本實(shí)用新型涉及光學(xué)分子影像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

分子影像是21世紀(jì)最耀眼的科學(xué)與技術(shù)之一，它是指無損傷地在分子水平上探測(cè)生物體內(nèi)分子，并給出體內(nèi)分子分布信息的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。并被實(shí)踐證明是一種能夠在體可視化分子、基因、細(xì)胞水平生物體生理病理變化的影像工具。作為其中一種重要的分子影像成像模態(tài)，光學(xué)分子影像憑借自身低成本、高通量、非侵入、非接觸、非電離輻射、靈敏度高、特異性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)應(yīng)用到了腫瘤的早期檢測(cè)、藥物的研發(fā)等領(lǐng)域。

光學(xué)分子影像技術(shù)相比于傳統(tǒng)的影像技術(shù)，具有如下的優(yōu)勢(shì)：其一，光學(xué)分子影像技術(shù)可將基因表達(dá)、生物信號(hào)傳遞等復(fù)雜的過程變成直觀的圖像，使人們能更好地在分子水平上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制及過程；其二，能夠發(fā)現(xiàn)疾病早期的分子變異及病理改變過程；其三，可在活體上連續(xù)觀察藥物或基因治療的機(jī)理和效果。通常，探測(cè)生物組織分子的方法分離體探測(cè)方法和在體探測(cè)方法兩種，光學(xué)分子影像技術(shù)作為一種在體探測(cè)方法，其優(yōu)勢(shì)在于可以快速、遠(yuǎn)距離、無損傷地獲得生物組織分子的圖像。它可以揭示病變的早期分子生物學(xué)特征，從而為疾病的早期診斷和治療提供可能，也為臨床診斷引入了新的概念。

光學(xué)分子斷層成像技術(shù)是一種光學(xué)分子影像技術(shù)，該技術(shù)利用光在生物組織中的傳播原理建立數(shù)學(xué)模型，并反向求解，得到光在生物組織中的三維斷層分布信息，為研究生物組織的生理病理現(xiàn)象提供了很好的技術(shù)支持。激發(fā)熒光斷層成像技術(shù)是一種光學(xué)分子斷層成像技術(shù)，它的原理可以描述為：首先向生物體內(nèi)注射熒光分子探針，熒光分子探針在生物體內(nèi)代謝會(huì)匯聚到病變組織處，然后通過生物體外的激發(fā)光源，照射生物體內(nèi)的熒光探針基團(tuán)，使其達(dá)到高能量狀態(tài)，熒光基團(tuán)吸收光能使得電子躍遷到了激發(fā)態(tài)，電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的過程中會(huì)釋放出熒光，該熒光較激發(fā)光向紅端移動(dòng)，即發(fā)射的熒光的波長(zhǎng)比激發(fā)熒光的波長(zhǎng)要長(zhǎng)，熒光在組織體內(nèi)傳播并有一部分達(dá)到體表，從體表發(fā)出的熒光被高靈敏度的探測(cè)器接收到，從而形成熒光圖像。通常，熒光基團(tuán)產(chǎn)生的熒光經(jīng)過生物體內(nèi)組織的吸收、散射后，到達(dá)表面的時(shí)候強(qiáng)度已經(jīng)較弱，這時(shí)候，就需要利用高靈敏度的CCD相機(jī)捕獲到達(dá)表面的熒光光子，然后通過計(jì)算機(jī)處理捕獲的信號(hào)并進(jìn)行成像。廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航技術(shù)一方面通過多光譜光學(xué)信號(hào)采集裝置中的熒光CCD相機(jī)捕獲從生物體表發(fā)出的熒光信息，獲得熒光圖像，再利用多光譜光學(xué)信號(hào)采集裝置中的白光CCD相機(jī)捕獲從生物組織表面發(fā)出的可見光信息，獲得白光圖像，并利用光在生物組織中的光學(xué)參數(shù)和傳播原理，重建出成像目標(biāo)生物體的三維解剖結(jié)構(gòu)信息，并重建出生物組織中發(fā)光的熒光探針的具體位置和體積大小，這樣，就重建除了生物組織中病變組織的大小和具體位置，為分析生物組織的生理病理現(xiàn)象提供了依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本實(shí)用新型根據(jù)光學(xué)分子影像技術(shù)的特點(diǎn)，并基于長(zhǎng)期在光學(xué)分子影像技術(shù)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗(yàn)，提供了一種廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，采用系統(tǒng)支撐模塊、同步觸發(fā)模塊、光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等功能模塊來實(shí)現(xiàn)廣視角光學(xué)分子斷層成像及導(dǎo)航的功能。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供了一種廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

