CN114468998B - 单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医学成像技术领域，公开了一种单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***及方法，包括：荧光成像模块、CT成像模块、中央控制模块、数据处理模块和辅助模块。本发明使用宽场激发光源照射成像目标，采集相机和激发光源在同一测，通过反射式成像，极大提高成像速度，可以获得实时荧光断层成像。本发明采用近红外二区成像，可以提高三维重建的图像分辨率；利用反射式荧光断层成像技术，仅仅使用单视角反射荧光数据进行三维荧光断层重建，有望实现宽场激发获得高成像速度，得到实时荧光断层成像；结合深度重建的单视角CT断层成像技术获取样本结构图像，不再需要对样本进行旋转操作，减少***复杂性，同时提高了成像速度。
Description
技术领域
本发明属于医学成像技术领域，尤其涉及一种单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***及方法。
背景技术
目前，光学分子影像已广泛应用于生物医学的研究中，并有望推广到临床诊断。近红外荧光断层成像技术，通过注射靶向荧光探针，利用外源性激发光来激发荧光探针，通过采集荧光信息获取体内荧光探针的三维分布。这种无创而又非侵入式的检测过程，能够对病灶进行定位并量化，而且具有高灵敏度的特性。而光学成像技术与传统的成像技术如CT等相结合，既可以得到病灶的结构信息，又能获得分子信息，可以对早期病灶进行分析诊断。
然而，近红外一区荧光成像技术在用于生物体组织光学分子成像时，存在成像深度有限和分辨率不足的问题，生物组织的强散射效应导致近红外一区荧光难以对深度位置的荧光探针进行高分辨率成像。故而近红外一区荧光断层成像技术难以满足生物医学研究中高精确性深部生物组织三维荧光探针的定位需求。
目前近红外二区荧光断层成像技术都是采用透射式成像，需要对样本进行多角度旋转，从不同视角激发成像体，难以实现快速实时断层成像。因此，亟需设计一种新的单视角成像***，以弥补现有技术的缺陷。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的近红外一区荧光断层成像技术难以满足生物医学研究中高精确性深部生物组织三维荧光探针的定位需求。
(2)目前近红外二区荧光断层成像技术都是采用透射式成像，需要对样本进行多角度旋转，从不同视角激发成像体，难以实现快速实时断层成像。
解决以上问题及缺陷的难度为：近红外一区荧光断层成像技术因其荧光波长的限制，导致其穿透深度较浅、在生物体内散射较大。而穿透深度较深的波长的荧光又不适合被近红外一区相机等所采集。并且传统的近红外二区透射式成像因其需要对样本进行旋转等操作，因此无法实现快速实时断层成像。
解决以上问题及缺陷的意义为：利用近红外二区荧光断层成像技术，不仅克服了近红外一区成像技术穿透深度浅、散射大的问题，而且所用的反射式成像技术，会节省一定的空间、不再需要对样本进行反复操作从而大大提高成像速度，这样会避免产生漏光的问题，而且***结构简单，能够快速实现断层成像，这就会使得对病灶的分析和诊断更加及时。但这种方法会引起重建比较困难的问题，后续可以通过研究良好的重建算法进一步克服。
发明内容
针对现有红外一区荧光断层成像技术存在的问题，本发明提供了一种单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***及方法。
本发明是这样实现的，一种单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***，所述单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***包括：
荧光成像模块，包括激发模块和近红外二区荧光信号采集模块；所述激发模块由卤素灯和多波段滤波轮构成，根据所使用荧光探针的吸收峰输出特定波段的宽场激发光，用于照射整个成像生物体；所述近红外二区荧光信号采集模块，由科学级深度制冷近红外二区相机耦合成像镜头构成，用于拍摄反射式的单视角近红外二区荧光图像。
CT成像模块，包括X-ray光管和X-ray平板探测器；所述X-ray光管发射锥束X-ray照射成像生物体进行成像，所述X-ray平板探测器对经过成像生物体的透射X-ray进行探测，获取单视角X-ray投影图像。
