核素與熒光雙模一體的小動物分子成像的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：核素與熒光雙模一體的小動物分子成像的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
核素與熒光雙模一體的小動物的分子成像的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)屬于激光，核放射，電子以及圖像重建在系統(tǒng)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的綜合技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明屬于分子影像應(yīng)用技術(shù)之一。醫(yī)學(xué)影像技術(shù)經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)成像、功能成像后，上世紀(jì)90年代開始，隨著生物和基因技術(shù)的發(fā)展以及成像技術(shù)的提高，又出現(xiàn)了新的分子影像技術(shù)。它可以在基因、細(xì)胞和分子水平上實現(xiàn)生物體內(nèi)部生理或病理過程的無創(chuàng)、動態(tài)實時的在體成像，從而為疾病相關(guān)基因功能定位、細(xì)胞生長發(fā)育和突變過程的作用機制、新藥研發(fā)、腫瘤治療等研究提供有效的信息獲取和分析處理手段。目前由于分子影像技術(shù)在分辨率、穿透深度和安全性等方面的不足，主要將其應(yīng)用于小動物在體成像，作為從離體實驗過渡到臨床應(yīng)用的一個重要的紐帶。分子影像系統(tǒng)研制與開發(fā)主要由兩條途徑展開，其一是利用已應(yīng)用于臨床的較為成熟的成像技術(shù)，主要是核素成像系統(tǒng)，如正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)(PET)和單光子發(fā)射斷層成像技術(shù)(SPECT)。它們通過放射性核素來標(biāo)記參與生物體代謝的某些化合物，然后其發(fā)出的正電子與生物體自身的電子結(jié)合，產(chǎn)生湮滅效應(yīng)，產(chǎn)生兩個能量為511MeV運動方向相反的γ光子，通過體外檢測γ光子來確定特定化合物的濃度分布。另外一條途徑是開發(fā)新的在體成像方法，主要是光學(xué)成像，包括熒光成像或生物體自發(fā)光成像以及相應(yīng)的斷層成像技術(shù)。光學(xué)成像利用熒光素酶或者各類已有的在離體切片實驗中用到的熒光探針來標(biāo)記感興趣的基因、細(xì)胞和分子，然后利用體表或體外檢測到的熒光信息，根據(jù)一定的光傳播模型，重建出所標(biāo)記基因、細(xì)胞和分子在生物體內(nèi)的分布圖。熒光斷層成像由于熒光探針發(fā)出的光密度可由激發(fā)光來控制，所以在成像深度，對比度方面優(yōu)于自發(fā)光成像。
如上所述，核素成像和熒光成像兩項技術(shù)均可獲取分子和細(xì)胞水平的信息，目前各自均有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。其中，自1972年第一臺正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)(PET)出現(xiàn)并應(yīng)用于臨床以來，國外醫(yī)療器械巨頭企業(yè)如Siemens、GE、Philips等都有較為成熟的PET產(chǎn)品，并相繼推出了PET與X光斷層成像融合的系統(tǒng)PET-CT，而PET與磁共振成像(MRI)的融合技術(shù)也正在商品化當(dāng)中，它們的優(yōu)勢都是可以彌補單獨的PET在成像空間分辨率上的不足。對于小動物熒光在體成像系統(tǒng)而言，專門做小動物在體光學(xué)成像的美國Xenogen公司也是在做了多年的自發(fā)光成像之后，最近兩三年開始才陸續(xù)推出了用于熒光成像的產(chǎn)品。但是，它對此領(lǐng)域非常重視，05年就推出了可進(jìn)行在體小動物360度全景的熒光斷層成像系統(tǒng)，是目前全世界唯一一種能夠進(jìn)行小動物整體斷層成像的產(chǎn)品。
