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CN105640582B - 一种深部组织x射线激发多光谱断层成像系统及方法 - Google Patents

一种深部组织x射线激发多光谱断层成像系统及方法 Download PDF

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CN105640582B CN201610118383.1A CN201610118383A CN105640582B CN 105640582 B CN105640582 B CN 105640582B CN 201610118383 A CN201610118383 A CN 201610118383A CN 105640582 B CN105640582 B CN 105640582B
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Abstract

本发明公开了一种深部组织X射线激发多光谱断层成像系统及方法，包括X射线源、X射线平板探测器、EMCCD相机、电控旋转台、窄带滤波片、铅板、计算机和待成像动物；利用X射线激发纳米发光材料，发射出特定谱段特别是具有较高穿透深度的短波红外光，光子穿过组织到达成像物体表面，经过窄带滤波片的过滤，不同波长谱段的光被EMCCD相机接收，得到每个谱段下的成像和重建结果；采用多变量分析对多谱成像和重建结果进行处理分析，得到纳米发光材料在物体内的准确分布，并与CT断层成像结果融合最终得到深部组织多模态的断层成像图像。本发明可有效提高X射线激发光学断层成像的成像深度，实现活体小动物的深部组织成像。

Description

一种深部组织X射线激发多光谱断层成像系统及方法
技术领域
本发明属于多模态分子成像技术领域，尤其涉及一种深部组织X射线激发多光谱断层成像的方法及系统。
背景技术
光学分子成像技术能够在体、非接触、动态地对生物体内细胞分子水平的变化进行观测，为生物医学研究领域若干重要问题的解决提供了有效技术手段。但光在生物组织中的强散射特性极大限制了光学成像的穿透深度及成像分辨率，也限制了光学成像技术在深部组织器官中的应用。
X射线发光断层成像(x-ray luminescence computed tomography,XLCT)是一种新型的融合了CT断层成像和光学分子影像的多模态分子成像技术，于2010年由斯坦福大学的Xing Lei所在的研究小组最早提出。某些纳米发光材料在用X射线激发之后能够发出不同波长的光，激发出的光穿过组织达到成像物体表面被高灵敏度的EMCCD(ElectronMultiplying Charge Coupled Device)相机捕获，经过光学重建最终恢复出成像物体内部的纳米发光材料分布。光学成像与X射线扫描得到的结构成像的融合，最终得到多模态成像。
虽然X射线良好的穿透性以及背景光学信号的消除使得X射线发光断层成像有望实现活体小动物深部组织的断层成像，但是由于目前X射线激发光的发射谱段大部分在可见光以及近红外谱段，穿透深度仍有限。目前XLCT相关专利有CN103110425A，CN103876770A，仍处于公布期，其专利主要针对XLCT的系统结构和成像模式，没有明确深部成像所需材料、发光谱段和针对多光谱数据的分析方法，导致难以实现活体小动物深部组织的成像。短波红外成像(short wavelength infrared imaging,SWIR)利用第二红外窗(1000-2300nm)对组织进行成像，相较传统的可见光或近红外光，SWIR在组织中的光子吸收、散射及自发光现象大大减少，从而在改进空间分辨率和成像质量的同时，能在生物组织中穿透更深。同时，SWIR波段可有效避开生物组织自发光的影响，结合纳米发光材料的研究，基于SWIR谱段的X射线激发发光成像可实现深部组织的断层成像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于深部组织X射线激发多光谱断层成像的系统及方法，旨在解决目前X射线激发光的发射谱段大部分在可见光以及近红外谱段，XLCT的成像深度有限，重建结果准确性低，难以实现活体小动物深部组织的成像的问题。目前尚未见采用具有更好穿透性的短波红外光XLCT成像相关专利，亦未见与之相配的能够被X射线激发的纳米发光材料和针对深部组织成像的多光谱数据的分析方法。