系統(tǒng)支撐模塊101，用于對(duì)系統(tǒng)中使用到的設(shè)備提供支撐作用；

同步觸發(fā)模塊201，用于同步觸發(fā)光學(xué)信號(hào)采集模塊中CCD相機(jī)采集光學(xué)圖像和濾光片轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)；

光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊401，用于探測(cè)成像區(qū)域中的光學(xué)信號(hào)；

數(shù)據(jù)處理模塊501，用于對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和對(duì)所述光學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示。

(三)有益效果

根據(jù)以上方案可以看出，本實(shí)用新型具有如下有益效果：

1.利用本實(shí)用新型，可以使用多臺(tái)多光譜信號(hào)采集裝置601和光源裝置602，獲取成像區(qū)域301中的多光譜信號(hào)，并利用數(shù)據(jù)處理模塊501對(duì)采集到的廣視角多光譜信號(hào)進(jìn)行三維重建和顯示，提供導(dǎo)航信息，有效解決了廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航問題。因此，系統(tǒng)功能齊全，而設(shè)備使用便捷。

2.利用本實(shí)用新型，通過數(shù)據(jù)處理模塊501中的軟件控制模塊502能夠便捷地控制光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊401和同步觸發(fā)模塊201，使光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊401采集多光譜熒光數(shù)據(jù)和白光數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)處理模塊501中的圖像處理模塊503對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理，使最終得到的重建后的導(dǎo)航圖像清晰且特征突出。功能顯著，操作簡(jiǎn)單便捷。

3.利用本實(shí)用新型，通過系統(tǒng)支撐模塊101的便捷設(shè)計(jì)，能方便升降、移動(dòng)等操作。利用光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊401的廣視角多光譜成像，能夠快速地獲取成像區(qū)域各個(gè)角度的熒光圖像和白光圖像信息，快速重建出成像目標(biāo)體表面輪廓信息和內(nèi)部熒光光源的信息，能夠探測(cè)到較深的熒光信息，能夠最大程度低保留有用的光學(xué)信息。

4.通過本實(shí)用新型，由于在實(shí)驗(yàn)過程中需要進(jìn)行避光處理，同時(shí)，通過在多光譜光信號(hào)采集裝置601和光源裝置602中放置濾光裝置，使得照射到成像區(qū)域301的熒光信號(hào)和白光信號(hào)具有不同的光譜范圍，同時(shí)，多光譜光信號(hào)采集裝置601也能夠把采集到的多光譜信號(hào)成功分離開來。由于光譜的分離，使得白光信號(hào)和熒光信號(hào)不會(huì)相互影響。解決了實(shí)際中面臨的光譜混雜問題。

附圖說明

圖1是依照本實(shí)用新型中的一種廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是依照本實(shí)用新型中的光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是依照本實(shí)用新型中的系統(tǒng)支架模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是依照本實(shí)用新型實(shí)施的一種廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：

系統(tǒng)支撐模塊(101)，用于對(duì)系統(tǒng)中使用到的設(shè)備提供支撐作用；

同步觸發(fā)模塊(201)，用于同步觸發(fā)光學(xué)信號(hào)采集模塊中CCD相機(jī)采集光學(xué)圖像和濾光片轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)；