然而國內(nèi)公司卻尚未有小動物PET成像系統(tǒng)或光學(xué)成像系統(tǒng)的產(chǎn)品，只是有少數(shù)幾家研究機構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的基礎(chǔ)研究并研制了樣機。其中，中國科學(xué)院高能所開發(fā)出國內(nèi)第一臺單排和四排PET人體成像裝備研究，并于近期研制出分辨率小于2mm的小動物PET；光學(xué)成像方面，清華大學(xué)不光在漫射光學(xué)斷層成像理論方面作出一些貢獻(xiàn)。解決了光在生物組織輸運的邊界問題，首次預(yù)言了邊界條件對微觀散射各向異性的依賴性，而且成功研制出了人體組織的漫射光學(xué)成像系統(tǒng)和小動物熒光斷層成像系統(tǒng)雛形。
伴隨圖像處理技術(shù)的不斷進(jìn)步和各種成像手段的發(fā)展，多模態(tài)成像成為未來成像系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。目前歐美醫(yī)療器械企業(yè)已有很多雙模成像系統(tǒng)的產(chǎn)品，如PET和CT結(jié)合，光學(xué)成像與CT結(jié)合的系統(tǒng)，他們的優(yōu)勢是可將高分辨率的多模態(tài)圖像通過配準(zhǔn)，分割和融合，實現(xiàn)高精度的空間定位。融合形成新圖像信息源也可提供更為全面的信息，為研究人員提供幫助。
然而，對于剛剛發(fā)展起來的熒光斷層成像系統(tǒng)，就檢索國內(nèi)外專利來看，到目前為止世界范圍內(nèi)采用核素與熒光成像的雙模系統(tǒng)未有報道。較為接近的是美國加州大學(xué)洛杉磯分校的分子影像研究小組(Crump Institute for Molecular Imaging)提出一個光學(xué)和正電子斷層掃描儀(PET)相結(jié)合的方案，并命名為Optical-PET(OPET)，此方案將PET使用的閃爍晶體進(jìn)行改造，把晶體的兩端打開，使之既能接收高能伽馬射線，又能傳輸光信號。同時也將光電倍增管做了適當(dāng)改進(jìn)，使之在可見光波段具有較高的量子效率以提高光學(xué)檢測靈敏度。此方案雖能實現(xiàn)雙模態(tài)檢測，但是此系統(tǒng)僅能實現(xiàn)動物體自發(fā)光測量，沒有熒光成像的功能。并且，只是平面成像，不能進(jìn)行小動物整體的斷層成像。另外，此系統(tǒng)需要特殊光電倍增管價格較貴，晶體和光電倍增管的耦合也較為困難，兩種信號的分離所需的電子學(xué)系統(tǒng)也相當(dāng)復(fù)雜。與此系統(tǒng)相比，本發(fā)明通過采用旋轉(zhuǎn)小動物實現(xiàn)分割空間的檢測方案，具有結(jié)構(gòu)清晰，便于實現(xiàn)，后期處理簡單，擴展性強等顯著優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，建立一個核素與熒光雙模一體的小動物的分子成像系統(tǒng)。
本發(fā)明的特征在于，所述的核素與熒光雙模一體的小動物分子成像系統(tǒng)，含有圓柱成像腔、核素檢測成像系統(tǒng)、熒光檢測成像子系統(tǒng)以及計算機，該成像腔的外側(cè)面及其以外部分被正交于所述成像腔中心軸線的兩個平面切分為均勻的四塊，所述核素檢測成像子系統(tǒng)和熒光檢測成像子系統(tǒng)各占兩個相對的1/4測量空間，其中圓柱成像腔，含有側(cè)壁開有彼此相對的熒光激發(fā)窗和熒光檢測窗的腔主體，位于腔內(nèi)且能在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)又能在豎直方向上移動的懸掛小動物的支架，以及與所述支架相連且能控制支架作水平旋轉(zhuǎn)和豎直運動的步進(jìn)電機。該步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)在下述任何一種旋轉(zhuǎn)方式每次旋轉(zhuǎn)90度的切換空間型、每步旋轉(zhuǎn)一小角度的一步一采型以及勻速旋轉(zhuǎn)，邊轉(zhuǎn)邊采型，以便使所述核素檢測成像子系統(tǒng)與熒光檢測成像子系統(tǒng)對小動物全身進(jìn)行360度的全景數(shù)據(jù)采集。
