專利名稱：采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像系統(tǒng)，特別是一種采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
契倫科夫熒光斷層成像(CerenkovLuminescence Tomography, CLT)已經(jīng)成為一種重要的核醫(yī)學影像模態(tài)，其被證明完全等效于正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography, PET)與計算機斷層成像(Computed Tomography, CT)的融合，或者是等效于單光子發(fā)射計算機斷層成像(Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT)與計算機斷層成像(Computed Tomography, CT)的融合，即 PET/CT、SPECT/CT。2010年，美國加州大學戴維斯分校(University of California，Davis)首次提出CLT概念并使用PET/CT和疾病動物模型在體驗證兩者間的一致性(Opt. Lett. 2010,35 1109-1111)。西安電子科技大學運用臨床SPECT/CT設備驗證CLT的成像性能，充分證明了 CLT與SPECT/CT的線性關(guān)系(Opt. Express 2010，18 :24441-24450)。中國科學院自動化研究所應用光學/CT成像系統(tǒng)，通過改進前向成像模型，優(yōu)化了 CLT成像質(zhì)量(Arm. Biomed. Eng. 2011,39 :1728-1735)。然而，CLT成像仍然存在以下關(guān)鍵技術(shù)問題亟待破解有限角度信號采集與圖像重建，實現(xiàn)物理成像對象的全空間信息反演表征。這將減少信號探測次數(shù)，從物理水平縮短成像時間，有效減小生物體生理與外界環(huán)境因素變化造成的圖像信息蛻變風險，這對于放射性藥物動力學和代謝組學成像至關(guān)重要。針對上述關(guān)鍵技術(shù)問題，欠定線性系統(tǒng)數(shù)值計算方法的發(fā)展為高質(zhì)量CLT成像提供可能途徑。在CLT成像反演線性系統(tǒng)空間，已知的探測單元維數(shù)遠遠小于未知變量維數(shù)，系數(shù)矩陣的特征值圖像不再具備非零元素值簇聚在對象線上的特征。幾何尺度變換作為一種調(diào)和特征值分布圖像預處理技術(shù)，為非對稱線性系統(tǒng)的準確求解起到了加速作用 (Parallel Comput. 2010,36 :495-515)。鑒于壓縮感知系統(tǒng)的Lp球形泛涵算子解的最小最大平均誤差分析(arXiv :1103. 1943)，近似信息傳遞(Approximate Message Passing, AMP)方法被證實是欠定空間求解的一種快速準確方法(ISIT，2010IEEE International Symposium on 1528-1532)。綜上所述，設計一種快速準確CLT成像方法，即低維陣列探測模式耦合幾何尺度變換和近似信息傳遞處理技術(shù)，既可能也必要，符合高端影像設備原始技術(shù)創(chuàng)新的需求。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種采用低維陣列探測的CLT成像系統(tǒng)與方法。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種采用低維陣列探測的CLT成像系統(tǒng)，包括
光學探測裝置，用于圍繞物理成像對象的中心軸線，從四象限各采集一幅物理成像對象的平面光學圖像，并存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；結(jié)構(gòu)成像裝置，用于采集物理成像對象的整體計算機斷層成像CT圖像，并存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；以及數(shù)據(jù)處理裝置，用于對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，形成契倫科夫熒光斷層成像CLT圖像并顯示。為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種采用低維陣列探測的CLT成像方法，包括步驟光學探測裝置圍繞物理成像對象的中心軸線，從四象限各采集一幅物理成像對象的平面光學圖像，存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；結(jié)構(gòu)成像裝置采集物理成像對象的整體CT圖像，存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，形成CLT圖像。其中，數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建具體包括如下步驟在整體CT圖像基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)處理裝置將四幅光學圖像包含的能量強度信息影射到物理成像對象的體表，建立低維探測空間B與高維未知源矢量空間S的線性關(guān)系A(chǔ)S = B， 其中A為常數(shù)矩陣；對常數(shù)矩陣A進行幾何尺度變換，行向量歸一化；以及采用近似信息傳遞計算出高維未知源矢量空間S的向量值，繪出CLT圖像。