[发明专利]定量光学分子断层成像装置和重建方法

权利要求书

1.一种定量光学分子断层成像装置，其特征在于：该装置由生物发光断层成像数据采集平台、MicroCT系统、定量校准系统和定量重建计算机构成，所述生物发光断层成像数据采集平台由高灵敏度CCD相机、小动物支架和旋转平台构成，高灵敏度CCD相机用于捕获小动物体内的生物发光光源溢出体表的分布情况，小动物支架固定小动物体在旋转过程中体形不发生变化，旋转平台用于旋转被测对象以通过CCD相机获得小动物体表不同视角的表面光源分布信息；所述MicroCT系统由X光管和平板探测器组成，通过锥束反投影算法实现多视角投影数据的断层重建，获得小动物体的三维解剖结构信息，这种三维信息与小动物的实际尺寸相同；所述定量校准系统为积分球均匀光源系统，实现对生物发光断层成像数据采集平台的定量校准；定量重建计算机实现光学和MicroCT数据的采集、控制以及光源的定量重建。

2.根据权利要求1所述的定量光学分子断层成像装置，其特征在于：MicroCT系统和CCD相机融合安装构成双模态系统，其中，高灵敏度CCD相机的主光轴与MicroCT系统的发射器投射的X射线的圆锥束的高相互垂直，在CCD相机上拍摄的小动物外形图像上读出的平面坐标加上主光轴方向成像公式确定的第三维坐标，根据光学数据的缩小倍数变换到实际尺寸，与MicroCT数据匹配后得到的配准结果，保证后续光学数据和MicroCT数据配准的精度。

3.根据权利要求1所述的定量光学分子断层成像装置，其特征在于：在小动物支架上设置4个直径为0.5-1.0mm的球形标记点，以便在重建的MicroCT三维数据上直接读出标记点的中心坐标。

4.一种光学分子成像定量重建方法，其特征在于：该定量重建方法通过建立视场函数对进入CCD相机的光进行定量；利用hp有限元网格细分策略对表面数据重建得到小动物体内的光源总能量；通过对小动物体内不同数量携带光学探针的细胞团所产生的等效光源进行重建得到光源的总能量，以标定重建不同总能量与不同细胞数量的关系，并进行验证。

5.根据权利要求4所述的分子成像定量重建方法，其特征在于：利用hp有限元网格细分策略对表面数据重建得到小动物体内的光源总能量的方法包含以下步骤：

步骤1：利用积分球均匀光源系统建立绝对辐照度与CCD相机所采集图像的图像灰度的一一对应关系

a)测定积分球均匀光源系统的最大噪声和CCD相机的灵敏度来确定校准系统线性区，在线性区内采集数据并进行相机的校准，以保证校准的精度和可靠性；

b)在校准系统线性区内调节积分球均匀光源系统使得在出光口表面的辐照度强度在线性区的最小和最大辐照度之间等间距变化n次，n的取值不小于10，积分球均匀光源系统读出的n次变化的每一个辐照度值和CCD相机捕获的图像灰度均值都有唯一的对应关系；

c)校准时CCD相机所捕获图像的视野在积分球均匀光源系统出光口圆面的范围内，并保持出光口中心位于CCD相机的主光轴上；

步骤2：双模态数据配准

a)利用生物发光断层成像数据采集平台分别采集完全密闭的暗环境下的多个视角小动物体表的生物发光信号和光照情况下小动物体的外形图像，采集小动物的外形图像的同时获取小动物支架上的标记点信息，读出标记点的坐标；

b)采集MicroCT的图像，并进行MicroCT图像数据的三维重建，在重建后的数据上读出标记点的三维坐标；

c)利用生物发光断层成像数据采集平台的CCD相机拍摄的带有标记点的外形图上获得的两维坐标加上在主光轴方向由成像公式计算的第三维坐标，根据图像缩小倍数将三维坐标还原到物体的实际尺寸，和MicroCT的标记点的三维坐标匹配，对MicroCT数据进行分割得到各个器官的解剖结构信息；

步骤3：建立小动物体表光源的定量视场函数，对进入CCD相机的光进行定量，由小动物一个视角表面光源分布的中心到CCD相机镜头端面边缘所形成的圆周平面为底面，以表面光源分布中心为球心，以该球心到CCD相机镜头边缘线段长度为半径，在镜头上截取球冠为可视区域；建立由视场所决定的进入CCD相机镜头能量大小的视场函数：

E=R0(R-d)R(R0-d0)---(1)]]>

(1)式中，R₀、R分别表示用积分球均匀光源系统校准时出光口表面中心和测量时小动物体表的光源分布中心到CCD相机镜头前端面边缘的距离，d₀、d分别表示用积分球均匀光源系统校准时出光口表面中心和测量时小动物体表的光源分布中心到CCD相机镜头前端面中心的距离，E表示进入CCD相机镜头的单位能量；

步骤4：小动物体内光源可行区的确定和初始网格剖分

确定步骤2得到的解剖结构数据中的每个器官区域的光学参数，对求解区域进行初始网格剖分，并获得表面节点的能量密度，根据表面能量分布，划定先验光源可行区；

步骤5：基于hp混合有限元网格细分策略建立第k级网格上内部未知光源和表面已知测量值之间的线性关系；

步骤6：对第k级网格上的最优化目标求解；

步骤7：确定满足求解的精度条件，如果满足则停止，得到光源分布，否则转到步骤8；

步骤8：确定第k+1级光源可行区及网格细分策略

根据第k级网格上重建出的光源分布确定第k+1级网格上新的光源可行区以及网格细分策略；

步骤9：转步骤5，缩小可行区，使k递增1，在第k+1级网格上进行光源重建，得到光源重建的总能量。

6.根据权利要求4所述的分子成像定量重建方法，其特征在于：对小动物体内携带光学探针的不同数量的细胞团所产生的等效光源进行重建得到光源的总能量，以标定不同的重建总能量与不同细胞数量的关系，包含以下步骤：

步骤[1]：对携带光学探针的不同数量的细胞团进行光源重建，得出重建的总能量；

步骤[2]：对细胞的数量与细胞所产生的光能量重建得到的总能量进行线性拟合，来标定重建光源的总能量与细胞数量的关系；对同一数量细胞所重建的光源总能量进行统计分析，对结果取平均值，并分析偏差；将不同细胞数量所构成的光源重建得到的总能量w_n与所对应的细胞数量c_n进行线性拟合：

c_n＝a·w_n+b                (2)

式(2)中，a和b为构成光源的细胞团的细胞数量C_n与其重建得到的总能量w_n的线性拟合系数；

步骤[3]：对拟合的结果做数据准确性验证

对已知相同细胞数量的细胞团进行光源重建，得到总能量并根据重建光源总能量w_n的平均值利用步骤[2]所得到的拟合计算式(2)算出细胞的总数量，比较计算结果和已知结果e₀的偏差，如计算值在e₀(1±5％)范围内则满足准确性要求，否则转到步骤[2]重新对多组数量、同组多个的细胞团重建光源的总能量均值和细胞数量进行线性拟合。