核素檢測成像子系統(tǒng)，含有一個以上均勻分布在該成像腔外側(cè)面外兩個相對的1/4測量空間范圍內(nèi)的閃爍晶體條及位置靈敏型光電倍增管，用以檢測注入活體小動物體內(nèi)標(biāo)記特定組織和細(xì)胞的核素所發(fā)出的成對的γ光子。γ光經(jīng)閃爍晶體轉(zhuǎn)換為可見光，再經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號。
熒光檢測成像子系統(tǒng)，含有激光器、光開關(guān)和激發(fā)光纖，位于該成像腔外側(cè)面以外的另兩個相對的1/4空間中的一個；在其相對的1/4測量空間有接收光纖、防護(hù)鉛板組、接收板和濾光片、鏡頭以及CCD(電荷藕合器件)，其中激發(fā)光纖和接收光纖，各由多路多模光纖構(gòu)成，激發(fā)光通過激發(fā)光纖從熒光激發(fā)窗進(jìn)入所述成像腔。接收光纖緊貼所屬熒光檢測窗從成像腔表面不同位置處接收光信號。該信號來自注入活體小動物體內(nèi)標(biāo)記特定分子或細(xì)胞的熒光探針受激發(fā)光激發(fā)后所發(fā)出的熒光。
光開關(guān)，是一個多路光纖切換器，計算機通過程序控制切換通道實現(xiàn)多路激光源切換，且每路光信號經(jīng)由激發(fā)光纖耦合到該成像腔。
激光器，為所選光開關(guān)提供熒光激發(fā)光源。
防護(hù)鉛板組，位于所述CCD鏡頭前，面積至少大于CCD視場，避免從小動物組織溢出的高能γ光子損壞CCD。
計算機，輸入信號為來自經(jīng)過光電倍增管的輸出電信號和來自所述CCD器件的輸出信號，輸出信號是控制成像腔內(nèi)步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動控制及切換信號。此時，還有對CCD相機的控制信號和對光開關(guān)的通道切換控制信號，以及根據(jù)重建算法計算得到數(shù)字圖像信號。
本發(fā)明的效果在于，結(jié)合核素成像和熒光成像各自的優(yōu)勢，建立一個實現(xiàn)簡單，成本較低、信息豐富的雙模態(tài)成像系統(tǒng)，配合重建算法和圖像融合方法，最終可生成雙模態(tài)斷層圖像。這樣一方面可同時觀測到用放射性核素和熒光探針標(biāo)記的不同物質(zhì)在小動物體內(nèi)的分布變化情況及相互關(guān)系，并可以利用其相互提供的先驗知識提高圖像重建質(zhì)量；另一方面，可用穿透性強的核素標(biāo)記深層組織，較淺組織則可以用熒光探針標(biāo)記，從而可降低核素劑量，減少對生物體的輻射傷害。將來，利用該技術(shù)與相關(guān)儀器建立一個小動物在體分子影像學(xué)研究、醫(yī)療應(yīng)用和藥物篩選等一體化系統(tǒng)集成的通用檢測技術(shù)平臺，在此基礎(chǔ)上還可開展生理數(shù)據(jù)處理、圖像重建、圖像融合與三維可視化等方面的工作，為深入開展小動物在體的腫瘤定位、癌細(xì)胞擴散等實際應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明所述成像系統(tǒng)的基本框圖。
圖2是本發(fā)明所述成像系統(tǒng)的分空間雙模成像的結(jié)構(gòu)布置圖。
圖3是本發(fā)明所述成像系統(tǒng)的原理圖，說明雙模系統(tǒng)中PET成像和熒光成像的實現(xiàn)方式。
圖4為本實施例中所用熒光探針CY5.5與濾光片XF3113(710AF40)的光譜特性粗實線代表濾光片通透率，長劃線“——”代表Cy5.5激發(fā)光譜，細(xì)實線代表Cy5.5熒光光譜。
圖5為在熒光探測部分所占1/4空間內(nèi)所需防護(hù)CCD的鉛板組設(shè)計的俯視圖。