所述采用近似信息傳遞計算出高維未知源矢量空間S的向量值，繪出CLT圖像，具體包括假設某序列估計值{S°，S1，S2，. . . } e Rn，且S° = 0，t是大于0的整數(shù)Zt = B-A S'+G (St)St+1 = F (S、AT Zt ； θ t)，其中，G(x)是迭代更新函數(shù)，F(xiàn)(x)為軟閾值函數(shù)，θ t是設定的閾值列矢量值。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、線性變換泛涵空間是四面體有限單元離散化的微分-積分方程組數(shù)值算子，屬于非線性變換結(jié)果，其特征值分布圖像具備非主對角線元素占優(yōu)現(xiàn)象，通過采用幾何尺度變換，加快迭代求解收斂速度；2、探測空間維數(shù)遠遠低于未知源空間，CLT圖像重建屬于欠定線性問題求解范疇， 在物理意義上系統(tǒng)欠定等效于探測量被施加噪聲且增強解空間的病態(tài)性；在物理成像對象內(nèi)部的未知項空間，微量醫(yī)學同位素散落分布在其中，聚居于極小體積內(nèi)的早期病灶或者生化異常部位，在數(shù)學上等效于稀疏性解空間；采用近似信息傳遞方法，快速獲取欠定線性系統(tǒng)稀疏解并重建繪制CLT圖像；3、本發(fā)明為小分子量(分子式量小于1000)糖類、神經(jīng)遞質(zhì)、寡核酸以及小分子 RNA片段等研究提供快速準確的在體顯像方法，為代謝組學和藥效評判研究提供新技術(shù)。


圖1是依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像方法的流程圖；圖3是依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像系統(tǒng)的總體組成及四象限光學成像框圖；圖4是依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像方法中CLT圖像重建的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明通過采用探測物理成像對象發(fā)射的部分光子，運用信息傳遞近似方法準確模擬三維反演成像過程，獲取物理成像對象的契倫科夫熒光斷層圖像。本發(fā)明使用低維信號探測單元陣列，結(jié)合幾何尺度變換和信息傳遞近似模型，實現(xiàn)物理成像對象內(nèi)部超高維未知分布矢量的三維圖像，縮短了探測器掃描與成像時間，為嚴重病態(tài)核醫(yī)學反演成像提供一種快速準確方法。如圖1所示，圖1是依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)包括光學探測裝置11、結(jié)構(gòu)成像裝置12和數(shù)據(jù)處理裝置13。其中，光學探測裝置11用于圍繞物理成像對象的中心軸線，從四象限各采集一幅物理成像對象的平面光學圖像，并存儲于數(shù)據(jù)處理裝置13。結(jié)構(gòu)成像裝置12用于采集物理成像對象的整體 CT圖像，并存儲于數(shù)據(jù)處理裝置13。數(shù)據(jù)處理裝置13用于對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，形成CLT圖像?；趫D1所示的依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像系統(tǒng)，圖2示出了依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像方法，該方法包括以下步驟步驟21 光學探測裝置圍繞物理成像對象的中心軸線，從四象限各采集一幅物理成像對象的平面光學圖像，存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；步驟22 結(jié)構(gòu)成像裝置采集物理成像對象的全域CT圖像，存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；步驟23 數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和全域CT原始圖像進行融合重建，形成CLT圖像。步驟23中所述數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，具體包括如下步驟步驟231 在整體CT圖像基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)處理裝置將四幅光學圖像包含的能量強度信息影射到物理成像對象的體表，建立低維探測空間B與高維未知源矢量空間S的線性關(guān)系A(chǔ)S = B，其中A為常數(shù)矩陣；步驟232 數(shù)據(jù)處理裝置對常數(shù)矩陣A進行幾何尺度變換，行向量歸一化；以及步驟233 數(shù)據(jù)處理裝置采用近似信息傳遞計算出高維未知源矢量空間S的向量值，繪出CLT圖像。步驟233中所述數(shù)據(jù)處理裝置采用近似信息傳遞計算出高維未知源矢量空間S的向量值，繪出CLT圖像，具體包括
