本發(fā)明涉及生物醫(yī)藥分子影像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)及其成像方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

光學(xué)顯像在臨床的應(yīng)用主要有切倫科夫光顯像(甲狀腺、腋窩淋巴結(jié))及熒光顯像(術(shù)中導(dǎo)航、前哨淋巴結(jié))兩類。切倫科夫光顯像的優(yōu)點(diǎn)在于直接使用成熟的核素探針進(jìn)行顯像，是天然的核素-光學(xué)多模態(tài)顯像模式，且安全性和靈活性較高，缺點(diǎn)在于光強(qiáng)度微弱、穿透性差；熒光顯像光強(qiáng)度高，但熒光顯像劑可用于臨床的種類極其有限，且激發(fā)光和發(fā)射光仍受限于有限的組織穿透性，同時(shí)非特異熒光還會(huì)降低信噪比。

輻光顯像(Radioluminescence Imaging，RLI)是一類新型的核素-光學(xué)多模態(tài)顯像模式，利用某些特殊材料(如晶體材料、稀土材料)可被X射線或γ射線激發(fā)出強(qiáng)烈可見(jiàn)光的特性，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的二次激發(fā)光學(xué)成像。但是，既往的研究大多集中于體外驗(yàn)證性研究或動(dòng)物在體介入研究，體外研究?jī)H僅證實(shí)現(xiàn)象，并未進(jìn)行有效的臨床應(yīng)用，而動(dòng)物在體介入研究主要通過(guò)將上述材料與放射性探針共同介入活體體內(nèi)實(shí)現(xiàn)激發(fā)，生物安全性和深部組織光信號(hào)穿透性問(wèn)題仍未解決。輻光增感屏顯像(radioluminescence intensifying screen imaging，RLISI)這一概念是在體內(nèi)使用臨床核素探針實(shí)現(xiàn)核素顯像，利用核射線的高穿透性將信號(hào)以射線形式傳輸出生物體，改傳統(tǒng)體內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)換為體表信號(hào)轉(zhuǎn)換，使用RLI材料的增感屏進(jìn)行光學(xué)顯像。該方法不需將具有生物安全性隱患的激發(fā)材料介入體內(nèi)，可避免傳統(tǒng)體內(nèi)RLI材料生物安全性的不足；又可利用核射線的高穿透力代替光信號(hào)由體內(nèi)傳輸至體表，克服傳統(tǒng)光學(xué)顯像中光信號(hào)在體內(nèi)傳輸?shù)拇┩感詥?wèn)題；同時(shí)，對(duì)于相同的放射性信號(hào)源，RLI的光信號(hào)強(qiáng)度比切倫科夫信號(hào)強(qiáng)度高15倍左右，靈敏度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，成像時(shí)間可由2-5min至少縮短至10s。RLI避免了切倫科夫光顯像強(qiáng)度和穿透性的不足；同時(shí)也克服了熒光顯像生物安全性及需要激發(fā)光源以及激發(fā)、發(fā)射光組織穿透性的問(wèn)題，更具臨床轉(zhuǎn)化前景。

但是，由于放射性輻射的空間散射性質(zhì)，輻光成像雖然具有前述優(yōu)勢(shì)且可用于人體顯像，但存在分辨率不佳的瓶頸問(wèn)題，只能顯示出一團(tuán)光斑，無(wú)法對(duì)目標(biāo)的輪廓和結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行準(zhǔn)確成像；同時(shí)，顯像目標(biāo)與體表的距離越深，射線散射程度越高，分辨率越差，傳統(tǒng)的輻光顯像亦無(wú)法對(duì)深在的顯像目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的成像。上述兩點(diǎn)極大限制了輻光顯像的臨床轉(zhuǎn)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)及其成像方法和應(yīng)用，該輻光顯像系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有的輻光成像分辨率進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，可適用于臨床或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的準(zhǔn)確顯像。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)，包括用于將放射源發(fā)射的光子轉(zhuǎn)化為輻光信號(hào)的增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜、用于容納放射源的成像暗室和用于采集并獲得融合圖像的光學(xué)成像硬件系統(tǒng)；所述的增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜包括面向放射源側(cè)和面向相機(jī)側(cè)，二者緊密貼合為一體，其中面向放射源側(cè)為平行孔準(zhǔn)直器，面向相機(jī)側(cè)為鎢酸鈣中速醫(yī)用增感屏；所述的光學(xué)成像硬件系統(tǒng)包括用于采集白光影像和輻光影像的EMCCD相機(jī)和用于融合白光影像和輻光影像的計(jì)算機(jī)；