圖6為此PET與生物自發(fā)光斷層成像的雙模一體方案，說明了此雙模系統(tǒng)的易拓展性。
具體實施例方式
本發(fā)明中所述的雙模成像系統(tǒng)，主要包含以下四個基本步驟，1)標(biāo)記準(zhǔn)備階段。將特定的核素與熒光標(biāo)記物注入活體小動物體內(nèi)用來標(biāo)記細(xì)胞或組織。2)被測動物固定。一定的反應(yīng)和聚集時間之后，將小動物麻醉并懸掛于成像腔內(nèi)的支架上，同時需將其四肢固定。腔內(nèi)可根據(jù)需要填充光學(xué)介質(zhì)液體(如脂肪乳溶液)。3)數(shù)據(jù)采集階段。動物所懸掛的支架由成像腔體底部的步進(jìn)電機控制繞豎直方向作低速旋轉(zhuǎn)運動，此時，位于成像腔四周成正交分布的核素檢測器與熒光檢測器分別采集信號，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過控制接口卡送入計算機。
本發(fā)明所述成像系統(tǒng)的特征在于1)采用了分空間檢測模式。將圓柱成像腔的外側(cè)面及其以外部分被正交于中心軸線的兩個平面切分為均勻的四塊。根據(jù)PET成像中要檢測大小相等，方向相反的成對光子的需要，PET成像檢測和熒光成像的發(fā)射檢測各占兩個相對的1/4測量空間。同時，為防止熒光測量域邊界溢出高能γ光子損壞檢測弱光的CCD，用光纖引出成像腔表面離散點上的熒光信號再穿過專門設(shè)計的防護(hù)鉛板組。這樣，兩種成像模式獨立并行進(jìn)行，可同時獲得兩種成像所需信息，系統(tǒng)工作效率高且兩信號間干擾較小，后期處理簡單，具有很高可靠性，還可大大減少后期圖像融合處理方面的不一致性。，2)通過在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)懸掛小動物的支架，并在豎直方向上移動支架，可實現(xiàn)對小動物整體三維的360度的全景掃描，增加已知的邊界數(shù)據(jù)量。旋轉(zhuǎn)和信號采集方式不同，得到的數(shù)據(jù)量也不同?？筛鶕?jù)測量需要，調(diào)整旋轉(zhuǎn)和采樣方式。如可有下面三種方式(a)每次旋轉(zhuǎn)90度的切換空間型，(b)每步旋轉(zhuǎn)一小角度，一步一采型，(c)勻速旋轉(zhuǎn)，邊轉(zhuǎn)邊采型。詳細(xì)解釋如下(a)從初態(tài)開始，支架每旋轉(zhuǎn)90度，停下來采集數(shù)據(jù)一次。這樣對于熒光模式可完成激發(fā)光和探測器對小動物全身的360度全景數(shù)據(jù)采集，但數(shù)據(jù)采集的密度不變，即為光纖在成像腔外側(cè)排布的密度，只是相對于被測小動物的測量空間切換了一周。對于PET成像，則可重復(fù)采得每組相對著的探測面數(shù)據(jù)兩次，可利用兩次數(shù)據(jù)取平均值重建圖像?；蛘咧徊梢淮巍?b)從初態(tài)開始，支架每旋轉(zhuǎn)一個小角度，停下來采一次樣，這樣被測小動物相對于熒光源或探測器的相對位置不斷改變，最終不光能實現(xiàn)360度全景采樣，還相當(dāng)于增加了熒光源或探測器密度，從而增加了已知數(shù)據(jù)量。對于PET檢測器也是類似。(c)低速勻速旋轉(zhuǎn)，邊旋轉(zhuǎn)邊采集數(shù)據(jù)，若采集數(shù)據(jù)足夠快，可看作采集時被測小動物相對于探測器的位置在采集過程中不改變。這樣低速勻速旋轉(zhuǎn)的好處是一方面小動物處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，對其生理過程的影響會很小。另一方面，步進(jìn)電機也易于控制，且可采得多組數(shù)據(jù)，相當(dāng)于提高了采樣密度。
3)采用這種分空間旋轉(zhuǎn)被測的雙模系統(tǒng)構(gòu)建方式，兩種成像過程并行完成，系統(tǒng)靈活性強，可實現(xiàn)不同模塊的組合。如熒光成像部分經(jīng)簡單改變可實現(xiàn)生物體自發(fā)光斷層成像和彌散光斷層成像等。這樣系統(tǒng)就可以適應(yīng)不同的檢測需求，并且通過交互信息的利用，成像參數(shù)也會有所提高。
