CN106124469A - 一种光声成像和光学成像多模态融合成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光声成像和光学成像多模态融合成像***，该***包括：光学成像模块、光声成像模块、样品承载定位模块、主控模块，其中：样品承载定位模块用于承载待测生物组织，精确定位成像位置；光声成像模块和光学成像模块的光路采用“十字交叉”结构，二者共用样品承载定位模块，作为交叉中心；光声成像模块用于对待测生物组织进行光声成像，光学成像模块用于对待测生物组织进行光学成像；主控模块与样品承载定位模块、光声成像模块、光学成像模块分别连接，以对各模块的工作时序进行控制，同时对成像模块产生的图像数据进行处理。本发明可以克服现有单一成像模态(光声成像、光学成像)的不足，反映更全面的解剖结构和生理功能信息。
Description
技术领域
本发明涉及多模态生物医学成像技术领域，尤其涉及一种光声成像和光学成像多模态融合成像***。
背景技术
得益于光学分子探针和成像手段的不断进步，光学分子影像技术在过去十多年中获得了飞速的发展，并因其高灵敏度、高特异性、无电离辐射、成本低廉等特点受到了越来越多的关注。光学分子探针技术使得高特异性的区分正常组织和感兴趣组织(如肿瘤、血管等)成为可能。如何高灵敏度的检测分子探针在生物内的分布情况进而反应生物体生理、病理信息是影像学研究的一个重要问题。由于生物组织对光子具有很强的吸收和散射作用，导致光学成像的深度有限，光学三维重建的空间分辨率比较低。如何进—步提高光学成像的成像深度和三维重建的精度，是光学分子影像亟待解决的问题。为此，光子与物质之间相互作用的两种物理效应——荧光效应和光声效应——被充分挖掘以使得人们能够“看到”和“听到”光与生物组织、分子探针之间的相互作用。荧光效应是指当高能量短波长光子射入某些物质时，物质中的电子吸收能量，从基态跃迁至高能级；由于电子处在高能级时不稳定，就会从高能级跃迁至低能级，从而释放出能量，发出波长较长的荧光光子。与荧光效应中物质以光子辐射的形式释放所吸收的能量不同，在光声效应中，光子照射到物质上的能量，被转化成热能，进而转化为机械振动，以超声波的形式释放吸收的能量。借助荧光效应和光声效应，分别发展起来广受关注的荧光成像和光声成像这两种成像模态。
荧光成像技术在分子影像的发展中占有重要的地位。荧光分子成像(fluorescence molecular imaging，FMT)，可以实现荧光信号的三维重建。由于荧光光子在生物体内的高散射特性，导致荧光成像的空间分辨率比较低，三维重建也具有很强的病态性。为此，很多研究人员引入其他成像模态来弥补荧光成像技术的不足。将X光CT成像与FMT成像技术融合，可以利用CT成像技术提供的高分辨率生物体解剖结构作为先验信息提高荧光信号的三维重建质量。但是CT成像虽然可以提供高分辨率的结构信息，CT成像时不可避免的存在电离辐射，而且CT成像对软组织的分辨率相对比较低。除了CT成像，磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)也可用于为光学三维成像提供解剖结构信息。MRI成像不仅可以提供高对比度的软组织分辨率，同时还可以提供生物体的功能代谢信息。但是将光学成像技术和MRI成像相结合，需要产生超高场强的磁场，这导致成像设备的体积比较大，设备成本比较高，从而限制了这种多模态融合方式的发展。需要指出的是，虽然CT和MRI都能提供生物体的解剖结构信息，但是它们都无法直接提供的生物体的光学参数信息(生物组织的吸收系数和散射系数)。如何利用其它成像模态获取生物组织的光学特异性信息，从而提高荧光三维成像效果是一个值得研究的问题。