中央控制模块，用于控制所述荧光激发模块、所述近红外二区荧光采集模块和所述CT成像模块协调工作。
数据处理模块，用于读取所述荧光数据和所述CT投影数据，并进行预处理；根据所述预处理后的CT投影数据，使用深度学习断层重建技术，重建出三维CT影像数据；根据所述预处理后的荧光数据，结合CT成像所获得的结构影像信息，建立光学断层重建数学模型，重建出成像生物体内近红外二区荧光探针的三维空间分布图像。
进一步，所述荧光成像模块中的激发模块采用宽场激发光照射整个成像生物体，采用近红外二区荧光探测相机，在同一侧采用反射式拍摄单视角的近红外二区荧光信号用于荧光断层重建。
进一步，所述CT成像模块的X-ray光球管发射的锥束X-ray照射整个成像生物体，X-ray平板探测器对经过成像生物体的透射X-ray进行探测，仅采集单视角X-ray投影数据，并使用深度学习断层重建技术，重建出三维CT影像数据。
进一步，所述数据处理模块包括：
图像读取单元，用于读取所述近红外二区荧光采集模块和CT成像模块的荧光图像和CT投影图像；
图像预处理单元，用于对读取的所述荧光图像和CT投影图像进行预处理；
CT图像三维重建单元，用于将所述CT成像模块得到的CT投影图像通过深度学习的方式进行三维重建，得到所述样本的空间结构图像；
光学重建单元，用于将所述图像三维重建单元得到的空间结构图像和所述光信息采集模块得到的荧光图像进行荧光断层重建；重建过程为结合组织光学参数建立前向方程，并对前向方程进行正则方法求解，最终得到生物体动态实时双模态断层影像信息；
图像显示单元，用于将所述光信息采集模块得到的荧光图像、所述CT成像模块得到的CT投影图像和所述光学重建单元得到的生物体动态实时双模态断层影像信息进行显示。
进一步，所述单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***还包括辅助模块，所述辅助模块包括：
光学平台，用于支撑所述***的各个不同模块；
遮光箱，设置在所述光学平台上，用于防止其它外部光源进入；
样本固定板，用于将样本进行固定；
升降台，用于将样本固定板设置在上面，并且能够升降到便于成像的位置。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像方法，所述单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像方法包括以下步骤：
步骤一，通过中央控制模块对荧光激发模块、近红外二区荧光采集模块、CT成像模块等参数进行设置，并控制所述模块的工作；
步骤二，由近红外二区荧光探测相机耦合成像镜头对荧光信号进行反射式采集，X-ray平板探测器对穿过成像生物体的透射X-ray进行采集；
步骤三，由近红外二区荧光探测相机采集到的荧光信号和由X-ray平板探测器探测到的X-ray信号分别通过数据线传输到计算机，并由计算机的图像读取单元进行读取后，经过图像预处理单元的预处理操作；
步骤四，将预处理后的CT投影图由CT图像三维重建单元，利用深度学习的方式进行三维重建得到空间结构图；
步骤五，利用三维重建的空间结构图和近红外二区荧光探测相机采集到的荧光图像，结合组织光学参数建立前向方程，对前向方程进行正则方法求解，最终得到生物体动态实时双模态断层影像信息，并由图像显示单元对荧光图像、CT投影图像和生物体动态实时双模态断层影像信息显示出来。
进一步，所述步骤二中，宽场激光由计算机控制，并通过光纤引导至成像生物体对其体内的探针进行激发。由近红外二区荧光探测相机耦合成像镜头对荧光信号进行反射式采集，其中采集到的荧光信号经过滤波片滤波，滤除除探针激发光以外的光源。同时，X-ray光管发射锥束X-ray照射成像生物体进行成像，X-ray平板探测器对穿过成像生物体的透射X-ray进行采集，获得单视角X-ray投影图像。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***，以其散射小、高灵敏度等特性，相比于传统的近红外一区荧光断层成像技术具有成像分辨率高且成像深度大的优势。另外，本发明还有单视角反射式成像的优势，结合CT三维重建，仅需要一张CT投影图像即可重建得到样本空间结构，大大提高成像速度，能够获得生物体动态实时双模态断层影像信息。
