小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统技术方案

本发明专利技术属于医学成像与检测技术领域，具体涉及一种小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统及，旨在解决现有磁纳米粒子成像分辨率不足，荧光分子成像视野不足，导致图像重建精度较低的问题。本发明专利技术装置包括：图像处理模块、显示模块、控制模块、置物平台、梯度线圈、驱动线圈、接收线圈、荧光相机、光源模块；梯度线圈，包括第一圆角矩形线圈和第二圆角矩形线圈；驱动线圈，包括第三圆角矩形线圈、第四圆角矩形线圈、第五圆角矩形线圈；接收线圈为圆形线圈。本发明专利技术可同时获取磁纳米粒子浓度分布和荧光分子分布图像，实现“功能

【技术实现步骤摘要】
小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统


[0001]本专利技术属于医学成像与检测
，具体涉及一种小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统及方法。

技术介绍

[0002]在临床检测与诊断中，如何精准实现目标病灶的在体高灵敏高分辨成像与定位一直是国际上的研究热点与挑战性问题。磁粒子成像技术(MPI)是一种全新的基于示踪剂的成像方式，它根据对人体无害的超顺磁氧化铁纳米颗粒(SPIOs)对磁场的非线性磁化响应响应，通过重建粒子的空间浓度分布，对检测目标进行精准定位，是一种不受成像深度限制的三维成像技术。此外，MPI没有任何有害辐射，信号强度与示踪剂的浓度存在直接关系，所以可以定量磁粒子中的铁含量，且无背景信号的干扰。目前，该技术开始应用于细胞跟踪、血管造影以及炎症成像等基础研究领域，在医学应用方面具有巨大潜力。
[0003]但MPI成像无法显示被测对象的解剖结构，分辨率较低，难以观测到小于亚毫米级的病灶，如微小肿瘤、病变组织等。而现有的荧光成像依靠荧光探针标记技术跟踪生物组织和细胞中的分子和蛋白变化，荧光成像结果包含组织解剖结构信息，具有成像效果直观、分辨率高等优势。荧光分子断层成像（FMT）重建可获得荧光分子在三维空间的分布情况。其缺陷在于受限于组织散射效应，且无法准确反映分子定量信息。两者在优劣上的互补与融合有助于实现高分辨率高灵敏的病灶三维信息可视化。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有磁纳米粒子成像分辨率不足，荧光分子成像视野不足，导致图像重建精度较低的问题，本专利技术提出了一种小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统，包括图像处理模块、显示模块、控制模块、置物平台，该装置还包括：梯度线圈、驱动线圈、接收线圈、荧光相机、光源模块；所述梯度线圈，包括第一圆角矩形线圈和第二圆角矩形线圈；所述第一圆角矩形线圈、所述第二圆角矩形线圈位于同一水平面，并将该水平面作为第一水平面；所述第一圆角矩形线圈、所述第二圆角矩形线圈长边相对、短边齐平、轴线方向平行且对称分布于所述置物平台中心的纵轴线的两侧；所述梯度线圈，用于构建静态磁场自由线，使磁场自由线周围的磁粒子达到饱和，在空间中形成梯度磁场；所述驱动线圈，包括第三圆角矩形线圈、第四圆角矩形线圈、第五圆角矩形线圈；所述第三圆角矩形线圈、所述第四圆角矩形线圈、所述第五圆角矩形线圈位于同一水平面，并将该水平面作为第二水平面；所述第二水平面与所述第一水平面平行；所述第三圆角矩形线圈、所述第四圆角矩形线圈、所述第五圆角矩形线圈长边彼此平行、短边齐平；所述第三圆角矩形线圈的中心与所述置物平台的中心位于同一纵轴线上；所述第四圆角矩形线圈、所述第五圆角矩形线圈位于所述第三圆角矩形线圈的两侧，且到所述第三圆角矩形线圈的间距相同；所述驱动线圈，用于抵消梯度线圈磁场，控制磁场自由线产生平移运动；
