立式旋轉螢光分子成像系統的製作方法

2023-12-07 05:43:41 4

專利名稱：立式旋轉螢光分子成像系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於螢光分子成像技術，具體涉及ー種立式旋轉螢光分子成像系統。
背景技術：
螢光分子成像技術是被廣泛應用於在分子水平上對生物體生理、病理的變化進行在體、無創定性和定量研究的影像方法，其在疾病的早期診斷、藥物機理研究與研發以及療效評估等方面發揮著重要作用。螢光分子成像技術目前已從傳統的ニ維螢光分子成像發展到三維突光分子層析成像(Fluorescence molecular tomography)FMT。FMT是一項根據光的擴散性質，利用激發光和被測樣本的出射光信息以重建特異性螢光集團三維分布信息的技木。它可實現動物的在體無創檢測，具 有低成本，高通量，無電離輻射，可長期定量檢測等諸多優點。早期的螢光分子層析成像系統採用動物浸入匹配液成像腔後光纖接觸測量的方法。2007年哈佛大學醫學院Deliolanis等人首次提出360°非接觸式螢光分子層析成像裝置。動物放置在光源和C⑶相機構成的成像平臺之間。為實現360°的成像，動物的身體周圍不能有遮擋，且需要動物與成像平臺之間的相對360°旋轉，這種裝置的成像平臺為水平方向，而被測試的動物吊掛在豎直方向，通過旋轉動物實現360°的數據採集，實驗過程中容易破壞動物的原始形態，加劇了動物的不舒適性，尤其是長時間實驗。之後駱清銘等提出的一種旋轉式擴散螢光層析成像系統採用固定實驗動物旋轉成像平臺的方法。此裝置的成像平臺為豎直方向，而動物床為水平方向，通過旋轉成像平臺來實現360°的數據採集，為避免旋轉成像平臺時的電線纏繞而致使成像平臺無法旋轉，該裝置使用滑環進行電氣連接。但該裝置利用滑環，碳刷與集電環表面接觸，只能進行電氣連接，不能進行光纖的連接，所以光源採用了半導體雷射器，限制了實際工作中螢光激發波長的選擇。此外該裝置並未涉及對螢光層析成像中的關鍵部分動物床的特殊考慮。螢光層析成像重建是ー個非適定的逆問題。増加光源的掃描信息可改善重建圖像的品質。此外，生物體是ー個複雜的網絡，任何ー個生物過程都是多個生化反應相互作用相互影響的動態變化。同時，単一探針的識別或者単一症狀的診斷可能不足以確定疾病的種類及原因，只有多通道探針成像才能解決這ー問題。因此具有同時成像多種探針的能力的螢光分子成像系統對於整體上研究生物過程的相互作用和疾病的確切診治至關重要。

發明內容
為解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種基於平臺立式旋轉的非接觸、多波長小動物螢光分子成像系統，可同時實現反射式ニ維螢光成像和透射式三維螢光層析成像。該系統採用成像平臺立式旋轉，掃描時不改變動物形態，成像速度快，採集數據量大，可進行多波長探針成像。動物床及平移臺設計不僅更適合螢光成像，也適合於在不改變動物形態的情況下進行多模態成像。本發明的目的在於提供一種立式旋轉螢光分子成像系統。
本發明的立式旋轉螢光分子成像系統包括底座、旋轉臺、成像裝置、接收端濾波片組、走線模塊、光源模塊、平移臺、透明的動物床和計算機；其中，旋轉臺通過支撐架安裝在底座的一端上；在旋轉臺上從上至下依次安裝成像裝置、接收端濾波片組和光源模塊；動物床安裝在平移臺上；平移臺安裝在底座的另一端上；旋轉臺的中間具有通孔，與動物床在ー個水平線上，允許動物床在通孔中無障礙通過；成像裝置通過經由走線模塊的數據線連接至計算機；成像裝置通過經由走線模塊的電線連接至電源；走線模塊通過支柱固定在旋轉臺上，並與旋轉臺的通孔同軸。光源模塊進一歩包括激發裝置、傳輸部分和出光裝置；出光裝置安裝在旋轉臺上並且與成像裝置相對位於通孔的另ー側，通過經由走線模塊的傳輸部分連接至放置在底座上的激發裝置。激發裝置進ー步包括光源、波長選擇部分、電動快門和光纖耦合部分；光源發射出激發光，經過波長選擇部分獲得合適波長的激發光，激發光經過電動快門進入光纖耦合部分，從而將激發光導入至傳輸部分。