專利名稱：一種生物體熒光三維成像系統(tǒng)及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熒光三維成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種生物體熒光三維成像系統(tǒng)及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著分子影像學(xué)領(lǐng)域的各種技術(shù)在現(xiàn)代生命科學(xué)研究中的應(yīng)用，生物體成像技術(shù) 得到了越來越多的關(guān)注。生物體成像技術(shù)是指應(yīng)用影像學(xué)方法，對體狀態(tài)下的生物過程進(jìn) 行組織、細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究，這使得生命過程的研究可以在生物體體內(nèi)進(jìn) 行。我們可以利用各種能穿透生物體又能與某些特定生物組分相作用的超聲波(超聲影像 技術(shù))或者電磁波(CT)或者電磁場(MRI)或者高能粒子(PET)等在不損傷動物的前提下對 其進(jìn)行長期的縱向研究。但是，當(dāng)現(xiàn)代生命科學(xué)研究進(jìn)入細(xì)胞和分子層次時，這些影像學(xué)方法都遇到了不 同程度的困難。一些重大疾病的真正早期診斷必需在分子和細(xì)胞水平上進(jìn)行才能實現(xiàn)。生 物芯片等離體檢測方法有可能做到這點，但是難以確定病變部位?，F(xiàn)有成像方法(如CT、 MRI)雖有可能確定病變部位卻又難以在分子水平上進(jìn)行早期檢測。熒光分子成像(FMI)技 術(shù)是一種可在分子水平早期探測分子變異和細(xì)胞癌變的方法。它利用激發(fā)光使得熒光基團(tuán) 達(dá)到較高的能量水平，然后發(fā)射出較長波長的光這一原理進(jìn)行檢測，而且具有非侵入、無創(chuàng) 傷、特異(利用靶向基團(tuán))、精細(xì)(分子水平)并實時觀測病變部位及其大小的優(yōu)點。熒光平面成像是通過CCD相機采集單一投影方向的信號，得到的數(shù)據(jù)是多個深度 信號的疊加，再加上信號在透過動物體內(nèi)時，又有不可避免的折射和散射，難以精確的定量 分析，因此熒光三維成像在在靶點的空間定位及絕對定量方面都有很大的優(yōu)勢。目前主流 的成像方法為熒光分子斷層成像(FMT)，其實施方法為將生物沿身體的長軸旋轉(zhuǎn)360°，用 激發(fā)光源在其橫斷面上進(jìn)行掃描，計算機處理CCD相機采集到的信號，進(jìn)行三維重建和顯 示。早期的熒光分子斷層成像系統(tǒng)一般采用圓柱成像腔，實驗時把生物泡在匹配液中，使用 光纖引出不同位置的檢測信號，而最近的一些熒光分子斷層成像系統(tǒng)是把生物沿身體的長 軸懸掛，為了減小慣性帶來的器官移位和歪斜，生物的旋轉(zhuǎn)速度必須嚴(yán)格控制。再加上掃描 式的點激發(fā)光源大大降低了數(shù)據(jù)獲取的效率，因此采集360°的全景圖像需要花費很長時 間，嚴(yán)重影響了檢測的實時性。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種生物熒光三維成像系統(tǒng)，在實現(xiàn)三維成 像的同時，實現(xiàn)測量的精確性和實時性。