專利名稱：激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)及一次熒光成像方法
技術領域：
本發(fā)明屬于分子成像技術領域，涉及光學成像理論、計算機圖像處理技術、數(shù)學建模等學科知識的激發(fā)熒光成像系統(tǒng)及一次熒光成像方法。
背景技術：
隨著基因組學、蛋白組學和疾病基因組學的迅速發(fā)展，疾病的診斷正在從傳統(tǒng)的疾病表征觀察、常規(guī)的生化實驗檢測，發(fā)展到多種基因和分子水平的微觀特征認識，其中利用分子成像技術可以從基因、蛋白質(zhì)水平深刻認識疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，能夠實現(xiàn)現(xiàn)有微觀分析所無法取代的整體、連續(xù)、無創(chuàng)的特異檢測方法，生物在體分子成像理論及其技術將會提供全新的預防、診斷和治療手段。與傳統(tǒng)的醫(yī)學成像技術相比較而言，分子成像學著眼于構成疾病或病變的基礎變化和基因分子水平的異常，而不是對由基因分子改變所構成的最終結果進行成像。在特異的分子探針的幫助下，分子成像技術可以在細胞、基因和分子水平上實現(xiàn)生物體內(nèi)部生理或病理過程的無創(chuàng)實時動態(tài)在體成像，從而為疾病相關基因功能定位、細胞生長發(fā)育和突變過程的作用機制、新藥研發(fā)等研究提供詳細的定性、定位、定量資料以及有效的信息獲取和分析處理的手段。激發(fā)熒光成像的原理可以描述為當外源光照射到帶有熒光團的生物組織上時， 熒光團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)的過程中會釋放出熒光，該熒光較吸收的光向紅端移動，即發(fā)射的熒光比吸收的外源光的能量低，熒光在組織體內(nèi)傳播并有一部分達到體表，從體表發(fā)出的熒光被探測器接收到，從而形成熒光圖像。一般而言，熒光團發(fā)射出的熒光經(jīng)過組織體散射，光的強度已經(jīng)很弱，用肉眼很難觀測到，因此需要在完全避光的暗箱中進行成像，并且要求探測器的靈敏度要高，通常利用一個低溫制冷的高度靈敏的CCD相機來探測組織體表的熒光光子。CCD相機的另一個優(yōu)勢是空間分辨率較高。目前，國外已經(jīng)有成型激發(fā)熒光成像系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大多只針對小動物的熒光成像， 因此一般只可在垂直方向調(diào)節(jié)物距(探測器與被檢測物體之間的距離)，而不能水平二維移動至被檢測目標的中心，因此不能用于較大被檢測目標的熒光成像，大大限制其應用。 此外，由于白光圖像和熒光圖像的獲取過程中，需要進行開閉白光燈、開閉激發(fā)光源、轉動激發(fā)濾光輪和發(fā)射濾光輪等操作，以及熒光圖像的分割、偽彩色添加、熒光和白光圖像的疊加及結果保存等繁瑣操作，增加了用戶的負擔。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的激發(fā)熒光系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)。為了實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供一種激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的技術方案具有圖像采集部和圖像處理部；其中圖像采集部包括相機、鏡頭、鏡頭調(diào)節(jié)馬達、發(fā)射濾光輪、多個發(fā)射濾光片、激發(fā)濾光輪、多個激發(fā)濾光片、光纖、激發(fā)光源、白光燈、載物臺、暗箱、三個方向的電控平移臺和控制器；相機的轉接口與鏡頭的轉接口連接，鏡頭的進光口與發(fā)射濾光輪的作用位連接，多個發(fā)射濾光片內(nèi)嵌于發(fā)射濾光輪中；激發(fā)光源出口連接光纖的一端，光纖另一端與激發(fā)濾光輪的作用位連接，激發(fā)濾光片內(nèi)嵌于激發(fā)濾光輪中；暗箱位于三個方向的電控平移臺的上方且固定連接發(fā)射濾光輪、激發(fā)濾光輪和白光燈；載物臺和被檢測物體位于暗箱內(nèi)部；載物臺和被檢測物體相對靜止；三個方向的電控平移臺的電機軸可在垂直方向和水平方向移動載物臺，用以改變被檢測物體與相機間的相對位置；控制器與相