技术领域
本发明属于多模态分子影像领域，涉及一种单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像系统。
背景技术
多模态成像系统在科学研究和医疗检测中起着重要的作用，并已广泛应用。从针对于小动物的多模态成像设备到人体医疗检测设备，多模态成像以其结合不同成像设备优点的独特功能，而受到广泛关注。多模态成像系统目前主要有：PET-CT系统、超声-CT/MR融合成像系统等。
PET-CT系统是目前广泛应用的多模态成像系统，融合了PET和CT两种系统，可以有效检测结构信息与生物功能信息。但PET-CT系统放射性剂量较大，需要同时使用X射线源和放射性造影剂进行成像，对科研人员的伤害较大，射线防护要求较高。
超声-CT\MR系统是目前的研究热点，超声、CT、MR系统具有各自的优点与不足，其多模态融合技术具有较大的研究价值。超声系统对人体伤害小，但其分辨率较低，穿透深度有限，成像精度难以满足许多应用场合的要求，在动物实验中也难以应用；CT系统分辨能力较强，扫描时间短，但放射性较强，且功能成像能力弱；MR对软组织可以有效成像，但其扫描时间长，且分辨率较差、功能成像能力弱，在许多动物实验中应用较为困难。
目前多模态成像的主要目标是保证分辨能力的基础上，实现较快、较敏感的功能成像，同时减少辐射剂量，增加设备的安全性。为了解决多模态成像技术的问题，现可采用CT成像系统和荧光成像的结合的方法。CT成像系统可以使图像的分辨能力达到微米级水平，同时X射线激发的荧光系统可以实现成像的高灵敏性。由于CT拍摄的同时可通过X射线激发荧光材料发光，故可通过单一射线源实现双模态成像，从而达到降低辐射剂量的目的。
荧光成像可以测定荧光分子在活体小动物体内的三维分布情况，它通过荧光探针对活体动物目标中的特殊细胞团进行标记，可以高度敏感性和选择性地检测复杂生物分子及活细胞中特定成分。具有灵敏度高、动态响应范围宽的优点，其测定条件适宜生命体的生理环境。现应用的荧光材料多属于自发荧光，发光效率低，光强不稳定。使用X射线激发荧光探针，可以保证探针发光稳定性，并提高发光强度。
X射线在生物医学领域发挥了重要的作用，CT设备使人们可以对物体进行三维成像。科研用CT多为采用锥形束成像方式的显微CT系统，其系统分辨率较高，通常为微米量级或亚微米级，可以清楚表征物体三维信息。显微CT系统现已广泛应用于高精度的小动物成像中，可快捷稳定地为科研人员提供清晰、完整的实验动物内部结构信息。
发明内容
技术问题：本发明提供一种将两种模态融合，达到单发双模成像效果，具有深度激发性、高灵敏激发性、高强度激发性的单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像装置。本发明同时提供一种单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像方法，使用荧光材料（X线激发），单源发射X线，配合X线及荧光探测器同时成像，分别得到CT及荧光图像，最终将两种模态融合，达到单发双模的成像效果。
技术方案：本发明的单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像装置，包括设置在同一平面的X射线点源、载物台、X射线探测器和荧光探测器，所述X射线点源、载物台、X射线探测器设置在同一直线上，并构成X-CT光路，所述荧光探测器中设置的荧光镜头对准载物台设置，所述X射线点源、X射线探测器和荧光探测器的相对位置固定，并能一同以载物台为中心，相对载物台转动。
进一步的，本发明系统中，X射线点源、X射线探测器和荧光探测器安装于转盘上，所述载物台位于转盘中心并固定不动。
进一步的，本发明系统中，X射线点源、X射线探测器和荧光探测器安装于固定基座上，所述载物台位于固定基座中心并能够旋转。
本发明的单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像方法，包括以下步骤：
1）将结合了X射线荧光材料的被检样本放置于载物台上，并将其X线探测器及荧光探测器视野的中心；
2）设置射线源参数并打开X射线源，发射X射线，同时打开驱动装置，使X射线点源、X射线探测器和荧光探测器一同以载物台为中心，相对载物台转动；
