可调用多种成像算法的在体荧光分子成像建模方法技术

可调用多种成像算法的在体荧光分子成像建模方法属于荧光分子成像技术领域，其特征在于，该方法是通过计算机控制荧光分子成像仪来实现的，在该计算机中设有微软主控制界面程序；硬件控制程序包；软件库实验数据转换及算法参数交互模块，内含Ｃ语言库及ＭＡＴＬＡＢ软件的动态链接库格式ＤＬＬ文件；重建算法程序库，内含有限元分析软件和ＭＡＴＬＡＢ软件的内核。此外，还有开源图像处理库。本发明专利技术能自动实现荧光分子成像，而且可实现荧光团密度和位置的重建算法，还能很方便地更新算法内核。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于荧光分子成像应用技术，涉及一种利用各种技术调用多种荧光分子断层成像重建算法对仿体或小动物进行在体荧光团重建的应用方法。并提供可进行多项荧光分子成像的实验，包括透射、反射成像与断层成像的应用软件。
技术介绍
：现代社会，癌症及各种心血管疾病日益威胁着人们的健康。尤其是癌症，其存活率低、病人所受痛苦大。现代医学对癌症，尤其是晚期癌症，尚无非常有效的治疗手段，而肿瘤学上最大的挑战之一是如何找到一种早期检测的方法，这是癌症是否能够成功治疗和提高存活率的关键之一。如何能在癌症的早期就发现变异细胞，是医学上长久以来的重大课题。近年来，在进行肿瘤在体成像中使用荧光指示剂作为外源性对比剂的方法取得了很大的成就。(见论文Becker A，Hessenius C，Licha K，et al.Receptor-targeted optical imagingof tumors with near-infrared fluorescent ligands[J].Nat Biotech，2001，19：327-331)此外，随着现代科学的发展，发现近红外荧光在基因表达图谱、研究蛋白质功能、受体定位、解释细胞通路和检测小分子蛋白之间的相互作用等生物技术方面有着重要的作用。除了能够进行上述分子水平的功能检测外，与其它成像方式相比，荧光分子成像还在一下几个方面具有优势：(1)由低能量的可见红光激发；(2)成像系统成本较低；(3)无电离辐射，染料稳定，不像核素那样衰减，适合长期或频率高的监测；(4)成像结果具有定量性。但荧光分子成像本身因涉及学术和
广泛(生物光学、医学、应用数学、电子工程和软件工程)，成像方法多样以及成像步骤复杂，导致在将荧光分子成像应用于临床和科研工作的过程中遇到了不少问题：(1)成像过程中需使用多个硬件系统、成像仪器设备模块以及多款软件(见附图1、图2及具体实施方法的描述)，这就需要一种集成方法使整套实验流程得以应用。另外，实验人员难以在短时间内做出实验结果，实验的调试及调配占用了很大一部分精力，这也是需要一种方法集成各项技术的原因之一；(2)从得到成像对像(现阶段多为仿体及小动物)的白光图片及荧光图片到转化实验数据及成像对像建模数据的转化再最终到产生重建结果涉及到多种实验数据的格式，实验过程中如何能使数据格式方便转换成为了实验过程中的技术门槛之一；(3)荧光分子断层成像的成像步骤复杂(见图3及具体实施方法的描述)，实验过程中急需一种手段对成像的各个过程和各个步骤加以整体上的调控；(4)荧光分子断层成像重建的算法有很多，如解析解法、蒙特卡罗前向解法、有限元前向解法及CGLS逆问题解法等(见论文V.Ntziachristos，J.Ripoll，L.V.Wang，and R.Weissleder，″Looking and listening to light：the evolution of whole-body photonic imaging，″Nat.-->Biotechnol.23(3)，2005，pp313-320)，不同的实验需要不同的重建算法进行成像，并且荧光分子断层成像的重建算法也在不断地研究改进之中，需要一个开源的算法平台对算法研究加以改进(5)现有的成像系统因其模式固定、成像算法单一，难以满足实验室多种实验的开展和多项理论算法的研究，因此一个有效的集成了多种算法的开源的实验平台可以很好地促进荧光分子断层成像的应用、成像实验的开展以及成像算法的研发与改进。