單源發(fā)射雙種模態(tài)成像的x線ct-熒光成像裝置和方法
【專利說明】單源發(fā)射雙種模態(tài)成像的X線CT-熒光成像裝置和方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于多模態(tài)分子影像領(lǐng)域，涉及一種單源發(fā)射雙種模態(tài)成像的X線CT-熒光成像系統(tǒng)。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]多模態(tài)成像系統(tǒng)在科學(xué)研究和醫(yī)療檢測中起著重要的作用，并已廣泛應(yīng)用。從針對于小動(dòng)物的多模態(tài)成像設(shè)備到人體醫(yī)療檢測設(shè)備，多模態(tài)成像以其結(jié)合不同成像設(shè)備優(yōu)點(diǎn)的獨(dú)特功能，而受到廣泛關(guān)注。多模態(tài)成像系統(tǒng)目前主要有:PET-CT系統(tǒng)、超聲-CT/MR融合成像系統(tǒng)等。
[0005]PET-CT系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用的多模態(tài)成像系統(tǒng)，融合了PET和CT兩種系統(tǒng)，可以有效檢測結(jié)構(gòu)信息與生物功能信息。但PET-CT系統(tǒng)放射性劑量較大，需要同時(shí)使用X射線源和放射性造影劑進(jìn)行成像，對科研人員的傷害較大，射線防護(hù)要求較高。
[0006]超聲-CT\MR系統(tǒng)是目前的研究熱點(diǎn)，超聲、CT、MR系統(tǒng)具有各自的優(yōu)點(diǎn)與不足，其多模態(tài)融合技術(shù)具有較大的研究價(jià)值。超聲系統(tǒng)對人體傷害小，但其分辨率較低，穿透深度有限，成像精度難以滿足許多應(yīng)用場合的要求，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也難以應(yīng)用;CT系統(tǒng)分辨能力較強(qiáng)，掃描時(shí)間短，但放射性較強(qiáng)，且功能成像能力弱;MR對軟組織可以有效成像，但其掃描時(shí)間長，且分辨率較差、功能成像能力弱，在許多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較為困難。
[0007]目前多模態(tài)成像的主要目標(biāo)是保證分辨能力的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)較快、較敏感的功能成像，同時(shí)減少輻射劑量，增加設(shè)備的安全性。為了解決多模態(tài)成像技術(shù)的問題，現(xiàn)可采用CT成像系統(tǒng)和熒光成像的結(jié)合的方法。CT成像系統(tǒng)可以使圖像的分辨能力達(dá)到微米級水平，同時(shí)X射線激發(fā)的熒光系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)成像的高靈敏性。由于CT拍攝的同時(shí)可通過X射線激發(fā)熒光材料發(fā)光，故可通過單一射線源實(shí)現(xiàn)雙模態(tài)成像，從而達(dá)到降低輻射劑量的目的。
[0008]熒光成像可以測定熒光分子在活體小動(dòng)物體內(nèi)的三維分布情況，它通過熒光探針對活體動(dòng)物目標(biāo)中的特殊細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行標(biāo)記，可以高度敏感性和選擇性地檢測復(fù)雜生物分子及活細(xì)胞中特定成分。具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，其測定條件適宜生命體的生理環(huán)境?，F(xiàn)應(yīng)用的熒光材料多屬于自發(fā)熒光，發(fā)光效率低，光強(qiáng)不穩(wěn)定。使用X射線激發(fā)熒光探針，可以保證探針發(fā)光穩(wěn)定性，并提高發(fā)光強(qiáng)度。
[0009]X射線在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，CT設(shè)備使人們可以對物體進(jìn)行三維成像?？蒲杏肅T多為采用錐形束成像方式的顯微CT系統(tǒng)，其系統(tǒng)分辨率較高，通常為微米量級或亞微米級，可以清楚表征物體三維信息。顯微CT系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高精度的小動(dòng)物成像中，可快捷穩(wěn)定地為科研人員提供清晰、完整的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種將兩種模態(tài)融合，達(dá)到單發(fā)雙模成像效果，具有深度激發(fā)性、高靈敏激發(fā)性、高強(qiáng)度激發(fā)性的單源發(fā)射雙種模態(tài)成像的X線CT-熒光成像裝置。本發(fā)明同時(shí)提供一種單源發(fā)射雙種模態(tài)成像的X線CT-熒光成像方法，使用熒光材料(X線激發(fā))，單源發(fā)射X線，配合X線及熒光探測器同時(shí)成像，分別得到CT及熒光圖像，最終將兩種模態(tài)融合，達(dá)到單發(fā)雙模的成像效果。