3）在X射线点源、X射线探测器和荧光探测器相对载物台转动至不同角度的同时，X射线探测器和荧光探测器分别采集各帧图像的数据；
4）将采集到的X射线探测器数据和荧光探测器数据分别进行断层重建，并将得到的双模断层数据进行融合。
进一步的，本发明方法中，所述步骤3）中X射线探测器和荧光探测器采集数据的方式是：通过唯一的X射线点源发射X射线，激发被检样本中的X射线荧光材料发光，一方面用荧光探测器采集受激发产生的荧光，一方面用X射线探测器采集X射线点源发射的X射线。
进一步的，本发明方法中，所述步骤4）中采用CT重建算法对X射线探测器数据进行断层重建，采用求解扩散近似方程的方法对荧光探测器数据进行断层重建。
进一步的，本发明方法中，所述步骤4）中将得到的双模断层数据进行融合，是通过配准方法来确定两种模态数据间的空间对应关系。
本发明中采用的X线荧光材料是具有X线激发荧光性质的材料，包括发光光谱对应于可见光和远近红外以及紫外等各个谱段的各类荧光材料，其材料包括荧光基团、荧光蛋白和各类无机荧光物质，其材料形式包括荧光固体药品、液体药品、探针、造影剂等。凡是受到X射线激发产生荧光的材料均属于本系统所描述的范围。
本发明中X线荧光材料与生物组织的结合方式有两类，一类为将荧光材料直接注射入目标区域，通过成像，检测目标的结构、物质组成等信息；另一类为将通过生物化学方法包装后的荧光物质注射入血液或其他身体部位，通过荧光物质自身的聚集效应，在目标区域聚集，经过X射线-荧光双模态成像后，达到示踪、标记等目的。
本发明中，X射线点源与X射线探测器以及受检物体安装在同一直线上，构成X射线辐射探测子系统，荧光探测器与受检物体构成荧光光路系统，其在该平面内的安装位置可以根据实际情况任意调整，但要满足其镜头方向对准受检物体。X射线点源、X射线探测器、荧光探测器被置于同一平面内，使得荧光光路系统与X射线光路系统存在重叠部分。通过X射线扫描的方式对受检物体进行扫描，得到X射线扫描图像。荧光探测器镜头对准受检物体以及受检物体内部的X射线激发荧光物质，并构成荧光透镜探测子系统以及荧光光路系统。荧光透镜探测子系统检测受检物体内部的X射线激发荧光材料的发光情况，并采集荧光图像。得到X射线扫描图像与荧光扫描图像后，通过特定的图像重建、配准与融合技术，得到双模态的成像效果。由于本系统采用X射线激发荧光的扫描方式，系统成像与荧光材料的X射线激发特性及其生物学特性紧密相连。通过采取不同特性的荧光材料以及不同的X射线激发方式，以得到不同的检测结果。
受检物体被置于载物台上，载物台可将受检物体进行位置调整，将其置于荧光光路系统与X射线光路系统的重叠部分，从而使得系统可以通过一次扫描，同时完成荧光以及X射线双模态成像。
本系统中安装有大功率高精度旋转台，通过旋转台驱动相关设备旋转。根据转台安装方式的不同以及被驱动旋转的设备的不同，本系统可分为两种结构。A结构，点源、荧光探测器、X射线探测器以及配重安装于转盘上，扫描过程中转盘由大功率高精度旋转台驱动旋转；受检物体置于载物台上，并在扫描过程中保持静止。载物台与转盘旋转轴平行，并且可沿与转盘旋转轴平行的方向进行平行移动以调整受检物体位置。使用配重保持点源、荧光探测器、X射线探测器等设备构成的力矩平衡。该结构相对适用于活体成像。B结构，点源、荧光探测器、X射线探测器安装于基座上，扫描过程中保持静止；受检物体置于载物台上，并由旋转台驱动旋转。载物台可进行上下平移、左右平移、前后平移的四自由度移动，以调整受检物体位置。该结构相对适用于离体成像。
本发明系统主要部件可使用不同的荧光、X射线设备。荧光设备包括荧光CCD、科学级CCD相机、人体荧光探测器等设备。X射线设备包括X射线源和X射线探测器，其中X射线源包括单能X射线源、多能X射线源、同步辐射源和投影式X射线源。X射线探测器包括平板探测器、X射线CCD探测器、光子计数探测器以及医用X射线射线源、探测器等。荧光光路系统与X射线光路系统的夹角可根据具体实验环境改变，使两光路不构成严格的90°方向正交，以减少射线对荧光CCD的损害，或改变荧光材料的激发特性，得到更加丰富的实验结果。X射线源与X射线探测器在光路中的位置可前后移动，以实现X射线放大倍数的改变。
