手持式分子影像導航系統的制作方法
【專利摘要】一種手持式分子影像導航系統，包括多光譜光源模塊，用于根據控制信號序列，以時分控制方式提供多個不同譜段的光，以便照射受檢對象；時分控制模塊，用于產生所述控制信號序列；光學信號采集模塊，用于根據所述時分控制模塊提供的控制信號序列，以時分控制方式采集受檢對象的近紅外熒光圖像和可見光圖像；處理模塊，用于根據所述控制信號序列對采集的近紅外熒光圖像和可見光圖像進行圖像處理，實現可見光圖像與熒光圖像的融合并輸出融合圖像，以及根據采集的近紅外熒光圖像和可見光圖像輸出反饋信號，以便對所述控制信號序列進行優化。
【專利說明】手持式分子影像導航系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種成像系統，特別是一種手持式分子影像導航系統。
【背景技術】
[0002] 作為無創可視化成像技術的新方法和手段，分子影像在本質上反映了分子調控的 改變所引發的生物體生理分子水平變化和整體機能的變化。因此，在分子水平上在體（in vivo)研究基因、生物大分子和細胞的生命活動是一種重要技術，其中基于分子技術、斷層 成像技術、光學成像技術、模擬方法學的在體生物光學成像技術的基礎研究，已經成為分子 影像領域研究的熱點和難點之一。
[0003] 分子影像設備將傳統醫學影像技術與現代分子生物學相結合，能夠從細胞、分子 層面觀測生理或病理變化，具有無創傷、實時、活體、高特異性、高靈敏度以及高分辨率顯像 等優點。利用分子影像技術，一方面可加快藥物的研制開發速度，縮短藥物臨床前研究時 間；提供更準確的診斷，使治療方案最佳地匹配病人的基因圖譜。另一方面，可以在生物醫 學領域進行應用，實現在體的定量分析、影像導航、分子分型等目標。然而，利用這種方法的 系統相對復雜，操作簡易性及使用舒適性方面有待進一步提高。
[0004] 因此本發明提出了一種手持式分子影像導航系統，通過分時控制方法不同光譜的 熒光及可見光的實時成像，增強應用的適用范圍。
【發明內容】
[0005] 本發明實施例提供了一種手持式分子影像導航系統，包括：
[0006] 多光譜光源模塊，用于根據控制信號序列，以時分控制方式提供多個不同譜段的 光，以便照射受檢對象；
[0007] 時分控制模塊，用于產生所述控制信號序列；
[0008] 光學信號采集模塊，用于根據所述時分控制模塊提供的控制信號序列，以時分控 制方式采集受檢對象的近紅外熒光圖像和可見光圖像；
[0009] 處理模塊，用于根據所述控制信號序列對采集的近紅外熒光圖像和可見光圖像進 行圖像處理，實現可見光圖像與熒光圖像的融合并輸出融合圖像，以及根據采集的近紅外 熒光圖像和可見光圖像輸出反饋信號，以便對所述控制信號序列進行優化。
[0010] 優選地，手持式分子影像系統還包括手持式系統容納模塊，用于容納所述多光譜 光源模塊、所述時分控制模塊和所述信號采集模塊。
[0011] 優選地，所述多光譜光源模塊包括：
[0012] 背景光源，用于提供可見光；
[0013] 近紅外光源，用于提供近紅外光；以及
[0014] 第一多光譜切換器，用于根據來自所述時分控制模塊的時分控制信號序列，控制 背景光源和近紅外光源交替開啟和關閉，從而當光學信號采集模塊采集熒光圖像時照射可 見光，以及當采集可見光背景圖像時照射近紅外光。
[0015] 優選地，所述光學信號采集模塊包括：
[0016] 相機，用于采集受檢對象的近紅外熒光圖像及可見光圖像；
[0017] 第二多光譜切換器，設置于相機的前端；
[0018] 時序信號控制器，用于接收來自時分控制模塊的控制信號序列，并根據接收到的 控制信號序列控制第二多光譜切換器的切換，以便相機進行相應可見光圖像和熒光圖像的 米集。
[0019] 優選地，所述時分控制模塊包括：
[0020] 時序信號發生器，用于根據不同的光信號源產生控制信號；以及
[0021] 信號控制器，用于將來自時序信號發生器的控制信號轉換成具有系統可用格式的 控制信號序列，以控制第一光譜切換器和第二光譜切換器的操作。
[0022] 優選地，所述處理模塊包括：
[0023] 時序控制反饋模塊，用于根據采集的可見光圖像和熒光圖像來監控所述時分控制 模塊輸出的控制信號序列，確定是否需要調整第一多光譜切換器和/或第二多光譜切換器 的操作，并基于確定結果向信號控制器返回反饋信號；