本发明实现一种深部组织X射线激发多光谱断层成像的系统，该系统包括1、X射线源 2、X射线平板探测器 3、EMCCD相机 4、电控旋转台 5、窄带滤波片 6、计算机 7、铅板 8、成像物体。窄带滤波片置于EMCCD相机的镜头前，二者位于X射线源，成像物体和X射线平板探测器连线的垂直方向；X射线源、X射线平板探测器、EMCCD相机、电控旋转台均与计算机相连，使用计算机控制其运行。
进一步，所述X射线源用来发射X射线。
进一步，所述X射线平板探测器用来接收探测X射线。
进一步，所述EMCCD相机，用来接收短波红外光及其它特定谱段光。
进一步，所述电控旋转台，用来固定支持成像物体并进行旋转以采集多个角度下的X射线投影数据和光学投影数据。
进一步，所述窄带滤波片，用来滤除标示带宽之外谱段的光。
进一步，所述计算机，用来控制X射线源、X射线平板探测器、EMCCD相机、电控旋转台的运行以及参数设置，控制光学数据和X射线投影数据的采集和重建，融合双模态的成像。
进一步，所述铅板，用来滤除多余的X射线以减少射线对EMCCD芯片的损伤。
本发明的另一目的在于提供一种深部组织X射线激发多光谱断层成像的方法，该方法利用X射线激发注射到成像物体体内的特定纳米发光材料，这种材料在X射线激发下能够发出短波红外和其他特定谱段的光；光穿过成像物体到达表面，经过窄带滤波片的过滤，不同波长谱段的光被EMCCD相机接收；在每个谱段下采用迭代重建算法对EMCCD接收到的激发光数据进行重建得到每个谱段下的成像和重建结果；采用多变量分析方法中的PCA分解方法对多个谱段下的成像和重建结果进行处理分析，得到纳米发光材料在成像物体内的准确分布，作为光学断层成像结果；穿过成像物体的X射线被X射线探测器接收保存为X射线投影；通过经典的FDK重建算法对X射线投影进行重建得到CT断层成像结果；对CT断层成像结果与光学断层成像结果根据坐标关系进行配准并融合最终得到深部组织多模态的断层成像图像，该用于深部组织X射线激发多光谱断层成像的方法包括以下步骤：
步骤一，准备成像物体：将成像物体置于旋转台上，向成像物体内部加入X射线激发的纳米发光材料。
步骤二、激发光数据采集：利用X射线激发成像物体深部组织内的激发纳米发光材料产生短波红外及其它特定谱段光，穿过组织的光学信号经过窄带滤波片的过滤被EMCCD接收，每隔一定角度(如15度)采集一副激发光数据并保存，直至成像物体完成360度的旋转；
步骤三、白光数据采集：关闭X射线源，打开外界光源，取下窄带滤波片，每隔一定角度(如5度)采集一幅成像物体的白光图像并保存，直至完成360度的旋转。
步骤四、X射线投影数据的采集：打开X射线源发射X射线，利用X射线平板探测器采集穿过成像物体的X射线，每隔一定角度(如1度)采集一幅投影数据并保存，直至成像物体完成180度或360度的旋转。
步骤五、光学三维断层重建：对步骤一获得的激发光图像进行预处理，采用二维滤波器中的自适应中值滤波去除图像中的孤立亮点、坏点和部分噪点；每个谱段下处理图像，利用步骤三中的白光数据构建物体轮廓并剖分，将各个角度下的光强映射到成像物体轮廓表面，采用迭代重建算法得到该谱段下的断层重建结果。
步骤六、多光谱数据分析：对所有谱段下的激发光图像(步骤二)和重建结果(步骤五)进行多变量分析，利用多光谱信息作为先验，获得短波红外谱段的更准确成像，从而得到纳米发光材料在成像物体深部组织内的准确分布。
步骤七、CT三维断层重建：对步骤四采集到的X射线投影数据进行预处理，包括坏点校正，暗场校正以及亮场校正等，采用经典的FDK重建算法对处理后投影数据进行重建，得到小成像物体的三维结构成像。
