基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统及方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811387488.2
(22)申请日 2018.11.20
(71)申请人 中国科学院自动化研究所
地址 100190 北京市海淀区中关村东路95
号
(72)发明人 田捷　惠辉　胡朝恩　董迪　杨鑫　
(74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任
公司 11021
代理人 喻颖
(51)Int.Cl.
A61B 6/03(2006.01)
A61B 5/00(2006.01)
(54)发明名称
基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合
成像系统及方法
(57)摘要
一种基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模
融合成像系统及方法，该系统包括信号采集子系
统和计算机子系统，其中信号采集子系统包含平
板PET成像装置和光学成像装置，用于获取PET数
据和光学数据；计算机子系统包括系统控制模
块、数据处理模块、数据重建模块和数据配准模
块；数据处理模块能分别对PET数据和光学数据
进行预处理；数据重建模块能分别对预处理后的
PET数据和光学数据进行重建得到重建图像；数
据配准模块用于对两重建图像进行配准融合，实
现对乳腺肿瘤的精确定位。

该系统可同时对乳腺
进行PET成像和光学成像，为乳腺癌的早期精确
诊断以及预后疗效评价提供强有力的影像技术
支持。

权利要求书2页 说明书5页 附图1页CN 109589128 A 2019.04.09
C N 109589128
A
1.一种基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，包括信号采集子系统和计算机子系统，其特征在于：
信号采集子系统，包括：
平板PET成像装置，用于采集被测目标的PET数据；所述被测目标包括配准点仿体和待测生物体；所述PET成像装置包括一对主探测板，用于探测透射过被测目标的核素γ光子；以及
光学成像装置，用于采集被测目标的光学数据，其包括光纤阵列单元，所述光线阵列单元的前端排列有光纤阵列，所述光线阵列中每根光纤能同时用于光学成像激发和探测；
其中，所述光纤阵列嵌入于主探测板中，并从主探测板前端伸出；
计算机子系统，包括：
系统控制模块，用于实现对所述平板PET成像装置和光学成像装置的控制，以完成各个装置和计算机子系统之间的信息和数据传输；
数据处理模块，用于对所述平板PET成像装置和光学成像装置的采集数据进行预处理；
数据重建模块，用于对经过预处理后的被测目标的PET数据和光学数据分别进行重建，得到两个单一模态的重建图像，从所述两个单一模态的重建图像中能分别获取被测目标肿瘤代谢信息和肿瘤靶向目标光学吸收信息；
数据配准模块，用于对基于配准点仿体的两个单一模态的所述重建图像进行配准融合以获取配准参数；以及根据所述配准参数对基于待测生物体的两个单一模态的所述重建图像进行配准融合以获取双模融合图像，实现对乳腺肿瘤的精确定位。

2.根据权利要求1所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，其特征在于：
每个所述主探测板包括多个独立的基础探测单元，多个所述基础探测单元组合时为所述光纤阵列提供嵌入的缝隙。

3.根据权利要求2所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，其特征在于：
所述平板PET成像装置还包括一对辅助探测板，相对固定摆放，用于补偿主探测板探测时的角度缺失；
每个所述辅助探测板分别包括多个独立的基础探测单元。

4.根据权利要求2或3所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，其特征在于，所述基础探测单元通过LYSO晶体与PMT耦合而成。

5.根据权利要求1所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，其特征在于：所述光学成像装置能在连续波和频域两种工作模式中选择一种工作模式进行接触式测量，并且能使用多个波长依次进行激发，实现多光谱的光学成像。

6.根据权利要求1所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，其特征在于：
所述平板PET成像装置还包括平移台，用于安装所述主探测板，根据被测目标的大小对所述主探测板的间距进行调节；
所述系统控制模块包括：
平板PET成像装置采集控制模块，用于对所述平板PET成像装置的PET数据采集进行控
制；
光学成像装置采集控制模块，用于对所述光学成像装置的光学数据采集进行控制；以及
移动平移台控制模块，用于对所述平移台的位置调节进行控制。

7.根据权利要求1所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，其特征在于，所述数据处理模块具体用于执行以下步骤的预处理：将所述平板PET成像装置探测到的单光子事件进行数据符合处理，进而获取每条响应线的光子对的计数，用于后期的数据重建。

8.根据权利要求1所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，其特征在于，所述数据重建模块包括：
PET系统数据重建子模块，用于将平板PET成像装置探测到的γ光子信息，转化为被测目标内的核素代谢分布信息，得到单一模态的重建图像；以及
光学系统数据重建子模块，用于将光学成像装置探测到的光学信号，转化为被测目标内的靶向目标的分布信号，得到单一模态的重建图像。