本发明中的近红外二区荧光断层成像通过宽场光源照射成像生物体和反射式荧光采集获得光学数据，结合CT成像所获得的结构影像信息，建立光学断层重建数学模型，重建出成像生物体内近红外二区荧光探针的三维空间分布图像。其中CT成像在荧光成像同时，对物体进行单视角透射扫描，得到一个CT投影图像并通过深度学习重建技术，获得生物体CT三维结构影像。该成像***使用近红外二区荧光进行成像，可以提高生物体荧光探针的探测深度和成像空间分辨率；光学和CT均采用单视角成像，实现二者的同时和实时成像，获得生物体动态实时双模态断层影像信息。
本发明使用宽场激发光源照射成像目标，采集相机和激发光源在同一测，通过反射式成像，极大提高成像速度，可以获得实时荧光断层成像。这种动态成像可以实时观察到探针在体内的动态分布，可以对病灶进行动态分析。
本发明采用近红外二区成像，可以提高三维重建的图像分辨率；利用反射式荧光断层成像技术，仅仅使用单视角反射荧光数据进行三维荧光断层重建，有望实现宽场激发获得高速成像速度，得到实时荧光断层成像；结合深度重建的单视角CT断层成像技术获取样本结构图像，不再需要对样本进行旋转操作，减少***复杂性，同时提高成像速度，获得和荧光成像同时刻的结构影像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的硬件结构示意图。
图2是本发明实施例提供的单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的工作过程流程图。
图3是本发明实施例提供的单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的荧光断层重建示意图。
图4是本发明实施例提供的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像方法流程图。
图中：1、遮光箱；2、二区相机；3、X光光源；4、激发光光源；5、中央控制中心；6、X光探测器；7、操作台；8、升降台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图4所示，本发明实施例提供的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像方法包括以下步骤：
S101，通过中央控制模块对荧光激发模块、近红外二区荧光采集模块、CT成像模块等参数进行设置，并控制所述模块的工作；
S102，由近红外二区荧光探测相机耦合成像镜头对荧光信号进行反射式采集，X-ray平板探测器对穿过成像生物体的透射X-ray进行采集；
S103，由近红外二区荧光探测相机采集到的荧光信号和由X-ray平板探测器探测到的X-ray信号分别通过数据线传输到计算机，并由计算机的图像读取单元进行读取后，经过图像预处理单元的预处理操作；
S104，将预处理后的CT投影图由CT图像三维重建单元，利用深度学习的方式进行三维重建得到空间结构图；
S105，利用三维重建的空间结构图和近红外二区荧光探测相机采集到的荧光图像，结合组织光学参数建立前向方程，对前向方程进行正则方法求解，最终得到生物体动态实时双模态断层影像信息，并由图像显示单元对荧光图像、CT投影图像和生物体动态实时双模态断层影像信息显示出来。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
为了克服红外一区荧光断层成像技术的问题，本发明提供了一种单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像，以其散射小、高灵敏度等特性，相比于传统的近红外一区荧光断层成像技术具有成像分辨率高且成像深度大的优势。另外，本发明还有单视角反射式成像的优势，结合CT三维重建，能够获得生物体动态实时双模态断层影像信息。
本发明提供了一种单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***，该***包括：荧光成像模块、CT成像模块、中央控制模块、数据处理模块和辅助模块。
本发明通过中央控制模块对于荧光激发模块、近红外二区荧光采集模块、CT成像模块等参数进行设置，并控制上述模块的工作。宽场激光由计算机控制，并通过光纤引导至成像生物体对其体内的探针进行激发。由近红外二区荧光探测相机耦合成像镜头对荧光信号进行反射式采集，其中采集到的荧光信号经过了滤波片滤波，滤除了除探针激发光以外的光源。同时，X-ray光管发射锥束X-ray照射成像生物体进行成像，X-ray平板探测器对穿过成像生物体的透射X-ray进行采集，获得单视角X-ray投影图像。