本发明中，可见光滤光片为带通滤光片，根据感兴趣谱段的范围或荧光材料的发光峰段选取不同通带范围的滤光片，以获得单光谱或多光谱数据；透镜镜头放大倍率根据需要选取，使系统实现不同的成像分辨能力；透镜镜头将可见光光线聚焦到电荷耦合探测器感应面上；系统可选择使用单一能谱的X射线或多能谱的X射线，激发方式可选择单次激发或改变射线能量的多次激发，以此得到不同能谱的X射线图像和不同光谱范围的荧光图像。
本发明系统的总体设计是使用单一X射线源同时进行X-CT与荧光材料激发发光成像，通过X射线探测器和荧光摄像头同时获取、计算CT图像与荧光图像，以及X-CT图像与荧光结构信息的双模态融合重建。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
传统的多模态成像系统，是各种成像系统的简单组合，各模态成像之间相对独立，耦合度低，仅通过硬件的简单整合达到多模成像的效果。本发明提供一种单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像系统和成像方法。通过唯一共用的X线源，为CT子系统所成像的同时，也作为荧光成像的激发光。唯一发射源，两种模态同时成像，达到单发双模的成像效果。
传统的多模态成像系统，各模态非同时且各自独立成像，没有共用的发射源。而本系统方法通过单次X射线激发，在同一时间获得荧光图像与X射线图像，并利用融合技术获得双模态图像。即本发明提供的单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像系统和成像方法具有一次激发性与同步接收性。
单次激发性：所述系统采用唯一共用X线发射源，其发射的X射线既为X线探测器所成像，又作为荧光材料的激发光。整个成像过程只需要唯一X线源的发射，即能完成数据扫描。
同步接收性：方法中描述的X线探测器子系统和荧光探测器子系统，两个子系统同时采集成像。同时，作为含有X线检测模块的成像系统，本系统及方法的一次激发性保证了成像系统的辐射低剂量特性。
已有的荧光成像设备大都采用可见光或红外紫外光作为激发光，没有采用X线作为激发光的设备。X线激发荧光成像相比于传统的激发荧光成像有着明显的优势。
深度激发性：X线作为激发光，其具有很强的穿透能力，能够穿透到组织深处进行激发。传统的红光荧光材料需要紫外光来激发，然而紫外光的穿透能力很低，在荧光目标位置较深的情况下，并不能够有效地激发，应用难度大；
高灵敏激发性：利用可见光作为激发光，生物体内很多物质在受到可见光激发的同时也会发出荧光，产生的非特异性荧光会影响到检测灵敏度。特别是当发光细胞深藏于组织内部，则需要较高能量的激发光源，也就会产生很强的背景噪音；利用X线激发荧光成像时探测器不需要滤除激发光来减少干扰；
高强度激发性：X线激发荧光强度较高，易于得到良好的成像结果。
本发明具有的特点为荧光与X射线双模态检测，其检测结果包括X射线与荧光的成像结果和材料在X射线照射下各种理化特性的检测结果。其获取的图像包括三维荧光图像、二维荧光图像、X射线断层或X射线投影成像以及X射线-荧光双模态融合图像等；材料的其他检测结果包括荧光材料在X射线照射下产生的物理、生化变化等特性的检测和诊断。
附图说明
图1：单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像系统（结构A）的示意图，箭头表示转盘旋转方向和载物台移动方向，虚线表示荧光探测器可安装的位置；
图中有：点源1，X射线探测器2，可见光滤波片3，荧光镜头4，荧光探测器5，配重6，转盘7，载物台8，受检物体9。
点源、X射线探测器、荧光探测器、配重以及其附属设备安装于转盘上，并由旋转台带动旋转。受检物体置于载物台上，并可随载物台调整位置。
图2：单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像系统（结构B）的示意图。
箭头表示载物台旋转方向，虚线表示荧光探测器可安装的位置；
图中有：点源1，X射线探测器2，可见光滤波片3，荧光镜头4，荧光探测器5，，载物台8，受检物体9。
