[发明专利]一种光声和光学融合的多模态成像系统

说明书

技术领域

本发明属于生物医学成像技术领域，尤其涉及一种光声和光学融合的多模态成像系统。

背景技术

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。如何高灵敏度的检测分子探针在生物内的分布情况进而反应生物体生理、病理信息是影像学研究的一个重要问题。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，光学三维重建的空间分辨率比较低。如何进一步提高光学成像的成像深度和三维重建的精度，是光学分子影像亟待解决的问题。为此，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。

荧光成像技术在分子影像的发展中占有重要的地位。荧光分子断层成像(fluorescence molecular imaging,FMT)，又被称为荧光扩散光学断层成像(fluorescence diffuse optical tomography,FDOT)，可以实现荧光信号的三维重建。由于荧光光子在生物体内的高散射特性，导致荧光成像的空间分辨率比较低，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。

与荧光成像不同，在光声成像中，成像系统检测的是光声效应产生的超声波，通过重建光声效应的初始声压场从而反映出生物组织的光学吸收特性。由于超声波在生物组织传播的散射系数比光子的散射系数小三个数量级左右，因此，可以有效避免荧光成像中荧光光子在生物组织中的散射带来的各种问题。此外，由于超声波的波长比较小，因此可获得高空间分辨率的生物组织结构信息。光声成像结合了光学成像的高对比度特性和超声成像的高空间分辨率特性。将光声成像与荧光成像相结合，可以利用光声成像为荧光三维断层成像提供组织光学特异性信息，从而有效提高荧光三维重建的成像效果。由于声波在生物组织的传播衰减远小于光信号，所以光声成像具有更深的成像深度。结合多光谱光声成像技术，或者采用弧形超声换能器阵列，可以实现小动物全身光声断层成像。荧光和光声成像技术的融合为深度组织的光学成像这一难题提供了一种可行的解决办法。

发明内容

本发明目的在于克服现有单一光声成像和单一光学成像模态的不足，反映更全面的解剖结构和生理功能信息。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种光声和光学融合多模态成像系统，该系统包括：样品承载模块、光声成像模块、光学成像模块和计算机，其中：

所述样品承载模块用于承载待测生物组织；

所述光声成像模块和光学成像模块的光路采用“十字交叉”结构，二者共用所述样品承载模块，作为交叉中心；所述光声成像模块用于对所述待测生物组织进行光声成像，所述光学成像模块用于对所述待测生物组织进行光学成像；