与荧光成像不同，在光声成像中，成像***检测的是光声效应产生的超声波，通过重建光声效应的初始声压场从而反映出生物组织的光学吸收特性。由于超声波在生物组织传播的散射系数比光子的散射系数小三个数量级左右，因此，可以有效避免荧光成像中荧光光子在生物组织中的散射带来的各种问题。此外，由于超声波的波长比较小，因此可获得高空间分辨率的生物组织结构信息。光声成像结合了光学成像的高对比度特性和超声成像的高空间分辨率特性。将光声成像与荧光成像相结合，可以利用光声成像为荧光三维成像提供组织光学特异性信息，从而有效提高荧光三维重建的成像效果。由于声波在生物组织的传播衰减远小于光信号，所以光声成像具有更深的成像深度。结合多光谱光声成像技术，或者采用弧形超声换能器阵列，可以实现小动物全身光声成像。荧光和光声成像技术的融合为深度组织的光学成像这一难题提供了一种可行的解决办法。
发明内容
本发明目的在于克服现有单一光声成像和单一光学成像模态的不足，反映更全面的解剖结构和生理功能信息。
为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种光声成像和光学成像多模态融合成像***，该***包括：光学成像模块、光声成像模块、样品承载模块、主控模块，其中：
所述样品承载定位模块用于承载待测生物组织；
所述光声成像模块包括光声激发光源和光声信号检测模块，对称位于样品承载模块的两侧，且所述光声激发光源、待测生物组织和光声信号检测模块之间形成光声成像光路；所述光声激发光源发出脉冲激光并照射至所述待测生物组织上，所述光声信号检测模块用于对所述待测生物组织进行超声波信号采集，并将接收到的超声波模拟信号转换成数字电压信号，以实现待测生物组织的成像；
所述光学成像模块包括荧光成像模块光源和荧光成像模块数据采集器，对称位于样品承载模块的两侧，且所述荧光成像模块光源、待测生物组织和荧光成像模块数据采集器之间形成光学成像光路；所述荧光成像模块光源发出连续激光，用于对放置在样品承载模块上的待测生物组织内部的荧光物质进行激发，所述荧光成像模块数据采集器用于采集所述待测生物组织内部被激发的荧光信号，以生成多光谱图像；
所述光声成像光路和光学成像光路采用“十字交叉”结构，二者共用所述样品承载模块，作为交叉中心；所述光声成像模块用于对所述待测生物组织进行光声成像，所述光学成像模块用于对所述待测生物组织进行光学成像；
所述主控模块与所述样品承载模块、光声成像模块、光学成像模块分别连接，以对所述样品承载模块、光声成像模块、光学成像模块的工作时序进行控制，并对所述光声成像模块和光学成像模块产生的图像数据进行处理。本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明提供的一种光声成像和光学成像多模态融合成像***，可以克服单一模态成像信息的不足，提供更全面的组织结构和功能信息。
2、本发明提供的成像***可以通过建模，达到循环互提升的效果，得到更准确的配准融合图像。
3、本发明提供的成像***可以进行小动物全身三维成像。
附图说明
图1是依照本发明一实施例的融合光声和光学多模态成像***总体结构示意图；
图2是依照本发明一实施例的成像***光声成像模块结构示意图；
图3是依照本发明一实施例的成像***荧光成像模块结构示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是依照本发明一实施例的光声成像和光学成像多模态融合成像***的结构示意图，如图1所示，所述光声成像和光学成像多模态融合成像***包括：样品承载模块、光声成像模块、光学成像模块和主控模块，其中：
所述样品承载定位模块用于承载待测生物组织；其包括用于固定所述待测生物组织的无遮挡扫描固定支架装置、用于提供所述待测生物组织麻醉的麻醉装置、用于带动所述样品承载模块的垂直移动即对样品进行高度调整及水平旋转平移等的样品定位装置，使得所述样品承载模块可以进行水平旋转和垂直升降运动，并为待测生物组织提供生命维持环境，带动待测生物组织按照一定的程序移动。为了将所述待测生物组织置于成像仓中，水平旋转台采用悬挂倒置方式固定安装。在对小动物进行在体成像的时候，小动物不自觉的生理运动会对成像质量造成影响，为了避免这种情况的发生，本发明还设计了专用的小动物固定支架，通过对小动物四肢、头部等位置的固定，最大程度上减小小动物生理运动的幅度，使得小动物在成像过程中保持形态不发生变化，以便与后期的信息融合配准。