機、鏡頭調(diào)節(jié)馬達、發(fā)射濾光輪、激發(fā)濾光輪、激發(fā)光源、白光燈、三個方向的電控平移臺連接，通過控制鏡頭調(diào)節(jié)馬達來改變鏡頭的焦距和光圈，通過控制發(fā)射濾光輪及激發(fā)濾光輪轉動來分別切換發(fā)射濾光片和激發(fā)濾光片到作用位，控制激發(fā)光源和白光燈的開閉，控制三個方向的電控平移臺的電機軸移動；圖像處理部與圖像采集部的相機連接，接收熒光圖像和白光圖像，并對熒光圖像自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計處理，將處理后的熒光圖像與白光圖像疊加后得到的激發(fā)熒光分子的圖像。為了實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明的第二方面，是提供一種使用激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)的一次熒光成像方法，該一次熒光成像包含以下步驟步驟Sl 控制器通過控制三個方向的電控平移臺的移動來改變相機與被檢測物體的相對位置，并控制鏡頭調(diào)節(jié)馬達改變鏡頭焦距和光圈的大小，實現(xiàn)相機對被檢測物體多級視野大小的清晰成像；步驟S2 控制器開啟白光燈，并控制相機獲取白光圖像，白光圖像反映被檢測物體外形信息；步驟S3 控制器轉動發(fā)射濾光輪和激發(fā)濾光輪，分別選擇實驗需要的發(fā)射濾光片和激發(fā)濾光片；控制器開啟激發(fā)光源，同時關閉白光燈；控制器控制相機獲取熒光圖像；控制器關閉激發(fā)光源；熒光圖像反映被檢測物體熒光光源的分布信息；步驟S4 控制器將熒光圖像和白光圖像傳送到圖像處理部的前處理模塊；前處理模塊對熒光圖像進行強度校正操作和自體熒光去除處理操作；步驟S5 分析模塊對前處理模塊發(fā)送的熒光圖像依次進行自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計、與白光圖像疊加一系列操作，并顯示熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像；步驟S6 存儲模塊對前處理模塊處理后的熒光圖像和白光圖像進行保存，并對分析模塊處理后的，即在熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像進行保存。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明建立了一套應用于激發(fā)熒光分子成像的激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)及方法能完成對較大尺寸被檢測目標的三維定位，通過軟件自動切換不同大小的成像視野并清晰成像，且整個熒光信號圖像的采集過程在設定參數(shù)后可自動執(zhí)行，完成白光圖像采集、熒光圖像采集及與白光圖像疊加、熒光圖像自動分割、分割區(qū)域光子數(shù)統(tǒng)計等處理，大大簡化了操作步驟和操作流程。本發(fā)明系統(tǒng)結構合理，功能顯著，操作方便，可廣泛應用于熒光圖像獲取與分析、藥物研發(fā)等領域，具有廣闊的市場前景。


圖1為本發(fā)明激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)示意圖。
圖2為使用激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)的一次熒光成像方法流程圖。圖3為本發(fā)明的發(fā)射濾光輪和激發(fā)濾光輪的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖1示出本發(fā)明激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)示意圖，具有圖像采集部和圖像處理部， 其中圖像采集部包括相機1、鏡頭2、鏡頭調(diào)節(jié)馬達3、發(fā)射濾光輪4、多個發(fā)射濾光片5、 激發(fā)濾光輪6、多個激發(fā)濾光片7、光纖8、激發(fā)光源9、白光燈10、載物臺11、暗箱12、三個方向的電控平移臺13和控制器14 ；相機1的轉接口與鏡頭2的轉接口連接，鏡頭2的進光口與發(fā)射濾光輪4的作用位31連接，多個發(fā)射濾光片5內(nèi)嵌于發(fā)射濾光輪4中；激發(fā)光源9 