WO2013134949A1

WO2013134949A1 - 内窥式x射线发光断层成像装置及方法

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Publication number: WO2013134949A1
Application number: PCT/CN2012/072434
Authority: WO
Inventors: 梁继民; 陈雪利; 屈晓超; 朱守平; 陈多芳; 赵恒�; 田捷
Original assignee: 西安电子科技大学
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-19
Also published as: US10034647B2; CN104168830A; CN104168830B; US20150119700A1

Abstract

一种内窥式X射线发光断层成像装置，包括：激发源单元（1），用于从外部激发源激发受检对象内部的探针；信号采集单元（2），用于采集受检对象的X射线图像和所述探针受激发后发出的近红外光信号图像；计算单元（4），用于对采集的X射线图像和红外光信号图像进行预处理，对预处理后的X射线图像进行稀疏重建，以获取受检对象的结构信息和信号采集单元中的内窥探头在受检对象内部的位置信息，以及利用获取的结构信息和位置信息，对预处理后的近红外光信号图像进行光学三维重建，获取受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。

Description

内窥式 x射线发光断层成像装置及方法

技术领域

本发明涉及医学影像技术领域，更进一歩，涉及一种内窥式 X射线发光断层成像装置以及一种内窥式 X射线发光断层成像方法。背景技术

由于能够三维地重建生物体内荧光探针的空间位置和浓度分布，扩散荧光断层成像 (Fluorescence diffuse optical tomography, FDOT)已经成为一种很有应用潜力的分子影像技术。在其潜在的应用中， FDOT 已经广泛地应用于小动物或表层器官成像，如脑部和乳腺等。这种情况下，荧光信号可以穿透成像物体，并被外部的探测部件接收。但是，对于深埋于例如大型动物体或人体的受检对象的内部器官，由于荧光在体内的严重衰减， FDOT技术无法提供准确的图像，甚至于无法测量体表的荧光信号。

内窥成像技术通过生物体内的空腔类器官，如肠道、食管道、胃道、膀胱等，将探测部件深入体内并靠近感兴趣区域，可以获得内部器官的精确成像。鉴于内窥成像技术的优势， Piao (Daqing Piao, Hao Xie, Weili Zhang, and Jerzy S. Krasinski, "Endoscopic, rapid near-infrared optical tomography," Optics Letters 2006, 31(19), 2876-2878 ) 等提出了一种内窥式扩散荧光断层成像 (endoscopic fluorescence diffuse optical tomography, eFDOT)***，包括 eFDOT装置和方法，用于对生物体内部器官的成像。

然而，这种 eFDOT***在实际应用过程中存在一些问题，严重制约着进一歩的临床应用。

首先，由于外部近红外激发光源的照射，生物体内将会产生很强的自体荧光，这将严重影响重建图像的质量。自体荧光的去除也是 FDOT技术中存在的棘手问题，一般采用图像后处理算法将其去除；但这并未从根本上消除自体荧光，并且严重依赖于图像后处理算法的性能。

其次，在已有的 eFDOT装置中，采用直径在厘米级的微型化内窥探头，其中激发光纤和探测光纤等间隔地、交叉分布于内窥探头的顶部侧面。由于内窥探头直径很小，因此激发光纤与探测光纤之间的距离很小。如此小的激发源-探测器距离，将会导致信号间的强干扰，从而使成像结果不再准确。

第三，在已有的 eFDOT方法中，采用扩散方程 (Diffusion Equation,

DEM乍为前向光传输模型。由于自身的局限性，在低散射区域、光源和折射率不匹配组织边界附近， DE不能准确描述光的传输过程。因此，在 eFDOT方法中， DE将不再适用。

近年来，一种名为 X 射线发光断层成像 (X-ray luminescence computed tomography, XLCT)的分子影像技术用于小型动物成像。

XLCT 采用 X 射线激发小型动物体内的荧光纳米颗粒 (Phosphor Nanoparticles, PNP;)探针，能够发射近红外光；通过 CCD相机采集发射的近红外光，采用近红外光学断层成像技术可以重建小型受检对象内部的 PNP探针分布。这种成像技术由于采用 X射线作为激发源，能够激发处于生物体组织深部的 PNP探针，并且能够去除自体荧光。然而，由于发射的近红外光穿透深度的限制， XLCT技术仍只能用于小型动物体和表层器官的成像。发明内容

因此，本发明实施例提供了一种内窥式 X射线发光断层成像装置以及一种内窥式 X射线发光断层成像方法，以实现对受检对象内部的靶向目标的精确成像。

根据本发明实施例的一方面，公开了一种内窥式 X射线发光断层成像装置，包括：激发源单元，用于从外部激发源激发受检对象内部的探针；信号采集单元，用于采集受检对象的 X射线图像和所述探针受激发后发出的近红外光信号图像；计算单元，用于对采集的 X 射线图像和近红外光信号图像进行预处理，对预处理后的 X射线图像进行稀疏重建，以获取受检对象的结构信息和信号采集单元中的内窥探头在受检对象内部的位置信息，以及利用获取的结构信息和位置信息，对预处理后的近红外光信号图像进行光学三维重建，获取受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。

根据优选实施例，信号采集单元包括近红外光信号采集模块，所述近红外光信号采集模块包括气球式成像导管、内窥探头、信号传输光纤束和光电倍增管阵列探测器。

根据优选实施例，气球式成像导管包括医用导管，医用导管的一端连接于信号传输光纤束中的空气输送管，另一端固定于信号传输光纤束的外表面，并将内窥探头包裹其中，用于采集近红外光信号图像时充入空气以撑起空腔类器官的腔壁。