技術(shù)方案:本發(fā)明的單源發(fā)射雙種模態(tài)成像的X線CT-熒光成像裝置，包括設(shè)置在同一平面的X射線點(diǎn)源、載物臺(tái)、X射線探測器和熒光探測器，所述X射線點(diǎn)源、載物臺(tái)、X射線探測器設(shè)置在同一直線上，并構(gòu)成X-CT光路，所述熒光探測器中設(shè)置的熒光鏡頭對準(zhǔn)載物臺(tái)設(shè)置，所述X射線點(diǎn)源、X射線探測器和熒光探測器的相對位置固定，并能一同以載物臺(tái)為中心，相對載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0012]進(jìn)一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，X射線點(diǎn)源、X射線探測器和熒光探測器安裝于轉(zhuǎn)盤上，所述載物臺(tái)位于轉(zhuǎn)盤中心并固定不動(dòng)。
[0013]進(jìn)一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，X射線點(diǎn)源、X射線探測器和熒光探測器安裝于固定基座上，所述載物臺(tái)位于固定基座中心并能夠旋轉(zhuǎn)。
[0014]本發(fā)明的單源發(fā)射雙種模態(tài)成像的X線CT-熒光成像方法，包括以下步驟:
1)將結(jié)合了X射線熒光材料的被檢樣本放置于載物臺(tái)上，并將其X線探測器及熒光探測器視野的中心；
2)設(shè)置射線源參數(shù)并打開X射線源，發(fā)射X射線，同時(shí)打開驅(qū)動(dòng)裝置，使X射線點(diǎn)源、X射線探測器和熒光探測器一同以載物臺(tái)為中心，相對載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；
3)在X射線點(diǎn)源、X射線探測器和熒光探測器相對載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)至不同角度的同時(shí)，X射線探測器和熒光探測器分別采集各幀圖像的數(shù)據(jù)；
4)將采集到的X射線探測器數(shù)據(jù)和熒光探測器數(shù)據(jù)分別進(jìn)行斷層重建，并將得到的雙模斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。
[0015]進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟3)中X射線探測器和熒光探測器采集數(shù)據(jù)的方式是:通過唯一的X射線點(diǎn)源發(fā)射X射線，激發(fā)被檢樣本中的X射線熒光材料發(fā)光，一方面用熒光探測器采集受激發(fā)產(chǎn)生的熒光，一方面用X射線探測器采集X射線點(diǎn)源發(fā)射的X射線。
[0016]進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟4)中采用CT重建算法對X射線探測器數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層重建，采用求解擴(kuò)散近似方程的方法對熒光探測器數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層重建。
[0017]進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟4)中將得到的雙模斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，是通過配準(zhǔn)方法來確定兩種模態(tài)數(shù)據(jù)間的空間對應(yīng)關(guān)系。
[0018]本發(fā)明中采用的X線熒光材料是具有X線激發(fā)熒光性質(zhì)的材料，包括發(fā)光光譜對應(yīng)于可見光和遠(yuǎn)近紅外以及紫外等各個(gè)譜段的各類熒光材料，其材料包括熒光基團(tuán)、熒光蛋白和各類無機(jī)熒光物質(zhì)，其材料形式包括熒光固體藥品、液體藥品、探針、造影劑等。凡是受至IJX射線激發(fā)產(chǎn)生熒光的材料均屬于本系統(tǒng)所描述的范圍。