其中，所述麻醉装置可以为气体麻醉装置，包括麻醉机、麻醉气体、和麻醉面罩。
所述光声成像模块包括光声激发光源和光声信号检测模块，对称位于样品承载模块的两侧，且所述光声激发光源、待测生物组织和光声信号检测模块之间形成光声成像光路；所述光声激发光源发出脉冲激光并照射至所述待测生物组织上，以增加成像的深度，所述光声信号检测模块用于对所述待测生物组织进行超声波信号采集，并将接收到的超声波模拟信号转换成数字电压信号，以实现待测生物组织的断层成像。
所述光学成像模块包括荧光成像模块光源和荧光成像模块数据采集器，对称位于样品承载模块的两侧，且所述荧光成像模块光源、待测生物组织和荧光成像模块数据采集器之间形成光学成像光路；所述荧光成像模块光源发出连续激光，用于对放置在样品承载模块上的待测生物组织内部的荧光物质进行激发，所述荧光成像模块数据采集器用于采集所述待测生物组织内部被激发的荧光信号，以生成多光谱图像。
所述光声成像光路和光学成像光路采用“十字交叉”结构，二者共用所述样品承载模块，作为交叉中心；所述光声成像模块用于对所述待测生物组织进行光声成像，所述光学成像模块用于对所述待测生物组织进行光学成像。
所述主控模块与所述样品承载模块、光声成像模块、光学成像模块分别连接，以对所述样品承载模块、光声成像模块、光学成像模块的工作时序进行控制，并对所述光声成像模块和光学成像模块发送的图像数据进行处理，所述处理包括光声和荧光图像的重建，以及重建图像的融合配准。
图2是依照本发明一实施例的光声成像模块的结构示意图，如图2所示，所述光声激发光源模块包括：脉冲激光器、可调谐脉冲激光器和光纤耦合装置，所述光声信号检测模块包括聚焦超声换能器、数据采集器、机械框架，其中：
所述脉冲激光器用于为后级可调谐脉冲激光器提供泵浦源，在一实施例中，使用调Q的掺钕钇铝石榴石激光器(Q-switch Nd：YAG laser)来提供激发源激光脉冲，它是一种纳秒级固体激光器，单脉冲能量可达几百毫焦；
所述可调谐脉冲激光器受前级脉冲激光器的驱动，提供波长和能量均可调的脉冲激光输出，以用于多光谱光声成像，在本发明一实施例中，所述波长可调的脉冲激光的可调谐波段为680nm～960nm；
所述光纤耦合装置位于所述可调谐脉冲激光器的后级，其采用两束多模光纤，在耦合了所述可调谐脉冲激光器的脉冲激光输出后，从两个相对的方向照射到放置在样品承载模块上的待测生物组织，以增加成像的深度；在一实施例中，所述多模光纤为采用多束单模光纤包裹成的一根光纤；且所述多模光纤在接近激光器出口处的一端为单个光纤端面，其间放置耦合透镜，另一端为多个分束(如10个)的出口光纤端面，其把耦合的脉冲激光从聚焦换能器上下表面以一定角度照射到所述待测生物组织上，以增加成像的深度。
所述聚焦超声换能器位于所述样品承载模块的后方，借助垂直移动对所述待测生物组织进行不同断层的扫描，对于所述待测生物组织进行超声波信号采集，并将接收到的超声波模拟信号转换为数字电压信号，以实现待测生物组织的断层成像。成像深度、信噪比和图像分辨率都是选择超声换能器时需要考虑的问题，超声换能器的一些重要参数包括：灵敏度、中心频率、带宽、探头尺寸、阵元数和形状等。在本发明一实施例中，可以采用128阵元的凹弧形聚焦超声换能器，中心频率为5MHz；
所述数据采集装置位于所述光声成像模块的末级，其用于将所述聚焦超声换能器转换得到的微弱电信号进行放大和量化，并将放大和量化后的电信号数据传输到主控模块进行后续的数据处理；在本发明一实施例中，所述数据采集器的采样率为50Mps，量化位数为12位；