本發(fā)明提供的一種生物熒光三維成像系統(tǒng)，包括暗箱、光照模塊、旋轉(zhuǎn)平臺裝置、 CCD成像系統(tǒng)、計算機、麻醉器；其中光照模塊包括激光器、分束光纖、照明LED和光照模塊 控制器；旋轉(zhuǎn)平臺裝置包括麻醉裝置、溫控裝置、旋轉(zhuǎn)電機及旋轉(zhuǎn)平臺控制器；CCD成像系 統(tǒng)包括CXD器件、電動聚焦鏡頭、帶通濾光片輪及CXD成像系統(tǒng)控制器；計算機有三個輸出 信號和一個輸入信號，第一輸出信號是光照模塊控制器的輸入信號，該信號用于控制激光器和照明LED的開關(guān)，第二輸出信號是旋轉(zhuǎn)平臺控制器的輸入信號，該信號用于設(shè)定溫控 裝置的溫度及旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，第三輸出信號是CCD成像系統(tǒng)控制器的輸入信號，該 信號用于控制電動聚焦鏡頭的聚焦、帶通濾光片輪的旋轉(zhuǎn)、以及CCD器件的信號采集過程， 輸入信號是CXD器件采集到的圖像信號，通過計算機進(jìn)行處理以及顯示。在暗箱外部，分束光纖的總束端與激光器的輸出端相連，在暗箱內(nèi)部，分束光纖的 分束端位于旋轉(zhuǎn)平臺上方，當(dāng)激光器開啟時，從四個角度形成對該平臺的均勻光照。照明 LED位于所述生物旋轉(zhuǎn)平臺上方，當(dāng)其開啟時，形成對該平臺的明場光照。CCD成像系統(tǒng)的 接收光路的光軸與生物旋轉(zhuǎn)平臺的圓心相交，CCD器件4接收的發(fā)射光光路與旋轉(zhuǎn)平臺裝 置3平面成45°角。CXD器件采用高靈敏度冷CXD。本發(fā)明的另一個目的是提供一種生物體熒光三維成像系統(tǒng)在生物體圖像數(shù)據(jù)采 集中的應(yīng)用。本發(fā)明采取分束光纖對生物整體進(jìn)行均勻激發(fā)光照，可以實現(xiàn)高通量的數(shù)據(jù)采 集；生物旋轉(zhuǎn)平臺以及斜45°采集光路，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和實時性，同時在麻醉 系統(tǒng)輔助下，生物體在平臺上的勻速旋轉(zhuǎn)在很大程度上消除了懸掛式旋轉(zhuǎn)造成的器官移 位。高靈敏度冷CCD保證了圖像數(shù)據(jù)采集的精確性。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本發(fā)明的具體實施結(jié)果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1和圖2，本發(fā)明的一種生物體熒光三維成像系統(tǒng)，包括暗箱1、光照模塊 2、旋轉(zhuǎn)平臺裝置3、CXD成像系統(tǒng)4、計算機5、麻醉器6 ；其中光照模塊2包括激光器21、分 束光纖22、照明LED 23和光照模塊控制器M ；旋轉(zhuǎn)平臺裝置3包括麻醉裝置31、溫控裝置 32、旋轉(zhuǎn)電機33及旋轉(zhuǎn)平臺控制器34 ；CXD成像系統(tǒng)4包括CXD器件41、電動聚焦鏡頭42、 帶通濾光片輪43及CCD成像系統(tǒng)控制器44 ；計算機5有三個輸出信號和一個輸入信號，第 一輸出信號(a)是光照模塊控制器M的輸入信號，該信號用于控制激光器和照明LED的開 關(guān)，第二輸出信號(b)是旋轉(zhuǎn)平臺控制器的輸入信號，該信號用于設(shè)定溫控裝置的溫度及旋 轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，第三輸出信號(c)是CCD成像系統(tǒng)控制器的輸入信號，該信號用于控制 電動聚焦鏡頭的聚焦、帶通濾光片輪的旋轉(zhuǎn)、以及CCD器件的信號采集過程，輸入信號(d) 是CCD器件41采集到的圖像信號，通過計算機進(jìn)行處理以及顯示。在暗箱1外部，分束光纖22的總束端與激光器21的輸出端相連，在暗箱1內(nèi)部， 分束光纖22的分束端位于旋轉(zhuǎn)平臺裝置3上方，當(dāng)激光器21開啟時，從四個角度形成對該 平臺的均勻光照。