電動快門可在螢光採集間歇時阻擋光源對螢光物質的照射，以儘量減小螢光物質的淬滅。傳輸部分米用光纖。出光裝置進ー步包括反射式光源、透射式光源和轉換器；傳輸部分連接至轉換器，轉換器與反射式光源和透射式光源相連接，通過轉換器的切換，可以選擇照射到動物身體上的光源為反射式或者為透射式。反射式光源由兩根成一定夾角的光纖組成，以便實現小動物表面180°範圍的激發光照射。透射式光源、接收端濾光片組選定的濾波片和成像裝置的中心共軸。光源模塊的分塊設計増大了螢光分子成像系統激發光選擇的靈活性，可方便地實現不同波長的激發光照射，從而實現多波長螢光探針的成像。走線模塊包括走線架和束線器；走線架為具有一定厚度的圓環狀，通過支柱固定在旋轉臺上，並與旋轉臺的通孔同軸；走線架的邊緣具有凹槽，以便束線器纏繞在其內；束線器的一端固定在走線架的凹槽內，另一端引出；走線架具有開孔，用於旋轉臺上的傳輸部分、電線和數據線由走線架的外部穿入走線架的內部從而進入束線器。旋轉臺上的出光裝置和成像裝置分別通過傳輸部分、電線和數據線都經由走線架上的束線器梳理後分別與旋轉臺下的激發裝置、電源和計算機相連。走線模塊為純機械裝置，不僅可以實現電線和數據線的布線，還可以實現對光纖的布線。動物床包括固定體和床體，床體通過進ー步起固定作用的固定體安裝在平移臺上，動物放置在床體上。動物床為透明的，不會對動物造成遮擋，從而可實現對動物的360°的數據採集。動物床採用透明的非金屬材料，以不影響其他成像模態(如計算機斷層成像(CT))的性能。本發明的優點I)可實現360°的反射式ニ維螢光分子成像和透射式三維螢光分子層析成像；2)光源模塊的分塊設計不僅增大了螢光分子成像系統激發光選擇的靈活性，可方便地實現不同波長的激發光照射，從而實現多波長螢光探針的成像，而且大大增加了光源-探測器的不同組合信息，有利於螢光層析逆問題的求解，改善重建圖像的品質；
3)出光裝置的設計可實現動物身體大範圍的螢光激發，提高了成像速度；4)走線模塊的設計解決了成像平臺旋轉過程中電氣連接、光和數據傳輸的問題，為光源模塊分塊設計的實施提供保證；5)動物床的特殊設計符合螢光層析成像的特點，儘量避免其對光的折射、散射、遮擋等影響以減小其對成像結果的影響，同時兼顧了其他多模態成像對動物床的潛在要求；6)無需移動或取下動物，即可在平移臺的移動下調整成像區域，也可以穿過旋轉臺傳遞到其他模態的系統(如X光計算機斷層成像(X-ray CT)、正電子發射型計算機斷層成像(PET)、單光子發射計算機斷層成像(SPECT)等)進行多模態成像，最大程度地保持了動物的形態穩定，同時簡化了圖像配準的步驟。


圖I為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的結構示意圖；圖2為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的光源模塊的結構示意圖；圖3為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的激發裝置的結構示意圖；圖4為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的出光裝置的結構示意圖；圖5為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的出光裝置的透射式光源的結構示意圖；圖6為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的走線模塊的結構示意圖；圖7為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的走線架的結構示意圖；圖8為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的動物床的結構示意圖；圖9為本發明的立式旋轉螢光分子成像系統的旋轉臺的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，並通過實施例對本發明的具體實施方式
