仿CT掃描模式擴散熒光層析成像方法

王 欣，高 峰，李 嬌，趙會娟

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072)

仿CT掃描模式擴散熒光層析成像方法

王 欣，高 峰，李 嬌，趙會娟

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072)

為了實現高靈敏度、高空間采樣密度的擴散熒光層析成像，提出了一種基于光子計數技術的仿CT掃描模式的成像方法．光源經過準直后入射到仿體上，光電倍增管探測得到光源同一水平面101.25°～258.75°均勻分布的8路探測信號．按照與CT相似的方式，系統旋轉仿體以實現對仿體的0°～360°掃描，采用光子計數方式采集多個光源入射角下多個探測位置的光子數信息，獲得的大量數據可降低重建過程的病態性，使重建結果更加準確．仿體實驗證明，對于熒光劑Cy5.5的探測可以達到2,nmol/L左右的濃度和邊對邊距離5,mm的空間分辨率，增加空間采樣密度可以提高系統的靈敏度和分辨率．

擴散熒光層析成像；熒光產率；仿CT掃描模式；光子計數；圖像重建

擴散熒光層析成像(diffuse fluorescence tomography，DFT)是以合適的熒光探針作為標記物或對比劑，用特定波長的光激發熒光染料，使其吸收入射光產生能級躍遷，經過特定的時間衰減回基態并發出熒光，通過測量媒質邊界上有限點的熒光強度，考慮光子傳播散射特性，重建出組織內部的熒光光學特性的分布圖像[1-2]．DFT沒有放射性損傷且可以實現生物活體內特異性大分子生化過程的無損三維定量觀測，應用領域十分廣闊，包括乳腺癌和睪丸畸形的檢測、藥代動力學等．目前，一般的影像學所揭示的是疾病發展過程中較晚期的結構變化，熒光擴散層析成像可以早期檢測和揭示疾病，有利于疾病的早期診斷及治療[3]．此外，DFT還特別適合基于小動物病理模型的生物醫學基礎研究[4]．

在DFT中，重建實驗數據得到的熒光產率提供了熒光團的位置和強度信息[5]．DFT的測量模式有時域(time domain，TD)、頻域(frequency domain，FD)和連續波(continuous wave，CW)3種．其中，TD與FD模式可以實現較高的功能和指標[6]，但相關技術方法較為復雜；連續波模式即穩態測量模式重建圖像的方法較為簡單和成熟，且其設備價格相對較低，另外，由于穩態測量模式獲取數據的速度快[7]，在體測量時可以實現實時動態測量，尤其對于藥代動力學和快變化生理信息獲取等研究有較大意義．

對于生物組織的光學探測，出于安全性考慮，其光源功率較低；另外生物組織具有高散射特性，這使得需要探測的信號為微弱光信號．光子計數技術以其對微弱光信號探測的高靈敏度而成為生物組織光學探測的重要手段之一．目前大多數用于擴散熒光層析成像的系統都受到有限數量的源和探測器的限制，空間采樣密度低，而擴散熒光層析成像的重建算法由于離散化后需要求解的熒光參數的數量遠遠多于測量數據的數量，具有嚴重的病態性．提高空間采樣密度可以增大數據量，降低病態性，從而實現高空間分辨率，改善信噪比和成像質量[2,8]．雖然CCD相機能夠提供大量的光學投影數據而被廣泛應用于DFT領域，但要獲得高信噪比和高分辨率需要較長的積分時間[9]；為了同時實現高靈敏度和高空間分辨率，本文提出了一種基于光子計數技術的仿CT掃描模式的擴散熒光層析成像方法:光源經過準直后入射到仿體上，在光源同一水平面101.25°～258.75°之間均勻放置8路探測光纖，按照與CT相似的方式，系統旋轉仿體以實現對仿體的0°～360°掃描．

本文采用光子計數方式采集多個光源入射角下多個探測位置的光子數信息，空間采樣密度高，靈敏度高．仿體實驗證明對于熒光劑Cy5.5的探測可以達到2,nmol/L左右的濃度和邊對邊距離5,mm的空間分辨率．系統的空間采樣密度程控可調，可根據實際情況靈活選擇，提高空間采樣密度可以改善系統的靈敏度和分辨率．