[0024] 圖像處理模塊，用于在每個時序的間隔中對采集到的可見光圖像和熒光圖像進行 圖像處理，對處理后的可見光圖像與處理后的近紅外熒光圖像進行融合，并輸出融合圖像。
[0025] 本發明的實施例至少具有以下技術效果：
[0026] 首先，由于采用手持式設備采集圖像，在生物醫學應用的過程中可以簡化操作，拓 展應用范圍。
[0027] 其次，由于采用分時控制的方法，使得圖像的采集以及處理實現了多光譜實時成 像。此外，通過設置多光譜切換器以及時分控制模塊，將多光譜光源模塊切換與時序控制配 合使用，使得能夠有效實現分子影像導航，探測光強達到最大，有效保留有用信息。在實際 操作中不僅可以看到較強的熒光信息，也可以使得觀測人員看到可見光的信息，兩個光譜 的光線并不會相互影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1示出了根據本發明實施例的手持式系統容納模塊的外觀示意圖；
[0029] 圖2示出了根據本發明實施例的手持式分子影像導航系統的方框圖；
[0030] 圖3示出了圖2中的時分控制模塊的控制時序示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0032] 本發明實施例基于分子影像中的激發熒光成像，提供了一種手持式分子影像導航 系統。
[0033] 圖1是根據本發明實施例的手持式系統容納模塊的外觀示意圖。圖2是根據本發 明實施例的手持式分子影像導航系統的方框圖。如圖2所示，該手持式分子影像導航系統 可以包括多光譜光源模塊110,用于以時分控制方式提供多個不同譜段的光，以便照射受檢 對象；時分控制模塊130,用于產生控制信號序列；光學信號采集模塊120,用于根據所述時 分控制模塊提供的控制信號序列，以時分控制方式采集受檢對象的近紅外熒光圖像和可見 光圖像；處理模塊140,用于根據所述控制信號序列對采集的近紅外熒光圖像和可見光圖 像進行圖像分割、特征提取、圖像配準等處理，實現可見光圖像與熒光圖像的融合并輸出融 合圖像；以及根據采集的近紅外熒光圖像和可見光圖像輸出反饋信號，以便對控制信號序 列進行優化。手持式分子影像系統還包括圖1所示的手持式系統容納模塊，用于容納所述 多光譜光源模塊、所述時分控制模塊和所述信號采集模塊，以便于進行操作并保證成像的 有效進行。
[0034] 接下來將分別詳細描述多光譜光源模塊110、光學信號采集模塊120、時分控制模 塊130和處理模塊140的操作。
[0035] 多光譜光源模塊110可以包括背景光源111、第一多光譜切換器112和近紅外激光 器113。背景光源111用于提供可見光。近紅外光源113用于提供近紅外光，并且可以設 置為中心波長是760nm的LED燈。第一多光譜切換器112根據來自時分控制模塊130的時 分控制信號序列，控制背景光源111和近紅外光源113交替開啟和關閉，從而當光學信號采 集模塊120采集熒光圖像時照射可見光，以及當光學信號采集模塊120采集可見光背景圖 像時照射近紅外光。近紅外光源113的前端可以放置近紅外濾光片，波長為707nm-780nm。 背景光源111的前端可以放置可見光濾光片，波長為400nm-650nm。優選地，當照射突光 序列信號時，第一多光譜切換器112切換至濾光片位置1，該位置放置帶通濾光片波長為 707nm-780nm。當照射可見光序列信號時，第一多光譜切換器112切換至位置濾光片2,該位 置不放置濾光片。利用在濾光片位置2放置波長為400nm-650nm的帶通濾光片，可以進一 步優化背景光源111照射的可見光的波長。
[0036] 光學信號米集模塊120可以包括相機121、第二多光譜切換器122和時序信號控制 器123。相機121用于采集近紅外熒光圖像及可見光圖像。對于可見光圖像大部分工業級 相機均適用。可以將相機的相關參數設置為：量子效率在SOOnm處應高于30%，幀速大于 30fps，像源尺寸大于5微米。時序信號控制器123用于接收來自時分控制模塊130的時分 控制信號序列，并根據接收到的時分控制信號序列控制第二多光譜切換器122在位置1'和 位置2'之間進行切換，以便相機進行相應可見光圖像和熒光圖像的采集。第二多光譜切換 器122設置于相機121的前端，用于根據來自時序信號控制器的延遲控制信號序列進行切 換。當熒光圖像信號到達時，第二多光譜切換器122切換至位置1'，位置1'處放置濾光片 的波長為808-880nm。當可見光圖像信號達到時，第二多光譜切換器122切換至位置2'，位 置2'處無濾光片。