所述机械框架包括用于盛放耦合液的水箱、用于固定所述超声换能器的固定支架等装置。
图3是依照本发明一实施例的光学成像模块的结构示意图，如图3所示，所述荧光成像模块光源包括：连续波激光器和聚焦透镜；所述荧光成像模块采集器包括窄带滤波片和低温制冷ICCD相机，其中：
所述连续波激光器发射固定波长的连续激光，用于对放置在所述样品承载模块上的待测生物组织内部的荧光物质进行激发；由于每一种荧光物质都有自己的激发光谱和发射光谱，为了能够更加有效地产生激发荧光，在一实施例中，选择波长在荧光物质激发光谱峰值波长附近的激光器作为激发光源，因此，为了能够进行不同荧光物质的激发实验，往往需要多种波长的连续波激光器；
在现有的FMT重建算法中，都将激发光源看作是皮下一个传输自由程位置的各向同性的点光源，为了能够达到这样的效果，需要将入射到待测生物组织上的激发光聚焦到一个尽量小的点上，而位于所述连续波激光器后级的所述聚焦透镜的作用就是将所述连续波激光器发出的连续激光聚焦在放置在样品承载模块上的待测生物组织上的一个点上；
所述窄带滤波片位于低温制冷CCD相机镜头的前面，用于过滤所述连续波激光器输出的激发光以及环境中杂散光。
所述低温制冷ICCD相机位于所述光学成像模块的末级，其用于对待测生物组织被激发的荧光进行信号采集；激发荧光通常是比较微弱的，需要使用低温制冷的ICCD相机来进行信号采集，比如可以采用液氮制冷的ICCD相机或半导体制冷的ICCD相机。
所述***成像时，先利用所述光声成像模块进行光声成像，然后将待成像生物组织提升到水上，利用所述光学成像模块进行荧光成像，然后将光声成像数据和荧光成像数据传输到主控模块，对二者的图像进行配准，将相同位置的信息叠加显示。
本发明一实施例中，光声成像在水下完成，保证组织产生的光声信号从体表传输到探测器这段距离声速恒定。光学成像是在水平面之上完成。在具体应用中，先在水下进行光声信号的不同层面的信号采集，之后升到水平面上进行光学信号的采集。所述光声成像和光学成像的光路十字交叉是为了后期两种模态之间的配准，在这种方式下，配准会比较容易。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光声成像和光学成像多模态融合成像***，其特征在于，该***包括：光学成像模块、光声成像模块、样品承载模块、主控模块，其中：
所述样品承载定位模块用于承载待测生物组织；
所述光声成像模块包括光声激发光源和光声信号检测模块，对称位于样品承载模块的两侧，且所述光声激发光源、待测生物组织和光声信号检测模块之间形成光声成像光路；所述光声激发光源发出脉冲激光并照射至所述待测生物组织上，所述光声信号检测模块用于对所述待测生物组织进行超声波信号采集，并将接收到的超声波模拟信号转换成数字电压信号，以实现待测生物组织的成像；
所述光学成像模块包括荧光成像模块光源和荧光成像模块数据采集器，对称位于样品承载模块的两侧，且所述荧光成像模块光源、待测生物组织和荧光成像模块数据采集器之间形成光学成像光路；所述荧光成像模块光源发出连续激光，用于对放置在样品承载模块上的待测生物组织内部的荧光物质进行激发，所述荧光成像模块数据采集器用于采集所述待测生物组织内部被激发的荧光信号，以生成多光谱图像；
所述光声成像光路和光学成像光路采用“十字交叉”结构，二者共用所述样品承载模块，作为交叉中心；所述光声成像模块用于对所述待测生物组织进行光声成像，所述光学成像模块用于对所述待测生物组织进行光学成像；