与本专利技术相比，现阶段的实验软件平台尚存在采用的成像方法固定单一、算法集成度不够、成像算法单一以及算法开发改进的空间不足的缺点，制约了多种实验的开展以及重建算法的研发；而本实验室之前各成像模块中的数据转换环节和各个成像硬件仪器模块的调节尚主要靠人工进行协调，造成了实验效率低、实验过程缓慢等种种弊端。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一套开源的可将荧光分子成像集成整合应用于多种荧光分子成像实验(主要包括透射、反射成像和断层成像)的使用多种荧光分子断层成像荧光团位置和密度的重建算法[A]及图像分析算法的软件平台。并且软件平台的算法可以方便更新，有利于整个算法的改进和实验结果的快速实现。所述方法是通过一个计算机来控制一个荧光分子成像仪来实现，其步骤依次如下：步骤(1).初始化，在所述计算机中建立：Microsoft Visual C++主控制界面程序，Labwindows/CVI硬件控制程序包，软件库实验数据及算法参数模块，内含C语言库及MATLAB软件的动态链接库格式DLL文件，多种荧光分子断层成像荧光团位置及密度重建算法程序库，内含COMSOL Multiphysics有限元分析软件和/或MATLAB软件的内核，开源图像处理库，由C语言头文件及动态链接库格式DLL文件组成的CxImage库；步骤(2).依次按以下步骤进行在体荧光分子成像：步骤(2.1).启动所述主要界面程序，该主要界面程序调用所述硬件控制程序包中的动态链接格式库文件；步骤(2.2).所述在体荧光分子成像系统初始化所述系统包括：负荷试验对象的实验转台、CCD/电荷耦合器件、激发光光源以及激发光光强监测子系统，具体：激发光光源发出的激发光中的一路激发光依次通过分光计、实验对象后形成荧光被CCD电荷耦合器件接收，经分光计后的另一路激发光进入激发光光强监测系统，所述硬件控制软件包的输入端与所选CCD电荷耦合器件的数据输出端相连，而该硬件控制软件包的控制指令输出端则与该CCD电荷耦合器件的控制部分输入端相连，所述硬件控制软件包另一个数据输入端与所述激发光光强监测子系统的光强数据输出端相连，而该硬件控制软件包的另一输出端与所述激发光光强监测子系统的控制部分输入端相连，该硬件控制软件的另一输出端与激发光光光源控制输入端相连。-->所述系统初始化包括以下步骤：步骤(2.2.1).至少包括实验转台、设在该激光光强检测子系统内的光强检测模块的初始化，步骤(2.2.2).设定至少包括曝光时间、用户交互界面算法参数、DLL文件格式的实验数据的存放路径，以及拍摄时的各项参数在内的初始参数值；步骤(2.3).把所述重建算法的参数修改成所述MATLAB软件的数据存储的MAT格式；步骤(2.4).利用MATLAB中的mcc命令把该MATLAB中的函数转换为可供C语言调用的C语言库；步骤(2.5).主控制界面程序从所述CCD电荷耦合器件中读取用标签图像文件格式表示的灰度级生成图像矩阵变量，然后，该主界面控制程序再通过调用所述MATLAB软件中专用于对外接口程序调用的所述C语言库的方式编写图片格式转换程序；接着，再把所述图像矩阵转换为所述MAT格式的数据并存储起来供所述重建算法使用；步骤(2.6).在所述主控制界面的程序中，建立匿名管道把写端口指向目标内核引擎，通过该匿名管道传送数据用来调用所述COMSOL Multiphisics有限元分析的内核引擎，以实现建立在有限元网格基础之上的重建算法；步骤(2.7).用所述重建算法进行成像对像的建模：读取由X射线CT断层成像得到的数据或由已知的光学实验用的仿体计算出的数据，对所述数据执行有限元网格前向算法或蒙特卡罗前向算法，再接步骤(2.6本文档来自技高网...