[0037] 時分控制模塊130包括時序信號發生器131及信號控制器132。時序信號發生器 131根據不同的信號源產生控制信號，并將產生的控制信號發送給信號控制器132。信號控 制器132將來自時序信號發生器131的控制信號轉換成具有系統可用格式的控制信號序 列，并發送到第一光譜切換器112和時序信號控制器123。時序信號控制器123將接收到的 控制信號序列進行適當延遲，并使用延遲的控制信號序列來控制第二光譜切換器122的操 作。當然，可以省略時序信號控制器123,由信號控制器132直接產生控制信號序列和經延 遲的控制信號序列，來分別控制第一光譜切換器112和第二光譜切換器122的操作。
[0038] 處理模塊140包括時序控制反饋模塊141和圖像處理模塊142。時序控制反饋模 塊141根據由相機121采集的可見光圖像和熒光圖像來監控時分控制模塊130輸出的控 制信號序列。具體地，時序控制反饋模塊141接收由相機121采集的可見光圖像和熒光圖 像，根據接收到的可見光圖像和熒光圖像的圖像光強度來確定是否需要調整第一多光譜切 換器112和/或第二多光譜切換器122的操作，并在確定需要對第一多光譜切換器112和/ 或第二多光譜切換器122的操作進行調整的情況下，向信號控制器132返回反饋信號。信 號控制器132根據接收到的反饋信號來調整要發送到相應第一多光譜切換器112和/或第 二多光譜切換器122的控制信號序列。
[0039] 例如時序控制反饋模塊141確定接收到的可見光圖像的亮度過大，則向信號控制 器132返回反饋信號，指示縮短背景光源111的開啟時間或增大近紅外光源113的開啟時 間，或指示縮短相機121采集可見光圖像的持續時間；當時序控制反饋模塊141確定接收到 的可見光圖像的亮度過小時，則向信號控制器132返回反饋信號，指示增大背景光源111的 開啟時間或縮短近紅外光源113的開啟時間，或指示延長相機121采集可見光圖像的持續 時間。此外，根據接收到的可見光圖像和熒光圖像的亮度（光強度參數），時序控制反饋模 塊141還可以向信號控制器132返回反饋信號，指示改變第一多光譜切換器1和/或第二 多光譜切換器2中的光柵，來改變相應光照射強度和/或相應圖像的采集時間。本領域技 術人員可以理解，還可以采用第一多光譜切換器112和第二多光譜切換器122的其他操作 組合，只要能夠根據接收到的可見光圖像和熒光圖像的圖像光強度來調整第一多光譜切換 器112和/或第二多光譜切換器122的操作即可。
[0040] 此外，時序控制反饋模塊141還可以接收來自信號控制器132的控制信號序列、分 別來自第一多光譜切換器112和第二多光譜切換器122的第一和第二反饋控制信號序列， 并將控制信號序列與第一和第二反饋控制信號序列分別進行比較。例如時序控制反饋模塊 141可以將各個控制信號序列的相應開始及結束點進行比較。如果時序偏差超過第一預定 閾值但小于第二預定閾值，則時序控制反饋模塊141向信號控制器132反饋信息，以便調整 輸出的控制信號序列。如果時序偏差超過第二預定閾值，時序控制反饋模塊141確定無法 自動對誤差進行調整，則產生報告錯誤，將錯誤報告發送至信號控制器132,以控制部件停 止采集,并時序同步后再啟動時序運行。
[0041] 圖像處理模塊142配置為在每個時序的間隔中對采集到的可見光圖像和熒光圖 像進行處理。具體處理過程可以包括對采集到近紅外熒光圖像進行分割、特征提取以及偽 彩色變換；對采集到的可見光圖像進行亮度調整及優化，將處理后的可見光圖像與處理后 的近紅外熒光圖像進行融合，并輸出融合圖像。
[0042] 接下來，將結合圖2和圖3來詳細描述根據本發明實施例的分子影像導航系統的 控制時序。