光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊(301)，用于探測(cè)成像區(qū)域中的光學(xué)信號(hào)；

數(shù)據(jù)處理模塊(501)，用于對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置和對(duì)所述光學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示。

其中，如圖3所示，所述系統(tǒng)支撐模塊(101)包括系統(tǒng)支架(102)、數(shù)據(jù)處理模塊支架(103)、同步觸發(fā)裝置支架(104)、圖像顯示模塊支架(105)、光學(xué)平臺(tái)支架(106)；

其中：系統(tǒng)支架(102)，用于支撐起數(shù)據(jù)處理模塊支架(103)、同步觸發(fā)裝置支架(104)、圖像顯示模塊支架(105)、和光學(xué)平臺(tái)支架(106)，并且保證系統(tǒng)支架自身可移動(dòng)，系統(tǒng)支架(102)縱向可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后整體的高度范圍是1米～2米；數(shù)據(jù)處理模塊支架(103)用于支撐起數(shù)據(jù)處理模塊(501)。同步觸發(fā)裝置支架(104)用于支撐同步觸發(fā)模塊(202)；圖像顯示模塊支架(105)用于支撐圖像顯示模塊(504)；光學(xué)平臺(tái)支架(106)用于支撐光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊(401)；阻力耦合在系統(tǒng)支架(102)上。

同步觸發(fā)模塊(201)包括同步觸發(fā)裝置(202)。同步觸發(fā)裝置(202)側(cè)旁具有一個(gè)信號(hào)輸入接口，通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理模塊(501)的軟件控制模塊(502)相連，接收軟件控制模塊(502)的輸入信號(hào)；同時(shí)，其側(cè)旁還有信號(hào)輸出接口，分別通過數(shù)據(jù)線與光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊(401)中的熒光光源(402)、白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置(405)相連，用于向熒光光源(402)、白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置輸出同步觸發(fā)信號(hào)。

如圖2所示，光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊(401)包括熒光光源(402)，白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置(405)、多個(gè)濾光片(406)、光學(xué)鏡頭(407)。熒光光源(402)用于提供激發(fā)熒光信號(hào)，熒光光源內(nèi)部前方耦合有濾光片(406)，熒光光源(402)提供的激發(fā)熒光信號(hào)通過濾光片(406)后照射到成像區(qū)域(301)。白光光源(403)用于提供可見光信號(hào)，白光光源(403)內(nèi)部前方耦合有濾光片(406)，白光光源(403)提供的可見光信號(hào)通過濾光片(406)后照射到成像區(qū)域(301)。白光光源(403)和熒光光源(402)統(tǒng)稱為光源(602)，均勻分布在光學(xué)平臺(tái)支架106上。所述光源602能夠?qū)Τ上駞^(qū)域(301)進(jìn)行廣視角照射。熒光采集裝置(404)用于采集成像區(qū)域(301)中的熒光信號(hào)，熒光采集裝置(404)內(nèi)部前方具有濾光片(406)和光學(xué)鏡頭(407)。白光采集裝置(405)用于采集成像區(qū)域(301)中的白光信號(hào)，白光采集裝置(405)內(nèi)部前方具有濾光片(406)和光學(xué)鏡頭(407)。熒光采集裝置404和白光采集裝置405統(tǒng)稱為多光譜光信號(hào)采集裝置(601)，各個(gè)多光譜光信號(hào)采集裝置601均勻分布在光學(xué)平臺(tái)支架106上。能夠?qū)Τ上駞^(qū)域(301)進(jìn)行全視廣視角光信號(hào)采集。