如前所述，本發(fā)明提供了一種靈活實用，核素與熒光雙模一體的成像系統(tǒng)。圖1為本發(fā)明中這種雙模小動物分子影像系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。這表明系統(tǒng)主體有四部分構(gòu)成，分別是計算機，小動物成像腔，核素檢測器，熒光檢測器。如何實現(xiàn)核素?zé)晒怆p模一體可見圖2。
系統(tǒng)采用分空間的測量模式實現(xiàn)PET與熒光成像的并行獨立成像。圖2用本實施例中的俯視圖來說明這種分空間測量，被測動物低速旋轉(zhuǎn)的方法。圓柱形的小動物成像腔是該系統(tǒng)的核心部件。腔主體由黑色亞光材料制成，并且是水密的，如杜邦的乙縮醛類樹脂Delrin系列。腔體側(cè)壁開有彼此相對的熒光激發(fā)窗與熒光檢測窗。這樣熒光激發(fā)和接收不受影響，而其他邊界處的光則大部分被吸收，從而易于邊界條件的設(shè)定和減少系統(tǒng)之間的相互影響。而成像腔正中立有可旋轉(zhuǎn)動物支架，旋轉(zhuǎn)速率由腔底電機控制。
成像腔外側(cè)面及其以外部分被正交于中心軸線的兩個平面切分為均勻的四塊(a)，(b)，(c)，(d)。其中PET成像的成對高能光子檢測占(a)，(c)兩個相對的1/4測量空間，熒光成像的發(fā)射檢測占(b)，(d)兩個1/4的測量空間。
對于PET檢測，在(a)，(c)兩個空間中用來檢測成對γ光子的裝置是完全一樣的。首先是通過(1)閃爍晶體轉(zhuǎn)換為可見光，本實施例中閃爍晶體采用LSO，因為LSO具有很高的光量子效率，可明顯減少隨機計數(shù)，降低圖像散射。LSO晶體發(fā)射光由(2)位置靈敏型光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號送入計算機處理。
在熒光成像所在的(b)、(d)兩空間中，(b)空間為多路激發(fā)光源占用。激發(fā)流程如下首先(3)激光器發(fā)出對應(yīng)于熒光探針激發(fā)光波長的一束光，然后經(jīng)由(4)光開關(guān)分為若干路(本實施例中為8路)，通過(5)激發(fā)光纖送到成像腔表面。(d)空間為測量空間，首先由緊貼成像腔外表面的(6)接收光纖將接收到的熒光或激發(fā)光引出穿過一個專門設(shè)計的(7)防護(hù)鉛板組到達(dá)一個用來插光纖的排列整齊的(8)接收板。最后光纖引出的信號經(jīng)由(9)濾光片、鏡頭到達(dá)CCD，最終以圖像的形式輸送至計算機。
為了獲得被測小動物360度全景的測量圖像，本雙模系統(tǒng)采用讓小動物懸掛于位于成像腔頂部的支架上。支架由步進(jìn)電機控制作水平旋轉(zhuǎn)和豎直運動，從而可得到小動物全身360度的PET和熒光斷層成像所需的測量數(shù)據(jù)。可根據(jù)測量需要，調(diào)整不同的旋轉(zhuǎn)方式和信號采集方式。旋轉(zhuǎn)方式有(a)每次旋轉(zhuǎn)90度的切換空間型(b)每步旋轉(zhuǎn)一小角度，一步一采型(c)勻速旋轉(zhuǎn)，邊轉(zhuǎn)邊采型。本實施例首先采取第(a)種每次旋轉(zhuǎn)90度的測量方式。
圖3為本發(fā)明所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，實際上是在圖1雙模系統(tǒng)的各個模塊做了詳細(xì)的解釋，分別說明了雙模系統(tǒng)中PET成像和熒光成像的信號流程。熒光成像模塊中主要包含熒光激發(fā)與檢測兩部分。動物體內(nèi)熒光物質(zhì)受到激發(fā)之后發(fā)出波長較激發(fā)光更長的極微弱熒光信號，熒光穿過小動物生理組織被光電器件所檢測。在激發(fā)部分，為有效抑制激發(fā)光并提取熒光信號，采用窄線譜高穩(wěn)定度激光器(1)作為熒光激發(fā)光源。本實施例中采取中國VIASHO公司的VA671-200激光器(工作波長671nm，出纖功率為0～100mW可調(diào))，因為采用Cy5.5作為熒光標(biāo)記物。輸出接一個單輸入雙輸出的等比分光器(2)，其中一個輸出經(jīng)參考光纖(3)到達(dá)測量端，用來提供一個以消除光強信號抖動誤差，實現(xiàn)測量校正的參考光信號。另一個輸出接光開關(guān)(4)(多路光纖切換器，中國SUN公司的SUN-FSW 1X16MM)，通過程序控制切換通道實現(xiàn)多路激發(fā)源，且每路光信號(5)均由多模光纖耦合到小動物成像腔(6)。在本實施例中，任意時刻僅有一個源發(fā)射信號，也可以通過程序控制不同的激發(fā)光源位置組合。
