实验动物体多模融合成像系统及使用方法技术方案

本公开提供一种实验动物体多模融合成像系统及使用方法，包括：光学成像单元，用于采集实验动物体的光学断层成像信息，包括：FMT模块，用于采集实验动物体的FMT信息，该FMT模块利用镜面滤波方法降低激发光反射光对采集信号的污染；MRI单元，与所述光学成像单元间隔设置，用于采集实验动物体的MRI信息；固定床，用于固定实验动物体，分别与所述光学成像单元和所述MRI单元配合，使实验动物体在其二者之间进行刚性移动；以及数据处理单元，用于对实验动物体的光学断层成像信息和MRI信息进行像素级融合。本公开提供的实验动物体多模融合成像系统及使用方法，通过镜面滤波方法去除发射光中的激发光反射光，进而缓解FMT采集过程中激发光的反射光对发射光的污染问题。

【技术实现步骤摘要】
实验动物体多模融合成像系统及使用方法
本公开涉及医学分子影像
，尤其涉及一种实验动物体多模融合成像系统及使用方法。
技术介绍
小动物医学断层成像技术，是一种以实验动物体(例如小鼠，或其它成像器官体积在5cm*5cm*5cm以下的动物)为成像对象的断层成像技术。通过对实验动物体上建立的疾病模型进行拍摄以及重建，得到病灶三维的分布和形状。以此辅佐相应的生物医学实验，从而有助于相关方面的研究。该技术在肿瘤研究，药物代谢研究等方面都有广泛的应用。核磁共振成像技术(MRI)以及扩散光学断层成像技术均为常见的实验动物体医学断层成像技术的技术手段。核磁共振成像技术利用组织中的质子在匀强磁场下，收到射频激励脉冲激励后，发生核磁共振现象，产生核磁共振信号这一特性，通过对核磁共振信号的获取，进而对组织进行高分辨率解剖断层成像。扩散光学断层成像技术中，较为普遍使用的为生物自发荧光计算机断层成像(BLT)和激发荧光计算机断层成像(FMT)。BLT成像技术利用生物体内的荧光素酶与注入体内的荧光素底物(Luciferin)发生化学反应产生荧光，并在生物体表面产生光斑，被探测器接收，进而得到荧光素酶在生物体内的空间分布信息。FMT成像技术利用具有靶向性的荧光探针将荧光团带入目标的生物组织。生物组织中的荧光团受到外源激光(即激发光)照射，其电子迁跃到激发态。然后，电子从激发态回到基态的过程中，释放出的荧光(即发射光)。这些荧光在生物体内传播后，在生物体表面产生光斑，被探测器接收，从而得到荧光靶向探针在生物体内的空间分布信息。然而，本申请专利技术人在实现本公开的过程中发现，由于荧光在穿过生物体时受到生物体内各种组织的吸收和散射，其传播到生物体表面的光斑已经受到严重的扭曲，这使得扩散光学断层成像很难对生物体内生物组织的形态学信息进行重建成像。并且，虽然FMT成像技术选用的激发光与发射光为不同的光谱波段，且采集发射光使用滤光片对激发光进行滤除。但激发光依旧对发射光产生污染，影响生物组织形态学重建的精度。此外，由于核磁成像技术在成像时需要成像对象处在匀强磁场中，该磁场会对扩散光学断层成像所使用的相机等电子设备产生影响，进而导致其它模态无法进行采集。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种实验动物体多模融合成像系统及使用方法，以缓解现有技术中的FMT成像技术中激发光对发射光产生污染，影响生物组织形态学重建的精度的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供一种实验动物体多模融合成像系统，包括：光学成像单元，用于采集实验动物体的光学断层成像信息，包括：FMT模块，用于采集实验动物体的FMT信息，该FMT模块利用镜面滤波方法降低激发光反射光对采集信号的污染；MRI单元，与所述光学成像单元间隔设置，用于采集实验动物体的MRI信息；固定床，用于固定实验动物体，分别与所述光学成像单元和所述MRI单元配合，使实验动物体在其二者之间进行刚性移动；以及数据处理单元，用于对实验动物体的光学断层成像信息和MRI信息进行像素级融合。在本公开的一些实施例中，所述镜面滤波方法包括：计算镜面滤波波长λf，λf＝2λ1-λ2；分别采集滤光片波长为λ2与λf时的激发荧光表面光斑结果b2和bf；以及计算最终的表面荧光光斑bp＝b2-α*bf；其中，λ1为激发光波长，λ2为发射光波长，b2n为不使用荧光探针情况下使用波长为λ2的滤光片时采集得到的激发荧光表面光斑结果，bfn为不使用荧光探针情况下使用波长为λf的滤光片时采集得到的激发荧光表面光斑结果。