根据优选实施例，成像装置还包括：操纵单元，包括 C型旋转臂，用于多角度地采集受检对象的 X射线投影图像；以及成像体固定床，用于固定受检对象，并进行调整以使其位于 X射线成像的视场内。

根据优选实施例，内窥探头包括 N组鼓形透镜和棒透镜对，每对鼓形透镜和棒透镜均与信号传输光纤束中的信号传输光纤相连，用于采集所述探针受激后发出的近红外光信号图像。

根据优选实施例，信号传输光纤束包括 N根信号传输光纤，用于将采集的近近红外光信号图像传输到光电倍增管阵列探测器；和空气输送管，用于向气球式成像导管中充入空气。

根据优选实施例，探针是荧光纳米颗粒探针。

根据优选实施例，计算单元显示光学三维重建的结果，包括对获得的受检对象内部靶向目标的重建结果和所述结构信息进行图像融合，以便对融合图像进行三维显示。

根据优选实施例，计算单元包括图像预处理模块，用于对 X射线图像进行预处理，包括噪声去除、坏点补偿以及图像校正。

根据优选实施例，计算单元包括图像预处理模块，对近红外光信号图像进行预处理，包括噪声去除、感兴趣区域提取以及坏点补偿。

根据优选实施例，计算单元包括图像重建模块，用于：构建前向光传输混合模型；根据前向光传输混合模型，建立内窥式 X射线发光断层成像的总***方程，获得近红外光信号图像的计算值向量；根据获得的近红外光信号图像的计算值向量与采集的近红外光信号图像的测量值向量之间的误差，结合探针的稀疏分布和非负约束，建立稀疏正则化目标函数；对建立的目标函数进行求解，获得探针在受检对象内部的空间位置和浓度分布，从而获得受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。

根据优选实施例，构建前向光传输混合模型包括：基于获得的内窥探头在受检对象内部的位置信息，根据受检对象生物组织的光学特性参数，将生物组织划分为低散射特性组织、高散射特性组织、空腔; 分别采用三阶简化球谐波方程、扩散方程和自由空间光传输方程来描述近红外光在这三大类组织中的传输过程；构造边界耦合条件来耦合这三个光传输方程，同时结合 X射线激发探针的过程，构建内窥式 X 射线发光断层成像的前向光传输混合模型。

根据优选实施例，建立总***方程包括：利用下式，基于有限元方法对构建的前向光传输混合模型进行离散化，组装每个离散点上的子***方程：

AP = P_K

其中， Λ是第个 X射线照射角度对应的***矩阵，取决于生物体内三大类组织的分布、光学特性参数和 X射线照射到体表的位置； p 是荧光纳米颗粒探针的浓度；是与第个 X射线照射角度对应的、内窥探头上近红外光信号图像的计算值；

通过联立 M个 X射线照射角度对应的***方程，建立内窥式 X 射线发光断层成像的总***方程：

A 7 = P 其中， A是总***矩阵，

是矩阵转置操作符； ρ是与所有 Μ个 X射线照射角度对应的、内窥探头上近红外光信号图像的计算值向量，定义为 Ρ=[/½, 是选取的 X射线照射角度的个数。根据优选实施利用下式建立稀疏正则化目标函数:

其中，卩^是与所有 M个 X射线照射角度对应的、所述采集的近红外光信号图像的测量值向量；是稀疏正则化参数；

|^¾定义为求解矩阵 F的范数；以及对所建立的稀疏正则化目标函数进行求解，获得探针在受检对象内部的空间位置和浓度分布，从而间接获取受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。

根据优选实施例，按照如下规则对生物组织的类型进行划分：将荧光纳米颗粒探针所在组织、体表所属组织以及约化散射系数与吸收系数比值小于 10的组织划分为低散射特性组织，将约化散射系数与吸收系数比值大于等于 10的组织划分为高散射特性组织，将近红外光信号图像采集时内窥探头所处的组织划分为空腔。

根据优选实施例，按照如下规则分别采用三阶简化球谐波方程、扩散方程和自由空间光传输方程来描述近红外光在这三大类组织中的传输过程：采用三阶简化球谐波方程描述近红外光在低散射特性组织中的传输过程，采用扩散方程描述近红外光在高散射特性组织中的传输过程，采用自由空间光传输方程描述近红外光从空腔与散射特性组织之间的边界到内窥探头的传输过程。

根据优选实施例，应用下式来耦合低散射特性组织和高散射特性组织的光传输方程： {γ) = α{ν){β_ι{γ)φ_ι {γ) + β₂{ν)φ₂{ν)) 其中， r是低散射特性组织与高散射特性组织相交的边界上的任意一点；

Φ(Γ)是采用扩散方程计算得到的点 r处的光通量； φ人 γ、和 ( iy 是采用三阶简化球谐波方程计算得到的点 r处的光通量分量； (r)是扩散方程的边界折射率不匹配系数；

A(r)和 (r)是三阶简化球谐波方程的边界折射率不匹配系

根据优选实施例，应用下式耦合散射特性组织与空腔的光传输方

1

J(r) = σ (D(r) + (\ - σ)(β_ι (ν) _ι (ν) ₊ β₂ (ν) ₂ (ν))

(r) r是散射特性组织与空腔相交的边界上的任意一点； ^r)是点 r处、指向空腔内部的光流率； σ是散射特性组织的标识因子，若低散射特性组织与空腔相乂，则 σ的值取 0; 若高散射特性组织与空腔相交，则 σ的值取 1

