[发明专利]一种光声和荧光循环互提升成像方法

说明书

技术领域

本发明属于多模态生物医学成像技术领域，尤其涉及一种光声和荧光循环互提升成像方法。

背景技术

荧光成像技术在分子影像的发展中占有重要的地位。荧光成像可以实现荧光信号的三维重建。得益于光学分子探针和成像手段的不断进步，光学分子影像技术在过去十多年中获得了飞速的发展，并因其高灵敏度、高特异性、无电离辐射、成本低廉等特点受到了越来越多的关注。光学分子探针技术使得高特异性的区分正常组织和感兴趣组织(如肿瘤、血管等)成为可能。但是由于生物组织对光子具有很强的吸收和散射作用，导致光学成像的深度有限，三维重建也具有很强的病态性。

为此，很多研究人员引入其他成像模态来弥补荧光成像技术的不足。将X光CT成像与FMT成像技术融合，可以利用CT成像技术提供的高分辨率生物体解剖结构作为先验信息提高荧光信号的三维重建质量。但是CT成像虽然可以提供高分辨率的结构信息，CT成像时不可避免的存在电离辐射，而且CT成像对软组织的分辨率相对比较低。除了CT成像，磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)也可用于为光学三维成像提供解剖结构信息。MRI成像不仅可以提供高对比度的软组织分辨率，同时还可以提供生物体的功能代谢信息。但是将光学成像技术和MRI成像相结合，需要产生超高场强的磁场，这导致成像设备的体积比较大，设备成本比较高，从而限制了这种多模态融合方式的发展。需要指出的是，虽然CT和MRI都能提供生物体的解剖结构信息，但是它们都无法直接提供生物体的光学参数信息(生物组织的吸收系数和散射系数)。如何利用其它成像模态获取生物组织的光学特异性信息，从而提高荧光三维断层成像效果是一个值得研究的问题。

近年来，光子与物质之间相互作用的两种物理效应——荧光效应和光声效应——被充分挖掘以使得人们能够“看到”和“听到”光与生物组织、分子探针之间的相互作用。荧光效应是指当高能量短波长光子射入某些物质时，物质中的电子吸收能量，从基态跃迁至高能级；由于电子处在高能级时不稳定，就会从高能级跃迁至低能级，从而释放出能量，发出波长较长的荧光光子。与荧光效应中物质以光子辐射的形式释放所吸收的能量不同，在光声效应中，光子照射到物质上的能量，被转化成热能，进而转化为机械振动，以超声波的形式释放吸收的能量。借助荧光效应和光声效应，分别发展起来荧光成像和光声成像这两种广受关注的成像模态。

当前主流多模态图像融合方法是先将多模态影像数据进行配准（依靠数据配准或利用融合成像系统直接采集配准的图像），然后通过简单的叠加或图像融合，在同一幅图像中显示多种成像模态的信息。PET/CT就是这种融合模式的典型代表。但是这种融合方式仅是在图像层次上进行了融合，没有充分挖掘不同成像模态的信息互补性，不能提高各个成像模态的成像质量。

光声成像和荧光成像这两种成像方法具有很好的互补性，那么如何有效的融合光声与荧光测量数据，从而获得更大的成像深度、更高空间的分辨率和更全面准确的影像信息就有重要的意义。光声和荧光融合问题又有其特殊性：光声成像只能反映组织的光吸收特性；而荧光成像空间分辨率和深度有有限。因此如何有效融合光声和荧光成像信息，实现两种模态成像质量的共同提升，是本专利所涉及的一个核心问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有单一光声成像和单一荧光成像模态的不足，达到光声和荧光成像互相提升的效果，反映更全面的结构和功能信息。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提出了一种光声和荧光循环互提升成像方法，该方法涉及光声成像（PAT）、荧光分子成像（FMT）和扩散光学断层成像（DOT）三种成像模块，适用于光声和荧光多模成像系统。

本发明提出的一种光声和荧光循环互提升成像方法包括以下步骤：

步骤1：利用光声成像/荧光分子成像双模态系统进行光声成像，采集得到待成像对象的与多个光谱谱段对应的光声信号，基于所述光声成像中各物理量之间的对应关系，对于所述光声信号进行求解，重建得到每个光谱谱段的光声图像，即组织光学吸收系数分布；

步骤2：将所述步骤1得到的组织光学吸收系数分布作为先验信息，进行多光谱扩散光学断层成像重建，得到更准确的组织光学吸收系数分布和组织光学散射系数分布，并将这两个系数作为先验信息，计算一定激光照射下待成像对象组织内的光能量密度分布；