由近红外二区荧光探测相机采集到的荧光信号和由X-ray平板探测器探测到的X-ray信号分别通过数据线传输到计算机，并由计算机的图像读取单元进行读取，然后经过图像预处理单元的预处理操作。
将预处理后的CT投影图由CT图像三维重建单元，利用深度学习的方式进行三维重建得到空间结构图。利用三维重建的空间结构图和近红外二区荧光探测相机采集到的荧光图像，结合组织光学参数建立前向方程，然后对前向方程进行正则方法求解，最终得到生物体动态实时双模态断层影像信息，并由图像显示单元对荧光图像、CT投影图像和生物体动态实时双模态断层影像信息显示出来。
根据本发明的一种单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的一些实施例，该成像***还包括辅助模块，辅助模块包括：用于支撑***各个组成模块的光学平台；设置在光学平台，能够防止其它光源进入影响的遮光箱1，遮光箱1拥有一个可打开的门，便于对箱子里面的模块进行操作等，在***工作时处于关闭状态；对成像生物体进行固定的固定板；将成像生物体固定板设置在上面且能够将其升降到便于成像位置的升降台8。遮光箱1的顶部安装由二区像机2、X光光源3、激发光光源4，遮光箱1的底部为X光探测器6，遮光箱1的中间位置设置有升降台8，遮光箱1放置在操作台7上，中央控制中心5与二区相机2、X光光源3、激发光光源4、X光探测器5、升降台8连接。
本发明采用近红外二区成像，可以提高三维重建的图像分辨率；利用反射式荧光断层成像技术，仅仅使用单视角反射荧光数据进行三维荧光断层重建，有望实现宽场激发获得高速成像速度，得到实时荧光断层成像；结合深度重建的单视角CT断层成像技术获取样本结构图像，不再需要对样本进行旋转操作，减少***复杂性，同时提高成像速度，获得和荧光成像同时刻的结构影像。
实施例2
本发明公开了一种单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***，包括：荧光激发模块、近红外二区荧光采集模块、CT成像模块、数据处理模块和中央控制模块。本发明中的近红外二区荧光断层成像通过宽场光源照射成像生物体和反射式荧光采集获得光学数据，结合CT成像所获得的结构影像信息，建立光学断层重建数学模型，重建出成像生物体内近红外二区荧光探针的三维空间分布图像。其中CT成像在荧光成像同时，对物体进行单视角透射扫描，得到一个CT投影图像并通过深度学习重建技术，获得生物体CT三维结构影像。该成像***使用近红外二区荧光进行成像，可以提高生物体荧光探针的探测深度和成像空间分辨率；光学和CT均采用单视角成像，实现二者的同时和实时成像，获得生物体动态实时双模态断层影像信息。
本发明提供的单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***包括：
荧光成像模块，所述荧光成像模块包含激发模块和近红外二区荧光信号采集模块。激发模块由卤素灯和多波段滤波轮构成，可以根据所使用荧光探针的吸收峰输出特定波段的宽场激发光，用于照射整个成像生物体。近红外二区荧光信号采集模块，由科学级深度制冷近红外二区相机耦合成像镜头构成，用于拍摄反射式的单视角近红外二区荧光图像。
CT成像模块，所述CT成像模块包括X-ray光管和X-ray平板探测器。X-ray光管发射锥束X-ray照射成像生物体进行成像，X-ray平板探测器对经过成像生物体的透射X-ray进行探测，获取单视角X-ray投影图像。
中央控制模块，所述中央控制模块控制所述荧光激发模块、所述近红外二区荧光采集模块和所述CT成像模块协调工作。
数据处理模块，用于读取所述荧光数据和所述CT投影数据，并进行预处理。根据所述预处理后的CT投影数据，使用深度学习断层重建技术，重建出三维CT影像数据。根据所述预处理后的荧光数据，结合CT成像所获得的结构影像信息，建立光学断层重建数学模型，重建出成像生物体内近红外二区荧光探针的三维空间分布图像。
本发明提供的荧光成像模块中，激发模块采用宽场激发光照射整个成像生物体，采用近红外二区荧光探测相机，在同一侧采用反射式拍摄单视角的近红外二区荧光信号用于荧光断层重建。