根据本发明的另一方面，提供了一种内窥式 X射线发光断层成像方法，包括如下歩骤：（a) 采集受检对象内部的探针受激后发射的近红外光信号图像，并采集受检对象的 X射线图像；（b) 对采集的近红外光信号图像和 X射线图像进行图像预处理；（C) 对预处理后的 X 射线数据进行稀疏重建，以获得受检对象的结构信息和内窥探头在受检对象内部的位置信息；（d) 利用获取的结构信息和位置信息，对预处理后的近红外光信号图像进行光学三维重建，获取受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。有利地，根据本发明的内窥式 X射线断层成像装置和方法，其优点在于：

第一，由于采用 X射线作为外部激发源激发受检对象内部的荧光纳米颗粒探针，克服了现有技术中采用近红外激发光源激发荧光探针带来的强自体荧光干扰的问题，能够获取高质量的近红外光信号图像，从而有效地改善重建图像的质量。

第二，由于采用 X射线作为外部激发源激发受检对象内部的荧光纳米颗粒探针，同时采用内窥探头作为内部探测器采集荧光纳米颗粒探针受激后发出的近红外光，克服了现有技术中将激发源和探测器同时集成于微型化内窥探头前端而带来的信号干扰和成像不准确问题，能够改善激发模式下的内窥式光学断层成像技术的信号干扰和成像准确性。

第三，由于采用光传输混合模型作为内窥式 X射线发光断层成像技术的前向模型，并且同时考虑荧光纳米颗粒探针的稀疏分布特性和内窥测量数据相对于生物体整体区域的稀疏特性来建立稀疏正则化目标函数，克服了现有技术中采用扩散方程和范数正则化带来的成像精度和分辨率不足的问题，能够有效地改善内窥式光学断层成像的精度和分辨率。

第四，由于采用内窥探头作为内部探测器来采集荧光纳米颗粒探针受激后发出的近红外光，克服了现有 X射线发光断层成像技术仅局限于小型动物体和表层器官成像的问题，能够实现对例如大型动物体或人体的受检对象内部的深层靶向目标的准确成像。附图说明

将结合在附图的辅助下对本发明优选实施例进行的说明来对教导的优选实施例和其它改进进行说明。在附图中：

图 1是根据本发明实施例的内窥式 X射线发光断层成像装置的组成框图；

图 2是根据本发明实施例的内窥式 X射线发光断层成像装置的示意图；图 3是根据本发明实施例的内窥式 X射线发光断层成像装置的近红外光信号采集子模块剖面组成示意图；

图 4是根据本发明实施例的内窥式 X射线发光断层成像装置的内窥探头剖面示意图；

图 5是根据本发明实施例的内窥式 X射线发光断层成像方法的流程图；

图 6是根据本发明实施例的内窥式 X射线发光断层成像方法的内部靶向目标的三维重建子流程图。具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明实施例，所描述的实例仅旨在便于对本发明的理解，而不应理解为对本发明的限制。根据本发明实施例，利用 X射线光管作为外部激发源激发受检对象内部的探针，同时利用微型内窥探头作为探测器来采集探针受激后发出的近红外光。然后利用与 X射线光管、成像体固定床共线的 X 射线平板探测器获取受检对象的三维结构成像信息。基于内窥式 X 射线发光断层成像装置及其成像过程，建立内窥式 X射线发光断层成像的物理模型和前向光传输模型；在该模型基础上，利用有限元方法，同时针对受检对象内部探针的稀疏分布特性和测量数据的严重不足性，构造稀疏正则化目标函数；采用合适的优化算法求解目标函数，实现对受检对象内部器官病变或深层靶标的精确成像。

下面结合图 1、图 2、图 3和图 4对根据本发明实施例的内窥式 X射线发光断层成像装置进行详细描述。根据本发明实施例的内窥式 X射线发光断层成像装置可以包括：激发源单元 1、信号采集单元 2、操纵单元 3和计算单元 4。

激发源单元 1可以包括 X射线光管 11和 X射线光管电源 12，作为外部激发源激发受检对象内部的荧光纳米颗粒探针，同时还用于扫描受检对象以获取其解剖结构信息和内窥探头在体内的位置信息。在实施例中以荧光纳米颗粒探针为例进行说明，本领域技术人员可以理解，探针也可以是例如稀土探针等。

信号采集单元 2可以包括 X射线信号采集模块 21和近红外光信号采集模块 22。 X射线信号采集模块 21可以包括 X射线 CMOS平板探测器 211，用于采集受检对象的 X射线投影图像；近红外光信号采集模块 22可以包括气球式成像导管 221、内窥探头 222、信号传输光纤束 223和光电倍增管阵列探测器 224，用于内窥式地采集荧光纳米颗粒探针受激后发出的近红外光信号图像。

操纵单元 3可以包括 C型旋转臂模块 31和成像体固定床模块 32。该 C型旋转臂模块 31可以包括 C型臂 311、旋转控制装置 312、 C 型臂支撑柱 313和歩进电机 314，用于多角度地采集受检对象的 X射线投影图像；成像体固定床模块 32包括成像体固定床 321、平动滑轨 322、升降台 323和歩进电机 324，用于将受检对象固定于成像体固定床上，并在 X射线成像视场内对受检对象的位置进行调整。

计算单元 4可以包括***操作控制模块 41、图像预处理模块 42 以及图像重建模块 43。例如，上述各部件的结构关系如下所述：

将 X射线光管 11和 X射线 CMOS平板探测器 211固定于 C型臂 311的两端，相对放置。 X射线光管 11通过电源线连接于 X射线光管电源 12，另外通过控制线连接于计算单元 4，用于控制 X射线光管 11发射 X射线的开关和信号强弱； X射线 CMOS平板探测器 211通过控制线和数据线与计算单元 4相连，用于控制 X射线 CMOS 平板探测器 211对 X射线信号的采集以及采集的信号到计算单元 4 的数据传输。 C型臂 311与旋转控制装置 312相连，旋转控制装置 312 固定于 C型臂支撑柱 313上。此外，旋转控制装置 312通过控制线与歩进电机 314相连，歩进电机 314通过控制线与计算单元 4相连；通过计算单元 4的***操作控制模块 41控制歩进电机 314，使 C型臂 311在旋转控制装置 312上例如等弧度间隔滑动。