所述接收线圈为圆形线圈，设置于所述置物平台的正下方、所述梯度线圈上方；所述接收线圈，用于采集磁粒子的非线性响应信号；所述荧光相机，设置于所述置物平台的正上方；所述荧光相机，用于对放置于所述置物平台上的目标对象进行实时成像；所述光源模块，固定于所述荧光相机的荧光镜头的外周；所述光源模块，用于控制所述荧光相机的成像模式；所述图像处理模块，配置为对所述荧光相机实时成像的图像进行处理，作为第一图像；对所述接收线圈接收的非线性响应信号进行处理与重建，将重建后的图像作为第二图像；将所述第一图像、所述第二图像进行融合，作为最终获取的成像结果。
[0005]在一些优选的实施方式中，所述小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统以所述置物平台中心的纵轴线的方向为方向，以所述置物平台中心的纵轴线的左右方向为方向。
[0006]在一些优选的实施方式中，所述荧光采集模块与所述置物平台的中心位于同一垂线；所述光源模块为环形光源，包括白光光源、荧光光源成像集成模式。
[0007]所述置物平台，可实现方向的升降、旋转。
[0008]在一些优选的实施方式中，所述梯度线圈构建静态磁场自由线，其方法为：对所述第一圆角矩形线圈与所述第二矩形线圈施加大小相等方向相反的电流。
[0009]本专利技术的第二方面，提出了一种小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像方法，基于上述的小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统，该方法包括：步骤S100，将待成像的目标对象固定于所述置物平台，并将磁纳米和光学多模探针注射到待成像的目标对象体内；步骤S200，对所述梯度线圈通入电流，生成静态磁场自由线；步骤S300，对所述驱动线圈施加高频激励电流，改变梯度线圈与驱动线圈之间的电流比例，控制磁场自由线在空间中的平移旋转，对所述置物平台上待成像的目标对象进行扫描成像；步骤S400，解码所述接收线圈接收的非线性响应信号并进行重建，得到包含不同深度位置粒子浓度信息的MPI断层图像；步骤S500，荧光相机将采集的原始荧光信号与预先采集背景信号灰度值相减得到目标对象表面的荧光图像；对所述目标对象表面的荧光图像进行增强、去噪预处理，得到预处理的荧光图像；步骤S600，提取所述MPI断层图像中磁粒子位置以及该位置处磁粒子的浓度信息，基于固定的配准参考点，将MPI图像配准到CT三维网格空间中，作为荧光断层重建先验域；在荧光断层重建先验域中，使用预处理的荧光图像进行荧光分子断层重建，得到待成像的目标对象体内病灶区域的三维结构荧光分布；步骤S700，将所述MPI断层图像中磁粒子的浓度信息赋予在所述三维结构荧光分布的网格节点上，得到包含荧光三维分布、磁粒子浓度信息以及三维结构的图像融合结果。
[0010]在一些优选的实施方案中，对所述目标对象表面的荧光图像进行增强去噪预处理，得到预处理的荧光图像，其方法为：
采用分段线性灰度变换法对所述目标对象表面的荧光图像进行图像增强，并采用双边高斯滤波方法进行去噪，进而得到高对比度的荧光图像，即预处理的荧光图像。
[0011]在一些优选的实施方式中，待成像的目标对象体内病灶区域的三维结构荧光分布，其获取方法为：构建荧光分子断层重建模型并进行逆向求解，逆向求解表示为：
[0012]其中， 表示前向系统矩阵， 表示所求的荧光分子分布， 表示表面荧光信号；将逆向求解问题转化为最小二乘问题：
[0013]其中， 表示优化函数；由于系统矩阵
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具有病态性与不适定性，在求解最小二乘问题时，添加L1范数约束：
[0014]其中， 表示正则化参数；对添加L1范数约束后的最小二乘问题，采用斜投影匹配追踪方法进行求解，进而得到待成像的目标对象体内病灶区域的三维结构荧光分布。