照明LED 23位于所述旋轉(zhuǎn)平臺裝置3上方，當(dāng)其開啟時，形成對該平臺 的明場光照。CXD成像系統(tǒng)4的接收光路的光軸與旋轉(zhuǎn)平臺裝置3的圓心相交，且CXD器件 41接收的發(fā)射光光路與旋轉(zhuǎn)平臺裝置3平面成45°角。CCD器件41采用高靈敏度冷CCD。本發(fā)明中，明場條件下，照明LED 23對旋轉(zhuǎn)平臺裝置3實現(xiàn)白光照明；暗場條件下，激光器21用作激發(fā)光源，由分束光纖22 (圖中以1分4光纖為例)把激光器21輸出的 光引入暗箱1，并在合適的角度對旋轉(zhuǎn)平臺裝置3實現(xiàn)均勻激發(fā)光照，生物體內(nèi)靶點產(chǎn)生的 發(fā)射光先后經(jīng)過電動聚焦鏡頭42、濾光片輪43，由高靈敏度冷CCD器件41接收，該CCD成 像系統(tǒng)4的接收光路的光軸與生物旋轉(zhuǎn)平臺裝置3的圓心相交，且CCD器件41接收的發(fā)射 光光路與旋轉(zhuǎn)平臺裝置3平面成45°角。以上為本發(fā)明中成像系統(tǒng)的光路部分，可參見圖 2的空心粗箭頭所表示的光信號傳輸。旋轉(zhuǎn)平臺裝置3包括溫控裝置32和麻醉裝置31，其 中麻醉裝置31的一端連接麻醉器6，為旋轉(zhuǎn)平臺3上的生物提供麻醉氣體，可參見圖2的 實心粗箭頭所表示的麻醉氣體的傳輸。計算機5的三個輸出信號，第一輸出信號(a)是光 照模塊控制器M的輸入信號，控制激光器21及照明LED 23的開關(guān)，第二輸出信號(b)是 旋轉(zhuǎn)平臺控制器34的輸入信號，該信號用于設(shè)定溫控裝置32的溫度及旋轉(zhuǎn)電機33的轉(zhuǎn)動 狀態(tài)，第三輸出信號(c)是CCD成像系統(tǒng)控制器44的輸入信號，該信號用于控制電動聚焦 鏡頭42的聚焦、帶通濾光片輪43的旋轉(zhuǎn)、以及C⑶器件41的信號采集過程，輸入信號(d) 是CXD器件41采集到的圖像信號，旋轉(zhuǎn)電機33的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)以及溫控裝置32的溫度設(shè)定， 計算機5的輸入信號(d)為CXD器件41的輸出信號，通過計算機進(jìn)行處理以及顯示。以上 可參見圖2的細(xì)箭頭所表示的電信號的傳輸。實施例2 本發(fā)明的具體操作1.準(zhǔn)備階段將帶有熒光標(biāo)記物的生物體放入暗箱1中的旋轉(zhuǎn)平臺3，其頭部放入麻 醉裝置31，開啟麻醉器6使其進(jìn)入麻醉狀態(tài)。2.明場圖像采集開啟照明LED23，旋轉(zhuǎn)帶通濾光片輪43以選擇合適的濾光片， 調(diào)整電動聚焦鏡頭42的視野，將旋轉(zhuǎn)平臺3勻速旋轉(zhuǎn)360°，由CCD器件41采集平臺旋轉(zhuǎn) 過程中多個角度的明場條件下的生物體圖像，傳輸?shù)接嬎銠C5完成生物的輪廓重建。3.暗場圖像采集關(guān)閉照明LED23，開啟激光器21，激發(fā)生物體內(nèi)的熒光標(biāo)記物發(fā) 光，將生物旋轉(zhuǎn)平臺3勻速旋轉(zhuǎn)360°，由CCD器件41采集平臺旋轉(zhuǎn)過程中多個角度的暗場 條件下的圖像，傳輸?shù)接嬎銠C5完成熒光標(biāo)記物的位置分析過程。4.