成像体固定床 321固定于平动滑轨 322上，而平动滑轨 322通过控制线与歩进电机 324相连。此外，平动滑轨 322固定于升降台 323 上，而升降台 323亦通过控制线与歩进电机 324相连；歩进电机 324 通过控制线与计算单元 4相连。

操作中，将受检对象固定于成像体固定床 321。之后，通过计算单元 4的***操作控制模块 41控制歩进电机 324，调节升降台 323，使成像体固定床 321沿着垂直方向升降；同时调节平动滑轨 322，使成像体固定床 321 沿水平方向滑动，最终使成像体固定床 321 与 X 射线光管 11、 X射线 CMOS平板探测器 211共线，并保证 C型臂 311 等弧度滑动时，成像体固定床 321始终处于 X射线光管 11辐射和 X 射线 CMOS平板探测器 211成像范围之内。

在近红外光信号采集模块 22中，气球式成像导管 221 由医用导管组成，一端连接于信号传输光纤束 223 中的空气输送管 2232，另一端固定于信号传输光纤束 223的外表面，并将内窥探头 222包裹其中，用于在采集近红外光信号图像时被充入空气以撑起空腔类器官的腔壁。内窥探头 222可以包括 N组鼓形透镜 2221和棒透镜 2222对（例如，一般不少于 60个，本例中取 60组），每对鼓形透镜 2221和棒透镜 2222均与信号传输光纤束 223中的信号传输光纤 2231相连，用于采集荧光纳米颗粒探针受激后发出的近红外光信号图像。

近红外光信号经鼓形透镜 2221 到达棒透镜 2222，再经棒透镜 2222作用后耦合到信号传输光纤 2231上。信号传输光纤束 223采用双层环状阶梯模式，外层由等间隔均匀分布的 N根信号传输光纤 2231 (例如，一般不少于 60个，本例中取 60根）构成，内层由一根空气输送管 2232构成，内层略长于外层 2厘米，并且两层之间和最外层由抗干扰材料进行包裹；其中，信号传输光纤 2231 的一端连接于内窥探头 222中的鼓形透镜 2221和棒透镜 2222，另一端连接于光电倍增管阵列探测器 224，用于向光电倍增管阵列探测器 224传送内窥探头 222采集的近红外光信号；空气输送管 2232的一端连接于气球式成像导管 221，另一端连接于空气充气机 2233，并在长于外层信号传输光纤 2231的部分开个圆形小孔，用于向气球式成像导管 221中充入空气。光电倍增管阵列探测器 224由方阵排列的一组（一般不少于 60个，本例中取 60)光电倍增管组成，并通过控制线与光电倍增管阵列探测器电源箱 2241相连，同时通过控制线和数据线与计算单元 4相连。

计算单元 4中的***操作控制模块 41用于控制操纵单元 3、激发源单元 1和信号采集单元 2的整体操作，以完成对 C型臂 311的旋转控制装置 312、成像体固定床 321、 X射线光管 11、 X射线 CMOS平板探测器 211和近红外光信号采集模块 22的控制，实现对 X射线投影图像和近红外光信号图像的采集。

图像预处理模块 42用于对采集的 X射线投影图像和近红外光信号图像进行预处理，例如对采集的 X射线投影图像进行坏点补偿、去噪、图像校正等处理，对采集的近红外光信号图像进行坏点补偿、去噪和感兴趣区域提取等处理。

图像重建模块 43用于对预处理后的 X射线投影图像进行稀疏重建，获取受检对象的解剖结构信息和内窥探头的位置信息，并且对预处理后的近红外光信号图像进行光学三维重建，获取受检对象内部深层靶向目标的位置信息和分布信息。下面参照图 5来描述根据本发明实施例的内窥式 X射线断层成像方法。该方法可以包括：步骤 Sl，多角度数据采集

( 1 )利用计算单元 4中的***操作控制模块 41调节成像体固定床 321，使之位于适合 X射线发光断层成像的位置：

具体地，首先将受检对象固定于成像体固定床 321上，通过计算单元 4的***操作控制模块 41控制歩进电机 324，来调节升降台 323，使成像体固定床 321沿着高度方向升降至 C型臂 311的中心高度处；然后，调节平动滑轨 322，使成像体固定床 321沿水平方向滑动，保证成像体固定床 321与 X射线光管 11、X射线 CMOS平板探测器 211 共线放置；最后，微调平动滑轨 322和升降台 323，保证 C型臂 311 等弧度滑动时，成像体固定床 321始终处于 X射线光管 11辐射和 X 射线 CMOS平板探测器 211最佳成像范围之内。 (2)利用计算单元 4中的***操作控制模块 41采集多个角度的 X射线投影图像和近红外光信号图像：

首先，通过计算单元 4的***操作控制模块 41控制歩进电机 314，使 C型臂 311在旋转控制装置 312上等间隔小角度滑动（一般不大于 3°, 本例中取 3^Q)。本领域技术人员可以理解，也可以按照可变间隔来采集图像。

然后，在每个角度上，通过计算单元 4 的***操作控制模块 41 开启 X射线光管 11，照射受检对象；最后，利用信号采集模块 2中的近红外光信号采集子模块 22采集受检对象内部的荧光纳米颗粒探针受激后发射的近红外光信号图像，同时利用 X射线信号采集子模块 21采集 X射线投影图像。步骤 S2 数据预处理