9.根据权利要求1所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，其特征在于，所述数据配准模块利用专用的配准点仿体实现单一模态的重建图像之间的配准融合，具体包括以下步骤：
(a)将所述配准点仿体作为被测目标，将针对所述配准点仿体的采集数据进行重建得到的两个单一模态的重建图像建立对应关系，经过坐标变换使两者位于同一个三维坐标系中，进而确定两个模态的重建图像之间的配准参数；
(b)将所述待测生物体作为被测目标，将所述配准参数应用到待测生物体的两个单一模态的重建图像中，将两个单一模态的重建图像进行融合，获取双模态融合图像。

10.一种如权利要求1至9任意一项所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：将作为被测目标的配准点仿体固定于乳腺支架上，利用系统控制模块控制信号采集子系统，来分别采集配准点仿体的PET数据和光学数据；
步骤2：利用数据处理模块和数据重建模块分别对所述配准点仿体的PET数据和光学数据进行预处理和重建来获取重建图像，利用数据配准模块确定所述配准点仿体的两个模态的重建图像之间的配准参数；
步骤3：将作为被测目标的待测生物体固定于乳腺支架上，利用系统控制模块控制信号采集子系统，来分别采集待测生物体的PET数据和光学数据；
步骤4：利用数据处理模块和数据重建模块分别对所述待测生物体的PET数据和光学数据进行预处理和重建来获取重建图像，利用数据配准模块根据所述配准参数对待测生物体的两个模态的重建图像进行配准融合，获取双模态融合图像。

基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于医学成像设备技术领域，尤其涉及一种基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统及方法。

背景技术
[0002]乳腺癌的早期精确诊断是治疗乳腺癌的关键所在。

传统的乳腺成像系统包括钼靶X光检查，乳腺超声成像技术，磁共振(Magnetic resonance imaging，MRI)检查，其中钼靶的灵敏度对乳腺的密度有很强的依赖性。

乳腺超声成像对很小肿瘤的检测存在问题，亦不能分辨良、恶性肿瘤，且十分依赖于操作医师的经验和技术。

MRI成像其成像时间长，过于敏感，不适于体内有金属物的病患。

[0003]随着近年来分子影像技术的迅猛发展，正电子发射断层成像(positron emission tomography，PET)、光学/荧光成像等可以实现功能成像、分子特异性成像的影像技术在肿瘤早期精确检测中的作用显得越来越重要。

多家研究单位研制了专门用于乳腺检测的PET 系统(Positron Emission Mammography，PEM)。

公布的数据表明，PEM在检测乳房恶性肿瘤时具有90％的灵敏度和86％的特异性，对于小于1em的肿瘤，PEM比PET/CT具有更好的空间分辨率和更高的可探测性。

PEM主要是利用肿瘤代谢旺盛的特点通过18F-FDG显像，但部分的急性或慢性炎症也会引起代谢旺盛，从而导致PEM检测出现假阴性问题，而一些代谢相对缓慢的肿瘤，如小叶癌，则可能导致PEM的漏检。

在1999年对650-950nm的近红外窗的发现以及随后近红外光学成像技术的发展，利用近红外光诊断早期乳腺肿瘤成为了研究的热点。

美国达特茅斯学院Brian Pogue教授和Keith Paulsen教授的研究团队在乳腺的光学成像方面开展了长期深入的研究工作，近年来致力于宽谱段的近红外乳腺光学成像研究，2014年，他们采用光电倍增管和光敏二极管相结合的探测阵列，实现了频域6个谱段和连续波3个谱段的联合探测，取得了很好的成像结果。

[0004]单一模态对疾病的诊断往往存在一定的差异，多模态融合技术越来越受到人们的重视。

上述美国达特茅斯学院的研究将其研发的多频谱近红外乳腺成像与临床MRI成像相融合，并与国内西京医院联合开展了临床实验研究。

由于光子在生物组织内传播受到散射的影响，导致其空间分辨率比较低，重建问题自身具有一定的病态性，为此引入其他模态的先验信息提高光学成像质量的策略已被多个研究团队采纳，但是目前还未有用于PET/光学融合的乳腺检测设备。

发明内容
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统及方法，能够为乳腺癌的检测和筛查研究提供更全面、精确的结构和功能信息。