在本公开的一些实施例中，所述光学成像单元还包括：BLT模块，用于采集实验动物体的BLT信息；以及CT模块，用于采集实验动物体的CT信息。在本公开的一些实施例中，所述数据处理单元包括：系统矩阵构建模块，利用FMT信息和BLT信息构建系统矩阵；重建模块，采用高斯权重拉普拉斯矩阵方法构建正则化矩阵，并使用共轭梯度法结合系统矩阵，计算实验动物体内部荧光光源的光强分布；配准模块，以CT信息为基准，将重建模块对FMT信息和BLT信息的重建结果与MRI信息进行配准；以及融合模块，利用配准模块得到的FMT信息、BLT信息和MRI信息的映射关系，将FMT信息和BLT信息的重建结果与MRI信息进行像素级融合。在本公开的一些实施例中，所述系统矩阵构建模块包括：修正子模块，其采用激发光阈值修正方法对FMT系统矩阵进行修正，该激发光阈值修正方法包括：获取φx(j)中的最大值φxmax(j)；令所有的φx(j)＜0.4φxmax(j)的φx(j)的元素都置为0.4φxmax(j)；依照下述公式修正FMT系统矩阵；其中，φx(j)是激发光在实验动物体体内的荧光光强分布，φm(i)为测量所得的表面荧光光斑强度分布，ημaf(j)是实验动物体体内荧光光源分布。在本公开的一些实施例中，所述重建模块中采用高斯权重拉普拉斯矩阵方法构建正则化矩阵L如下所示：LG＝(li，j)N×N其中，lij代表衰减元素，dij表示两个体素之间的空间距离，ρsk为径向柔化函数，R为高斯核半径，在高斯权重拉普拉斯矩阵方法中取R＝0.4。在本公开的一些实施例中，所述重建模块中使用共轭梯度法结合系统矩阵，计算实验动物体内部荧光光源的光强分布包括：步骤A：建立目标优化函数；其中，为最小二乘方程，为吉洪诺夫正则项，λ为正则化参数，L为所述正则化矩阵，A为所述系统矩阵；步骤B：取初始值x(0)，计算精度为c，计算初始残差向量r(0)＝b-Ax(0)，并令p(0)＝r(0)，其中，p(0)为初始迭代方向；步骤C：若||r(k)||2≤c，则令x＝x(k)，计算终止，否则计算下式：x(k+1)＝x(k)+tk*p(k)其中，r(k)为第k次迭代的残差向量，为第k次迭代的步长，p(k)为第k次迭代方向；并对求得的x中元素通过以下公式进行修正：其中，表示向量x的第i个元素的第k次迭代结果，是校正后的结果向量；步骤D：计算r(k+1)＝b-Ax(k+1)，并令p(k+1)＝r(k+1)+αkp(k)其中，步骤E：令k＝k+1，返回步骤C进行判断。在本公开的一些实施例中，所述固定床包括：床板，其两侧设置有挡板，所述床板和所述挡板用于摆放实验动物体；光学成像窗口，对应开设于所述床板的中部以及所述挡板上，用于从底部以及侧面采集实验动物体的成像信息；固定接口，开设于所述床板和/或所述挡板上，用于辅助固定实验动物体；以及定位点，设置于所述床板和/或所述挡板上，用于与所述光学成像单元或所述MRI单元定位；其中，所述床板和所述挡板包含有机玻璃。在本公开的一些实施例中，所述光学成像单元包括：平面转盘，竖直设置，所述BLT模块、所述FMT模块和所述CT模块均固定设置在所述平面转盘上；以及平移台，其沿所述平面转盘的法向量方向往复运动，与所述床板和/或所述挡板可拆卸连接；其中，所述平移台沿所述平面转盘的法向量方向运动，使所述固定床上的所述光学成像窗口暴露在所述BLT模块、所述FMT模块和所述CT模块的成像范围内，通过所述平面转盘带动所述BLT模块、所述FMT模块和所述CT模块转动，采集实验动物体的光学断层成像信息。在本公开的一些实施例中，其中：所述BLT模块为荧光相机，用于采集所述实验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实验动物体多模融合成像系统，包括：光学成像单元，用于采集实验动物体的光学断层成像信息，包括：FMT模块，用于采集实验动物体的FMT信息，该FMT模块利用镜面滤波方法降低激发光反射光对采集信号的污染；MRI单元，与所述光学成像单元间隔设置，用于采集实验动物体的MRI信息；固定床，用于固定实验动物体，分别与所述光学成像单元和所述MRI单元配合，使实验动物体在其二者之间进行刚性移动；以及数据处理单元，用于对实验动物体的光学断层成像信息和MRI信息进行像素级融合。