步骤八、双模态重建图像的配准融合：对步骤六和步骤七得到的短波红外光学断层图像和CT断层图像根据坐标关系进行配准并融合，实现双模态成像。
进一步，所述步骤二根据本发明的特点和要求采用能够在X射线激发下发射短波红外及其它特定谱段光并具有良好的生物兼容性的纳米发光材料(如稀土卤化物发光材料LaBr3:Ce3+，NaYF4:Er,Yb等)通过静脉注射到成像物体体内。
进一步，所述步骤二关闭外界灯光光源，打开X射线源发射X射线；利用X射线激发成像物体深部组织内的激发纳米发光材料产生短波红外光及其它特定谱段光，穿过组织的光学信号经过窄带滤波片的过滤被EMCCD相机接收，形成激发光数据；计算机控制电控旋转台每隔15度采集一副激发光数据并保存，直至成像物体完成360度的旋转，更换窄带滤波片，重复上述步骤；
进一步，所述步骤四打开X射线源发射X射线，利用X射线平板探测器采集穿过成像物体的X射线，形成一幅投影数据并保存；计算机控制电控旋转台每隔1度采集一副X射线投影数据并保存，直至成像物体完成360度的旋转。
进一步，所述步骤五采用传输方程描述光子在生物组织中的传输过程。对于一个谱段下的激发光数据，将每个角度下的激发光图像映射到物体表面，根据传输方程，利用有限元方法建立表面节点上的光强与内部纳米发光材料分布的关系，采用迭代重建方法恢复出内部纳米发光材料分布，完成一个谱段下的断层重建。
进一步，所述步骤六对所有谱段下的激发光图像和重建结果进行多变量分析，得到纳米发光材料在成像物体深部组织内的分布情况的操作方法为：对于每个谱段下的重建图像Xs，其矩阵大小为N＝W×L×H,W为图像的宽度，L为图像的长度，H为图像的高度。将Xs装入新矩阵X＝{X1,X2,...,Xs,...,XM}作为其中一列，其中M为谱段数目，X为主成分分析方法的输入，大小为N×M。
定义矩阵其中X0为矩阵X每一列减去该列的均值形成的矩阵，通过对角化计算得到矩阵P的特征向量为T＝{T1,T2,...,Tk,...,TM},主成分分析方法的输出为
Q＝X0×T
第k个分量为
Qk＝X0×Tk
输出的各个分量Qk即代表纳米发光材料在不同的深部组织和器官中的分布。
本发明的X射线源发出X射线，X射线与位于成像物体深部组织内部的激发纳米发光材料发生作用，发出具有较好穿透深度的短波红外及特定谱段光，可采用高光产额的LaBr3:Ce3+为代表的卤化物发光材料，或选用文献”X-ray-Induced Shortwave InfraredBiomedical Imaging Using RareEarth Nanoprobes”中提及的已经用于小动物深部组织的稀土掺杂的NaYF4:Er,Yb，这些材料其在X射线激发下能发出峰值≥1500nm的短波红外及其它特定谱段光，穿透深度可达1-2cm，能够满足活体小动物的深部组织成像要求。光穿过组织到达成像物体表面，经过窄带滤波片的过滤，被EMCCD相机接收，得到不同谱段的光学数据保存在计算机，穿过成像物体的X射线被X射线平板探测器探测接收形成X射线投影数据并保存在计算机，由计算机重建得到每个谱段下的光学断层图像和CT断层成像，采用多变量分析方法准确得到纳米发光材料在物体内的分布，与CT断层成像的重建结果融合最终得到多模态的图像。本发明采用可被X射线激发发射出短波红外及其它特定谱段光的纳米发光材料，提高了激发光的穿透深度。采用多变量分析方法，能有效的定位深部组织内的激发纳米发光材料位置，实现活体小动物深部组织的XLCT成像。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于深部组织X射线激发多光谱断层成像的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的用于深部组织X射线激发多光谱断层成像的系统结构示意图。
图中：1、X射线源；2、X射线平板探测器 3、EMCCD相机 4、电控旋转台 5、窄带滤波片 6、计算机 7、铅板 8、待成像动物。