[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007]作为本发明的一个方面，提供了一种基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合
成像系统，包括信号采集子系统和计算机子系统，其特征在于：
[0008]信号采集子系统，包括：
[0009]平板PET成像装置，用于采集被测目标的PET数据，所述被测目标包括配准点仿体和待测生物体，其包括一对主探测板，对透过被测目标的核素γ光子进行探测；以及[0010]光学成像装置，用于采集被测目标的光学数据，其包括光纤阵列单元，所述光线阵列单元的前端排列有光纤阵列，所述光线阵列中每根光纤能同时用于光学成像激发和探测；
[0011]其中，所述光纤阵列嵌入于主探测板中，并从主探测板前端伸出；
[0012]计算机子系统，包括：
[0013]系统控制模块，用于实现对所述平板PET成像装置和光学成像装置的控制，以完成各个装置和计算机子系统之间的信息和数据传输；
[0014]数据处理模块，用于对所述平板PET成像装置和光学成像装置的采集数据进行预处理；
[0015]数据重建模块，用于对经过预处理后的被测目标的所述PET数据和光学数据分别进行重建，得到两个单一模态的重建图像，从所述两个单一模态的重建图像中能分别获取被测目标肿瘤代谢信息和肿瘤靶向目标光学吸收信息；
[0016]数据配准模块，用于对基于配准点仿体的两个单一模态的所述重建图像进行配准融合一获取配准参数；以及根据所述配准参数对基于待测生物体的两个单一模态的所述重建图像进行配准融合以获取双模融合图像，实现对乳腺肿瘤的精确定位。

[0017]根据本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统的使用方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1：将作为被测目标的配准点仿体固定于乳腺支架上，利用系统控制模块控制信号采集子系统，来分别采集配准点仿体的PET数据和光学数据；
[0019]步骤2：利用数据处理模块和数据重建模块分别对所述配准点仿体的PET数据和光学数据进行预处理和重建来获取重建图像，利用数据配准模块确定所述配准点仿体的两个模态的重建图像之间的配准参数；
[0020]步骤3：将作为被测目标的待测生物体固定于乳腺支架上，利用系统控制模块控制信号采集子系统，来分别采集待测生物体的PET数据和光学数据；
[0021]步骤4：利用数据处理模块和数据重建模块分别对所述待测生物体的PET数据和光学数据进行预处理和重建来获取重建图像，利用数据配准模块根据所述配准参数对待测生物体的两个模态的重建图像进行配准融合，获取双模态融合图像。

[0022]基于上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0023]第一、本发明中平板PET成像装置，采用可变间距的主探测板可根据乳腺的大小进行实时的调节，进一步使用辅助探测板来补偿主探测板的角度缺失，保证了PET重建图像的空间分辨率；
[0024]第二、本发明中光学成像装置，光纤嵌入在平板PET成像装置的主探测板中，减少了系统所占用的空间，同时可保证双模系统的同时成像；
[0025]第三、本发明的平板PET与光学双模融合成像系统，可以相互验证，互相补充，可提高乳腺癌探测和筛查的准确性。

附图说明
[0026]图1是本发明中基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统的组成框图；[0027]图2是本发明中基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统示意图。

[0028]上述附图中，附图标记含义如下：
[0029]1、信号采集子系统；11-乳腺支架；2、计算机子系统；3、平板PET成像装置；31、平移台；32、主探测板；33、辅助探测板；4、光学成像装置；5、系统控制模块；6、数据处理模块；7、数据重建模块；8、数据配准模块。

具体实施方式
[0030]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0031]如图1和2所示，作为一示例性实施例，本发明基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统，包括：信号采集子系统1和计算机子系统2，其中，
[0032]信号采集子系统1包括平板PET成像装置3、光学成像装置4和乳腺支架11，其中：[0033]该平板PET成像装置3包括由数字化、模块化基本探测单元组成的一对主探测板32，该对主探测板32用于对透过被测目标的核素γ光子进行探测，这里被测目标包括配准点仿体和待测生物体；
[0034]该光学成像装置4由光纤阵列单元组成，其前表面排列着用于光学成像激发和探测的光纤阵列，该光纤阵列中每根光纤可同时用于激发和探测；其中该光纤阵列嵌入在主探测板中，并从主探测板靠近被测目标的前端伸出；
[0035]该乳腺支架11用于固定被测目标；
[0036]计算机子系统2包括系统控制模块5、数据处理模块6、数据重建模块7和数据配准模块8，其中：
[0037]该系统控制模块5，用于实现对平板PET成像装置3和光学成像装置4的控制，以完成各个装置和计算机子系统之间的信息和数据传输；
[0038]该数据处理模块6，用于对平板PET成像装置3和光学成像装置4关于被测目标的采集数据进行预处理；
[0039]该数据重建模块7，用于对经过预处理后的该平板PET成像装置采集的被测目标的PET数据重建，得到能获取乳腺核素代谢信息的重建图像；以及对光学成像装置采集的被测目标的光学数据进行重建，得到能获取乳腺靶向目标的光学吸收信息的重建图像，该靶向目标例如为含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白等；
[0040]该数据配准模块8，用于对基于配准点仿体的两个单一模态的重建图像进行配准融合以获取配准参数；以及根据所述配准参数对基于待测生物体的两个单一模态的所述重建图像进行配准融合以获取双模融合图像，实现对乳腺肿瘤的精确定位。