作進ー步的詳細描述。如圖I所示，本發明的立式旋轉螢光分子成像系統包括底座I、旋轉臺2、成像裝置3、接收端濾波片組4、走線模塊5、光源模塊、平移臺8、動物床7和計算機9。如圖2所不,光源模塊包括激發裝置61,傳輸部分62和出光裝置63。如圖3所示，激發裝置61激發裝置進ー步包括光源611、波長選擇部分612、電動快門613和光纖耦合部分614。激發裝置可以採用兩種方案一種是雷射二極體光源組合作為光源611經過波長選擇部分612從而選擇不同波長的雷射二極體作為激發光源，如圖3 (a)所示；一種是採用滷鎢燈作為光源611，濾波片輪作為波長選擇部分612，通過選擇相應濾波片以獲得合適波長的激發光，如圖3 (b)所示。選擇任意一種方案後再分別經過電動快門613和光纖耦合部分614將激發光導入到傳輸部分62。傳輸部分62為光纖，可採用兩種類型ー種是激發裝置61端的光纖頭和光裝置63端的光纖頭均為圓形，對應的出光裝置63的出射光光斑為點狀圓斑；ー種是激發裝置61端的光纖頭為圓形，而出光裝置63端的光纖頭為線形，對應的出光裝置63的出射光光斑為線狀斑。如圖4所不，出光裝置63,包括反射式光源631、透射式光源632和轉換器633。反射式光源631由兩根成一定夾角的光纖組成。如圖5所不，出光裝置的透射式光源632,進一步包括光纖出光孔6321、透鏡6322、掃描裝置6325或6323和6324。出光裝置的透射式光源可採用三種方案第一種是依次排列的圓點狀光纖出光孔6321、準直鏡(或凸透鏡)6322、ニ維掃描振鏡6323和掃描透鏡6324結合,如圖5 (a)所不；第二種是依次排列的線狀光纖出光孔6321、圓柱透鏡6322、一維掃描振鏡6323和掃描透鏡6324結合,如圖5 (b)所不；第三種是線狀光纖出光孔6321和圓柱透鏡6322安裝在電動角位臺6325上繞系統軸心掃描，如圖5 (c)所示。前兩種為光學掃描方式，掃描速度快，掃描樣式為平面型。第三種為機械式掃描方式，光源受機械控制繞旋轉臺中心做弧形掃描，光斑沿徑向指向旋轉臺中心，掃描樣式為圓弧型。為加快成像速度，三種掃描樣式也均可採用固定模式而不進行掃描。如圖6所示，本發明的走線模塊5包括走線架51和束線器52。走線架51為具有一定厚度的圓環狀，通過支柱55固定在旋轉臺2上，並與旋轉臺2的通孔21同軸，如圖I所示。如圖7所示，走線架51為具有一定厚度的圓環狀，邊緣具有凹槽511，以便束線器52纏繞在其內。束線器52的一端固定在走線架51的凹槽內，另一端引出。走線架具有開孔512，用於旋轉臺2上的傳輸部分、電線和數據線經由走線架51的外部穿入走線架51的內部從而進入束線器52。動物床7的床體71通過進ー步起固定作用的固定體72安裝在平移臺8上。動物床的床體可以為平板狀，也可以為圓筒狀或圓筒的一部分。如圖8所示，動物床可以採用四種方案第一種的床體71為平板狀，是採用儘量薄的透明板(如Imm厚玻璃板)作為床體71固定在固定體72上,為避免透明板前端下垂或者承受力不足，其前端採用兩根支架73固定，並通過兩根細線74分別將支架73的頂端與後面固定床體的固定體72相連；第二種的床體71為圓筒狀，安裝在固定體72上，動物形狀較規則，有利於激發光有效激發和螢光重建；第三種的床體71由上下兩個半圓筒711和712組成，下半圓筒711安裝在固定體72上，上半圓筒712作為蓋子，擺放動物時將上半圓筒712移開，將動物放置好後再將上半圓筒712蓋好，有利於動物的擺放；第四種的床體71 為圓筒的一部分(如半圓筒或弧形筒)，安裝在固定體72上。在第二、三和四種方案中，固定體72的頂部設有天窗721，以便對動物的麻酔、固定等操作。如圖9所示，本發明的旋轉臺2通過支撐架安裝在底座的一端上；旋轉臺的中間具有通孔21，與動物床在ー個水平線上，允許動物床在通孔中無障礙通過。進ー步旋轉臺包括安裝在其下部的配重22。成像裝置3進ー步包括光學鏡頭和探測器，光學鏡頭安裝在探測器的前端；光學鏡頭將從動物表面出射的光成像到探測器上，探測器採用製冷CCD相機，對動物體內的螢光物質產生的螢光信號進行成像。