假設某序列估計值{S°，S1，S2，. . . } e Rn，且S° = 0，t是大于0的整數(shù)，則Zt = B-A S'+G (St)St+1 = F (S^A1Zt ； θ t)，其中，G(x)是迭代更新函數(shù)，F(xiàn)(X)為軟閾值函數(shù)，θ t是設定的閾值列矢量值。步驟23中所述在數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，形成CLT圖像之后，該方法還包括數(shù)據(jù)處理裝置將形成的CLT圖像傳輸給顯示終端進行顯示。下面結(jié)合附圖以CCD和小動物CT系統(tǒng)為例對本發(fā)明方法做詳細的描述，但不限于這種實現(xiàn)方式，可以適用于動物、人體以及臨床分子核醫(yī)學圖像重建。如圖3所示，圖3是依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像系統(tǒng)的總體組成及四象限光學成像框圖。該系統(tǒng)包括物理對象成像床體裝置31、計算機32和光學-CT成像裝置33。其中，物理對象成像床體裝置31能夠掛立式360度自動旋轉(zhuǎn)，輔助四象限空間連續(xù)探測，其中C⑶被固定，等效于依次從X正半軸(X+)、Y正半軸(Y+)、X負半軸(Χ_)、Υ負半軸(Υ-)等四個視角獲得光學圖像。計算機32用于實時控制正交固定的光學-CT成像裝置33，實現(xiàn)雙模態(tài)成像，并在其終端顯示器中可視化CLT圖像。光學-CT成像裝置33，用于采集光學-CT原始圖像。如圖4所示，圖4是依照本發(fā)明實施例的采用低維陣列探測的CLT成像方法中CLT 圖像重建的流程圖，包括如下步驟步驟41 在體成像。物理成像對象麻醉后尾靜脈注射ImL放射性活度39!3uCi 氟-[18F]脫氧葡糖(18F-FDG)試劑，30min后驅(qū)動物理對象成像床體裝置11機動旋轉(zhuǎn)，成像系統(tǒng)獲取光強度分布圖和CT圖；網(wǎng)格化CT數(shù)據(jù)，分離出物理成像對象表面可以被探測到的極點和內(nèi)部不能被檢測的單元。步驟42:探測空間。由于X+軸向未采集到熒光，將Υ+、Χ-、Υ_等三個象限空間CXD 平面探測的強度信息影射到小動物表面2345個極點，從而建立線性空間已知項，2345個探測點或探測空間列向量B。步驟43:未知項空間。CT圖像被有限單網(wǎng)格化生成3952個極點、25853條邊、 43079個三角面片、21177個四面體，其中四面體單元作為未知項，構(gòu)成待求變量，即未知光源分布列向量S;同時，有限元空間生成系數(shù)矩陣Α。步驟44 幾何行尺度變換。假設 A = Ia1 ;a2 ；. · · }T(i = 1,2, · · · ,2345),屮是 A 的η = 21177維行向量，計算其歐幾里德范數(shù)值％ =IIaitI;，定義數(shù)值1/\為對角陣Λ的第
i個非零元素，執(zhí)行ΛΑ S= ΛΒ操作完成幾何尺度變換，更新A和B向量空間元素值。步驟45 圖像重建初始化設置。設置初始解義且Z° = A S0, t為大于零的正整數(shù)，m為列向量B的維數(shù)。步驟46 近似信息傳遞迭代計算。該計算過程分為如下步驟>St+1 = F(St+ATZt ； 9汐，且？“； θ ) = {χ- θ , if χ > θ ；0,if χ | ^ θ ； θ -χ, ifx> θ}，其中θ是經(jīng)驗設定常數(shù)值(如2Χ10_9)；> Zt+1 = Z0-AF (S0-St ； θ t) + (n/m) Z^H' (t) > ；
ηH(t) = S0-F(S'+A1 Zt ; θ t)，< V > = η-1^Vi。 > i=l
步驟47 迭代終止條件。每次迭代計算完成時，按照I I St-Sw I I /St ( C的不等式判斷該次迭代運算是否終止，假如不等式成立，則終止下一步迭代計算，退出近似信息傳遞計算，輸出最終解SK，其中，C為經(jīng)驗常數(shù)，如 ο—1，K為正整數(shù)。步驟48 =CLT圖像。依據(jù)迭代終止后解空間的值Sk和四面體有限單元離散的三維數(shù)據(jù)體網(wǎng)格，將重建所得的光學能量強度值映射給四面體每個極點，最終構(gòu)建并可視化醫(yī)學同位素在體三維分布斷層圖像。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括 光學探測裝置，用于圍繞物理成像對象的中心軸線，從四象限各采集一幅物理成像對象的平面光學圖像，并存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；結(jié)構(gòu)成像裝置，用于采集物理成像對象的整體計算機斷層成像CT圖像，并存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；以及數(shù)據(jù)處理裝置，用于對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，形成契倫科夫熒光斷層成像CLT圖像并顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理裝置在對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建時， 是在整體CT圖像基礎(chǔ)上，將四幅光學圖像包含的能量強度信息影射到物理成像對象的體表，建立低維探測空間B與高維未知源矢量空間S的線性關(guān)系A(chǔ)S = B，其中S和B分別為η 和m維列向量，A為來源于輻射傳輸方程高階近似離散模型的mXn維系數(shù)矩陣，且m<< η; 然后數(shù)據(jù)處理裝置對常數(shù)矩陣A進行幾何尺度變換，行向量歸一化；數(shù)據(jù)處理裝置采用近似信息傳遞計算出高維未知源矢量空間S的向量值，繪出CLT圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，采用幾何尺度變換和信息傳遞變換，達到準確重建放射放射性藥物分布與代謝圖，通過三維斷層圖像形式實現(xiàn)藥物動力學與藥效學過程，以及同位素示蹤劑在體組織器官攝取與代謝的功能-分子-結(jié)構(gòu)信息的可視化。