數(shù)據(jù)處理由計算機5完成熒光標(biāo)記物在生物體內(nèi)的三維建模和結(jié)果顯示，參 見圖3，箭頭所指為熒光標(biāo)記物的重建結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種生物體熒光三維成像系統(tǒng)，其特征在于，由暗箱(1)、光照模塊(2)、旋轉(zhuǎn)平臺裝 置(3)、(XD成像系統(tǒng)(4)、計算機(5)、麻醉器(6)組成，其中光照模塊(2)有激光器(21)、分 束光纖(22)、照明LED (23)和光照模塊控制器(24)，旋轉(zhuǎn)平臺裝置(3)有麻醉裝置(31)、溫 控裝置(32 )、旋轉(zhuǎn)電機(33 )及旋轉(zhuǎn)平臺控制器(34 )，麻醉裝置31的一端連接麻醉器6，CXD 成像系統(tǒng)(4)有CXD器件(41)、電動聚焦鏡頭(42)、帶通濾光片輪(43)及CXD成像系統(tǒng)控 制器(44)，在暗箱(1)外部，分束光纖(22)的總束端與激光器(21)的輸出端相連，在暗箱 (1)內(nèi)部，分束光纖(22)的分束端位于旋轉(zhuǎn)平臺裝置(3)上方，照明LED (23)位于旋轉(zhuǎn)平 臺裝置(3)上方，C⑶成像系統(tǒng)(4)的接收光路的光軸與旋轉(zhuǎn)平臺裝置(3)的圓心相交，并 與平臺裝置(3)平面成45°角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物體熒光三維成像系統(tǒng)，其特征在于，C⑶器件(41) 采用高靈敏度冷CCD。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物體熒光三維成像系統(tǒng)，其特征在于，計算機(5)有三 個輸出信號和一個輸入信號，第一輸出信號(a)是光照模塊控制器(24)的輸入信號，用于 控制激光器(21)和照明LED (23)的開關(guān)，第二輸出信號(b)是旋轉(zhuǎn)平臺控制器(34)的輸 入信號，用于設(shè)定溫控裝置(32)的溫度及旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，第三輸出信號(c)是C⑶成 像系統(tǒng)控制器(44 )的輸入信號，用于控制電動聚焦鏡頭(42 )的聚焦、帶通濾光片輪(43 )的 旋轉(zhuǎn)、以及C⑶器件(41)的信號采集過程，輸入信號(d)是C⑶器件(41)采集到的圖像信 號，通過計算機(5 )進(jìn)行處理以及顯示。
4.權(quán)利要求1所述的一種生物體熒光三維成像系統(tǒng)在生物體圖像數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生物熒光三維成像系統(tǒng)，有暗箱、光照模塊、旋轉(zhuǎn)平臺裝置、CCD成像系統(tǒng)、計算機、麻醉器；光照模塊有激光器、分束光纖、照明LED和光照模塊控制器；旋轉(zhuǎn)平臺裝置有麻醉裝置、溫控裝置、旋轉(zhuǎn)電機及旋轉(zhuǎn)平臺控制器；CCD成像系統(tǒng)有CCD器件、電動聚焦鏡頭、帶通濾光片輪及CCD成像系統(tǒng)控制器；分束光纖的總束端與激光器輸出端相連，分束光纖的分束端位于旋轉(zhuǎn)平臺上方，照明LED位于生物旋轉(zhuǎn)平臺上方，CCD成像系統(tǒng)的接收光路的光軸與生物旋轉(zhuǎn)平臺的圓心相交。本發(fā)明采取分束光纖對生物整體進(jìn)行均勻激發(fā)光照，實現(xiàn)高通量數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和實時性，消除了懸掛式旋轉(zhuǎn)造成的生物體器官移位，靈敏度高、圖像數(shù)據(jù)采集精確。
文檔編號A61B5/00GK102048525SQ20111002822
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者宋博凡, 張君, 牟穎, 王瑩, 金偉, 金欽漢 申請人:浙江大學(xué)