進ー步，在旋轉臺2上接收端濾波片組4與通孔21之間安裝有環形燈65，提供動物輪廓提取的均勻照明光源；環形燈與成像裝置3的中心共軸。本發明的工作原理為本發明分為反射式ニ維螢光分子成像和透射式三維螢光分子層析成像。對於反射式ニ維螢光分子成像，反射式光源631與成像裝置3在小動物的同偵牝反射式光源631在任一角度對小動物體表的螢光物質進行激發，產生的螢光經相應的接收端濾波片組4，由成像裝置3接收。如此旋轉一周，即可實現360° ニ維螢光分子成像。對於透射式三維螢光分子層析成像，透射式光源632與成像裝置3在小動物的不同側，任一角度下透射式光源632發出的激發光掃描入射到小動物體上，在其體內傳輸並激發體內的螢光物質，產生的螢光經部分組織傳出體外後經相應的接收端濾波片組4，由成像裝置3接收。然後旋轉臺2旋轉一周實現360°的螢光激發和信號採集，得到的數據傳輸到計算機9進行圖像重建從而獲知三維螢光濃度及分布信息。採集完ー種螢光物質的數據後激發裝置61和接收端濾波片組4自動更換其他波長，實現多波長的信息採集，從而得到基於多通道探針的螢光圖像。控制反射/透射的轉換器633選擇反射式ニ維螢光分子成像或透射式三維螢光分子層析成像。反射式ニ維螢光分子成像，控制方法步驟如下I)將實驗動物固定在動物床7上，並儘量使動物處於旋轉臺2的中心，調整動物床7和光學鏡頭使感興趣的成像區域處於探測器的視野內；2)進行激發波長和出射螢光波長的選擇若激發裝置61選用雷射二極體光源組 合611，則通過波長選擇部分612選擇實驗所需波長的ニ極管，若激發裝置61選用滷鎢燈611，則通過控制濾波片輪612選擇合適的濾波片以得到所需波長的激發光，接收端濾波片組4則選擇相應螢光波段的濾波片放在成像裝置3前；3)旋轉臺2從零位置開始，反射式光源631發出的激發光照射到動物的表面，在其體內傳輸並激發體內的螢光物質，產生的螢光經部分組織傳出體外後經相應的接收端濾波片組4，由成像裝置3接收，然後控制電動快門613關閉光源，旋轉臺2旋轉至新位置後再通過電動快門613打開光源，重複上述激發採集過程，最終實現360°的ニ維螢光分子成像。三維螢光分子層析成像，控制方法步驟如下I)將實驗動物固定在特製的動物床7上,並儘量保證動物處於旋轉臺2的中心。調整動物床7和光學鏡頭使感興趣的成像區域處於探測器的視野內；2)進行激發波長和出射螢光波長的選擇若激發裝置61選用雷射二極體光源組合611，則通過波長選擇部分612選擇實驗所需波長的ニ極管，若激發裝置61選用滷鎢燈611，則通過控制濾波片輪612選擇合適的濾波片以得到所需波長的激發光，接收端濾波片組4則選擇相應螢光波段的濾波片放在成像裝置3前；3)360°螢光信號採集旋轉臺2從零位置開始，透射式光源632發出的激發光掃描入射到動物體表面，在其體內傳輸並激發體內的螢光物質，產生的螢光經部分組織傳出體外後經相應的接收端濾波片組4，由成像裝置3接收，然後控制電動快門613關閉光源，旋轉臺2逆時針旋轉至新位置後再通過電動快門613打開光源，重複上述激發採集過程，最終實現360°的螢光激發和信號採集，得到的數據傳輸到計算機9 ；4) 360°激發光信號採集此採集過程中除接收端濾波片組4的濾波片應換到激發光波段或空孔位置外與第三步的螢光信號採集完全相同；5) 360°輪廓投影採集關閉光源模塊，打開環形燈65，接收端濾波片組4轉到空孔位置，旋轉臺2旋轉ー圈過程中，成像裝置3每隔設定角度進行拍照以獲得360°輪廓投影，得到的數據用於實驗動物的輪廓提取；6)利用步驟3)、4)和5)得到的數據進行圖像重建。若需要多模態成像,無需取下或移動動物,直接控制平移臺8移動動物床7穿過旋轉臺2的通孔21，進入其他模態成像系統。整個過程保證了動物的形態穩定，為多模態成像配準提供了便利。最後需要注意的是，公布實施方式的目的在於幫助進ー步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於 實施例所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
權利要求