点源、X射线探测器、荧光探测器以及其附属设备安装于基座上静止不动，受检物体置于载物台上，可上下、前后、左右进行四自由度平移并可随转台进行旋转。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明提供了一个单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像系统。该系统包括两种结构，结构A的特点为使用转盘带动点源及两种探测器共同运动来得到各个角度双模态的像，结构B通过载物台的旋转来得到各个角度的双模态的像。
本发明设计了一个单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像系统，该系统结构A中涉及了一种转盘，并设计了一种安装在转盘上的X射线光路系统与荧光光路系统。在X射线的光路系统中，锥形束射线由点源发出，穿过受检物体后，被X射线探测器接收，形成投影图像。随着转台的旋转，可得到多张投影图像并计算CT重建图。在荧光光路系统中，受检样本结合部分荧光材料，荧光材料受X射线激发后发出荧光并被荧光探测器捕获。随着转台的旋转，可得到多个角度的荧光图像，并计算荧光材料在受检样本中的分布情况。
优选的，结构A中的转盘构成的X射线光路系统与荧光系统光路在受检物体处两光路重合，使得在检测过程中可使系统可单次X射线激发既同时得到受检物体的荧光图像和X射线图像，既使系统具有单次激发性和同步接收性。
优选的，X线射线源可以是微焦点射线源（射线管可以是透射式或者反射式），也可以是同步辐射源。
优选的，结构A中转盘构成的X射线光路系统与荧光光路系统的夹角可任意调整，荧光探测器应一定程度上靠近X射线源。这一设计可防止从X射线点源发出的X射线直接射入荧光探测器中，减少射线对探测器的损坏。
优选的，荧光探测器应加装适当厚度的铅板，以保护探测器不受射线损害。同时铅板中应在适当位置留有散热孔，以匹配荧光探测器本身的散热器件，保证荧光探测器不因运行时间长、发热量多而损坏。
优选的，结构A中转盘的材质选择为金属铝，金属铝强度高、重量轻，可减少旋转台的负载。
优选的，旋转台为加装高精度多圈编码器的大功率转台。高精度编码器可保证转台旋转位置的准确性，从而保证CT检测与荧光检测计算的准确性。转台功率应足以保证结构A中转盘与探测设备以及结构B中载物台可以安全地以任意速度匀速或变速旋转。
优选的，配重的材质选择铅块。铅块密度大，占用体积小。铅块位置可前后移动，保证转盘保持力矩平衡，防止转盘重心偏离旋转轴而导致旋转台损坏。
优选的，荧光探测器位置可前后移动，配合荧光镜头，可实现放大倍数的调整、探测位置的校准等功能。
优选的，X射线探测器与X射线点源的位置可前后移动，以自由调整CT的放大倍数。
优选的，在X射线源外侧适当加装铅板，防止额外射线从射线源侧面泄露。在X射线探测器后侧加装适当大小的铅板，减少射线在强度最大的方向上透过探测器后的投射强度。
优选的，结构A中载物台选择半筒型的透明聚丙烯槽。聚丙烯的X射线吸收能力弱，对CT成像效果影响小。透明的载物台可防止荧光光线被载物台阻挡，从而影响计算结果。
优选的，载物台应具有上下、左右、前后运动的功能，以调整受检物体的位置，使其位于图像视野的中央。
优选的，X射线光路的视野范围，应与荧光探测器的视野范围重叠，从而保证荧光探测器与X射线探测器获取的受检物体同一部位的数据，进而可以实现数据融合的目的。
优选的，对于结构A荧光光路与X射线光路分别安装在两个转盘上，并由两个转台分别驱动，从而使系统可以便利的取得符合积分时间要求的荧光图像和X射线图像或进行荧光检查和X射线检查。
本发明设计了一个单源发射双种模态成像的x线CT-荧光成像系统结构B，该系统包括了一种载物台旋转而射线源、X射线探测器、荧光探测器固定的CT系统。该系统利用具有旋转，上下平移、左右平移、前后平移的四自由度载物台移动受检物体，使受检物体被准确地置于X射线光路与荧光光路的视野中，并可旋转以采集不同角度的图像。
优选的，结构B中载物台保证受检物体被准确地置于X射线光路系统与荧光系统光路的重合位置，使得在检测过程中可使系统可单次X射线激发既同时得到受检物体的荧光图像和X射线图像，既使系统具有单次激发性和同步接收性。
优选的，X射线光路系统与荧光光路系统的夹角可任意调整，荧光探测器在保证视野范围不变的情况下应一定程度上靠近X射线源，防止从X射线点源发出的X射线直接射入荧光探测器中，减少射线对探测器的损坏。