數(shù)據(jù)處理模塊(501)包括軟件控制模塊(502)、圖像處理模塊(503)和圖像顯示模塊(504)。軟件控制模塊(502)負(fù)責(zé)控制光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊(401)中的熒光光源(402)、白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置(405)設(shè)備的開啟與關(guān)閉、參數(shù)設(shè)置，以及控制它們與同步觸發(fā)模塊(201)的同步，使得熒光光源(402)、白光光源(403)、熒光采集裝置(404)、白光采集裝置(405)能夠協(xié)同一致地有序工作。軟件控制模塊使光學(xué)信號(hào)采集模塊(401)順利完成對(duì)成像區(qū)域(301)中光學(xué)信號(hào)的廣視角的同步數(shù)據(jù)采集。圖像處理模塊(503)將各個(gè)熒光采集裝置(404)和白光采集裝置(405)采集到的熒光圖像和白光圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要分成兩個(gè)方面，首先，將熒光圖像進(jìn)行特征提取，特征增強(qiáng)得到增強(qiáng)特定光譜信號(hào)的熒光圖像，然后對(duì)增強(qiáng)的熒光圖像進(jìn)行偽彩色處理得到偽彩色熒光圖像；并將白光圖像進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)；然后將熒光圖像和白光圖像序列進(jìn)行配準(zhǔn)，最后，再將配準(zhǔn)后的圖像序列融合在一起，形成連續(xù)的熒光圖像和白光圖像的融合圖像。其次，圖像處理模塊能夠進(jìn)行熒光光源三維重建，根據(jù)該系統(tǒng)位于各個(gè)角度的多光譜光信號(hào)采集裝置采集到的成像區(qū)域(301)中成像目標(biāo)的表面二維圖像信息，結(jié)合多光譜光信號(hào)采集裝置的各個(gè)角度信息，再利用特定的小鼠表面三維結(jié)構(gòu)重建算法，重建出成像目標(biāo)的三維解剖結(jié)構(gòu)信息。同時(shí)，本實(shí)用新型提出的廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航系統(tǒng)能夠進(jìn)行廣視角激發(fā)熒光斷層成像光源重建。系統(tǒng)利用(1)重建得到的成像目標(biāo)的三維解剖結(jié)構(gòu)信息、(2)采集到的各個(gè)角度的多光譜熒光圖像和(3)光在生物體表面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)學(xué)模型：光的擴(kuò)散方程(diffusion equation)模型，(4)結(jié)合有限元處理方法和激發(fā)熒光斷層成像技術(shù)，(5)就能夠通過成像物體表面的熒光分布信息，逆向求導(dǎo)出出成像目標(biāo)內(nèi)部熒光光源的三維結(jié)構(gòu)信息中的物理位置信息和光強(qiáng)信息，并顯示在圖像顯示模塊(504)上，利用重建結(jié)果為相關(guān)人員提供內(nèi)部光源的三維導(dǎo)航信息。圖像顯示模塊(503)將圖像處理模塊(503)處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，供工作人員導(dǎo)航。本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是光源和采集裝置的設(shè)計(jì)，和特定的圖像序列處理方法保證了無須通過其它結(jié)構(gòu)光學(xué)成像設(shè)備如CT等獲取成像目標(biāo)體的解剖結(jié)構(gòu)信息，來完成三維熒光光源重建的過程。同時(shí)，為進(jìn)行三維熒光光源重建，在采集多光譜數(shù)據(jù)的時(shí)候，也無須移動(dòng)成像目標(biāo)的位置。保證了導(dǎo)航信息高效，順暢的獲取。

本實(shí)用新型還提出了一種廣視角光學(xué)分子斷層成像導(dǎo)航方法，包括如下步驟：

步驟S1：通過系統(tǒng)支撐模塊101將系統(tǒng)支架102和光學(xué)平臺(tái)支架106調(diào)整到合適的高度。打開光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊401中的熒光采集裝置404和白光采集裝置405，同時(shí)打開熒光光源402和白光光源403對(duì)成像區(qū)域301進(jìn)行照射。