熒光檢測端主要由緊貼成像腔外側(cè)面不同位置處的接收光纖引出接收信號(7)。本實施例中在1/4熒光測量空間中引出位于同一水平面，等間距排列的8路光纖。避免組織溢出高能γ光子損壞CCD，在CCD鏡頭前需放置一專門設(shè)計的阻擋γ光子的防護(hù)鉛板組(8)。防護(hù)鉛板面積至少要大于CCD視場。經(jīng)過鉛板后將光纖引至一開孔的接收板。此時透過接收板的漫射光包括激發(fā)光和熒光兩部分，要準(zhǔn)確測得熒光信號，須通過帶通濾光片(9)濾除激發(fā)光和外界干擾光。本實施例中采用美國OMEGA OPTICAL公司的XF3113(710AF40)來濾除干擾信號。圖4即為熒光探針CY5.5與濾光片XF3113(710AF40)的光譜特性；熒光的關(guān)鍵探測部件包括鏡頭和CCD相機(10)，鏡頭具有大數(shù)值孔徑，CCD相機外接循環(huán)水致冷機降低芯片工作溫度，減小暗電流噪聲。本實施例中CCD采用英國Andor公司的DU-897.CCD相機與主機的信息交互由一個PCI接口的控制器完成，CCD采集到的信號輸入到計算機后進(jìn)行圖像重建，確定熒光探針的三維位置。
核素檢測器主要用于檢測高能γ光子對，其由核素衰變形成的正電子與組織器官中的電子發(fā)生湮滅現(xiàn)象產(chǎn)生，探測器對背向飛射的γ光子對(11)進(jìn)行測量，采用的閃爍晶體材料(12)LSO晶體發(fā)射光由位置靈敏型光電倍增管(13)轉(zhuǎn)化為電信號，將光子的能量信號和到達(dá)時刻的時間信息需共同送入電子前端放大和符合系統(tǒng)(14)中去，輸出信號經(jīng)適當(dāng)調(diào)理后由采集系統(tǒng)送入計算機(15)處理。PET檢測技術(shù)相對較為成熟，這里不再詳述。
在光學(xué)和核素信號檢測基礎(chǔ)上，可完成活體小動物多模態(tài)數(shù)據(jù)處理、重建、融合，并實現(xiàn)三維可視化。本發(fā)明涉及的儀器操作均由計算機進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，主機軟件完成設(shè)備控制，數(shù)據(jù)采集與分析，圖像恢復(fù)與重建。良好的人機界面也為用戶提供最大的方便，為光機電一體高集成產(chǎn)品。實驗證明，此發(fā)明性能穩(wěn)定，自動化程度高，具有較好的檢測靈敏度和圖像分辨率，達(dá)到預(yù)期目的。
圖4即為本實施例中使用的發(fā)光譜在近紅外波段的熒光探針Cy5.5與濾光片XF3113(710AF40)的光譜特性，這也是在熒光斷層成像中常用的。圖中粗實線代表濾光片通透率，長劃線“——”代表Cy5.5激發(fā)光譜，細(xì)實線代表Cy5.5熒光光譜圖5為在熒光探測部分所占1/4空間內(nèi)所需防護(hù)CCD的鉛板組設(shè)計的俯視圖。為了防止高能γ光子損壞CCD，用三塊開有供接收光纖束通過的小孔的鉛板錯位排列以吸收γ光子。將小孔位置錯開為了防止小孔中有γ光子泄露。
圖6說明了此PET與熒光成像雙模系統(tǒng)的可拓展性。只要將原來熒光成像激發(fā)部分所在的1/4空間(圖中(b)區(qū))裝上相應(yīng)的(d)部分的熒光測量模塊，就可以實現(xiàn)PET與生物自發(fā)光斷層成像的雙模一體。而只要將原來系統(tǒng)中的帶通濾光片更換為讓激發(fā)光順利通過的類型，即可以實現(xiàn)PET與漫射光斷層成像的雙模一體。
權(quán)利要求