[0015]在一些优选的实施方式中，对添加L1范数约束后的最小二乘问题，采用斜投影匹配追踪方法进行求解，进而得到待成像的目标对象体内病灶区域的三维结构荧光分布，其方法为：在预选过程中，选取强度大于设定强度阈值的荧光信号中的节点，并增入预构建的预选集，计算所述预选集中各节点斜投影的投影算子和补投影算子；其中，斜投影算子和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统，包括图像处理模块、显示模块、控制模块、置物平台，其特征在于，该系统还包括：梯度线圈、驱动线圈、接收线圈、荧光相机、光源模块；所述梯度线圈，包括第一圆角矩形线圈和第二圆角矩形线圈；所述第一圆角矩形线圈、所述第二圆角矩形线圈位于同一水平面，并将该水平面作为第一水平面；所述第一圆角矩形线圈、所述第二圆角矩形线圈长边相对、短边齐平、轴线方向平行且对称分布于所述置物平台中心的纵轴线的两侧；所述梯度线圈，用于构建静态磁场自由线，使磁场自由线周围的磁粒子达到饱和，在空间中形成梯度磁场；所述驱动线圈，包括第三圆角矩形线圈、第四圆角矩形线圈、第五圆角矩形线圈；所述第三圆角矩形线圈、所述第四圆角矩形线圈、所述第五圆角矩形线圈位于同一水平面，并将该水平面作为第二水平面；所述第二水平面与所述第一水平面平行；所述第三圆角矩形线圈、所述第四圆角矩形线圈、所述第五圆角矩形线圈长边彼此平行、短边齐平；所述第三圆角矩形线圈的中心与所述置物平台的中心位于同一纵轴线上；所述第四圆角矩形线圈、所述第五圆角矩形线圈位于所述第三圆角矩形线圈的两侧，且到所述第三圆角矩形线圈的间距相同；所述驱动线圈，用于抵消梯度线圈磁场，控制磁场自由线产生平移运动；所述接收线圈为圆形线圈，设置于所述置物平台的正下方、所述梯度线圈上方；所述接收线圈，用于采集磁粒子的非线性响应信号；所述荧光相机，设置于所述置物平台的正上方；所述荧光相机，用于对放置于所述置物平台上的目标对象进行实时成像；所述光源模块，固定于所述荧光相机的荧光镜头的外周；所述光源模块，用于控制所述荧光相机的成像模式；所述图像处理模块，配置为对所述荧光相机实时成像的图像进行处理，作为第一图像；对所述接收线圈接收的非线性响应信号进行处理与重建，将重建后的图像作为第二图像；将所述第一图像、所述第二图像进行融合，作为最终获取的成像结果。2.根据权利要求1所述的小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统，其特征在于，所述小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统以所述置物平台中心的纵轴线的方向为 方向，以所述置物平台中心的纵轴线的左右方向为方向。3.根据权利要求2所述的小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统，其特征在于，所述荧光采集模块与所述置物平台的中心位于同一垂线；所述光源模块为环形光源，包括白光光源、荧光光源成像集成模式。4.根据权利要求2所述的小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统，其特征在于，所述置物平台，可实现方向的升降、旋转。5.根据权利要求2所述的小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统，其特征在于，所述梯度线圈构建静态磁场自由线，其方法为：对所述第一圆角矩形线圈与所述第二矩形线圈施加大小相等方向相反的电流。6.一种小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像方法，基于权利要求1
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5任一项所述的小动物磁粒子成像和荧光分子断层成像多模态成像系统，其特征在于，该方法包括：
步骤S100，将待成像的目标对象固定于所述置物平台，并将磁纳米和光学多模探针注射到待成像的目标对象体内；步骤S200，对所述梯度线圈通入电流，生成静态磁场自由线；步骤S300，...

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，郭李爽，刘建刚，安羽，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：