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。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示：一种深部组织X射线激发多光谱断层成像的方法，利用X射线激发纳米发光材料，发射出特定谱段特别是具有较高穿透深度的短波红外光，光子穿过组织到达成像物体表面，经过窄带滤波片的过滤，不同波长谱段的光被EMCCD相机接收，得到每个谱段下的成像和重建结果。采用多变量分析对多谱成像和重建结果进行处理分析，得到纳米发光材料在物体内的准确分布，并与CT断层成像结果融合最终得到深部组织多模态的断层成像图像，该用于深部组织X射线激发多光谱断层成像的方法包括以下步骤：
S101：纳米发光试剂注射：麻醉待成像动物，向其体内注射浓度为1μg/ml的可被X射线激发的纳米发光材料LaBr3:Ce3+。
S102：激发光数据采集：设置X射线源的电压为50kV，电流为1mA,利用X射线激发小动物深部组织内的LaBr3:Ce3+产生波长大于1500nm的短波红外及其它特定谱段光，设置EMCCD的积分时间为1s，穿过组织的光学信号经过窄带滤波片的过滤被EMCCD接收，每隔15度采集一副激发光数据并保存，直至待成像动物完成360度的旋转。
S103:白光数据采集：关闭X射线源，打开外界光源，取下窄带滤波片，每隔5度采集一幅动物的白光图像并保存，直至完成360度的旋转。
S104：X射线投影数据的采集：打开X射线源,设置X射线源的电压为50kV，电流为1mA，积分时间为300ms，利用X射线平板探测器采集穿过动物的X射线，每隔1度采集一幅投影数据并保存，直至完成360度的旋转。
S105：光学三维断层重建：对步骤一获得的激发光图像进行预处理，采用二维滤波器中的自适应中值滤波器去除图像中的孤立亮点、坏点和部分噪点；在每个谱段下处理图像，利用步骤二中的白光数据构建动物轮廓并剖分，将各个角度下的光强映射到动物轮廓表面，采用迭代重建算法得到该谱段下的断层重建结果。
S106：多光谱数据分析：对所有谱段下的激发光图像(步骤二)和重建结果(步骤四)进行多变量分析，利用多光谱信息作为先验，获得短波红外谱段的更准确成像，从而得到纳米发光材料在深部组织内的准确分布。
S107：CT三维断层重建：对步骤三采集到的X射线投影数据进行预处理，包括坏点校正，暗场校正以及亮场校正等，采用经典的FDK重建算法对处理后投影数据进行重建，得到动物的三维结构成像。
S108：双模态重建图像的配准融合：对步骤六和步骤七得到的短波红外光学断层图像和CT断层图像根据坐标关系进行配准并融合，实现双模态成像。
所述S101根据本发明的特点和要求采用能够在X射线激发下发射短波红外及其它特定谱段光并具有良好的生物兼容性的纳米发光材料-稀土卤化物发光材料LaBr3:Ce3+，通过静脉注射到小动物体内。
所述S102关闭外界灯光光源，打开X射线源发射X射线；利用X射线激发小动物深部组织内的激发纳米发光材料产生短波红外及特定谱段光，穿过组织的光学信号经过窄带滤波片的过滤被EMCCD相机接收，形成激发光数据；计算机控制电控旋转台每隔15度采集一副激发光数据并保存，直至小动物完成360度的旋转，更换窄带滤波片，重复上述步骤；
所述S104打开X射线源发射X射线，利用X射线平板探测器采集穿过小动物的X射线，形成一幅投影数据并保存；计算机控制电控旋转台每隔1度采集一副X射线投影数据并保存，直至小动物完成360度的旋转。
所述S105采用传输方程描述光子在生物组织中的传输过程。对于一个谱段下的激发光数据，将每个角度下的激发光图像映射到物体表面，根据传输方程，利用有限元方法建立表面节点上的光强与内部纳米发光材料分布的关系，采用迭代重建方法恢复出内部纳米发光材料分布，完成一个谱段下的断层重建。