[0019]本發(fā)明中X線熒光材料與生物組織的結(jié)合方式有兩類，一類為將熒光材料直接注射入目標(biāo)區(qū)域，通過成像，檢測目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成等信息；另一類為將通過生物化學(xué)方法包裝后的熒光物質(zhì)注射入血液或其他身體部位，通過熒光物質(zhì)自身的聚集效應(yīng)，在目標(biāo)區(qū)域聚集，經(jīng)過X射線-熒光雙模態(tài)成像后，達(dá)到示蹤、標(biāo)記等目的。
[0020]本發(fā)明中，X射線點(diǎn)源與X射線探測器以及受檢物體安裝在同一直線上，構(gòu)成X射線輻射探測子系統(tǒng)，熒光探測器與受檢物體構(gòu)成熒光光路系統(tǒng)，其在該平面內(nèi)的安裝位置可以根據(jù)實(shí)際情況任意調(diào)整，但要滿足其鏡頭方向?qū)?zhǔn)受檢物體。X射線點(diǎn)源、X射線探測器、熒光探測器被置于同一平面內(nèi)，使得熒光光路系統(tǒng)與X射線光路系統(tǒng)存在重疊部分。通過X射線掃描的方式對受檢物體進(jìn)行掃描，得到X射線掃描圖像。熒光探測器鏡頭對準(zhǔn)受檢物體以及受檢物體內(nèi)部的X射線激發(fā)熒光物質(zhì)，并構(gòu)成熒光透鏡探測子系統(tǒng)以及熒光光路系統(tǒng)。熒光透鏡探測子系統(tǒng)檢測受檢物體內(nèi)部的X射線激發(fā)熒光材料的發(fā)光情況，并采集熒光圖像。得到X射線掃描圖像與熒光掃描圖像后，通過特定的圖像重建、配準(zhǔn)與融合技術(shù)，得到雙模態(tài)的成像效果。由于本系統(tǒng)采用X射線激發(fā)熒光的掃描方式，系統(tǒng)成像與熒光材料的X射線激發(fā)特性及其生物學(xué)特性緊密相連。通過采取不同特性的熒光材料以及不同的X射線激發(fā)方式，以得到不同的檢測結(jié)果。
[0021]受檢物體被置于載物臺(tái)上，載物臺(tái)可將受檢物體進(jìn)行位置調(diào)整，將其置于熒光光路系統(tǒng)與X射線光路系統(tǒng)的重疊部分，從而使得系統(tǒng)可以通過一次掃描，同時(shí)完成熒光以及X射線雙模態(tài)成像。
[0022]本系統(tǒng)中安裝有大功率高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)，通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備旋轉(zhuǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)安裝方式的不同以及被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的設(shè)備的不同，本系統(tǒng)可分為兩種結(jié)構(gòu)。A結(jié)構(gòu)，點(diǎn)源、熒光探測器、X射線探測器以及配重安裝于轉(zhuǎn)盤上，掃描過程中轉(zhuǎn)盤由大功率高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn);受檢物體置于載物臺(tái)上，并在掃描過程中保持靜止。載物臺(tái)與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)軸平行，并且可沿與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)軸平行的方向進(jìn)行平行移動(dòng)以調(diào)整受檢物體位置。使用配重保持點(diǎn)源、熒光探測器、X射線探測器等設(shè)備構(gòu)成的力矩平衡。該結(jié)構(gòu)相對適用于活體成像。B結(jié)構(gòu)，點(diǎn)源、熒光探測器、X射線探測器安裝于基座上，掃描過程中保持靜止;受檢物體置于載物臺(tái)上，并由旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。載物臺(tái)可進(jìn)行上下平移、左右平移、前后平移的四自由度移動(dòng)，以調(diào)整受檢物體位置。該結(jié)構(gòu)相對適用于離體成像。
[0023]本發(fā)明系統(tǒng)主要部件可使用不同的熒光、X射線設(shè)備。熒光設(shè)備包括熒光CCD、科學(xué)級CCD相機(jī)、人體熒光探測器等設(shè)備。X射線設(shè)備包括X射線源和X射線探測器，其中X射線源包括單能X射線源、多能X射線源、同步輻射源和投影式X射線源。X射線探測器包括平板探測器、X射線CCD探測器、光子計(jì)數(shù)探測器以及醫(yī)用X射線射線源、探測器等。熒光光路系統(tǒng)與X射線光路系統(tǒng)的夾角可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境改變，使兩光路不構(gòu)成嚴(yán)格的90°方向正交，以減少射線對熒光CCD