( 521 )利用计算单元 4中的图像预处理模块 42对采集的多角度近红外光信号图像进行预处理，例如包括但不限于噪声去除、感兴趣区域提取以及坏点补偿等；

( 522)利用计算单元 4中的图像预处理模块 42对采集的多角度 X射线投影数据进行预处理，例如包括但不限于噪声去除、坏点补偿以及图像校正等。步骤 S3 解剖结构信息的获取

利用计算单元 4中的图像重建模块 43对预处理后的 X射线投影数据进行稀疏重建，获得受检对象的三维体数据和内窥探头在体内的位置信息；然后，利用例如 3DMED软件中的人机交互式分割方法对获得的三维体数据进行器官分割，获取其解剖结构信息。本领域技术人员可以理解，也可以通过其他方法来通过三维体数据得到受检对象的解剖结构信息。步骤 S4 内部靶向目标的三维重建

利用图像重建模块 43，结合预处理后的 X射线投影图像，对预处理后的近红外光信号图像进行光学三维重建，获取受检对象内部靶向目标的精确位置和分布信息。

参照图 6，本歩骤可以具体实现如下：

( S41 ) 前向光传输混合模型的构建

基于获取的受检对象的解剖结构信息、各组织的光学特性参数以及内窥探头 222在体内的位置信息，采用折射率边界耦合条件，构建基于混合三阶简化球谐波方程 -扩散方程-自由空间光传输方程的内窥式 X射线发光断层成像的前向光传输混合模型。

具体地，基于歩骤 S3获取的受检对象的解剖结构信息以及内窥探头在受检对象内部的位置信息，结合组织的光学特性参数，将生物组织划分为低散射特性组织、高散射特性组织、空腔三大类。划分过程可以按如下两歩规则进行：

首先，根据组织的特定位置进行粗划分。将荧光纳米颗粒探针所在组织和体表所属组织划分为低散射特性组织，将近红外光信号图像采集时内窥探头所处的组织划分为空腔；

第二歩，根据组织的光学参数特性进行细划分。应用式（1 ) 和下面的准则将生物组织划分为不同散射特性组织：

V = ( 1 ) μ_α

式中， V是不同散射特性组织的划分标准因子，是生物组织的约化散射系数， / _a是生物组织的吸收系数。可以按照如下准则进行划分: 如果 V≥10，则将生物组织划分为高散射特性组织；如果 V < 10，则将生物组织划分为低散射特性组织。然后，分别采用三阶简化球谐波方程、扩散方程和自由空间光传输方程来描述近红外光在上述歩骤中划分的三大类组织中的传输过程。

该描述过程可以按如下规则进行：采用三阶简化球谐波方程描述近红外光在低散射特性组织中的传输过程，采用扩散方程描述近红外光在高散射特性组织中的传输过程，采用自由空间光传输方程描述近红外光从空腔与散射特性组织之间的边界到内窥探头的传输过程。具体的描述方法是本领域公知的，此处不再赘述。然后，构造边界耦合条件以耦合（couple) 这三个光传输方程，同时结合 X射线激发荧光纳米颗粒探针过程，构造内窥式 X射线发光断层成像的前向光传输混合模型。例如， X射线激发荧光纳米颗粒探针的过程可以用下面的公式（7) 来描述， gp，可以根据公式（7) 建立起荧光纳米颗粒探针浓度、 X射线强度和发射的近红外光强度的关系，然后在光传输方程中结合公式（7 )。该构造过程可以按如下歩骤进行：

首先，建立三阶简化球谐波方程与扩散方程之间的耦合关系。由于三阶简化球谐波方程和扩散方程描述的均是散射特性生物组织中的光传输过程，亦即光在耦合边界两侧的生物组织中均以漫射光传输，因此两个光传输方程在耦合边界处获得的出射光流率相同。因此，三阶简化球谐波方程在耦合边界上获得的出射光流率 (r)为：

J ₃(r) = A(r (r) + (r)^₂(r) (2) 式中， r是低散射特性组织与高散射特性组织相交的耦合边界上的任意一点， φ_γ (r)和 φ^是采用三阶简化球谐波方程计算得到的点 r处的光通量分量， A(r)和 (r)是三阶简化球谐波方程的边界折射率不匹配系数。扩散方程在耦合边界上获得的出射光流率为：

式中， Φ( 是采用扩散方程计算得到的点 r处的光通量， (r)是扩散方程的边界折射率不匹配系数。联立上述两个方程，并令 J ( = ^^ ，建立三阶简化球谐波方程与扩散方程之间的物理量在耦合边界上的转换关系，以实现低散射特性组织和高散射特性组织光传输方程的耦合： (Γ) = (r)( β_χ {χ) _χ (r) + β₂ {ν)φ₂ (r)) ( 4 )

此外，可以建立三阶简化球谐波方程或扩散方程与自由空间光传输方程之间的耦合关系。

在内窥式 X射线发光断层成像技术中，近红外光从荧光纳米颗粒探针发出后，先在散射特性生物组织中传输，然后到达散射特性组织与空腔的边界，最后穿过空腔到达内窥探测器。因此，在散射特性组织与空腔的边界两侧，光由漫射光变换为非漫射光。根据自由空间光传输理论，漫射光将在两者边界上形成朗伯源（Lambertian source ) , 而形成的朗伯源的光流率即为从散射特性组织出射的光流率。因此，可通过下式构建散射特性组织与空腔的光传输方程之间的耦合关系：