出口連接光纖8的一端，光纖8另一端與激發(fā)濾光輪6的作用位31連接，激發(fā)濾光片7內(nèi)嵌于激發(fā)濾光輪6中；暗箱12位于三個方向的電控平移臺13的上方且固定連接發(fā)射濾光輪4、激發(fā)濾光輪6和白光燈10 ；載物臺11和被檢測物體15位于暗箱12內(nèi)部；載物臺11 和被檢測物體15相對靜止；三個方向的電控平移臺13的電機軸可在垂直方向和水平方向移動載物臺11，用以改變被檢測物體15與相機1間的相對位置；控制器14與相機1、鏡頭調(diào)節(jié)馬達3、發(fā)射濾光輪4、激發(fā)濾光輪6、激發(fā)光源9、白光燈10、三個方向的電控平移臺13 連接，通過控制鏡頭調(diào)節(jié)馬達3來改變鏡頭2的焦距和光圈，通過控制發(fā)射濾光輪4及激發(fā)濾光輪6轉動來分別切換發(fā)射濾光片5和激發(fā)濾光片7到作用位31，控制激發(fā)光源9和白光燈10的開閉，控制三個方向的電控平移臺13的電機軸移動；圖像處理部與圖像采集部的相機1連接，接收熒光圖像和白光圖像，并對熒光圖像自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計處理，將處理后的熒光圖像與白光圖像疊加后得到的激發(fā)熒光分子圖像。所述三個方向的電控平移臺13對被檢測物體15實現(xiàn)三維空間的定位，能夠完成大尺寸被檢測物體15的激發(fā)熒光成像。所述相機1是能探測到微弱的熒光信號的光電探測器。所述一個發(fā)射濾光輪4或一個激發(fā)濾光輪6分別放置多片發(fā)射濾光片5或多片激發(fā)濾光片7。所述圖像處理部包括前處理模塊21、分析模塊22和存儲模塊23，其中前處理模塊21與圖像采集部的相機1的數(shù)據(jù)輸出端口連接，對接收到的熒光圖像進行熒光強度均勻校正處理與自體熒光干擾去除處理，而對接收到的白光圖像不做處理；分析模塊22與前處理模塊21連接，對前處理模塊21發(fā)送的熒光圖像依次進行自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計、與白光圖像疊加的操作，并顯示熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像；存儲模塊23與前處理模塊21和分析模塊22連接，對前處理模塊21處理后的熒光圖像和白光圖像進行保存，并對分析模塊22處理后的，即在熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像進行保存。
如圖3所示是多個發(fā)射濾光輪4或多個激發(fā)濾光輪6的結構示意圖，發(fā)射濾光輪 4或激發(fā)濾光輪6為相同結構，本實施例一共設置有六個位置，其中有五個位置可放置發(fā)射濾光片5或激發(fā)濾光片7，另外一個為空擋位置(不放置任何濾光片)。其中檔位31是作用位，檔位32-36均為非作用位。只有在作用位的發(fā)射濾光片5或激發(fā)濾光片7或空擋才能有光信號通過。如圖2示出使用激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)的一次熒光成像方法流程圖，該一次熒光成像包含以下步驟步驟Sl 軟件及硬件初始化操作。將相機1溫度鎖定在-70°C，以降低圖像噪聲；首先在被檢測人下肢觀測部位注射ICG熒光分子探針，并使被檢測人15平躺在床板11上；控制器14通過控制三個方向的電控平移臺13移動來改變相機1與被檢測物體15 的相對位置，控制器14控制鏡頭調(diào)節(jié)馬達3改變鏡頭2焦距和光圈的大小，實現(xiàn)多級視野大小的清晰成像。相機1與被檢測物體15之間的距離調(diào)節(jié)為20cm，焦距調(diào)為35mm，光圈值為m. 8，可完成一次清晰成像；步驟S2 控制器14開啟白光燈10，并控制相機1獲取白光圖像。白光圖像反映被檢測物體外形信息。相機1曝光時間設為0. 