本发明提供的CT成像模块中，X-ray光球管发射的锥束X-ray照射整个成像生物体，X-ray平板探测器对经过成像生物体的透射X-ray进行探测，仅采集单视角X-ray投影数据，并使用深度学习断层重建技术，重建出三维CT影像数据。
本发明提供的数据处理模块具体包括以下单元：
图像读取单元，用于读取所述近红外二区荧光采集模块和CT成像模块的荧光图像和CT投影图像；
图像预处理单元，用于对读取的所述荧光图像和CT投影图像进行预处理操作；
CT图像三维重建单元，将所述CT成像模块得到的CT投影图像通过深度学习的方式进行三维重建，得到所述样本的空间结构图像；
光学重建单元，将所述图像三维重建单元得到的空间结构图像和所述光信息采集模块得到的荧光图像进行荧光断层重建。重建过程为结合组织光学参数建立前向方程，然后对前向方程进行正则方法求解，最终得到生物体动态实时双模态断层影像信息；
图像显示单元，将所述光信息采集模块得到的荧光图像、所述CT成像模块得到的CT投影图像和所述光学重建单元得到的生物体动态实时双模态断层影像信息显示出来。
本发明提供的单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***还包括辅助模块，所述辅助模块包括：
光学平台，用于支撑所述***的各个不同模块；
遮光箱，设置在所述光学平台上，防止其它外部光源进入。
样本固定板，将样本进行固定。
升降台，将样本固定板设置在上面，并且能够升降到便于成像的位置。
实施例3
近红外二区成像作为一种分子影像技术，是利用波长为1000nm-1700nm的近红外二区荧光对病灶进行成像的技术。相对于传统的近红外一区成像，它具有成像分辨率高的优势。将近红外二区成像技术与传统的结构成像如CT等相结合，并通过深度学习进行图像的三维重建，可以实现病灶的近红外二区动态三维断层成像，对生物体病灶的定位更加准确。
图1是根据本发明实施例的单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的结构示意图。如图1所示，单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***包括：发射X光子束照射样本的X射线管和接收X光的探测器组成的CT成像模块；发射激光并引导激光打在样本上的激光器和光纤组成的荧光激发模块；采集荧光信息的二区相机和镜头组成的荧光信息采集模块；对实验进行遮光的遮光箱和放置其它模块的操作台，对样本进行固定并抬高到相应位置的升降台和样本固定板组成的辅助模块；由计算机进行操作的数据处理模块和中央控制模块。
根据本发明的一种单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的一些实施例，荧光成像模块包括激发模块和近红外二区荧光信号采集模块。荧光激发模块由卤素灯和多波段滤波轮，可以根据所使用荧光探针的吸收峰输出特定波段的宽场激发光，照射整个成像生物体。近红外二区荧光采集模块包括由科学级深度制冷近红外二区相机耦合成像镜头构成，镜头和相机之间放置能滤除除激发光以外波段的滤波片，仅采集荧光探针所发出的近红外二区荧光信号。荧光采集使用反射式，通过单视角荧光成像进行荧光断层影像重建。
根据本发明的一种单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的一些实施例，CT成像模块包括：用于发射扇形X-ray的X-ray光管；用于探测穿过成像生物体的X-ray平板探测器；用于给CT成像模块供电的电源线和用于传输CT投影图像数据的数据线。X-ray光管发射出锥束X-ray照射成像生物体进行成像，X-ray平板探测器对经过成像生物体的透射X-ray进行探测，获取单视角X-ray投影图像。
图2是根据本发明实施例的单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的中央控制模块和数据处理模块进行的近红外二区动态荧光断层成像的流程图。在中央控制模块控制下，X射线管发射X光，并由探测器对X光进行采集。同时，激光发生器发射激光，二区相机对荧光信息进行采集。采集完成后由数据线将数据全部传入计算机，并通过数据处理模块，对CT数据预处理后进行三维重建，以及对荧光数据进行预处理，通过荧光断层重建得到双模态断层影像，最终显示出CT投影图像、荧光断层图像和生物体动态实时双模态断层影像信息。对CT投影图像的三维重建是利用深度学习的方式，输入单个二维投影图像，经过表示网络的卷积层等处理，实现了由图像域到特征域的语义学习。在经过转换网络，将特征域的二维特征转换为三维特征。最后经过生成网络，将特征域的三维特征转换出3D体积图像，实现三维重建。
