本實用新型涉及光學分子影像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種廣視角光學分子斷層成像導航系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

分子影像是21世紀最耀眼的科學與技術(shù)之一，它是指無損傷地在分子水平上探測生物體內(nèi)分子，并給出體內(nèi)分子分布信息的醫(yī)學影像技術(shù)。并被實踐證明是一種能夠在體可視化分子、基因、細胞水平生物體生理病理變化的影像工具。作為其中一種重要的分子影像成像模態(tài)，光學分子影像憑借自身低成本、高通量、非侵入、非接觸、非電離輻射、靈敏度高、特異性強等優(yōu)勢已經(jīng)應(yīng)用到了腫瘤的早期檢測、藥物的研發(fā)等領(lǐng)域。

光學分子影像技術(shù)相比于傳統(tǒng)的影像技術(shù)，具有如下的優(yōu)勢：其一，光學分子影像技術(shù)可將基因表達、生物信號傳遞等復雜的過程變成直觀的圖像，使人們能更好地在分子水平上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展機制及過程；其二，能夠發(fā)現(xiàn)疾病早期的分子變異及病理改變過程；其三，可在活體上連續(xù)觀察藥物或基因治療的機理和效果。通常，探測生物組織分子的方法分離體探測方法和在體探測方法兩種，光學分子影像技術(shù)作為一種在體探測方法，其優(yōu)勢在于可以快速、遠距離、無損傷地獲得生物組織分子的圖像。它可以揭示病變的早期分子生物學特征，從而為疾病的早期診斷和治療提供可能，也為臨床診斷引入了新的概念。

光學分子斷層成像技術(shù)是一種光學分子影像技術(shù)，該技術(shù)利用光在生物組織中的傳播原理建立數(shù)學模型，并反向求解，得到光在生物組織中的三維斷層分布信息，為研究生物組織的生理病理現(xiàn)象提供了很好的技術(shù)支持。激發(fā)熒光斷層成像技術(shù)是一種光學分子斷層成像技術(shù)，它的原理可以描述為：首先向生物體內(nèi)注射熒光分子探針，熒光分子探針在生物體內(nèi)代謝會匯聚到病變組織處，然后通過生物體外的激發(fā)光源，照射生物體內(nèi)的熒光探針基團，使其達到高能量狀態(tài)，熒光基團吸收光能使得電子躍遷到了激發(fā)態(tài)，電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的過程中會釋放出熒光，該熒光較激發(fā)光向紅端移動，即發(fā)射的熒光的波長比激發(fā)熒光的波長要長，熒光在組織體內(nèi)傳播并有一部分達到體表，從體表發(fā)出的熒光被高靈敏度的探測器接收到，從而形成熒光圖像。通常，熒光基團產(chǎn)生的熒光經(jīng)過生物體內(nèi)組織的吸收、散射后，到達表面的時候強度已經(jīng)較弱，這時候，就需要利用高靈敏度的CCD相機捕獲到達表面的熒光光子，然后通過計算機處理捕獲的信號并進行成像。廣視角光學分子斷層成像導航技術(shù)一方面通過多光譜光學信號采集裝置中的熒光CCD相機捕獲從生物體表發(fā)出的熒光信息，獲得熒光圖像，再利用多光譜光學信號采集裝置中的白光CCD相機捕獲從生物組織表面發(fā)出的可見光信息，獲得白光圖像，并利用光在生物組織中的光學參數(shù)和傳播原理，重建出成像目標生物體的三維解剖結(jié)構(gòu)信息，并重建出生物組織中發(fā)光的熒光探針的具體位置和體積大小，這樣，就重建除了生物組織中病變組織的大小和具體位置，為分析生物組織的生理病理現(xiàn)象提供了依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本實用新型根據(jù)光學分子影像技術(shù)的特點，并基于長期在光學分子影像技術(shù)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗，提供了一種廣視角光學分子斷層成像導航系統(tǒng)及方法，采用系統(tǒng)支撐模塊、同步觸發(fā)模塊、光學信號探測模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等功能模塊來實現(xiàn)廣視角光學分子斷層成像及導航的功能。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本實用新型的一個方面，本實用新型提供了一種廣視角光學分子斷層成像導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

系統(tǒng)支撐模塊101，用于對系統(tǒng)中使用到的設(shè)備提供支撐作用；

同步觸發(fā)模塊201，用于同步觸發(fā)光學信號采集模塊中CCD相機采集光學圖像和濾光片轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動；