5s ；步驟S3 控制器14轉動激發(fā)濾光輪6和發(fā)射濾光輪4，分別選擇實驗需要的發(fā)射濾光片5和激發(fā)濾光片7 ；控制器14開啟激發(fā)光源9，同時關閉白光燈10 ；控制器14控制相機1獲取熒光圖像；控制器14關閉激發(fā)光源9 ；熒光圖像反映被檢測物體熒光光源的分布信息；激發(fā)光源光譜分布為400 900nm ；選擇的激發(fā)濾光片7中心波長為780nm，半峰全寬為20nm ；選擇的發(fā)射濾光片中心波長為840nm，半峰全寬為IOnm ；步驟S4 控制器14將熒光圖像和白光圖像傳送到圖像處理部的前處理模塊21 ； 前處理模塊21對熒光圖像進行強度校正操作和自體熒光去除處理操作；步驟S5 分析模塊22對前處理模塊21發(fā)送的熒光圖像依次進行自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計、與白光圖像疊加一系列操作，并顯示熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像；步驟S6 存儲模塊23對前處理模塊21處理后的熒光圖像和白光圖像進行保存， 并對分析模塊22處理后的，即在熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像進行保存；控制器14將相機1溫度升高到25°C， 硬件去初始化操作。一次熒光成像過程中，各步驟中控制器及圖像處理部各模塊所執(zhí)行的所有操作及順序，均在軟件中已設定好。即用戶不用關心整個熒光成像的具體細節(jié)操作，便可以得到需要的成像結果。此操作一體化設計大大方便了用戶。對同一被檢測物體實現(xiàn)多級視野的清晰成像，用于獲取同一被檢測物體的局部和整體的信息。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的權利要求書的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括圖像采集部和圖像處理部； 圖像采集部包括相機(1)、鏡頭( 、鏡頭調(diào)節(jié)馬達C3)、發(fā)射濾光輪(4)、多個發(fā)射濾光片(5)、激發(fā)濾光輪(6)、多個激發(fā)濾光片(7)、光纖(8)、激發(fā)光源(9)、白光燈(10)、載物臺 (11)、暗箱(12)、三個方向的電控平移臺(13)和控制器(14)；相機⑴的轉接口與鏡頭⑵的轉接口連接，鏡頭⑵的進光口與發(fā)射濾光輪⑷的作用位(31)連接，多個發(fā)射濾光片(5)內(nèi)嵌于發(fā)射濾光輪中；激發(fā)光源(9)出口連接光纖(8)的一端，光纖(8)另一端與激發(fā)濾光輪(6)的作用位 (31)連接，激發(fā)濾光片(7)內(nèi)嵌于激發(fā)濾光輪(6)中；暗箱(1 位于三個方向的電控平移臺(1 的上方且固定連接發(fā)射濾光輪(4)、激發(fā)濾光輪(6)和白光燈(10)；載物臺(11)和被檢測物體(15)位于暗箱(12)內(nèi)部；載物臺(11)和被檢測物體(15) 相對靜止；三個方向的電控平移臺(1 的電機軸可在垂直方向和水平方向移動載物臺 (11)，用以改變被檢測物體(15)與相機⑴間的相對位置；控制器(14)與相機(1)、鏡頭調(diào)節(jié)馬達(3)、發(fā)射濾光輪G)、激發(fā)濾光輪(6)、激發(fā)光源(9)、白光燈(10)、三個方向的電控平移臺(13)連接，通過控制鏡頭調(diào)節(jié)馬達(3)來改變鏡頭O)的焦距和光圈，通過控制發(fā)射濾光輪(4)及激發(fā)濾光輪(6)轉動來分別切換發(fā)射濾光片(5)和激發(fā)濾光片(7)到作用位(31)，控制激發(fā)光源(9)和白光燈(10)的開閉，控制三個方向的電控平移臺(13)的電機軸移動；圖像處理部與圖像采集部的相機連接，接收熒光圖像和白光圖像，并對熒光圖像自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計處理，將處理后的熒光圖像與白光圖像疊加后得到的激發(fā)熒光分子的圖像。
2.如權利要求1中所述激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理部包括前處理模塊(21)、分析模塊0 和存儲模塊(23)，其中前處理模塊與圖像采集部的相機(1)的數(shù)據(jù)輸出端口連接，對接收到的熒光圖像進行熒光強度均勻校正處理與自體熒光干擾去除處理，而對接收到的白光圖像不做處理；分析模塊0 與前處理模塊連接，對前處理模塊發(fā)送的熒光圖像依次進行自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計、白光圖像疊加的操作，并顯示熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像；存儲模塊與前處理模塊和分析模塊0 連接，對前處理模塊處理后的熒光圖像和白光圖像進行保存，并對分析模塊0 處理后的，即在熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像進行保存。