1.核素與熒光雙模一體的小動物分子成像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，其特征在于，含有圓柱成像腔、核素檢測成像系統(tǒng)、熒光檢測成像子系統(tǒng)以及計算機，該成像腔的外側(cè)面及其以外部分被正交于所述成像腔中心軸線的兩個平面切分為均勻的四塊，所述核素檢測成像子系統(tǒng)和熒光檢測成像子系統(tǒng)各占兩個相對的1/4測量空間，其中圓柱成像腔，含有側(cè)壁開有彼此相對的熒光激發(fā)窗和熒光檢測窗的腔主體，位于腔內(nèi)且能在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)又能在豎直方向上移動的懸掛小動物的支架，以及與所述支架相連且能控制支架作水平旋轉(zhuǎn)和豎直運動的步進(jìn)電機。該步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)在下述任何一種旋轉(zhuǎn)方式每次旋轉(zhuǎn)90度的切換空間型、每步旋轉(zhuǎn)一小角度的一步一采型以及勻速旋轉(zhuǎn)，邊轉(zhuǎn)邊采型，以便使所述核素檢測成像子系統(tǒng)與熒光檢測成像子系統(tǒng)對小動物全身進(jìn)行360度的全景數(shù)據(jù)采集。核素檢測成像子系統(tǒng)，含有一個以上均勻分布在該成像腔外側(cè)面外兩個相對的1/4測量空間范圍內(nèi)的閃爍晶體條及位置靈敏型光電倍增管，用以檢測注入活體小動物體內(nèi)標(biāo)記特定組織和細(xì)胞的核素所發(fā)出的成對的γ光子。γ光經(jīng)閃爍晶體轉(zhuǎn)換為可見光，再經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號。熒光檢測成像子系統(tǒng)，含有激光器、光開關(guān)和激發(fā)光纖，位于該成像腔外側(cè)面以外的另兩個相對的1/4空間中的一個；在其相對的1/4測量空間有接收光纖、防護(hù)鉛板組、接收板和濾光片、鏡頭以及CCD(電荷藕合器件)，其中激發(fā)光纖和接收光纖，各由多路多模光纖構(gòu)成，激發(fā)光通過激發(fā)光纖從熒光激發(fā)窗進(jìn)入所述成像腔。接收光纖緊貼所屬熒光檢測窗從成像腔表面不同位置處接收光信號。該信號來自注入活體小動物體內(nèi)標(biāo)記特定分子或細(xì)胞的熒光探針受激發(fā)光激發(fā)后所發(fā)出的熒光。光開關(guān)，是一個多路光纖切換器，計算機通過程序控制切換通道實現(xiàn)多路激光源切換，且每路光信號經(jīng)由激發(fā)光纖耦合到該成像腔。激光器，為所選光開關(guān)提供熒光激發(fā)光源。防護(hù)鉛板組，位于所述CCD鏡頭前，面積至少大于CCD視場，避免從小動物組織溢出的高能γ光子損壞CCD。計算機，輸入信號為來自經(jīng)過光電倍增管的輸出電信號和來自所述CCD器件的輸出信號，輸出信號是控制成像腔內(nèi)步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動控制及切換信號。此時，還有對CCD相機的控制信號和對光開關(guān)的通道切換控制信號，以及根據(jù)重建算法計算得到數(shù)字圖像信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核素與熒光雙模一體的小動物分子成像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，其特征在于，其分空間旋轉(zhuǎn)被測的雙模系統(tǒng)構(gòu)建方式，兩種成像過程并行完成，系統(tǒng)靈活性強，可拓展實現(xiàn)不同模塊的組合。在熒光檢測成像子系統(tǒng)所在的兩個相對1/4的測量空間內(nèi)，只要將原來熒光成像激發(fā)部分所在的1/4空間，替換成熒光測量模塊，即由防護(hù)鉛板組、接收板和濾光片、鏡頭及CCD電荷耦合器件構(gòu)成的生物自發(fā)熒光檢測系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)一個核素與生物自發(fā)光斷層成像的雙模一體的小動物分子成像系統(tǒng)。