放射源、增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜和EMCCD相機(jī)位于成像暗室中，增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜的面向放射源側(cè)貼在放射源上，且增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜的面向相機(jī)側(cè)正對(duì)EMCCD相機(jī)的鏡頭，EMCCD相機(jī)通過(guò)導(dǎo)線與位于成像暗室外的計(jì)算機(jī)相連。

所述的平行孔準(zhǔn)直器上均勻分布有直徑為0.8～1.2mm、圓心距為1.6～2.4mm的圓孔。

所述的平行孔準(zhǔn)直器由厚度為0.8～1.2cm的柔性鉛皮材料制成。

所述的成像暗室上安裝有暗箱門，暗箱門的門板與門框上設(shè)有相互匹配并能屏蔽外界光學(xué)噪聲的凹凸卡槽。

所述的成像暗室的內(nèi)表面和外表面均噴涂有黑色吸光涂料。

所述的成像暗室內(nèi)設(shè)置有用于放置EMCCD相機(jī)的能夠調(diào)節(jié)高度及角度的平臺(tái)。

基于所述的高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟：

步驟1，使帶有放射源的待成像物進(jìn)入成像暗室中，暴露待測(cè)部位，保持暗箱門開(kāi)啟，在不安裝增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜的情況下，采用動(dòng)態(tài)成像模式調(diào)整EMCCD相機(jī)的焦距，拍攝正常光照下的白光影像；

步驟2，將增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜緊貼于待測(cè)部位，增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜將放射源發(fā)射的光子轉(zhuǎn)化為輻光信號(hào)，關(guān)閉暗箱門，利用EMCCD相機(jī)采集得到輻光影像；

步驟3，利用計(jì)算機(jī)將采集的白光影像和輻光影像的各個(gè)像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)行融合，并添加偽彩，得到能夠提供待測(cè)部位不同區(qū)域的核素分布情況的成像結(jié)果。

所述步驟3進(jìn)行前，先去除輻光影像中的背景噪聲和脈沖噪聲，其中背景噪聲使用暗場(chǎng)圖像的均值進(jìn)行近似，脈沖噪聲使用中值濾波器濾除。

所述的高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)在γ、β衰變的放射性核素標(biāo)記的核醫(yī)學(xué)探針成像方面的應(yīng)用。

所述的放射性核素包括¹⁸F、^99mTc、³²P、⁹⁰Y和¹³¹I。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)，針對(duì)現(xiàn)有輻光成像技術(shù)的分辨率進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。本發(fā)明提供的輻光顯像系統(tǒng)包括用于將放射源發(fā)射的光子轉(zhuǎn)化為輻光信號(hào)的增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜、用于容納放射源的成像暗室和用于采集并獲得融合圖像的光學(xué)成像硬件系統(tǒng)。本發(fā)明中主要使用增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜來(lái)提高分辨率，增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜包括緊密貼合在一起的面向放射源側(cè)和面向相機(jī)側(cè)，其中面向放射源側(cè)為平行孔準(zhǔn)直器，能夠屏蔽散射放射線，提高輻光成像分辨率；面向相機(jī)側(cè)為鎢酸鈣中速醫(yī)用增感屏，能夠?qū)⒎派湓窗l(fā)出的射線在轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，且增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜的尺寸可根據(jù)顯像目的和器官不同而靈活選取。本發(fā)明提供的高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，可對(duì)各類γ、β衰變的放射性核素標(biāo)記的臨床核醫(yī)學(xué)探針進(jìn)行成像，能夠克服現(xiàn)有輻光成像技術(shù)存在的分辨率不佳問(wèn)題，能夠?qū)δ繕?biāo)的輪廓和結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行準(zhǔn)確成像，并對(duì)深在的顯像目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的成像，適用于臨床或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的準(zhǔn)確顯像，令現(xiàn)有技術(shù)中的生物安全性和深部組織光信號(hào)穿透性問(wèn)題得以有效解決，具有良好的臨床應(yīng)用前景和科研價(jià)值。

進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)中，成像暗室上涂有黑色吸光涂料，能夠避免反光；成像暗室的暗箱門的門板與門框上設(shè)有相互匹配的凹凸卡槽，能夠有效屏蔽環(huán)境中的光信號(hào)，降低圖像的本底噪聲；成像暗室內(nèi)還設(shè)有用于放置EMCCD相機(jī)的可調(diào)節(jié)高度及角度的平臺(tái)，可以方便的調(diào)節(jié)EMCCD相機(jī)的高度及角度，能夠滿足臨床各種部位患者的檢查需求，并且能夠滿足靈活進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的基礎(chǔ)研究的需求。