4.一種采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像方法，應用于權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該方法包括光學探測裝置圍繞物理成像對象的中心軸線，從四象限各采集一幅物理成像對象的平面光學圖像，存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；結(jié)構(gòu)成像裝置采集物理成像對象的整體CT圖像，存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；以及數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，形成CLT 圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，具體包括在整體CT圖像基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)處理裝置將四幅光學圖像包含的能量強度信息影射到物理成像對象的體表，建立低維探測空間B與高維未知源矢量空間S的線性關(guān)系A(chǔ)S = B，其中 S和B分別為η和m維列向量，A為來源于輻射傳輸方程高階近似離散模型的mXn維系數(shù)矩陣，且m << η ；數(shù)據(jù)處理裝置對常數(shù)矩陣A進行幾何尺度變換，行向量歸一化；以及數(shù)據(jù)處理裝置采用近似信息傳遞計算出高維未知源矢量空間S的向量值，繪出CLT圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理裝置將四幅光學圖像包含的能量強度信息影射到物理成像對象的體表， 建立低維探測空間B與高維未知源矢量空間S的線性關(guān)系A(chǔ)S = B,是使用近似信息傳遞變換，實現(xiàn)嚴重欠定病態(tài)線性系統(tǒng)(例如AS = B，S和B分別為η和m維列向量，A為來源于輻射傳輸方程高階近似離散模型的mXn維系數(shù)矩陣，且m < < η)的自正則化快速準確求解。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理裝置采用近似信息傳遞計算出高維未知源矢量空間S的向量值，繪出CLT 圖像，具體包括假設某序列估計值{S0, S1，S2，...} e Rn，且S° = 0，t是大于0的整數(shù)，則 Zt = B-A S'+G (St) St+1 = F (S^A1Zt ； θ t)，其中，G(x)是迭代更新函數(shù)，F(xiàn)(x)為軟閾值函數(shù)，θ t是設定的閾值列矢量值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，采用幾何尺度變換和信息傳遞變換，達到準確重建放射放射性藥物分布與代謝圖，通過三維斷層圖像形式實現(xiàn)藥物動力學與藥效學過程，以及同位素示蹤劑在體組織器官攝取與代謝的功能-分子-結(jié)構(gòu)信息的可視化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像方法，其特征在于，該方法在數(shù)據(jù)處理裝置對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建， 形成CLT圖像之后，還包括數(shù)據(jù)處理裝置將形成的CLT圖像傳輸給顯示終端進行顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用低維陣列探測的契倫科夫熒光斷層成像系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括光學探測裝置，用于圍繞物理成像對象的中心軸線，從四象限各采集一幅物理成像對象的平面光學圖像，并存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；結(jié)構(gòu)成像裝置，用于采集物理成像對象的整體計算機斷層成像圖像，并存儲于數(shù)據(jù)處理裝置；以及數(shù)據(jù)處理裝置，用于對存儲的四幅平面光學圖像和整體CT原始圖像進行融合重建，形成CLT圖像。本發(fā)明使用低維信號探測單元陣列，結(jié)合幾何尺度變換和信息傳遞近似模型，實現(xiàn)物理成像對象內(nèi)部超高維未知分布矢量的三維圖像，縮短了探測器掃描與成像時間，降低了生理與環(huán)境因素造成的圖像質(zhì)量退化風險，為嚴重病態(tài)核醫(yī)學反演成像提供一種快速準確方法。
文檔編號A61B6/03GK102335005SQ20111020991
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者楊鑫, 田捷, 秦承虎, 鐘江宏 申請人:中國科學院自動化研究所