1 仿CT掃描模式DFT方法

1.1 實驗系統

圖1 仿CT掃描模式DFT實驗系統Fig.1 CT-analogous mode DFT experimental system

本文提出了一種仿CT掃描模式DFT實驗系統(見圖1)，主要由光源系統、衰減器、準直器、電動旋轉臺、電動升降臺、源光纖與探測光纖、光開關、實驗仿體、濾光輪、PMT及計數模塊等組成．其中，光源系統(LTC100-B，LPS-660-FC，Thorlabs)提供穩定的連續波光源，波長為660,nm，并經衰減器(FVA-3100，EXFO，Canada)對其強度進行精細調節．本系統的具體工作過程如下:光源耦合入芯徑為62.5,μm、數值孔徑為0.22的光源光纖中，并經準直器(FC230SMA-B，Thorlabs)準直后入射到仿體表面；均勻分布于光源同一水平面的101.25°～258.75°之間的8路探測光纖(芯徑為500,μm，數值孔徑為0.37)分別收集相應探測位置的擴散光，并經由8∶1光開關切換分別導入馬達驅動濾光輪，如圖1(b)所示；光子計數系統檢測濾光處理后的光信號，分別得到不同探測位置的激發光和熒光的光子數信息．按照與CT相似的方式，系統采用旋轉臺旋轉仿體，以實現對仿體的0°～360°掃描，采集多個光源入射角下的光子數信息．測量過程中，整個系統被放置于暗箱內以去除雜散光的影響，并由基于Labview語言編寫的程序控制而實現自動測量．

系統中，仿體與光纖架為同心圓設計，光源準直器與探測光纖固定在光纖支架上，如圖1(b)所示．電動旋轉臺不斷旋轉仿體以改變光源入射角度，電動升降臺將仿體沿z軸方向垂直成像平面移動，使系統能夠進行三維圖像掃描和重建．每一個xy平面的掃描數據用以重建該平面的二維圖像，系統對于仿體進行逐層掃描，使用全部掃描數據重建三維圖像．通過程控旋轉臺的旋轉角度與升降臺的步進距離，本系統可實現不同的空間采樣密度，旋轉臺的分辨率為0.002,5°，每次二維掃描可以實現最多144,000個入射角度，獲得1,152,000個數據．

本文采用的近紅外熒光染料為Cy5.5，其峰值激發波長約為670,nm，峰值熒光發射波長約為700,nm.實驗中需要測量激發光與熒光信號，其中熒光信號較為微弱．為了更好地探測到熒光信號，馬達驅動濾光輪中放置一個帶通濾光片(FF01-716/40-25，Semrock)，用以濾除激發光信號而探測到熒光信號．另外，濾光輪前的準直器(FC230SMA-B，Thorlabs)使探測光準直入射到濾光片，以達到更好的濾光效果．激發光的測量是利用濾光輪中的空孔直接探測，這里假設微弱的熒光信號對激發光的影響是可以忽略的[10]．濾光輪中可以放置不同的帶通濾光片，用以探測不同類型的熒光劑．

光子計數模塊包括光電倍增管(PMT)與32位計數模塊．由于具有較寬測量范圍，計數系統可以使用同一計數門寬測量較強的激發光信號和微弱的熒光信號，無需使用中性密度濾光片，也不會達到計數飽和或溢出．光子計數模塊的計數門寬程控可調(50,μs～10,s)，可以根據實際測量信號的強度選擇合適的門寬，使得系統具有良好的動態特性以及對低濃度熒光劑的較高的探測靈敏度．

1.2 實驗仿體

采用由聚甲醛制成的圓柱體模仿組織體，其底面半徑為15,mm，高為50,mm．在660,nm波長下，使用時間分辨光譜法測得所用仿體的吸收系數μa= 0.003,8,mm-1，約化散射系數μs'=0.978,mm-1,[11-12].仿體的背景熒光產率根據經驗值設定為0.000,01 mm-1. 仿體1如圖2(a)所示，目標體為3個底面直徑為4,mm、深為35,mm的圓柱形孔，目標體中心距離圓柱仿體中心軸線9,mm，夾角為120°．仿體2如圖2(b)所示，目標體為3個底面直徑為3,mm、深為35,mm的圓柱形孔．孔中注入1%的Intralipid溶液與Cy5.5熒光劑的混合溶液作為目標體．實驗中，假定激發光波長與熒光波長處的光學參數是相等的．

圖2 實驗仿體示意Fig.2 Sketch of phantom

1.3 圖像重建方法

本文采用擴散方程作為光在組織體中的傳輸模型，激發光和出射熒光在混濁介質中傳播可以用式(1)中的耦合擴散方程近似描述．

式中:κx和κm分別為激發光和熒光波長下的擴散系數；μax和μam分別為激發光與熒光波長下的吸收系數；分別為激發光和熒光的光子密度；afημ為熒光產率；c為介質中的光速；；以上參數均為位置矢量r的函數.