本發(fā)明提供的基于所述高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)的成像方法，步驟簡(jiǎn)單，操作方便，先采集一般光照條件下的白光影像，再利用增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜采集輻光影像，最后將白光影像和輻光影像融合，即得到能夠提供檢測(cè)部位不同區(qū)域的核素分布情況的成像結(jié)果，能夠很好的替代現(xiàn)有的成像方法，為醫(yī)生診斷提供清晰的功能學(xué)影像信息，也能夠?yàn)榭蒲泻徒虒W(xué)提供高分辨率的影像，具有很高的臨床應(yīng)用可行性。

進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的基于所述高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)的成像方法中，由于EMCCD相機(jī)在高增益條件下本底噪聲較高，對(duì)信號(hào)干擾較大，同時(shí)核素所產(chǎn)生的高能射線進(jìn)入EMCCD相機(jī)會(huì)在輻光影像中產(chǎn)生脈沖噪聲，因此在進(jìn)行白光影像和輻光影像融合之前先要將輻光影像中的背景噪聲和脈沖噪聲消除，以避免影像最終的成像效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的高分辨率的輻光顯像系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖，其中1為增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜，2為成像暗室，3為EMCCD相機(jī)，4為計(jì)算機(jī)，5為放射源。

圖2為增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜的表面結(jié)構(gòu)圖，其中a為面向放射源側(cè)的示意圖，b為面向相機(jī)側(cè)的示意圖，c為增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜的側(cè)視圖，d為a的局部放大圖。

圖3為成像暗室的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為整體結(jié)構(gòu)示意圖，b為門框凹槽側(cè)剖面圖，c為門板凸條側(cè)剖面圖。

圖4為成像效果對(duì)比圖，其中a為白光采集時(shí)的示意圖，b為采集的白光影像，c為臨床γ相機(jī)采集的的核素影像，d為輻光采集時(shí)的示意圖，e為無(wú)準(zhǔn)直器的傳統(tǒng)低分辨率輻光影像，f為本發(fā)明采集的輻光影像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

本發(fā)明是基于輻光成像概念并針對(duì)分辨率進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化的輻光顯像成像系統(tǒng)，可適用于臨床或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的準(zhǔn)確顯像。如圖1所示，本發(fā)明提供的輻光顯像系統(tǒng)包括帶有平行孔準(zhǔn)直器的增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜1(簡(jiǎn)稱貼膜)、成像暗室2及光學(xué)成像硬件系統(tǒng)(包括EMCCD相機(jī)3和計(jì)算機(jī)4)。貼膜由臨床使用的X射線稀土增感屏(鎢酸鈣中速醫(yī)用增感屏)與柔性鉛皮材料制成的平行孔準(zhǔn)直器緊密貼合構(gòu)成，平行孔準(zhǔn)直器可屏蔽散射放射線，提高顯像分辨率。成像暗室根據(jù)臨床需求制造，可容納顯像設(shè)備和一名患者，同時(shí)有效屏蔽環(huán)境中的光信號(hào)，降低圖像的本底噪聲，可滿足輻光成像、切倫科夫成像、熒光成像等多種臨床或科研顯像需求。EMCCD相機(jī)3放置于成像暗室2內(nèi)的可調(diào)節(jié)高度及角度的平臺(tái)之上，可滿足臨床各種部位患者的檢查需求，并可靈活進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的基礎(chǔ)研究之需。

如圖2所示，增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜1的面向放射源(患者或?qū)嶒?yàn)對(duì)象)側(cè)為由0.8～1.2cm厚度的柔性鉛皮材料制成的平行孔準(zhǔn)直器，平行孔準(zhǔn)直器上均勻分布有直徑為0.8～1.2mm、圓心距為1.6～2.4mm的圓孔；平行孔準(zhǔn)直器緊貼一張經(jīng)過(guò)裁剪的市售鎢酸鈣中速醫(yī)用增感屏(國(guó)標(biāo)YY0095-2004)，用于將放射源發(fā)出的γ射線在體表轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)。貼膜尺寸可根據(jù)顯像目的和器官不同而靈活選取。

如圖3所示，成像暗室2可由整塊厚度為3mm的鋁合金板材(或其他材質(zhì))沖壓而成(或以其他方式搭建而成)，成像暗室2的內(nèi)外表面噴涂黑色吸光涂料以避免反光。成像暗室2上設(shè)有暗箱門，暗箱門的門板與門框上設(shè)有相互匹配的凹凸卡槽，以屏蔽外界光源的干擾。成像暗室2的外壁上留有開(kāi)口供設(shè)備線路進(jìn)入，開(kāi)口處由多層避光幕布填塞并遮擋。成像暗室2的內(nèi)壁上焊有滑軌及用于放置EMCCD相機(jī)3的平臺(tái)，可根據(jù)需求靈活調(diào)整EMCCD相機(jī)3的高度和角度。