光學信號探測模塊401，用于探測成像區(qū)域中的光學信號；

數(shù)據(jù)處理模塊501，用于對該系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置和對所述光學圖像數(shù)據(jù)進行處理與顯示。

(三)有益效果

根據(jù)以上方案可以看出，本實用新型具有如下有益效果：

1.利用本實用新型，可以使用多臺多光譜信號采集裝置601和光源裝置602，獲取成像區(qū)域301中的多光譜信號，并利用數(shù)據(jù)處理模塊501對采集到的廣視角多光譜信號進行三維重建和顯示，提供導航信息，有效解決了廣視角光學分子斷層成像導航問題。因此，系統(tǒng)功能齊全，而設(shè)備使用便捷。

2.利用本實用新型，通過數(shù)據(jù)處理模塊501中的軟件控制模塊502能夠便捷地控制光學信號探測模塊401和同步觸發(fā)模塊201，使光學信號探測模塊401采集多光譜熒光數(shù)據(jù)和白光數(shù)據(jù)。同時，通過數(shù)據(jù)處理模塊501中的圖像處理模塊503對采集到的數(shù)據(jù)進行有效的處理，使最終得到的重建后的導航圖像清晰且特征突出。功能顯著，操作簡單便捷。

3.利用本實用新型，通過系統(tǒng)支撐模塊101的便捷設(shè)計，能方便升降、移動等操作。利用光學信號探測模塊401的廣視角多光譜成像，能夠快速地獲取成像區(qū)域各個角度的熒光圖像和白光圖像信息，快速重建出成像目標體表面輪廓信息和內(nèi)部熒光光源的信息，能夠探測到較深的熒光信息，能夠最大程度低保留有用的光學信息。

4.通過本實用新型，由于在實驗過程中需要進行避光處理，同時，通過在多光譜光信號采集裝置601和光源裝置602中放置濾光裝置，使得照射到成像區(qū)域301的熒光信號和白光信號具有不同的光譜范圍，同時，多光譜光信號采集裝置601也能夠把采集到的多光譜信號成功分離開來。由于光譜的分離，使得白光信號和熒光信號不會相互影響。解決了實際中面臨的光譜混雜問題。

附圖說明

圖1是依照本實用新型中的一種廣視角光學分子斷層成像導航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是依照本實用新型中的光學信號探測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是依照本實用新型中的系統(tǒng)支架模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明。

圖1是依照本實用新型實施的一種廣視角光學分子斷層成像導航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：

系統(tǒng)支撐模塊(101)，用于對系統(tǒng)中使用到的設(shè)備提供支撐作用；

同步觸發(fā)模塊(201)，用于同步觸發(fā)光學信號采集模塊中CCD相機采集光學圖像和濾光片轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動；

光學信號探測模塊(301)，用于探測成像區(qū)域中的光學信號；

數(shù)據(jù)處理模塊(501)，用于對該系統(tǒng)進行必要的參數(shù)設(shè)置和對所述光學圖像數(shù)據(jù)進行處理與顯示。

其中，如圖3所示，所述系統(tǒng)支撐模塊(101)包括系統(tǒng)支架(102)、數(shù)據(jù)處理模塊支架(103)、同步觸發(fā)裝置支架(104)、圖像顯示模塊支架(105)、光學平臺支架(106)；

其中：系統(tǒng)支架(102)，用于支撐起數(shù)據(jù)處理模塊支架(103)、同步觸發(fā)裝置支架(104)、圖像顯示模塊支架(105)、和光學平臺支架(106)，并且保證系統(tǒng)支架自身可移動，系統(tǒng)支架(102)縱向可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后整體的高度范圍是1米～2米；數(shù)據(jù)處理模塊支架(103)用于支撐起數(shù)據(jù)處理模塊(501)。同步觸發(fā)裝置支架(104)用于支撐同步觸發(fā)模塊(202)；圖像顯示模塊支架(105)用于支撐圖像顯示模塊(504)；光學平臺支架(106)用于支撐光學信號探測模塊(401)；阻力耦合在系統(tǒng)支架(102)上。

同步觸發(fā)模塊(201)包括同步觸發(fā)裝置(202)。同步觸發(fā)裝置(202)側(cè)旁具有一個信號輸入接口，通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理模塊(501)的軟件控制模塊(502)相連，接收軟件控制模塊(502)的輸入信號；同時，其側(cè)旁還有信號輸出接口，分別通過數(shù)據(jù)線與光學信號探測模塊(401)中的熒光光源(402)、白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置(405)相連，用于向熒光光源(402)、白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置輸出同步觸發(fā)信號。