根據式(1)，光源位于sr處時，在dr處測得的熒光光子密度等于熒光體元dV在整體上的積分．重建熒光產率時，本文采用了歸一化玻恩比[13]，得到熒光密度表達式為

其中

離散過程導致所要求的體元上的熒光參數個數遠遠多于測量數據個數，使得對體元熒光參數的求解過程變為欠定(undetermined)問題，并且線性方程組的解很易受到噪聲干擾，成為病態問題(ill-posed)，測量數據的微小變化可能引起重建圖像的完全變異，因此很難用直接的矩陣求逆的方法得到．在此情況下，只能通過對原問題的求解過程做某種約束以求得原問題穩定的、合理的近似解，這個過程稱為正則化過程[15]．本文采用的方法為代數重建技術(ART)，如式(8)所示，求得的為熒光產率值．

為了研究空間采樣密度對系統靈敏度的影響，采用不同的旋轉間隔對仿體1掃描成像，獲得不同空間采樣密度下的熒光產率圖像，如圖3所示．其中，計數模塊的計數門寬設為500,ms，3個目標體Cy5.5溶液的濃度分別為8,nmol/L、4,nmol/L、2,nmol/L，經過x軸的目標體濃度為4,nmol/L，順時針依次為2,nmol/L、8,nmol/L，旋轉臺的旋轉間隔分別為45°、22.5°、11.25°、5.625°，即光源入射角數分別為8、16、32、64．重建圖像中黑色圓圈為目標體的理想位置，可以看出當光源入射角數為8時，系統只能分別出8,nmol/L的目標體，并且其形狀和位置信息不準確；當光源入射角數為64時，系統可以分辨出4,nmol/L目標體，且目標體的形狀和位置較為準確．由于光源入射角數增加而增大的數據量降低了重建問題的病態性，改善了信噪比，提高了重建結果的準確性，使得系統對低濃度熒光劑的分辨能力提高．由于本系統的空間采樣密度靈活可調，對高濃度的熒光劑可以選用低采樣密度以縮短數據采樣時間，為了探測較低濃度熒光劑則可適當加大采樣密度以提高靈敏度.

2 仿體實驗與結果

圖3 不同空間采樣密度下仿體1熒光產率圖像Fig.3 Yield images of phantom 1,under different spatial sampling densities

為了研究所提出成像方法的靈敏度，首先使用濃度為1%的Intralipid溶液與Cy5.5制成母液，并采用光譜儀測得母液中Cy5.5的濃度為8,μmol/L．用相同體積的1%Intralipid溶液與Cy5.5母液混合得到的濃度為4,μmol/L．將相同體積的濃度為4,μmol/L的Cy5.5溶液與1%Intralipid溶液混合則得到2,μmol/L的Cy5.5溶液．以此方法，采用1%的Intralipid溶液不斷稀釋熒光溶液得到不同濃度熒光劑溶液(2,nmol/L～8,μmol/L)．實驗中將濃度比為4∶2∶1的Cy5.5溶液分別填充于仿體1的3個圓柱孔中作為目標體，經過x軸的目標體為中濃度Cy5.5溶液，順時針依次為低濃度和高濃度Cy5.5溶液．其中，計數門寬設為500,ms，旋轉間隔為5.625°，光子計數系統依次獲取光源對面8個探測位置的投影信號，對仿體進行360°掃描得到64個入射角下512組光子數信息．重建得到一系列仿體熒光產率圖像以及熒光產率圖像中經過各個目標體中心與仿體中心的剖線圖，如圖4和圖5所示．圖4為仿體1的熒光產率圖像，其中黑色圓圈為目標體的理想位置，可以看出所提出的仿CT掃描模式DFT方法對熒光產率進行了有效重建，合理揭示了目標體的位置、形狀以及熒光劑的濃度，并且表現出良好的量化度與空間分辨率．圖5為不同濃度時經過各個目標體中心和仿體1中心的剖線圖，其中剖線1、剖線2、剖線3分別為經過高濃度、中濃度、低濃度Cy5.5溶液目標體中心與仿體中心的剖線值；理想曲線的最大值根據每次實驗中高濃度目標體中心熒光產率最大值歸一化得到．由圖5可以看出，每次實驗中不同濃度目標體的熒光產率最大值的比值接近4∶2∶1，與熒光劑濃度比值相符，說明本方法具有良好的量化特性．由圖4可知，當Cy5.5溶液的濃度降低到2,nmol/L的時候系統已經不能把目標體與背景很好地分離，證明系統在光源入射角數為64時的靈敏度約為2,nmol/L左右．以上的結果也證明本文所提出的方法能夠有效分辨出目標體的濃度并且具有較高的靈敏度．重建圖像中的目標體尺寸存在略微的膨脹，圖像的邊緣存在一些偽像，這是由重建算法本身所固有的病態性和信息量的缺乏所造成的[16]．此外，熒光產率比值與濃度比值并非完全一致，這可能是由于溶液配制過程中的誤差造成的．不同實驗結果中同濃度目標體的熒光產率值并不相同，這是由于不同實驗的光源及其他條件不能保證完全一致所造成．影響圖像質量可能的原因還有激光器輸出強度的穩定性、仿體的光學參數與熒光參數的實驗測量誤差等．