【技术特征摘要】
1.一种实验动物体多模融合成像系统，包括：光学成像单元，用于采集实验动物体的光学断层成像信息，包括：FMT模块，用于采集实验动物体的FMT信息，该FMT模块利用镜面滤波方法降低激发光反射光对采集信号的污染；MRI单元，与所述光学成像单元间隔设置，用于采集实验动物体的MRI信息；固定床，用于固定实验动物体，分别与所述光学成像单元和所述MRI单元配合，使实验动物体在其二者之间进行刚性移动；以及数据处理单元，用于对实验动物体的光学断层成像信息和MRI信息进行像素级融合。2.根据权利要求1所述的实验动物体多模融合成像系统，所述镜面滤波方法包括：计算镜面滤波波长λf，λf＝2λ1-λ2；分别采集滤光片波长为λ2与λf时的激发荧光表面光斑结果b2和bf；以及计算最终的表面荧光光斑bp＝b2-α*bf；其中，λ1为激发光波长，λ2为发射光波长，b2n为不使用荧光探针情况下使用波长为λ2的滤光片时采集得到的激发荧光表面光斑结果，bfn为不使用荧光探针情况下使用波长为λf的滤光片时采集得到的激发荧光表面光斑结果。3.根据权利要求1所述的实验动物体多模融合成像系统，所述光学成像单元还包括：BLT模块，用于采集实验动物体的BLT信息；以及CT模块，用于采集实验动物体的CT信息。4.根据权利要求3所述的实验动物体多模融合成像系统，所述数据处理单元包括：系统矩阵构建模块，利用FMT信息和BLT信息构建系统矩阵；重建模块，采用高斯权重拉普拉斯矩阵方法构建正则化矩阵，并使用共轭梯度法结合系统矩阵，计算实验动物体内部荧光光源的光强分布；配准模块，以CT信息为基准，将重建模块对FMT信息和BLT信息的重建结果与MRI信息进行配准；以及融合模块，利用配准模块得到的FMT信息、BLT信息和MRI信息的映射关系，将FMT信息和BLT信息的重建结果与MRI信息进行像素级融合。5.根据权利要求4所述的实验动物体多模融合成像系统，所述系统矩阵构建模块包括：修正子模块，其采用激发光阈值修正方法对FMT系统矩阵进行修正，该激发光阈值修正方法包括：获取φx(j)中的最大值φxmax(j)；令所有的φx(j)＜0.4φxmax(j)的φx(j)的元素都置为0.4φxmax(j)；依照下述公式修正FMT系统矩阵；其中，φx(j)是激发光在实验动物体体内的荧光光强分布，φm(i)为测量所得的表面荧光光斑强度分布，ημaf(j)是实验动物体体内荧光光源分布。6.根据权利要求4所述的实验动物体多模融合成像系统，所述重建模块中采用高斯权重拉普拉斯矩阵方法构建正则化矩阵L如下所示：LG＝(li，j)N×N其中，lij代表衰减元素，dij表示两个体素之间的空间距离，ρsk为径向柔化函数，R为高斯核半径，在高斯权重拉普拉斯矩阵方法中取R＝0.4。7.根据权利要求6所述的实验动物体多模融合成像系统，所述重建模块中使用共轭梯度法结合系统矩阵，计算实验动物体内部荧光光源的光强分布包括：步骤A：建立目标优化函数；其中，为最小二乘方程，为吉洪诺夫正则项，λ为正则化参数，L为所述正则化矩阵，A为所述系统矩阵；步骤B：取初始值x(0)，计算精度为c，计算初始残差向量r(0)＝b-Ax(0)，并令p(0)＝r(0)，其中，p(0)为初始迭代方向；步骤C：若||r(k)||2≤c，则令x＝x(k)，计算终止，否则计算下式：x(k+1)＝x(k)+tk*p(k)其中，r(k)为第k次迭代的残差向量，为第k次迭代的步长，p(k)为第k次迭代方向；并对求得的x中元素通过以下公式进行修正：其中，表示向量x的第i个元素的第k次迭代结果，是校正后的结果向量；步骤D：计算r(k+1)＝b-Ax(k+1)，并令p(k+1)＝r(k+1)+αkp(k)其中，步骤E：令k＝k+1，返回步骤C进行判断。8.根据权利要求3所述的实验动物体多模融合成像系统，所述固定床包括：床板，其两侧设置有挡板，所述床板和所述挡板用于摆放实...

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，王坤，高源，尹琳，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11