如圖2所示，光學信號探測模塊(401)包括熒光光源(402)，白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置(405)、多個濾光片(406)、光學鏡頭(407)。熒光光源(402)用于提供激發(fā)熒光信號，熒光光源內(nèi)部前方耦合有濾光片(406)，熒光光源(402)提供的激發(fā)熒光信號通過濾光片(406)后照射到成像區(qū)域(301)。白光光源(403)用于提供可見光信號，白光光源(403)內(nèi)部前方耦合有濾光片(406)，白光光源(403)提供的可見光信號通過濾光片(406)后照射到成像區(qū)域(301)。白光光源(403)和熒光光源(402)統(tǒng)稱為光源(602)，均勻分布在光學平臺支架106上。所述光源602能夠?qū)Τ上駞^(qū)域(301)進行廣視角照射。熒光采集裝置(404)用于采集成像區(qū)域(301)中的熒光信號，熒光采集裝置(404)內(nèi)部前方具有濾光片(406)和光學鏡頭(407)。白光采集裝置(405)用于采集成像區(qū)域(301)中的白光信號，白光采集裝置(405)內(nèi)部前方具有濾光片(406)和光學鏡頭(407)。熒光采集裝置404和白光采集裝置405統(tǒng)稱為多光譜光信號采集裝置(601)，各個多光譜光信號采集裝置601均勻分布在光學平臺支架106上。能夠?qū)Τ上駞^(qū)域(301)進行全視廣視角光信號采集。

數(shù)據(jù)處理模塊(501)包括軟件控制模塊(502)、圖像處理模塊(503)和圖像顯示模塊(504)。軟件控制模塊(502)負責控制光學信號探測模塊(401)中的熒光光源(402)、白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置(405)設(shè)備的開啟與關(guān)閉、參數(shù)設(shè)置，以及控制它們與同步觸發(fā)模塊(201)的同步，使得熒光光源(402)、白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置(405)能夠協(xié)同一致地有序工作。軟件控制模塊使光學信號采集模塊(401)順利完成對成像區(qū)域(301)中光學信號的廣視角的同步數(shù)據(jù)采集。圖像處理模塊(503)將各個熒光采集裝置(404)和白光采集裝置(405)采集到的熒光圖像和白光圖像進行數(shù)據(jù)處理，主要分成兩個方面，首先，將熒光圖像進行特征提取，特征增強得到增強特定光譜信號的熒光圖像，然后對增強的熒光圖像進行偽彩色處理得到偽彩色熒光圖像；并將白光圖像進行亮度調(diào)節(jié)；然后將熒光圖像和白光圖像序列進行配準，最后，再將配準后的圖像序列融合在一起，形成連續(xù)的熒光圖像和白光圖像的融合圖像。其次，圖像處理模塊能夠進行熒光光源三維重建，根據(jù)該系統(tǒng)位于各個角度的多光譜光信號采集裝置采集到的成像區(qū)域(301)中成像目標的表面二維圖像信息，結(jié)合多光譜光信號采集裝置的各個角度信息，再利用特定的小鼠表面三維結(jié)構(gòu)重建算法，重建出成像目標的三維解剖結(jié)構(gòu)信息。同時，本實用新型提出的廣視角光學分子斷層成像導航系統(tǒng)能夠進行廣視角激發(fā)熒光斷層成像光源重建。系統(tǒng)利用(1)重建得到的成像目標的三維解剖結(jié)構(gòu)信息、(2)采集到的各個角度的多光譜熒光圖像和(3)光在生物體表面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)學模型：光的擴散方程(diffusion equation)模型，(4)結(jié)合有限元處理方法和激發(fā)熒光斷層成像技術(shù)，(5)就能夠通過成像物體表面的熒光分布信息，逆向求導出出成像目標內(nèi)部熒光光源的三維結(jié)構(gòu)信息中的物理位置信息和光強信息，并顯示在圖像顯示模塊(504)上，利用重建結(jié)果為相關(guān)人員提供內(nèi)部光源的三維導航信息。圖像顯示模塊(503)將圖像處理模塊(503)處理后的數(shù)據(jù)實時顯示在顯示器上，供工作人員導航。本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是光源和采集裝置的設(shè)計，和特定的圖像序列處理方法保證了無須通過其它結(jié)構(gòu)光學成像設(shè)備如CT等獲取成像目標體的解剖結(jié)構(gòu)信息，來完成三維熒光光源重建的過程。同時，為進行三維熒光光源重建，在采集多光譜數(shù)據(jù)的時候，也無須移動成像目標的位置。保證了導航信息高效，順暢的獲取。