如圖1所示，光學(xué)成像硬件系統(tǒng)包含用于采集白光影像和輻逛影像的EMCCD相機(jī)3(市售ANDOR^TM)及用于融合白光影像和輻逛影像的計(jì)算機(jī)4，前者可靜態(tài)或動(dòng)態(tài)采集光學(xué)信號(hào)，后者可控制EMCCD相機(jī)3并對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

放射源5、增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜1和EMCCD相機(jī)3位于成像暗室2中，增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜1的面向放射源側(cè)貼在放射源5上，且增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜1的面向相機(jī)側(cè)正對(duì)EMCCD相機(jī)3的鏡頭，EMCCD相機(jī)3通過(guò)導(dǎo)線與位于成像暗室2外的計(jì)算機(jī)4相連。

本發(fā)明還提供了一種基于上述輻光顯像系統(tǒng)的成像方法，可對(duì)各類γ、β衰變的放射性核素標(biāo)記的臨床核醫(yī)學(xué)探針進(jìn)行成像(適用核素包括但不局限于¹⁸F、^99mTc、³²P、⁹⁰Y、¹³¹I)。

下面以Na^99mTcO₄甲狀腺顯像為例描述其顯像步驟：

步驟1，根據(jù)臨床常規(guī)，為患者靜脈注射3.5mCi(129.5MBq)甲狀腺核素顯像劑Na^99mTcO₄(體內(nèi)放射源)；

步驟2，注射后15min，患者于成像暗室2內(nèi)就座，暴露頸部待測(cè)部位，背部倚靠檢查椅背以保持靜止，保持暗箱門開(kāi)啟以拍攝正常光照下的白光影像；動(dòng)態(tài)成像模式調(diào)整EMCCD相機(jī)3的焦距；不安裝增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜1，使用EMCCD相機(jī)采集患者待測(cè)部位的白光影像，如圖4b所示(該圖的白光采集條件為EM＝3，binning＝1，exposure time＝0.1s)；

步驟3，患者持續(xù)保持靜止，使用膠條或彈力帶將增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜1緊貼于待測(cè)器官體表投影的皮膚上，增感屏輻光轉(zhuǎn)換貼膜1將核素發(fā)射的γ光子轉(zhuǎn)化為輻光信號(hào)；關(guān)閉暗箱門，采集得到輻光影像，如圖4f所示(該圖的輻光采集條件為EM＝1000，binning＝1，exposure time＝10s)；無(wú)準(zhǔn)直器的傳統(tǒng)低分辨率輻光影像及臨床γ相機(jī)的核素影像分別如圖4e和圖4c所示。

步驟4，EMCCD相機(jī)在高增益條件下，本底噪聲較高，對(duì)信號(hào)干擾較大，為此需要首先減去背景噪聲。背景噪聲使用暗場(chǎng)圖像的均值進(jìn)行近似。暗場(chǎng)圖像是EMCCD相機(jī)在完全黑暗環(huán)境下使用和輻光信號(hào)采集相同的EM增益，binning值和曝光時(shí)間條件下采集的圖像。

步驟5，核素所產(chǎn)生的高能射線進(jìn)入EMCCD相機(jī)會(huì)在輻光影像中產(chǎn)生脈沖噪聲，使用模板大小為5X5的中值濾波器可以有效濾除這些脈沖噪聲。

步驟6，融合白光影像和輻光影像，兩種影像是在患者在保持靜止下獲得的數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)4將各個(gè)像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，可以直接進(jìn)行融合顯示，為了增強(qiáng)顯示效果，輻光影像添加偽彩。最終得到的融合圖像能夠提供患者甲狀腺不同區(qū)域的核素分布情況，為醫(yī)生診斷提供功能學(xué)影像信息。

通過(guò)將圖4中不同的顯像方法采集得到的影像進(jìn)行對(duì)比可以看出，本發(fā)明采集的輻光影像具有最高的分辨率，其邊界清晰、層次分明，具有最佳的成像效果

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的上述具體實(shí)施方式僅僅用于示例性說(shuō)明或解釋本發(fā)明的原理，而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的思想和范圍的情況下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過(guò)閱讀本發(fā)明說(shuō)明書(shū)而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案所做的任何修改、等同替換、等效變換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。