[发明专利]小动物自发荧光与磁共振双模态分子融合成像系统和方法

权利要求书

1.小动物自发荧光与磁共振双模态分子融合成像系统，其特征在于，包括：

小动物磁共振成像模块(5)，其包括一磁共振检查床；

小动物自发荧光成像模块(1)，置于磁共振检查床尾端，所述小动物自发荧光成像模块(1)采用CCD探测光学信号；

衔接模块(4)，置于磁共振检查床上，且能在小动物自发荧光成像模块(1)和小动物磁共振成像模块(5)间往复移动，用于实现小动物在自发荧光成像模块和磁共振成像模块之间的一站式信息采集；

系统控制模块(7)，为一控制计算机，用于控制所述小动物自发荧光成像模块(1)、小动物磁共振成像模块(5)和衔接模块(4)，并处理采集到的磁共振和荧光数据。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：小动物磁共振成像模块(5)具体包括：

临床磁共振设备，包括一磁共振检查床和磁共振成像模块，用于提供临床3.0T高场磁共振；

小动物专用线圈(6)，置于磁共振检查床首端，用于进行磁共振并采集小动物磁共振成像信号。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：小动物自发荧光成像模块(2)具体包括：

载物台，其上设有光学密封箱，光学密封箱内设有CCD探测器；

光学密封箱旁边设有与其配套的照明光产生模块(3)。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：CCD探测器固定在光学密封箱内部上端，

光学密封箱内部下端装配在载物台上表面，

CCD探测器位于载物台正上方，用于对固定在载台上的小动物进行图像采集；

载物台内设有配重模块(2)，用于增加小动物自发荧光成像模块(1)的重量。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：衔接模块具体包括：

设于磁共振检查床上的导轨；

沿导轨往复运动的滑块，滑块上设有用于固定小动物四肢的固定带；

固定带使得小动物在衔接模块上传送时姿态保持不变。

6.基于权利要求1～5任意之一所述系统的小动物自发荧光与磁共振双模态分子融合成像方法，包括数据采集和数据处理两大步骤，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)小动物光学数据采集，所述光学数据包括小动物白光数据和自发荧光数据；

(2)小动物磁共振数据采集，采用小动物线圈借助临床磁共振设备采集三维磁共振数据；

(3)小动物自发荧光数据与磁共振数据配准，借助数字图谱对磁共振数据进行自动分割和体剖分，采用小动物磁共振三维轮廓与小动物白光边缘自动匹配的配准方法，将自发荧光成像模块采集到的二维荧光图像映射到小动物的三维磁共振图像外表面；

(4)自发荧光成像三维重建，利用有限元方法构建小动物体内光源与小动物身体表面自发荧光数据的数学模型，如下：

min||AS-Φ||₂,S≥0

式中Φ为采集到小动物体表光学数据，A为利用有限元方法计算得到的系统矩阵，S为小动物体内光源为光子流率密度，||||₂表示求2范数。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，数据采集的具体步骤如下：

(1.a)对小动物进行麻醉，腹腔注射荧光素酶底物，并固定在小动物载台上；

(1.b)开启照明光产生模块产生照明光，使用CCD探测器，采集白光信号；

(1.c)关闭照明光产生模块，在黑暗环境下使用CCD探测器，采集自发荧光信号；

(1.d)小动物从荧光成像模块中自动移出，通过衔接模块传送至小动物线圈，开启临床磁共振扫描模式，采集磁共振数据，获取磁共振图像。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，数据处理的具体步骤如下：

(2.a)借助Amira软件，进行磁共振数据的自动分割与体剖分，并获取小动物轮廓和结构；

(2.b)对白光数据与磁共振数据进行配准，使白光数据与磁共振轮廓重合，然后将自发荧光数据映射到小动物磁共振数据体表面映射；

(2.c)利用有限元方法进行基于漫反射方程的体内光源重建，小动物体内光源与表面自发荧光数据的关系可用以下漫射方程描述：

μaΦ-▿·(D▿Φ)=S]]>

其中Φ为光子流率密度，μ_a为吸收系数，D＝1/3(μ_a+μ′_s)为漫射系数，μ′_s＝(1-g)μ_s为约化散射系数，μ_s为散射系数，g为各项异性系数，S为光源功率密度；

结合Robin边界条件描述可以得到小动物身体表面光强与小动物体内光源的关系为：

Φ＝AS

式中Φ为采集到小动物体表光学数据，A为利用有限元方法计算得到的系统矩阵，S为小动物体内光源为光子流率密度。考虑到S的非负特性，S可通过求解如下最优化问题得到：

min||AS-Φ||₂,S≥0

式中Φ为采集到小动物体表光学数据，A为利用有限元方法计算得到的系统矩阵，S为小动物体内光源为光子流率密度，||||₂表示求2范数。