【技术保护点】
可调用多种成像算法的在体荧光分子成像建模方法，其特征在于：所述方法是通过一个计算机来控制一个荧光分子成像仪来实现，其步骤依次如下：步骤（１）．初始化，在所述计算机中建立：ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋主控制界面 程序，Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ硬件控制程序包，软件库实验数据及算法参数模块，内含Ｃ语言库及ＭＡＴＬＡＢ软件的动态链接库格式ＤＬＬ文件，多种荧光分子断层成像荧光团位置及密度重建算法程序库，内含ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃ ｓ有限元分析软件和／或ＭＡＴＬＡＢ软件的内核，开源图像处理库，由Ｃ语言头文件及动态链接库格式ＤＬＬ文件组成的ＣｘＩｍａｇｅ库；步骤（２）．依次按以下步骤进行在体荧光分子成像：步骤（２．１）．启动所述主要界面程序，该主 要界面程序调用所述硬件控制程序包中的动态链接格式库文件；步骤（２．２）．所述在体荧光分子成像系统初始化所述系统包括：负荷试验对象的实验转台、ＣＣＤ／电荷耦合器件、激发光光源以及激发光光强监测子系统，具体：激发光光源发出的激发 光中的一路激发光依次通过分光计、实验对象后形成荧光被ＣＣＤ电荷耦合器件接收，经分光计后的另一路激发光进入激发光光强监测系统，所述硬件控制软件包的输入端与所选ＣＣＤ电荷耦合器件的数据输出端相连，而该硬件控制软件包的控制指令输出端则与该ＣＣＤ电荷耦合器件的控制部分输入端相连，所述硬件控制软件包另一个数据输入端与所述激发光光强监测子系统的光强数据输出端相连，而该硬件控制软件包的另一输出端与所述激发光光强监测子系统的控制部分输入端相连，该硬件控制软件的另一输出端与激发光光光源控制输入端相连。所述系统初始化包括以下步骤：步骤（２．２．１）．至少包括实验转台、设在该激光光强检测子系统内的光强检测模块的初始化，步骤（２．２．２）．设定至少包括曝光时间、用户交互界面算法参数、ＤＬＬ文件格式的实验数据的存 放路径，以及拍摄时的各项参数在内的初始参数值；步骤（２．３）．把所述重建算法的参数修改成所述ＭＡＴＬＡＢ软件的数据存储的ＭＡＴ格式；步骤（２．４）．利用ＭＡＴＬＡＢ中的ｍｃｃ命令把该ＭＡＴＬＡＢ中的函数转换为可供Ｃ语言调用的 Ｃ语言库；步骤（２．５）．主控制界面程序从所述ＣＣＤ电荷耦合器件中读取用标签图像文件格式表示的灰度级生成图像矩阵变量，然后，该...

【技术特征摘要】
1.可调用多种成像算法的在体荧光分子成像建模方法，其特征在于：所述方法是通过一个计算机来控制一个荧光分子成像仪来实现，其步骤依次如下：步骤(1).初始化，在所述计算机中建立：Microsoft Visual C++主控制界面程序，Labwindows/CVI硬件控制程序包，软件库实验数据及算法参数模块，内含C语言库及MATLAB软件的动态链接库格式DLL文件，多种荧光分子断层成像荧光团位置及密度重建算法程序库，内含COMSOL Multiphysics有限元分析软件和/或MATLAB软件的内核，开源图像处理库，由C语言头文件及动态链接库格式DLL文件组成的CxImage库；步骤(2).依次按以下步骤进行在体荧光分子成像：步骤(2.1).启动所述主要界面程序，该主要界面程序调用所述硬件控制程序包中的动态链接格式库文件；步骤(2.2).所述在体荧光分子成像系统初始化所述系统包括：负荷试验对象的实验转台、CCD/电荷耦合器件、激发光光源以及激发光光强监测子系统，具体：激发光光源发出的激发光中的一路激发光依次通过分光计、实验对象后形成荧光被CCD电荷耦合器件接收，经分光计后的另一路激发光进入激发光光强监测系统，所述硬件控制软件包的输入端与所选CCD电荷耦合器件的数据输出端相连，而该硬件控制软件包的控制指令输出端则与该CCD电荷耦合器件的控制部分输入端相连，所述硬件控制软件包另一个数据输入端与所述激发光光强监测子系统的光强数据输出端相连，而该硬件控制软件包的另一输出端与所述激发光光强监测子系统的控制部分输入端相连，该硬件控制软件的另一输出端与激发光光光源控制输入端相连。所述系统初始化包括以下步骤：步骤(2.2.1).至少包括实验转台、设在该激光光强检测子系统内的...

【专利技术属性】
技术研发人员：白净，徐迪，陈颀潇，汪待发，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]