所述S106对所有谱段下的激发光图像和重建结果进行多变量分析，得到纳米发光材料在成像物体深部组织内的分布情况的操作方法为：对于每个谱段下的重建图像Xs，其矩阵大小为N＝256×256×400,图像的宽度为256，图像的长度为256，图像的高度为400。将Xs装入新矩阵X＝{X1,X2,X3}作为其中一列，其中谱段数目为3，X为主成分分析方法的输入，大小为N×3。
定义矩阵其中X0为矩阵X每一列减去该列的均值形成的矩阵，通过对角化计算得到矩阵P的特征向量为T＝{T1,T2,T3},主成分分析方法的输出为
Q＝X0×T
第k个分量为
Qk＝X0×Tk
输出的各个分量Qk即代表纳米发光材料在不同的深部组织和器官中的分布。
如图2所示：一种深部组织X射线激发多光谱断层成像的系统，该用于深部组织X射线激发多光谱断层成像的系统包括X射线源1、X射线源 2、X射线平板探测器 3、EMCCD相机4、电控旋转台 5、窄带滤波片 6、计算机 7、铅板 8、待成像动物。窄带滤波片置于EMCCD相机的镜头前，二者位于X射线源，待成像活体小动物和X射线平板探测器连线的垂直方向；X射线源、X射线平板探测器、EMCCD相机、电控旋转台均与计算机相连，使用计算机控制其运行。
进一步，所述X射线源用来发射X射线。
进一步，所述X射线平板探测器用来接收探测X射线。
进一步，所述EMCCD相机，用来接收短波红外及其它特定谱段光。
进一步，所述电控旋转台，用来固定支持小动物并进行旋转以采集多个角度下的X射线投影数据和光学投影数据。
进一步，所述窄带滤波片，用来滤除标示带宽之外谱段的光。进一步，所述计算机，用来控制X射线源、X射线按测器、EMCCD相机、电控旋转台的运行以及参数设置，控制光学数据和X射线投影数据的采集和重建，融合双模态的成像。
进一步，所述铅板，用来滤除多余的X射线以减少射线对EMCCD芯片的损伤。
X射线源1发出X射线，X射线与位于活体小动物8深部组织内部的激发纳米发光材料LaBr3:Ce3+发生作用，发出具有较好穿透深度的短波红外及其它特定谱段光，其在X射线激发下能发出峰值≥1500nm的短波红外及其它特定谱段光，穿透深度可达1-2cm，能够满足活体小动物的深部组织成像要求。光穿过组织到达小动物表面，经过窄带滤波片5的过滤，被EMCCD相机3接收，得到不同谱段的光学数据保存在计算机6，穿过小动物的X射线被X射线平板探测器2探测接收形成X射线投影数据并保存在计算机，由计算机重建得到每个谱段下的光学断层图像和CT断层成像，采用多变量分析方法准确得到纳米发光材料在物体内的分布，与CT断层成像的重建结果融合最终得到多模态的图像。
采用可被X射线激发发射出短波红外及其它特定谱段光的纳米发光材料LaBr3:Ce3 +，提高了激发光的穿透深度。采用多变量分析方法，能有效的定位深部组织内的激发纳米发光材料位置，实现活体小动物深部组织的XLCT成像。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种深部组织X射线激发多光谱断层成像方法，其特征在于，所述深部组织X射线激发多光谱断层成像方法利用X射线激发成像物体体内的特定纳米发光材料，这种材料在X射线激发下能够发出短波红外和其他特定谱段的光；深部组织内的光子穿过组织到达成像物体表面，经过窄带滤波片的过滤，不同波长谱段的光被EMCCD相机接收；根据光在组织中的传输方程，建立发光材料的分布与表面光强分布的关系，在每个谱段下采用迭代重建算法对EMCCD接收到的激发光数据进行重建，得到每个谱段下的成像和重建结果；采用多变量分析方法中的主成分分析方法对多谱成像和重建结果进行处理分析，得到纳米发光材料在成像物体内的准确分布，作为光学断层成像结果；穿过成像物体的X射线被X射线探测器接收保存为X射线投影；通过经典的FDK重建算法对X射线投影进行重建，得到CT断层成像结果；对CT断层成像结果与光学断层成像结果根据坐标关系进行配准并融合最终得到深部组织多模态的断层成像图像；
所述深部组织X射线激发多光谱断层成像方法使用的深部组织X射线激发多光谱断层成像系统包括：
X射线源，与计算机连接，用于发射X射线；