根据本发明的一种单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的一些实施例，数据处理模块包括：获取采到的CT投影图像和荧光图像数据的图像读取单元；对读取到的CT投影图像进行校正和荧光数据进行荧光图像增强和去噪等预处理的图像预处理单元；对预处理之后的CT投影图像进行深度学习进而进行三维重建的图像三维重建单元；对采集的荧光图像进行荧光断层重建的光学三维重建单元；将CT投影图像、荧光图像和最终的生物体动态实时双模态断层影像信息进行显示出来的图像显示单元。
其中基于深度学习的CT三维重建方法，首先通过对物体进行全角度扫描，获得各个角度的投影数据，通过滤波反投影重建技术获得3D重建影像，并将其作为深度学习的标签，并将物体的单个二维投影图像作为训练集，进行学习训练，形成一个学习网络。然后再将物体的单个二维投影图像作为输入，经过之前形成的学习网络得到输出。其训练过程为将单个二维投影图像输入，经过表示网络的卷积层等处理，实现了由图像域到特征域的语义学习。在经过转换网络，将特征域的二维特征转换为三维特征。最后经过生成网络，将特征域的三维特征转换出3D体积图像，实现CT图像的三维重建。光学重建单元是结合组织光学参数建立前向方程，然后对前向方程进行正则方法求解，最终得到重建结果。图3是根据本发明实施例的单视角反射式近红外二区动态荧光断层成像***的数据处理模块进行的近红外二区荧光断层重建的示意图。从图中可以看出，对CT三维重建的结果和荧光数据处理可以结合组织光学参数建立前向方程，然后对前向方程进行正则方法求解，就可得到重建结果。对CT重建结果的处理包括CT结果分割、3D网格剖分和建立辐射传输方程。而对光学数据的处理包括映射参数计算、2D/3D映射和3D映射表面光强分布。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidStateDisk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***，其特征在于，所述单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***包括：
荧光成像模块，包括激发模块和近红外二区荧光信号采集模块；所述激发模块由卤素灯和多波段滤波轮构成，根据所使用荧光探针的吸收峰输出特定波段的宽场激发光，用于照射整个成像生物体；所述近红外二区荧光信号采集模块，由科学级深度制冷近红外二区相机耦合成像镜头构成，用于拍摄反射式的单视角近红外二区荧光图像；
CT成像模块，包括X-ray光管和X-ray平板探测器；所述X-ray光管发射锥束X-ray照射成像生物体进行成像，所述X-ray平板探测器对经过成像生物体的透射X-ray进行探测，获取单视角X-ray投影图像；
中央控制模块，用于控制所述荧光激发模块、所述近红外二区荧光采集模块和所述CT成像模块协调工作；
数据处理模块，用于读取所述荧光数据和所述CT投影数据，并进行预处理；根据所述预处理后的CT投影数据，使用深度学习断层重建技术，重建出三维CT影像数据；根据所述预处理后的荧光数据，结合CT成像所获得的结构影像信息，建立光学断层重建数学模型，重建出成像生物体内近红外二区荧光探针的三维空间分布图像。
2.如权利要求1所述的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***，其特征在于，所述荧光成像模块中的激发模块采用宽场激发光照射整个成像生物体，采用近红外二区荧光探测相机，在同一侧采用反射式拍摄单视角的近红外二区荧光信号用于荧光断层重建。
3.如权利要求1所述的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***，其特征在于，所述CT成像模块的X-ray光球管发射的锥束X-ray照射整个成像生物体，X-ray平板探测器对经过成像生物体的透射X-ray进行探测，仅采集单视角X-ray投影数据，并使用深度学习断层重建技术，重建出三维CT影像数据。
4.如权利要求1所述的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***，其特征在于，所述数据处理模块包括：