本實用新型還提出了一種廣視角光學分子斷層成像導航方法，包括如下步驟：

步驟S1：通過系統(tǒng)支撐模塊101將系統(tǒng)支架102和光學平臺支架106調(diào)整到合適的高度。打開光學信號探測模塊401中的熒光采集裝置404和白光采集裝置405，同時打開熒光光源402和白光光源403對成像區(qū)域301進行照射。

步驟S2：打開同步觸發(fā)裝置201中的同步觸發(fā)裝置202。打開數(shù)據(jù)處理模塊501中的軟件控制模塊502，在軟件控制模塊502中設(shè)置同步觸發(fā)裝置202的同步觸發(fā)頻率，同時設(shè)置熒光采集裝置404和白光采集裝置405的曝光時間、幀速等參數(shù)，設(shè)置熒光光源402和白光光源403的光譜范圍等參數(shù)，使光學信號探測模塊401對成像區(qū)域301進行數(shù)據(jù)采集。打開圖像處理模塊503、圖像顯示模塊504。

步驟S3：根據(jù)軟件控制模塊502設(shè)置的同步觸發(fā)頻率，同步觸發(fā)裝置202同步觸發(fā)熒光光源402、白光光源403對成像區(qū)域301進行預定角度的廣視角照射，同時同步觸發(fā)熒光采集裝置402和白光采集裝置405對成像區(qū)域301進行廣視角數(shù)據(jù)采集。熒光光源402和白光光源403統(tǒng)稱為光源602，它們能夠同步地對成像區(qū)域301進行180度廣視角照射，而熒光采集裝置404和白光采集裝置405統(tǒng)稱為多光譜光信號采集裝置601，由多組分開的設(shè)備構(gòu)成，能夠?qū)Τ上駞^(qū)域進行廣視角數(shù)據(jù)采集。

步驟S4：熒光采集裝置404和白光采集裝置405將采集到的光信號通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊501，數(shù)據(jù)處理模塊501中的圖像處理模塊503處理傳輸過來的光信號數(shù)據(jù)，對熒光采集裝置404和白光采集裝置405中傳輸過來的光信號按成像角度和時間序列進行分組，將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，得到一系列熒光圖像和白光圖像，并且對熒光圖像作特征提取、特征增強得到增強特定光譜信號的熒光圖像，然后對增強的熒光圖像進行偽彩色處理得到偽彩色熒光圖像。對白光圖像進行亮度調(diào)整、特征提取等操作，然后將熒光圖像和白光圖像序列進行配準，最后，再將配準后的圖像序列融合在一起，形成連續(xù)的熒光圖像和白光圖像的融合圖像。。

步驟S5：接下來，進行三維重建，根據(jù)處理后的二維白光圖像序列，和相應(yīng)的角度信息和光譜信息，重建出成像目標體的表面的三維結(jié)構(gòu)信息，從而得到成像目標體的表面結(jié)構(gòu)。并根據(jù)熒光光譜和白光光譜的光學特性和參數(shù)，重建出成像目標的內(nèi)部的光學參數(shù)信息。再者，根據(jù)激發(fā)熒光斷層成像重建的技術(shù)原理，對成像目標體進行內(nèi)部發(fā)光熒光光源的三維重建，重建出成像目標內(nèi)部發(fā)光熒光光源在三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)信息中的物理位置和熒光強度，并顯示在圖像顯示模塊504上，為相關(guān)人員提供內(nèi)部光源的三維導航信息。

步驟S6：在數(shù)據(jù)顯示模塊504中，有多個選項，根據(jù)各個選項，可以顯示熒光圖像、顯示熒光圖像序列(熒光視頻)，顯示白光圖像、顯示白光圖像序列(白光視頻)，顯示融合圖、顯示融合圖像序列(融合圖像視頻)，顯示重建的三維圖像、顯示重建的三維圖像序列(動態(tài)三維圖像)。使用人員可以在數(shù)據(jù)顯示模塊504中根據(jù)顯示的三維斷層圖像數(shù)據(jù)導航信息進行特定的操作。

以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。