步驟S2：打開同步觸發(fā)裝置201中的同步觸發(fā)裝置202。打開數(shù)據(jù)處理模塊501中的軟件控制模塊502，在軟件控制模塊502中設(shè)置同步觸發(fā)裝置202的同步觸發(fā)頻率，同時(shí)設(shè)置熒光采集裝置404和白光采集裝置405的曝光時(shí)間、幀速等參數(shù)，設(shè)置熒光光源402和白光光源403的光譜范圍等參數(shù)，使光學(xué)信號(hào)探測(cè)模塊401對(duì)成像區(qū)域301進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。打開圖像處理模塊503、圖像顯示模塊504。

步驟S3：根據(jù)軟件控制模塊502設(shè)置的同步觸發(fā)頻率，同步觸發(fā)裝置202同步觸發(fā)熒光光源402、白光光源403對(duì)成像區(qū)域301進(jìn)行預(yù)定角度的廣視角照射，同時(shí)同步觸發(fā)熒光采集裝置402和白光采集裝置405對(duì)成像區(qū)域301進(jìn)行廣視角數(shù)據(jù)采集。熒光光源402和白光光源403統(tǒng)稱為光源602，它們能夠同步地對(duì)成像區(qū)域301進(jìn)行180度廣視角照射，而熒光采集裝置404和白光采集裝置405統(tǒng)稱為多光譜光信號(hào)采集裝置601，由多組分開的設(shè)備構(gòu)成，能夠?qū)Τ上駞^(qū)域進(jìn)行廣視角數(shù)據(jù)采集。

步驟S4：熒光采集裝置404和白光采集裝置405將采集到的光信號(hào)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊501，數(shù)據(jù)處理模塊501中的圖像處理模塊503處理傳輸過來的光信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)熒光采集裝置404和白光采集裝置405中傳輸過來的光信號(hào)按成像角度和時(shí)間序列進(jìn)行分組，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，得到一系列熒光圖像和白光圖像，并且對(duì)熒光圖像作特征提取、特征增強(qiáng)得到增強(qiáng)特定光譜信號(hào)的熒光圖像，然后對(duì)增強(qiáng)的熒光圖像進(jìn)行偽彩色處理得到偽彩色熒光圖像。對(duì)白光圖像進(jìn)行亮度調(diào)整、特征提取等操作，然后將熒光圖像和白光圖像序列進(jìn)行配準(zhǔn)，最后，再將配準(zhǔn)后的圖像序列融合在一起，形成連續(xù)的熒光圖像和白光圖像的融合圖像。。

步驟S5：接下來，進(jìn)行三維重建，根據(jù)處理后的二維白光圖像序列，和相應(yīng)的角度信息和光譜信息，重建出成像目標(biāo)體的表面的三維結(jié)構(gòu)信息，從而得到成像目標(biāo)體的表面結(jié)構(gòu)。并根據(jù)熒光光譜和白光光譜的光學(xué)特性和參數(shù)，重建出成像目標(biāo)的內(nèi)部的光學(xué)參數(shù)信息。再者，根據(jù)激發(fā)熒光斷層成像重建的技術(shù)原理，對(duì)成像目標(biāo)體進(jìn)行內(nèi)部發(fā)光熒光光源的三維重建，重建出成像目標(biāo)內(nèi)部發(fā)光熒光光源在三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)信息中的物理位置和熒光強(qiáng)度，并顯示在圖像顯示模塊504上，為相關(guān)人員提供內(nèi)部光源的三維導(dǎo)航信息。

步驟S6：在數(shù)據(jù)顯示模塊504中，有多個(gè)選項(xiàng)，根據(jù)各個(gè)選項(xiàng)，可以顯示熒光圖像、顯示熒光圖像序列(熒光視頻)，顯示白光圖像、顯示白光圖像序列(白光視頻)，顯示融合圖、顯示融合圖像序列(融合圖像視頻)，顯示重建的三維圖像、顯示重建的三維圖像序列(動(dòng)態(tài)三維圖像)。使用人員可以在數(shù)據(jù)顯示模塊504中根據(jù)顯示的三維斷層圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)航信息進(jìn)行特定的操作。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。