1

J(r) = σ (D(r) + (\ - σ)(β_ι(ν)φ_ι(ν) + β₂(ν)φ₂(ν)) ( 5 )

(r) 式中， r是散射特性组织与空腔相交的边界上的任意一点； J(r)是点 r处、指向空腔内部的光流率； σ是散射特性组织的标识因子，可以按如下规则取值：若低散射特性组织与空腔相交，则其值取 0 ; 若高散射特性组织与空腔相交，则其值取 1。最后，基于上述建立的边界耦合条件，同时结合 X射线激发荧光纳米颗粒探针过程，建立内窥式 X射线发光断层成像的前向光传

(6) 式中，和是低散射特性组织及其边界； Ω 和是高散射特性组织及其边界； B_LH是低散射特性组织与高散射特性组织相交的耦合边界； ^是散射特性组织与空腔相交的耦合边界；是内窥探头的采集点集合； /_a(r)， μ_α1{ν), μ_α2{ν) , /_a3(r)和/) (r)是生物组织的光学特性参数； ^， Α₂, Β_λ, B₂, Q, C₂, A和 A分别是生物组织边界折射率相关参数； V是生物组织边界的外法向； /^是空腔的吸收系数； Pfe)是内窥探测器上接收的光功率； ,和分别是点，处的表面法向量与两者之间的方向向量之间的夹角； r',rj是点 r' 与点之间的可见度因子； S(r)是荧光纳米颗粒探针受激后发出的近红外光形成的近红外光光源的能量密度，其由照射到荧光纳米颗粒探针的 X射线强度 /(r)、荧光纳米颗粒探针的浓度 (r)和荧光纳米颗粒探针向近红外光的转化效率 S共同确定:

S(r) = εΙ(ν)ρ(ν) (7)

(S42) ***方程的建立

首先，利用有限元方法对歩骤（S41) 建立的前向光传输混合模型进行离散化，组装每个离散点上的子***方程，建立第个 X射线照射角度对应的***方程：

P = P_k (8) 式中， Λ是第个 X射线照射角度对应的***矩阵，依赖于生物体内三大类组织的分布、光学特性参数和 X射线照射到体表的位置； p 是荧光纳米颗粒探针的浓度；是第个 X射线照射角度对应的、内窥探头上近红外光信号图像的计算值。

然后，通过联立 M个 X射线照射角度对应的***方程，建立内窥式 X射线发光断层成像的总***方程：

A7 = P (9) 式中， A是总***矩阵，定义为入 ^^，… ] 是矩阵转置操作符； P是与所有 M个 X射线照射角度对应的、内窥探头上近红外光信号图像的计算值向量，定义为 Ρ= ,Ρ₂, Μ是选取的 X射线照射角度的个数。一般选取 1~5个 X射线照射角度下采集的近红外光信号图像进行光学三维重建。

(S43) 目标函数的建立根据歩骤 S42 获得的近红外光信号图像的计算值向量与针对原始采集的近红外光信号图像得到的测量值向量之间的误差，结合荧光纳米颗粒探针的稀疏分布和非负约束，建立下列稀疏正则化目标函 7 = arg mm \\Ap - P^m ^ ΐρΐ ( 10) p≥

式中， P^m是与个 X射线照射角度对应的，由内窥探头采集的原始近红外光信号图像的测量值向量；是稀疏正则化参数；

|^¾定义为求解矩阵 F的范数。

( 544) 目标函数的优化求解选用合适的稀疏正则化问题求解算法对歩骤（S43 ) 建立的目标函数进行求解，获得荧光纳米颗粒探针在受检对象内部的空间位置和浓度分布，从而间接获取靶向目标的位置信息和分布信息。本领域技术人员可以理解，这里的靶向目标的位置信息和分布信息通常对应于受检对象的病灶或异常组织的位置信息和分布信息。本领域技术人员还可以理解，分布信息通常提供了靶向目标的强度等信息。

( 545 ) 三维重建结果显示。

对歩骤（S44) 获得的受检对象内部的靶向目标的重建结果和歩骤 S3获取的解剖结构信息进行图像融合，获得重建的靶向目标在受检对象中的三维图像，并显示重建的靶向目标的三维图像。本领域技术人员将受益于前述说明书和相关附图中呈现的教导而想到本文所述的本发明的多种改型和其它实施例。因此，应该理解本发明不限于所公开的具体实施例，并且应该理解，本发明旨在将变型和其它实施例包括在由所附权利要求限定的范围内。尽管本文采用了具体术语，但是只是从描述的角度来使用它们，而并非限制

Claims

权利要求

1、一种内窥式 X射线发光断层成像装置，包括：

激发源单元（1 )，用于从外部激发源激发受检对象内部的探针；信号采集单元（2)，用于采集受检对象的 X射线图像和所述探针受激发后发出的近红外光信号图像；

计算单元（4)，用于对采集的 X射线图像和红外光信号图像进行预处理，对预处理后的 X射线图像进行稀疏重建，以获取受检对象的结构信息和信号采集单元中的内窥探头在受检对象内部的位置信息，以及利用获取的结构信息和位置信息，对预处理后的近红外光信号图像进行光学三维重建，获取受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。

2、根据权利要求 1所述的成像装置，其中，所述信号采集单元包括近红外光信号采集模块（22)，所述近红外光信号采集模块（22 ) 包括气球式成像导管（221 )、内窥探头（222)、信号传输光纤束（223 ) 和光电倍增管阵列探测器（224)。

3、根据权利要求 2所述的成像装置，其中所述气球式成像导管（221 ) 包括医用导管，所述医用导管的一端连接于信号传输光纤束（223 ) 中的空气输送管（2232)，另一端固定于信号传输光纤束（223 ) 的外表面，并将内窥探头（222) 包裹其中，用于采集近红外光信号图像时充入空气以撑起空腔类器官的腔壁。