3.如權利要求1中所述激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)，其特征在于，三個方向的電控平移臺 (13)對被檢測物體(1 實現(xiàn)三維空間的定位，能夠完成大尺寸被檢測物體(1 的激發(fā)熒光成像。
4.如權利要求1中所述激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)，其特征在于，相機(1)是能探測到微弱的熒光信號的光電探測器。
5.如權利要求1中所述激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)，其特征在于，一個發(fā)射濾光輪(4)能放置多片發(fā)射濾光片(5)。
6.如權利要求1中所述激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)，其特征在于，一個激發(fā)濾光輪(6)能放置多片激發(fā)濾光片(7)。
7. 一種使用權利要求1所述的激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)的一次熒光成像方法，其特征在于，該一次熒光成像包含以下步驟步驟Sl 控制器通過控制三個方向的電控平移臺的移動來改變相機與被檢測物體的相對位置，并控制鏡頭調(diào)節(jié)馬達改變鏡頭焦距和光圈的大小，實現(xiàn)相機對被檢測物體多級視野大小的清晰成像；步驟S2 控制器開啟白光燈，并控制相機獲取白光圖像，白光圖像反映被檢測物體外形信息；步驟S3 控制器轉動發(fā)射濾光輪和激發(fā)濾光輪，分別選擇實驗需要的發(fā)射濾光片和激發(fā)濾光片；控制器開啟激發(fā)光源同時關閉白光燈；控制器控制相機獲取熒光圖像；控制器關閉激發(fā)光源；熒光圖像反映被檢測物體熒光光源的分布信息；步驟S4 控制器將熒光圖像和白光圖像傳送到圖像處理部的前處理模塊；前處理模塊對熒光圖像進行強度校正操作和自體熒光去除處理操作；步驟S5 分析模塊對前處理模塊發(fā)送的熒光圖像依次進行自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計、與白光圖像疊加一系列操作，并顯示熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像；步驟S6 存儲模塊對前處理模塊處理后的熒光圖像和白光圖像進行保存，并對分析模塊處理后的，即在熒光圖像經(jīng)過自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計并與白光圖像疊加后得到的圖像進行保存。
8.如權利要求7中所述激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)的一次熒光成像方法，其特征在于，對同一被檢測物體實現(xiàn)多級視野的清晰成像，用于獲取同一被檢測物體的局部和整體的信肩、ο
全文摘要
本發(fā)明是激發(fā)熒光分子成像系統(tǒng)及一次熒光成像方法，該系統(tǒng)及方法包括圖像處理部和圖像采集部，圖像采集部中控制器與相機、鏡頭調(diào)節(jié)馬達、發(fā)射濾光輪、激發(fā)濾光輪、激發(fā)光源、白光燈及三個方向的電控平移臺連接，控制鏡頭調(diào)節(jié)馬達改變鏡頭的焦距和光圈，控制發(fā)射濾光輪及激發(fā)濾光輪轉動分別切換發(fā)射濾光片和激發(fā)濾光片到作用位，控制激發(fā)光源和白光燈的開閉，控制三個方向的電控平移臺的電機軸移動；圖像處理部與圖像采集部的相機連接，接收熒光圖像和白光圖像，并對熒光圖像自動分割、偽彩色添加、自動分割區(qū)域的光子數(shù)統(tǒng)計處理，將處理后的熒光圖像與白光圖像疊加后得到的激發(fā)熒光分子的圖像，可應用于熒光圖像獲取與分析、藥物研發(fā)等領域。
文檔編號A61B5/00GK102151122SQ20111006530
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權日2011年3月17日
發(fā)明者楊祥, 楊鑫, 田捷, 秦承虎, 薛貞文 申請人:中國科學院自動化研究所