而只要將原來系統(tǒng)中的帶通濾光片更換為讓激發(fā)光順利通過的類型，即可以實現(xiàn)核素與漫射光斷層成像的雙模一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核素與熒光雙模一體的小動物成像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光器的輸出端接一個單輸入雙輸出的等比分光器，其中一個輸出經(jīng)參考光纖到達(dá)成像腔內(nèi)，用來提供一個能消除光強信號抖動誤差，實現(xiàn)測量校正的參考光信號，另一個輸出接所述的光開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的核素與熒光雙模一體的小動物分子成像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，其特征在于，在所述直立圓柱成像腔內(nèi)填充光學(xué)匹配介質(zhì)液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的核素與熒光雙模一體的小動物分子成像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述腔主體由水密的黑色亞光材料制成。
6.核素與熒光雙模一體的小動物分子成像方法，其特征在于，依次含有以下步驟步驟(1)標(biāo)記準(zhǔn)備階段。將特定的核素與熒光標(biāo)記物注入活體小動物體內(nèi)用來標(biāo)記細(xì)胞或組織。步驟(2)固定被測小動物。在設(shè)定的反應(yīng)和聚集時間之后，將小動物麻醉并懸掛于成像腔內(nèi)的支架上，同時需將其四肢固定。步驟(3)采集數(shù)據(jù)，依次含有以下步驟步驟(3.1)用位于成像腔底部的步進(jìn)電機控制該支架按下述旋轉(zhuǎn)方式中的任何一種繞豎直方向作旋轉(zhuǎn)運動每次旋轉(zhuǎn)90度的切換空間型、每步旋轉(zhuǎn)一小角度的一步一采型以及勻速旋轉(zhuǎn)，邊轉(zhuǎn)邊采型；步驟(3.2)用位于成像腔四周成正交分布的核素檢測成像子系統(tǒng)與熒光檢測成像子系統(tǒng)分別采集數(shù)字圖像信號，經(jīng)接口送入計算機；步驟(3.3)計算機用圖像重建程序分別完成核素與熒光斷層成像的重建；
7.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的核素與熒光雙模一體的小動物分子成像方法，其特征在于，在熒光探測部分所占1/4空間內(nèi)，為了防止邊界溢出高能γ光子損壞檢測弱光的CCD，本系統(tǒng)采用了光纖引出成像腔表面離散點上的熒光信號再穿過專門設(shè)計的防護(hù)鉛板組的方法。防護(hù)鉛板組由三塊開有供接收光纖束通過的小孔的鉛板構(gòu)成，以吸收γ光子。
全文摘要
本發(fā)明屬于近紅外激光，核放射，電子以及圖像重建在系統(tǒng)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的綜合技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，它首先在活體小動物體內(nèi)植入高特異性的核素與熒光探針以實現(xiàn)肌肉深層或內(nèi)臟腫瘤細(xì)胞的雙標(biāo)記。核素放射信號由閃爍晶體陣列配合位置靈敏型光電倍增管檢測；可見或紅外光激發(fā)下所產(chǎn)生的微弱熒光信號由高量子產(chǎn)額的CCD相機檢測。兩個檢測系統(tǒng)在同一平面內(nèi)成正交排列，通過旋轉(zhuǎn)成像腔內(nèi)的小動物可同時檢測活體核素與熒光信號，配合軟件算法即可重建出小動物雙模態(tài)三維斷層圖像。本系統(tǒng)具有成像模式多，信息豐富，操作簡便等特點。
文檔編號A61B19/00GK101057788SQ20071000267
公開日2007年10月24日 申請日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者白凈, 黃國亮, 單保慈, 宋小磊, 胡剛, 張永紅, 奉華成, 尚尚, 汪待發(fā) 申請人:清華大學(xué)