4、根据权利要求 1所述的成像装置，还包括：

操纵单元（3 )，包括 C型旋转臂（31 )，用于多角度地采集受检对象的 X射线投影图像；以及成像体固定床（32)，用于固定受检对象，并进行调整以使受检对象位于 X射线成像的视场内。

5、根据权利要求 1所述的成像装置，其中，所述内窥探头包括 N组鼓形透镜（2221 ) 和棒透镜（2222 ) 对，每对鼓形透镜（2221 ) 和棒透镜（2222 ) 分别与信号传输光纤束（223 ) 中的信号传输光纤（2231 ) 相连，用于采集所述探针受激后发出的近红外光信号图像。

6、根据权利要求 2所述的成像装置，其中，所述信号传输光纤束 (223 ) 包括 N根信号传输光纤（2231 )，用于将采集的近红外光信号图像传输到

7、根据权利要求 1-6之一所述的成像装置，其中，所述探针是荧光纳米颗粒探针。

8、根据权利要求 1所述的成像装置，其中，所述计算单元显示光学三维重建的结果，包括对获得的受检对象内部靶向目标的重建结果和所述结构信息进行图像融合，以便对融合图像进行三维显示。

9、根据权利要求 1所述的成像装置，其中，计算单元包括图像预处理模块，用于对 X射线图像进行预处理，包括噪声去除、坏点补偿以及图像校正。

10、根据权利要求 1或 9所述的成像装置，其中，计算单元包括图像预处理模块，对近红外光信号图像进行预处理，包括噪声去除、感兴趣区域提取以及坏点补偿。

11、根据权利要求 1 所述的成像装置，其中，计算单元包括图像重建模块，用于：

构建前向光传输混合模型；

根据前向光传输混合模型，建立内窥式 X射线发光断层成像的总系统方程，获得近红外光信号图像的计算值向量；

根据获得的近红外光信号图像的计算值向量与采集的近红外光信号图像的测量值向量之间的误差，结合探针的稀疏分布和非负约束，建立稀疏正则化目标函数；

对建立的目标函数进行求解，获得探针在受检对象内部的空间位置和浓度分布，从而获得受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。

12、根据权利要求 11所述的成像装置，其中，构建前向光传输混合模型包括：基于获得的内窥探头在受检对象内部的位置信息，根据受检对象生物组织的光学特性参数，将生物组织划分为低散射特性组织、高散射特性组织、空腔；分别采用三阶简化球谐波方程、扩散方程和自由空间光传输方程来描述近红外光在这三大类组织中的传输过程；构造边界耦合条件来耦合这三个光传输方程，同时结合 X射线激发探针的过程，构建内窥式 X射线发光断层成像的前向光传输混合模型。

13、根据权利要求 11或 12所述的成像装置，其中，建立总***方程包括：利用下式，基于有限元方法对构建的前向光传输混合模型进行离散化，组装每个离散点上的子***方程：其中， Λ是第个 X射线照射角度对应的***矩阵，取决于生物体内三大类组织的分布、光学特性参数和 X射线照射到体表的位置；是荧光纳米颗粒探针的浓度；是与第个 X射线照射角度对应的、内窥探头上近红外光信号图像的计算值；

通过联立 M个 X射线照射角度对应的***方程，建立内窥式 X射线发光断层成像的总***方程：

A 7 = P

是矩阵转置操作符；

P是与所有 M个 X射线照射角度对应的、内窥探头上近红外光信号图像的计算值向量，定义为 P=[/½, 是选取的 X射线照射角度的个数。

14、根据权利要求 11-13之一所述的成像装置，其中，利用下式建立稀疏正则化目标函数：

15、根据权利要求 12所述的成像装置，其中，按照如下规则对生物组织的类型进行划分：将荧光纳米颗粒探针所在组织、体表所属组织以及约化散射系数与吸收系数比值小于 10的组织划分为低散射特性组织，将约化散射系数与吸收系数比值大于等于 10的组织划分为高散射特性组织，将近红外光信号图像采集时内窥探头所处的组织划分为空腔。

16、根据权利要求 12所述的成像装置，其中，按照如下规则分别采用三阶简化球谐波方程、扩散方程和自由空间光传输方程来描述近红外光在这三大类组织中的传输过程：采用三阶简化球谐波方程描述近红外光在低散射特性组织中的传输过程，采用扩散方程描述近红外光在高散射特性组织中的传输过程，采用自由空间光传输方程描述近红外光从空腔与散射特性组织之间的边界到内窥探头的传输过程。

17、根据权利要求 12所述的成像装置，其中，应用下式来耦合低散射特性组织和高散射特性组织的光传输方程： {γ) = α{ν){β_ι{γ)φ_ι {γ) + β₂{ν)φ₂{ν)) 其中， r是低散射特性组织与高散射特性组织相交的边界上的任意一点； Φ(Γ)是采用扩散方程计算得到的点 r处的光通量； φ人 γ、和 ( iy是采用三阶简化球谐波方程计算得到的点 r处的光通 (r)是扩散方程的边界折射率不匹配系数；

A(r)和 (r)是三阶简化球谐波方程的边界折射率不匹配系数。

18、根据权利要求 12中所述的成像装置，其中应用下式耦合散射特组织与空腔的光传输方程：

1

J(r) = σ (D(r) + (\ - σ)(β_ι(ν) _ι(ν) ₊ β₂(ν) ₂(ν))

