[发明专利]基于超光谱成像的肿瘤成像方法、装置、设备及存储介质

说明书

本发明公开了一种基于近红外II区超光谱成像的肿瘤乏氧在体定量成像方法、装置、设备及存储介质，该方法采用新颖的近红外II区超光谱成像技术框架，进行多分子荧光信号高分辨率采集；构建激发荧光标准谱，融合光谱智能分离技术，突破多分子荧光强度信息同步精准测量的技术难题；采用双数字微镜阵列，通过空间频率调制激发与结构光单像素采集相结合的方式，进行荧光寿命信息的采集和三维重建，实现组织氧合水平和乏氧多分子事件的一体化获取。设备同机融合荧光强度成像、荧光寿命成像以及结构成像三种技术，实现肿瘤乏氧多分子信息的在体定量可视化，为深入解析在乏氧条件下多分子事件的演变规律提供了硬件支持。

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于超光谱成像的肿瘤成像方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

对于光学成像而言，成像深度和空间分辨率是目前制约该技术应用的普遍性问题。而肿瘤乏氧在体研究中面临多种分子需要协同观测的情况，这对单种分子的精确定量更是提出了巨大的挑战。2016年Nature Methods的刊文“Highly multiplexed imaging也指出，制约多分子荧光成像的核心问题是如何克服不同探针间的荧光谱串扰。此外，由于光学成像技术自身的特性，荧光强度成像与荧光寿命成像的同机融合势必会造成成像采集时间的显著增加。

随着分子影像技术的快速发展，通过靶向性探针对特定分子的标记，利用核素成像、荧光成像、光声断层成像等技术手段对注入实验动物体内的分子探针发出的信号进行成像采集，现已能够一定程度反映肿瘤乏氧适应下的单分子信息改变。

核素成像具有良好的分子探测灵敏度，是肿瘤乏氧研究领域经典的技术手段。放射性核素探针经静脉注射后，能够与乏氧分子结合在肿瘤内浓聚，其在肿瘤内的浓度和分布信息间接反映肿瘤的乏氧改变。通过与IF-脱氧葡萄糖等核素标记的代谢原料进行联合成像，还能进一步获取肿瘤的功能代谢信息。然而，由于核素成本高昂、代谢缓慢且具有电离辐射等特点，核素成像不适用于肿瘤乏氧的动态研究。

荧光成像具有侵入性小、成本低、分子探针种类多和高成像通量等优势，在肿瘤乏氧研究领域具有广阔的发展前景。荧光成像能够即时捕捉来自动物活体内的荧光分子探针所产生的荧光信号，并通过荧光强度信息重建图像，实现定性、半定量地反映肿瘤乏氧的分子演变。现有的荧光成像设备主要采用近红外I区(700-900nm)进行成像，该谱段的光子在生物组织内被高度吸收和散射，导致现有的荧光成像设备较低的空间精度和受限的成像深度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术方法的缺点与不足，提供一种基于超光谱成像的肿瘤成像方法、装置、设备及存储介质。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于近红外II区超光谱成像的肿瘤乏氧在体定量成像方法，包括：

使用多组连续激光作为激发光源，通过空间频率调制，激发待成像肿瘤上设置的探针产生第一荧光信号，通过近红外II区相机对近红外II区范围内的第一荧光信号进行搞频谱分辨率的多分子荧光强度信息采集；

使用脉冲激光光源，通过空间频率调制，激发待成像肿瘤上设置的探针产生荧光信号，激发的第二荧光信号通过数字微镜阵列进行结构光调制，经调制的第二荧光信号经过放大作用，通过时间相关光子计数进行面光源的单像素采集，获得荧光寿命信息；

使用X光发射源，照射设置于旋转台上的待成像肿瘤解剖结构，通过X光平板探测器获取待成像肿瘤解剖结构的360°放射投影信息；

收集采集到的多分子荧光强度信息、荧光寿命信息及解剖结构的360°放射投影信息，进行多分子荧光强度信息的精准分离、荧光寿命信息的单像素解算、解剖结构的图像重建、多分子荧光强度信息和荧光寿命信息的三维重建及多分子信息的横向比较和量化信息。

进一步地，在多分子荧光强度信息采集的步骤中，