這些電脈沖被多通道時間計數(shù)器時間計數(shù)后，傳輸?shù)接嬎銠C后，電脈沖信號同編碼激發(fā)光的偽隨機碼序列做自相關(guān)，得到相應的飛行時間曲線信息，且偽隨機碼生成器生成的觸發(fā)信號也被多通道時間計數(shù)器進行時間計數(shù)，確定偽隨機碼序列和檢測電子脈沖的相對時間關(guān)系；所述的光學掃描振鏡、同軸旋轉(zhuǎn)臺、濾光片轉(zhuǎn)輪A、濾光片轉(zhuǎn)輪B、CCD相機、單光子計數(shù)光電倍增管、多通道時間計數(shù)器均與計算機相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置， 其特征在于所述的光纖傳導結(jié)構(gòu)由聚焦鏡A、光纖、聚焦鏡B和濾光片轉(zhuǎn)輪C組成，聚焦鏡 A的聚焦平面平行于水平面，聚焦鏡B的聚焦平面與聚焦鏡A的聚焦平面互相垂直，聚焦鏡 A的光軸垂直于光纖一端，而聚焦鏡B光軸垂直于光纖632的另一端，聚焦鏡B將光纖后端出射的光子耦合到單光子計數(shù)光電倍增管的檢測區(qū)域，且聚焦鏡B的光軸垂直于光電倍增管的檢測區(qū)域平面，濾光片轉(zhuǎn)輪C在聚焦鏡B和單光子計數(shù)光電倍增管之間，垂直于聚焦鏡 B的光軸，每一濾光片轉(zhuǎn)輪C上安裝有不同透過率的光學衰減片C，用于調(diào)節(jié)達到單光子計數(shù)光電倍增管的光學信號的強度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置， 其特征在于所述的濾光片轉(zhuǎn)輪C與計算機相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置， 其特征在于所述的濾光片轉(zhuǎn)輪C的孔位3到5個之間，每個孔位配置不同透過率的光學衰減片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置， 其特征在于所述的濾光片轉(zhuǎn)輪A和濾光片轉(zhuǎn)輪B的孔位在3到5個之間，濾光片轉(zhuǎn)輪A和濾光片轉(zhuǎn)輪B至少分別有兩個安裝光學濾光片A和光學濾光片B的孔位，其它孔位安裝不透光的擋片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置， 其特征在于所述的光纖傳導結(jié)構(gòu)的數(shù)目在3到5個之間，排布在80 120度的半環(huán)形角度內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置， 其特征在于所述的單光子計數(shù)光電倍增管的數(shù)目與光纖傳導結(jié)構(gòu)數(shù)目一致。
8.一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像方法，其特征在于具體包括以下幾個步驟步驟一開啟本裝置偽隨機編碼激發(fā)模塊、成像物體旋轉(zhuǎn)模塊和光學信號檢測模塊，從激光器出射穩(wěn)定的恒定強度激光被相位/強度調(diào)制器和偽隨機碼生成器處理成偽隨機碼調(diào)制的激光；步驟二 通過計算機定義圖像采集的基本參數(shù)(1)確定進行信號檢測時同軸旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度θ、相鄰旋轉(zhuǎn)角度之間間隔△θ以及旋轉(zhuǎn)角度的總數(shù)目i，進而獲得旋轉(zhuǎn)角度的最大度數(shù)，該偽隨機碼調(diào)制的激光通過聚焦光路后，在距離成像物體后表面的臨近位置被聚焦成偽隨機編碼的激發(fā)光點；(2)確定成像物體后表面的激光投射位置；步驟三(1)通過計算機控制同軸旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)成像物體到起始旋轉(zhuǎn)角度θ = Θ';(2)通過計算機控制光學掃描振鏡隨機地將偽隨機編碼的激發(fā)光點投射到成像物體的表面的第一個激光投射位置，通過光學信號檢測模塊3采集成像物體表面出射的熒光和激發(fā)光信號，其中一部分熒光和激發(fā)光信號不改變傳播方向，到達強度信息檢測子模塊，選擇性地透過熒光或激發(fā)光，并傳輸?shù)接嬎銠C進行檢測；另一部分熒光和激發(fā)光信號經(jīng)分束鏡被偏置，到達飛行時間曲線信息檢測子模塊，選擇性地透過熒光或激發(fā)光，并傳輸?shù)接嬎銠C進行檢測；步驟四返回步驟三(2)，按順序完成該旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)其余所有激光投射位置進行激光點投射，并通過計算機接收并檢測相應的出射的熒光和激發(fā)光信號；步驟五通過計算機控制同軸旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)成像物體的旋轉(zhuǎn)角度為θ = θ' +Δ Θ，返回步驟三(2) 步驟四，按照與初始旋轉(zhuǎn)角度投射時相同的激光投射位置的進行投射；步驟六判斷旋轉(zhuǎn)角度θ = θ ‘ +Δ θ是否滿足步驟一中設定的最大的旋轉(zhuǎn)角度，當滿足時，完成所有指定旋轉(zhuǎn)角度的激發(fā)和檢測，當不滿足時，令旋轉(zhuǎn)角度θ為Θ+Δ Θ，并返回步驟五，直至旋轉(zhuǎn)角度θ滿足步驟一中設定的最大的投影角度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多光學信息同步檢測的雙參數(shù)熒光分子斷層成像裝置及方法，該成像裝置由偽隨機編碼激發(fā)模塊、成像物體旋轉(zhuǎn)模塊和光學信號檢測模塊組成。偽隨機編碼激發(fā)模塊包括激光器、相位/強度調(diào)制器、偽隨機碼生成器、聚焦光路和光學掃描振鏡。成像物體旋轉(zhuǎn)模塊包括同軸旋轉(zhuǎn)臺和成像物體固定裝置。光學信號檢測模塊包括分束鏡、強度信息檢測子模塊和飛行時間曲線信息檢測子模塊。本發(fā)明提出的成像裝置利用偽隨機編碼的激發(fā)光獲取飛行時間曲線信息，具有較低成本和準確度高的優(yōu)點，并通過旋轉(zhuǎn)成像物體實現(xiàn)在360°范圍的全角度成像，能夠獲得較多的光源-檢測點對數(shù)，有利于提高雙參數(shù)成像的空間分辨率。
文檔編號A61B5/00GK102178512SQ20111009018
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者李德玉, 樊瑜波, 汪待發(fā) 申請人:北京航空航天大學