1.一種立式旋轉螢光分子成像系統，其特徵在於，所述成像系統包括底座(I)、旋轉臺(2)、成像裝置(3)、接收端濾波片組(4)、走線模塊(5)、光源模塊、平移臺(8)、透明的動物床(7)和計算機(9);其中，旋轉臺(2)通過支撐架安裝在底座(I)的一端上；在旋轉臺(2)上從上至下依次安裝成像裝置(3)、接收端濾波片組(4)和光源模塊；動物床(7)安裝在平移臺(8)上；平移臺(8)安裝在底座(2)的另一端上；旋轉臺(2)的中間具有通孔(21)，與動物床(7 )在一個水平線上，允許動物床在通孔中無障礙通過；成像裝置(3 )通過經由走線模塊(5 )的數據線連接至計算機(9 );成像裝置(3 )通過經由走線模塊(5 )的電線連接電源；走線模塊(5)通過支柱(55)固定在旋轉臺(2)上，並與旋轉臺的通孔(21)同軸。
2.如權利要求I所述的成像系統，其特徵在於，所述光源模塊進一步包括激發裝置(61)、傳輸部分(62)和出光裝置(63);出光裝置(63)安裝在旋轉臺(2)上並且與成像裝置相對位於通孔(21)的另一側，通過經由走線模塊(5)的傳輸部分(62)連接至放置在底座(I)上的激發裝置(61)。
3.如權利要求2所述的成像系統，其特徵在於，所述激發裝置(61)進一步包括光源、波長選擇部分、電動快門和光纖I禹合部分；光源發射出激發光，經過波長選擇部分獲得合適波長的激發光，激發光經過電動快門進入光纖耦合部分，從而將激發光導入至傳輸部分(62)。
4.如權利要求2所述的成像系統，其特徵在於，所述出光裝置(63)進一步包括反射式光源、透射式光源和轉換器；傳輸部分連接至轉換器，轉換器與反射式光源和透射式光源相連接，通過轉換器的切換，選擇照射到動物身體上的光源為反射式或者為透射式。
5.如權利要求I所述的成像系統，其特徵在於，所述走線模塊(5)包括走線架(51)和束線器(52);走線架(51)為具有一定厚度的圓環狀，通過支柱(55)固定在旋轉臺上，並與旋轉臺(2)的通孔同軸；走線架(5)的邊緣具有凹槽，束線器(52)的一端固定在走線架的凹槽內，另一端引出；走線架(51)具有開孔，傳輸部分、電線和數據線由走線架(51)的外部穿入走線架的內部從而進入束線器(52)。
6.如權利要求I所述的成像系統，其特徵在於，所述動物床(7)包括固定體(72)和床體(71)，床體(71)通過進一步起固定作用的固定體(72)安裝在平移臺(8)上。
7.如權利要求6所述的成像系統，其特徵在於，所述床體(71)為平板狀，是採用薄的透明板作為床體(71)固定在固定體(72)上，為避免透明板前端下垂或者承受力不足，其前端採用兩根支架(73)固定，並通過兩根細線(74)分別將支架(73)的頂端與後面固定床體的固定體(72)相連。
8.如權利要求6所述的成像系統，其特徵在於，所述床體(71)為圓筒狀或圓筒的一部分，固定在固定體(72)上；所述固定體(72)的頂部設有天窗(721)。
9.一種權利要求I所述的成像系統，其特徵在於，所述動物床採用透明的非金屬材料。
10.一種權利要求I所述的成像系統，其特徵在於，在旋轉臺(2)上接收端濾波片組(4)與通孔(21)之間安裝有環形燈(65)，提供動物輪廓提取的均勻照明光源；環形燈(65)與成像裝置(3)的中心共軸。
全文摘要
本發明公開了一種立式旋轉螢光分子成像系統。本發明的成像系統包括底座、旋轉臺、成像系統、接收端濾波片組、走線模塊、光源模塊、平移臺、透明的動物床和計算機。本發明的光源模塊採用分塊設計增大了螢光層析成像系統激發光選擇的靈活性，實現了多波長螢光探針的成像，而且有利於螢光層析逆問題的求解，改善重建圖像的品質；走線模塊解決了成像平臺旋轉過程中電氣連接、光和數據傳輸的問題，為光源模塊分塊設計的實施提供保證；動物床符合螢光層析成像的特點，同時兼顧了其他多模態成像對動物床的潛在要求；系統適於進行多模態成像融合，簡化了圖像配準的步驟。
文檔編號A61B5/00GK102670180SQ20121018434
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者丁翼晨, 任秋實, 李長輝, 江曉芸, 王國鶴 申請人:北京大學