[0041]以下对本实施例基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统的各组成部分进行详细描述。

[0042]如图2所示，平板PET系统成像装置3的主探测板32包括多个独立的基础探测单元，在进行组合时，基础探测单元之间并未进行紧密的组合，而是为光学成像装置4所需的光纤留有嵌入的缝隙。

[0043]平板PET系统成像装置3还包括用于安装该对主探测板的平移台31，该平移台31用于根据被测目标的大小对该对主探测板32之间的间距进行调节
[0044]进一步地，平板PET系统成像装置3还包括一对相对固定摆放的辅助探测板33，该辅助探测板包括多个独立的基础探测单元，在进行组合时，基础探测单元之间进行紧密的组合，可以补偿主探测板探测时的角度缺失。

[0045]其中，搭建的光学成像装置4利用光纤阵列进行光的激发与探测，支持采用接触式测量的连续波和频域两种工作模式，可根据试剂需求选取其中一种工作模式进行成像，可使用多个波长依次进行激发，实现多光谱的光学成像。

[0046]其中，系统控制模块5，包括：平板PET成像装置采集控制模块，用于实现对PET数据采集的控制；光学成像装置采集控制模块，用于实现对光学数据采集的控制；以及移动平移台控制模块，用于实现对平移台的位置调节的控制，进而实现对PET主探测板的间距的实时调节的控制。

[0047]其中，数据处理模块6具体用于执行以下步骤的预处理：实现将探测模块采集到的单光子事件进行数据符合处理，进而获取每条响应线的光子对的计数，来实现对PET采集数据的压缩，用于后期的数据重建。

[0048]其中，数据重建模块7包括：PET系统数据重建子模块，用于将平板PET成像装置探测到的γ光子信息，转化为生物体内的核素代谢分布信息，得到单一模态的重建图像；以及光学系统数据重建子模块，用于将光学成像装置探测到的光学信号，转化为生物体内的靶向目标的分布信号例如含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收系数分布，得到单一模态的重建图像，而根据二者吸收系数的差异可以计算用于早期筛查乳腺癌的血氧信息。

[0049]其中，数据配准模块8借助专用的配准点仿体实现两个单一模态的重建图像之间的配准融合，具体步骤如下：
[0050](a)将配准点仿体作为被测目标，将针对该配准点仿体的采集数据进行重建得到的两个单一模态的重建图像建立对应关系，经过坐标变换使两者位于同一个三维坐标系中，确定两个模态的重建图像之间的配准参数；
[0051](b)将待测生物体作为被测目标，将该配准参数应用到待测生物体的两个单一模态的重建图像中，将两个单一模态的重建图像进行融合，获取双模态融合图像。

[0052]本实施例还提供了一种如上所述的基于乳腺癌检测的平板PET与光学双模融合成像系统的使用方法，包括以下步骤：
[0053]步骤1：将作为被测目标的配准点仿体固定于乳腺支架上，利用系统控制模块控制信号采集子系统，来分别采集配准点仿体的PET数据和光学数据；
[0054]步骤2：利用数据处理模块和数据重建模块分别对所述配准点仿体的PET数据和光学数据进行预处理、重建来获取重建图像，利用数据配准模块确定关于配准点分仿体的两个模态的重建图像之间的配准参数；
[0055]步骤3：将作为被测目标的待测生物体固定于乳腺支架上，利用系统控制模块控制信号采集子系统，来分别采集待测生物体的PET数据和光学数据；
[0056]步骤4：利用数据处理模块和数据重建模块分别对所述待测生物体的PET数据和光学数据进行预处理和重建后，利用数据配准模块根据该配准参数对待测生物体的两个模态的重建图像进行配准融合，获取双模态融合图像，实现了乳腺肿瘤的精确定位。

[0057]综上所述，本发明可以同时对乳腺进行PET成像和光学成像，实现核素代谢显像、生物组织生理参数显像以及分子特异性成像的有机结合，为乳腺癌的早期精确诊断以及预后疗效评价提供强有力的影像技术支持。

[0058]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

图1
图2。