所述主控模块与所述样品承载模块、光声成像模块、光学成像模块分别连接，以对所述样品承载模块、光声成像模块、光学成像模块的工作时序进行控制，并对所述光声成像模块和光学成像模块产生的图像数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述样品承载模块包括用于固定所述待测生物组织的无遮挡扫描固定支架装置、用于提供所述待测生物组织的气体麻醉装置、以及用于负责所述待测生物组织高度位置和水平旋转角度调整的样品定位装置，所述水平旋转台采用悬挂倒置方式固定安装。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的图像数据进行处理包括多光谱光声和荧光图像的重建，以及多光谱光声和荧光图像的配准融合。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述光声激发光源包括：脉冲激光器、可调谐脉冲激光器和光纤耦合装置；所述光声信号检测模块包括聚焦超声换能器、和数据采集装置，其中：
所述脉冲激光器用于为后级可调谐脉冲激光器提供泵浦源；
所述可调谐脉冲激光器受所述脉冲激光器的驱动，提供波长和能量均可调的脉冲激光输出，以用于多光谱光声成像；
所述光纤耦合装置位于所述可调谐脉冲激光器的后级，采用两束多模光纤，在耦合了所述可调谐脉冲激光器的脉冲激光输出后，从两个相对的方向照射到放置在样品承载模块上的待测生物组织，以增加成像的深度；
所述聚焦超声换能器位于所述样品承载模块的后方，借助垂直移动对所述待测生物组织进行不同断层的扫描，对于所述待测生物组织进行超声波信号采集，并将接收到的超声波模拟信号转换为数字电压信号，以实现待测生物组织的断层成像；
所述数据采集装置位于所述光声成像模块的末级，用于将所述聚焦超声换能器转换得到的微弱电压信号进行放大和量化，并将放大和量化后的电压信号数据传输到主控模块进行后续的数据处理。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述脉冲激光器为调Q的掺钕钇铝石榴石激光器；和/或
所述可调谐脉冲激光器提供的脉冲激光的可调谐波段为680nm～960nm；和/或
所述超声换能器为128阵元的凹弧形聚焦超声换能器，中心频率为5MHz；和/或
所述数据采集器的采样率为50Mps，量化位数为12位。
6.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述多模光纤为采用多束单模光纤包裹成的一根光纤；且所述多模光纤在接近激光器出口处的一端为单个光纤端面，其间放置耦合透镜，另一端为多个分束的出口光纤端面，其把耦合的脉冲激光从聚焦换能器上下表面以一定角度照射到所述待测生物组织上。
7.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述光声成像模块还包括机械框架，所述机械框架包括用于盛放耦合液的水箱和用于固定所述聚焦超声换能器的固定支撑架。
8.根据权利要求1-7任一项所述的***，其特征在于，所述荧光成像模块光源包括：连续波激光器、和聚焦透镜；所述荧光成像模块采集器包括窄带滤波片和低温制冷ICCD相机，其中：所述连续波激光器发射固定波长的连续激光，用于对放置在所述样品承载模块上的待测生物组织内部的荧光物质进行激发；
所述聚焦透镜位于所述连续波激光器的后级，用于将所述连续波激光器发出的连续激光聚焦在放置在所述样品承载模块上的待测生物组织上的预定位置上；
所述窄带滤波片位于低温制冷CCD相机镜头的前面，用于过滤所述连续波激光器输出的激发光以及环境中的杂散光；
所述低温制冷ICCD相机位于所述光学成像模块的末级，其用于对待测生物组织被激发的荧光进行信号采集。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，在成像时，在水下利用所述声成像模块对所述待测生物组织进行光声成像，然后将所述待测生物组织提升到水上，利用所述光学成像模块进行荧光成像，然后将光声成像数据和荧光成像数据传输到主控模块，对二者的图像进行配准，将相同位置的信息叠加显示。
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