图像读取单元，用于读取所述近红外二区荧光采集模块和CT成像模块的荧光图像和CT投影图像；
图像预处理单元，用于对读取的所述荧光图像和CT投影图像进行预处理；
CT图像三维重建单元，用于将所述CT成像模块得到的CT投影图像通过深度学习的方式进行三维重建，得到所述样本的空间结构图像；
光学重建单元，用于将所述图像三维重建单元得到的空间结构图像和所述光信息采集模块得到的荧光图像进行荧光断层重建；重建过程为结合组织光学参数建立前向方程，并对前向方程进行正则方法求解，最终得到生物体动态实时双模态断层影像信息；
图像显示单元，用于将所述光信息采集模块得到的荧光图像、所述CT成像模块得到的CT投影图像和所述光学重建单元得到的生物体动态实时双模态断层影像信息进行显示。
5.如权利要求1所述的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***，其特征在于，所述单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***还包括辅助模块，所述辅助模块包括：
光学平台，用于支撑所述***的各个不同模块；
遮光箱，设置在所述光学平台上，用于防止其它外部光源进入；
样本固定板，用于将样本进行固定；
升降台，用于将样本固定板设置在上面，并且能够升降到便于成像的位置。
6.一种运行权利要求1～5任意一项所述的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像***的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像方法，其特征在于，所述单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像方法包括以下步骤：
步骤一，通过中央控制模块对荧光激发模块、近红外二区荧光采集模块、CT成像模块等参数进行设置，并控制所述模块的工作；
步骤二，由近红外二区荧光探测相机耦合成像镜头对荧光信号进行反射式采集，X-ray平板探测器对穿过成像生物体的透射X-ray进行采集；
步骤三，由近红外二区荧光探测相机采集到的荧光信号和由X-ray平板探测器探测到的X-ray信号分别通过数据线传输到计算机，并由计算机的图像读取单元进行读取后，经过图像预处理单元的预处理操作；
步骤四，将预处理后的CT投影图由CT图像三维重建单元，利用深度学习的方式进行三维重建得到空间结构图；
步骤五，利用三维重建的空间结构图和近红外二区荧光探测相机采集到的荧光图像，结合组织光学参数建立前向方程，对前向方程进行正则方法求解，最终得到生物体动态实时双模态断层影像信息，并由图像显示单元对荧光图像、CT投影图像和生物体动态实时双模态断层影像信息显示出来。
7.如权利要求6所述的单视角反射式近红外二区荧光动态断层成像方法，其特征在于，所述步骤二中，宽场激光由计算机控制，并通过光纤引导至成像生物体对其体内的探针进行激发；由近红外二区荧光探测相机耦合成像镜头对荧光信号进行反射式采集，其中采集到的荧光信号经过滤波片滤波，滤除除探针激发光以外的光源；同时，X-ray光管发射锥束X-ray照射成像生物体进行成像，X-ray平板探测器对穿过成像生物体的透射X-ray进行采集，获得单视角X-ray投影图像。
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| CN106419837A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-02-22 | 西北大学 | 基于螺旋式激发的荧光分子断层成像*** |
| CN109044277A (zh) * | 2018-08-10 | 2018-12-21 | 中国科学院自动化研究所 | 近红外二区荧光断层成像*** |
Non-Patent Citations (1)
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| 组织仿体液中近红外荧光分子探针的3-D成像;胡刚;姚俊杰;宋小磊;白净;;航天医学与医学工程(第02期);全文 * |
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