X射线平板探测器，与计算机连接，用于接收探测X射线；
EMCCD相机，与计算机连接，用于接收短波红外光及其它特定谱段发光；
电控旋转台，与计算机连接，用于固定并支持成像物体进行高精度旋转，以采集多个角度下的X射线投影数据和激发光数据；
窄带滤波片，置于EMCCD相机的镜头前，用于滤除标示带宽之外谱段的光；
铅板，用来滤除多余的X射线，并保护EMCCD相机免于X射线辐射；
计算机，用于控制X射线源、X射线平板探测器、EMCCD相机、电控旋转台的运行以及参数设置，控制光学数据和X射线投影数据的采集，进行多光谱数据和X射线投影数据的处理和重建，融合双模态的成像；
所述窄带滤波片和EMCCD相机位于X射线源和X射线平板探测器连线的垂直方向。
2.如权利要求1所述的深部组织X射线激发多光谱断层成像方法，其特征在于，所述深部组织X射线激发多光谱断层成像方法包括以下步骤：
步骤一，准备成像物体：将内部加入X射线激发的纳米发光材料的成像物体置于旋转台上；
步骤二，激发光数据采集：利用X射线激发成像物体内部纳米发光材料产生短波红外光及其它特定谱段光，穿过组织的光学信号经过窄带滤波片的过滤被EMCCD相机接收，每隔15度采集一幅激发光图像并保存，直至完成360度的旋转；
步骤三，白光数据采集：关闭X射线源，打开外界光源，取下窄带滤波片，每隔5度采集一幅成像物体的白光图像并保存，直至完成360度的旋转；
步骤四，X射线投影数据的采集：打开X射线源发射X射线，利用X射线平板探测器采集穿过成像物体的X射线，每隔1度采集一幅投影数据并保存，直至成像物体完成180度或360度的旋转；
步骤五，光学三维断层重建：对步骤二获得的激发光图像进行预处理，采用二维滤波器中的自适应中值滤波去除图像中的孤立亮点、坏点和部分噪点；在每个谱段下处理图像，利用步骤三中的白光数据构建成像物体轮廓并剖分，将各个角度下的光强映射到成像物体轮廓表面，采用迭代重建算法得到该谱段下的断层重建结果；
步骤六，多光谱数据分析：对所有谱段下的激发光图像和重建结果进行多变量分析，利用多光谱信息作为先验，获得短波红外谱段的更准确成像，从而得到纳米发光材料在成像物体深部组织内的分布；
步骤七，CT三维断层重建：对步骤四采集到的X射线投影数据进行预处理，包括坏点校正，暗场校正以及亮场校正，采用经典的FDK重建算法对处理后投影数据进行重建，得到成像物体的三维结构成像；
步骤八，双模态重建图像的配准融合：对步骤六和步骤七得到的短波红外光学断层图像和CT断层图像根据坐标关系进行配准并融合，实现双模态成像。
3.如权利要求2所述的深部组织X射线激发多光谱断层成像方法，其特征在于，所述步骤二采用能够在X射线激发下发射短波红外及特定谱段光并具有良好的生物兼容性的纳米发光材料，关闭外界灯光光源，打开X射线源发射X射线，利用X射线激发成像物体内的纳米发光材料，产生短波红外及其它特定谱段光；穿过成像物体的光学信号经过窄带滤波片的过滤被EMCCD相机接收，形成多光谱数据；计算机控制电控旋转台每隔15度采集一幅激发光数据并保存，直至成像物体完成360度的旋转，更换窄带滤波片，重复上述步骤。
4.如权利要求2所述的深部组织X射线激发多光谱断层成像方法，其特征在于，所述步骤四X射线源发射X射线，利用X射线平板探测器采集穿过成像物体的X射线，形成一幅投影数据并保存；计算机控制电控旋转台每隔1度采集一幅X射线投影数据并保存，直至成像物体完成360度的旋转。
5.如权利要求2所述的深部组织X射线激发多光谱断层成像方法，其特征在于，所述步骤六对所有谱段下的激发光图像和重建结果进行多变量分析，得到纳米发光材料在成像物体深部组织内的分布情况的操作方法为：对于每个谱段下的重建图像Xs，将Xs组装入新矩阵X＝{X1,X2,...,Xs,...,XM}，矩阵X为主成分分析方法的输入，输出的分解之后的图像矩阵即代表纳米发光材料在不同的深部组织和器官中的分布。
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