(r) 式中， r是散射特性组织与空腔相交的边界上的任意一点; ^r)是点 r处、指向空腔内部的光流率； σ是散射特性组织的标识因子，若低散射特性组织与空腔相交，则 σ的值取 0; 若高散射特性组织与空腔相交，则 σ的值取 1。

19、一种 X射线发光断层成像方法，包括如下歩骤：

(a) 采集受检对象内部的探针受激后发射的近红外光信号图像，并采集受检对象的 X射线图像；

(b) 对采集的近红外光信号图像和 X射线图像进行图像预处理；

(c) 对预处理后的 X射线图像进行稀疏重建，以获得受检对象的结构信息和内窥探头在受检对象内部的位置信息；

(d) 利用获取的结构信息和位置信息，对预处理后的近红外光信号图像进行光学三维重建，获取受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布自

20、根据权利要求 19所述的方法，还包括显示光学三维重建的结果，包括对获得的受检对象内部靶向目标的重建结果和所述结构信息进行图像融合，以便对融合图像进行三维显示。

21、根据权利要求 19所述的方法，其中，对 X射线图像进行的图像预处理包括噪声去除、坏点补偿以及图像校正。

22、根据权利要求 19所述的方法，其中，对近红外光信号图像进行的图像预处理包括噪声去除、感兴趣区域提取以及坏点补偿。

23、根据权利要求 19所述的方法，其中，所述歩骤（d) 包括

(dl ) 构建前向光传输混合模型；

(d2) 根据前向光传输混合模型，建立内窥式 X射线发光断层成像的总***方程，获得近红外光信号图像的计算值向量；

( d3 ) 根据获得的近红外光信号图像的计算值向量与采集的近红外光信号图像的测量值向量之间的误差，结合探针的稀疏分布和非负约束，建立稀疏正则化目标函数；

( d4 ) 对建立的目标函数进行求解，获得探针在受检对象内部的空间位置和浓度分布，从而获得受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。

24、根据权利要求 23所述的方法，其中，歩骤（dl ) 包括：基于获得的内窥探头在受检对象内部的位置信息，根据受检对象生物组织的光学特性参数，将生物组织划分为低散射特性组织、高散射特性组织、空腔；分别采用三阶简化球谐波方程、扩散方程和自由空间光传输方程来描述近红外光在这三大类组织中的传输过程；构造边界耦合条件来耦合这三个光传输方程，同时结合 X射线激发探针的过程，构建内窥式 X射线发光断层成像的前向光传输混合模型。

25、根据权利要求 23或 24所述的方法，其中，歩骤（d2) 包括利用有限元方法对构建的前向光传输混合模型进行离散化，组装每个离散点上的子***方程，建立第个 X射线照射角度对应的***方程：其中， Λ是第个 X射线照射角度对应的***矩阵，取决于生物体内三大类组织的分布、光学特性参数和 X射线照射到体表的位置；是荧光纳米颗粒探针的浓度；是与第个 X射线照射角度对应的、内窥探头上近红外光信号图像的计算值；

A 7 = P 其中， A是总***矩阵，

;

是矩阵转置操作符；

Ρ是与所有 Μ个 X射线照射角度对应的、内窥探头上近红外光信号图像的计算值向量，定义为 Ρ=[/½, 是选取的 X射线照射角度的个数。

26、根据权利要求 23-25之一所述的方法，其中，所述歩骤（d3 )包括：建立下列稀疏正

|^¾定义为求解矩阵 F的范数；以及所述歩骤（d4 ) 包括对所建立的目标函数进行求解，获得探针在受检对象内部的空间位置和浓度分布，从而间接获取受检对象内部的靶向目标的位置信息和分布信息。

27、根据权利要求 24所述的方法，其中，按照如下规则对生物组织的类型进行划分：将荧光纳米颗粒探针所在组织、体表所属组织以及约化散射系数与吸收系数比值小于 10的组织划分为低散射特性组织，将约化散射系数与吸收系数比值大于等于 10的组织划分为高散射特性组织，将近红外光信号图像采集时内窥探头所处的组织划分为空腔。

28、根据权利要求 24所述的方法，其中，按照如下规则分别采用三阶简化球谐波方程、扩散方程和自由空间光传输方程来描述近红外光在这三大类组织中的传输过程：采用三阶简化球谐波方程描述近红外光在低散射特性组织中的传输过程，采用扩散方程描述近红外光在高散射特性组织中的传输过程，采用自由空间光传输方程描述近红外光从空腔与散射特性组织之间的边界到内窥探头的传输过程。

29、根据权利要求 28所述的方法，还包括应用下式来耦合低散射特性组织和高散射特性组织的光传输方程： {γ) = α{ν){β_ι{γ)φ_ι {γ) + β₂{ν)φ₂{ν)) 其中， r是低散射特性组织与高散射特性组织相交的边界上的任意一点； Φ(Γ)是采用扩散方程计算得到的点 r处的光通量； φ人 γ、和 ( iy是采用三阶简化球谐波方程计算得到的点 r处的光通 (r)是扩散方程的边界折射率不匹配系数; A(r)和 (r)是三阶简化球谐波方程的边界折射率不匹配系数。

30、根据权利要求 28中所述的方法，其中，应用下式耦合散射特性组织与空腔的光传输方程:

1

J(r) = σ (D(r) + (\ - σ)(β_ι(ν) _ι(ν) ₊ β₂(ν) ₂(ν))

(r) r是散射特性组织与空腔相交的边界上的任意一点； ^r)是点 r处、指向空腔内部的光流率； σ是散射特性组织的标识因子，若低散射特性组织与空腔相交，则 σ的值取 0 ; 若高散射特性组织与空腔相交，则 σ的值取 1。