[0043] 圖3示出了圖2中時分控制模塊的控制時序示意圖。如圖3所示，第一多光譜切 換器112根據來自信號控制器132的控制信號序列，在時刻tl，背景光源111關閉且近紅外 光源113開啟以向受檢對象照射突光信號。此時，第一多光譜切換器112切換至濾光片位 置1，陔位置放置波長為707nm-780nm的帶通濾光片。光學信號采集模塊120中的時序信號 控制器123接收來自信號控制器132的控制信號序列，進行相應延遲，控制第二多光譜切換 器122,以便當從受檢對象反射的反射熒光信號到達時，第二多光譜切換器122切換至位置 1'，位置1'處放置濾光片的波長為808nm-880nm，從而得到受檢對象的熒光圖像，并輸出到 處理模塊140。
[0044] 在時刻t2,背景光源111開啟且近紅外光源113關閉，以向受檢對象照射可見熒光 信號。此時，第一多光譜切換器112切換至濾光片位置2,該位置無濾光片，或設置有波長為 400nm-650nm的可見光濾光片。光學信號米集模塊120中的時序信號控制器123根據時序 控制第二多光譜切換器122,以便當從受檢對象反射的反射可見光信號到達時，第二多光譜 切換器122切換至位置2'，該位置無濾光片，從而得到受檢對象的可見光圖像，并輸出到處 理模塊140。
[0045] 對于圖像處理與激發熒光成像的具體過程，包含兩個相互關聯的過程：激發過程 和發射過程。激發過程是使用單色或窄帶的激發光源照射特定的成像區域，激發光通過表 面進入內部，并在其內部形成一定的光強分布。發射過程是指內部的熒光團會吸收外來激 發光的能量，并將其部分轉化為波長更長、能量更低的發射光，發射光透出，可由特定波長 的濾光片和高靈敏度的探測器組合來獲取。激發和發射兩個過程可以通過兩個擴散方程的 耦合來進行描述：
【權利要求】
1. 一種手持式分子影像導航系統，包括： 多光譜光源模塊（110)，用于根據控制信號序列，以時分控制方式提供多個不同譜段的 光，以便照射受檢對象； 時分控制模塊（130)，用于產生所述控制信號序列； 光學信號采集模塊（120)，用于根據所述時分控制模塊提供的控制信號序列，以時分控 制方式采集受檢對象的近紅外熒光圖像和可見光圖像； 處理模塊（140)，用于根據所述控制信號序列對采集的近紅外熒光圖像和可見光圖像 進行圖像處理，實現可見光圖像與熒光圖像的融合并輸出融合圖像，以及根據采集的近紅 外熒光圖像和可見光圖像輸出反饋信號，以便對所述控制信號序列進行優化。
2. 根據權利要求1所述的手持式分子影像系統，還包括手持式系統容納模塊用于容納 所述多光譜光源模塊、所述時分控制模塊和所述信號采集模塊。
3. 根據權利要求1所述的手持式分子影像系統，其中，所述多光譜光源模塊包括： 背景光源，用于提供可見光； 近紅外光源，用于提供近紅外光；以及 第一多光譜切換器，用于根據來自所述時分控制模塊的時分控制信號序列，控制背景 光源和近紅外光源交替開啟和關閉，從而當光學信號采集模塊采集熒光圖像時照射可見 光，以及當采集可見光背景圖像時照射近紅外光。
4. 根據權利要求1所述的手持式分子影像系統，其中，所述光學信號采集模塊包括： 相機，用于采集受檢對象的近紅外熒光圖像及可見光圖像； 第二多光譜切換器，設置于相機的前端； 時序信號控制器，用于接收來自時分控制模塊的控制信號序列，并根據接收到的控制 信號序列控制第二多光譜切換器的切換，以便相機進行相應可見光圖像和熒光圖像的采 集。
5. 根據權利要求4所述的手持式分子影像系統，其中，所述時分控制模塊包括： 時序信號發生器，用于根據不同的信號源產生控制信號；以及 信號控制器，用于將來自時序信號發生器的控制信號轉換成具有系統可用格式的控制 信號序列，以控制第一光譜切換器和第二光譜切換器的操作。
6. 根據權利要求5所述的手持式分子影像系統，其中，所述處理模塊包括： 時序控制反饋模塊，用于根據采集的可見光圖像和熒光圖像來監控所述時分控制模塊 輸出的控制信號序列，確定是否需要調整第一多光譜切換器和/或第二多光譜切換器的操 作，并基于確定結果向信號控制器返回反饋信號； 圖像處理模塊，用于在每個時序的間隔中對采集到的可見光圖像和熒光圖像進行圖像 處理，對處理后的可見光圖像與處理后的近紅外熒光圖像進行融合，并輸出融合圖像。
【文檔編號】A61B19/00GK104323858SQ201410567427
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】田捷, 遲崇巍, 楊鑫 申請人:中國科學院自動化研究所