优选的，荧光探测器应加装适当厚度的铅板，以保护探测器不受射线损害。同时铅板中应在适当位置留有散热孔，以匹配荧光探测器本身的散热器件，保证荧光探测器不因运行时间长、发热量多而损坏。
优选的，结构B中载物台四自由度移动精度应满足系统要求，且载物台无运动时，应保证不存在微弱的位置偏移，或位置偏移在精度要求范围内。
优选的，荧光探测器、X射线探测器、X射线点源的位置可前后移动，可实现放大倍数的调整、探测位置的校准等功能。
优选的，X射线源在外侧适当加装铅板，防止额外射线从射线源侧面泄露，从而减少辐射剂量，防止额外射线损坏设备。
优选的，X射线源、X射线探测器、荧光探测器以及载物台应安装在铸铁或大理石板上，以防止检测精度受扫描过程中设备微弱的位移影响。
本发明设计了一个单源发射双种模态成像的X线CT-荧光成像系统，该系统包括了一种X射线光路系统。X射线点源发出锥形束X射线，射线穿过物体后被探测器接收。由于射线呈锥形束，产生放大作用，使得CT系统分辨能力提升。X射线探测器可选用平板探测器，也可选用由闪烁体、光学镜头和CCD探测器组成的X射线闪烁体光学成像系统。使用平板探测器的方案，其分辨率相对低，为微米级，精度要求较低，适用于分辨率要求较低的方案；使用X射线闪烁体光学成像系统的方案，其分辨率较高，可达到亚微米级，适用于分辨率要求较高的方案。
优选的，对于X射线光路系统和荧光光路系统，其检测结果包括X射线与荧光的成像结果和材料在X射线照射下各种理化特性的检测结果。其获取的图像包括三维荧光图像、二维荧光图像、X射线断层或X射线投影成像以及X射线-荧光双模态融合图像等；材料的其他检测结果包括荧光材料在X射线照射下产生的物理、生化变化等特性的检测和诊断。
优选的，对于使用平板探测器的X射线光路系统，射线源和平板探测器应可前后移动，以实现放大倍数的可变性。
优选的，对于使用X射线闪烁体光学成像系统的X射线光路系统，在射线源和射线探测器位置可变的同时，放大倍数的改变也应可依靠X射线闪烁体光学系统中镜头的放大倍数改变以实现。
优选的，射线源的焦点尺寸应足够小，焦点位置漂移也应在精度要求范围内，以保证X射线光路系统的分辨率。
本发明系统的中的荧光探测器子系统由滤光片（3）、透镜镜头（4）、电荷耦合探测器（5）组成，其中透镜镜头（4）的成像平面位于载物台上的物体（9）表面；根据荧光材料的发光特性，选取合适的滤光片（3），从而去除其他可见光的干扰，增加系统成像效果。
优选的，透镜镜头（4）放大倍率选取为0.5倍，成像平面位于载物台物体表面，随着转盘（7）或者旋转台（10）的运动，物体的荧光图像始终保持在视野内。同时，针对不同的分辨率需求，透镜镜头的放大倍数可以调整。
以上所述具体的实施例，对本发明的目的、技术方案进行了详细的介绍。上述实施例只是应用本发明精神和原则的具体实施方案的举例，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则的任何修改、替换、改进等，均在本发明的保护范围之内。
本发明涉及的双模态X射线-荧光成像系统，在检测过程中使用X射线激发的荧光材料作为成像中的标记物质或造影物质。利用荧光材料在X射线下产生的荧光进行荧光成像，同时对注射了荧光材料的受检物体进行X射线成像。
优选的，所述的荧光材料是具有X线激发荧光性质的材料，包括光谱对应于可见光和远近红外以及紫外等各个谱段的各类荧光材料，其材料包括荧光基团、荧光蛋白和各类无机荧光物质，其材料形式包括荧光固体药品、液体药品、探针、造影剂等。凡是受到X射线激发产生荧光的材料均属于本系统所描述的范围。
优选的，本系统的检测结果可为X射线与荧光的成像结果和材料在X射线照射下各种理化特性的检测结果。其可得到三维荧光图像、二维荧光图像、X射线断层或X射线投影成像以及X射线-荧光双模态融合图像等各类成像结果；同时可通过其他检测手段得到材料的其他在X射线照射下产生的物理、生化变化等特性的检测和诊断结果。
优选的，本系统的射线激发方式，可选择单一能谱的X射线或多能谱的X射线。其激发方式也可单次激发或改变射线能量多次激发。系统可改变激发方式以得到不同能谱的X射线图像和不同光谱范围的荧光图像。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。