圖4 不同目標體濃度下仿體1熒光產率圖像Fig.4 Yield images of phantom 1,under different concentrations

圖5 經過各個目標體中心與仿體1中心的熒光產率剖線圖Fig.5 Profiles of phantom 1,under different concentrations

圖6 不同空間采樣密度下仿體2熒光產率圖像(邊對邊距離7,mm)Fig.6 Yield images of phantom 2,under different spatial sampling densities(the edge to edge distance is 7,mm)

不同光源入射角數下的熒光產率圖像如圖6所示，以研究不同空間采樣密度對系統分辨率的影響．采用不同的旋轉間隔對仿體2掃描成像，邊對邊距離為7,mm的兩個孔內注入濃度為500,nmol/L左右的Cy5.5溶液作為目標體，另外一個孔中注入1% Intralipid溶液當作背景．圖6中，黑色圓圈為目標體的理想位置；旋轉角度為22.5°、11.25°、7.5°、5.625°、3.75°、1.875°，即光源入射角數分別為16、32、48、64、96、192，計數模塊的計數門寬設為500,ms，光源強度等其他條件保持不變．由重建圖像可以看出，當光源入射角數較小時，兩個目標體無法被分辨；隨著光源入射角數的增大，系統逐漸可以分辨兩個目標體．圖7中理想曲線的最大值設為實驗中目標體中心熒光產率的最大值，可以看出空間采樣密度的提高可以相應地改善系統的分辨率和量化度. 若使入射角數繼續增加，數據量相應增大，重建算法的病態性將進一步得到改善，分辨率將提高，但采樣時間則相對增加，系統可以根據實際情況靈活選擇．

為了研究系統的空間分辨率，對仿體2中邊對邊距離分別為5,mm和3,mm的兩目標體分別掃描成像，采用濃度為500,nmol/L左右的Cy5.5溶液注入目標體，另外一個孔中注入1%Intralipid溶液當作背景．旋轉角度為1.875°，即光源入射角數為192，計數模塊的計數門寬設為500,ms．重建得到邊對邊距離分別為5,mm和3,mm的熒光產率圖像，如圖8所示，從熒光產率圖像及其過兩目標體中心的剖線圖中可以看出，當掃描入射角數為192時，邊對邊距離為5,mm時可以分辨兩個目標體，邊對邊距離為3,mm時則不能分辨．故本文所提出的仿CT掃描模式的DFT系統在掃描入射角數為192時的空間分辨率為5,mm左右(邊對邊距離)．

圖8 仿體2兩目標體的熒光產率圖像及剖線(邊對邊距離為5,mm與3,mm)Fig.8 Yield images and profiles of phantom 2,under different sampling densities(the edge to edge distances are 5,mm and 3,mm)

圖7 不同空間采樣密度下仿體2剖線圖(邊對邊距離7,mm)Fig.7 Profile of phantom 2,under different spatial sampling densities(the edge to edge distance is 7,mm)

3 結 語

本文提出了一種基于光子計數技術的仿CT模式的DFT方法．仿體實驗結果證明，此方法可獲得熒光的產率圖像具有較好的量化度；對于不同濃度的熒光劑Cy5.5具有較好的定量性和較高的靈敏度；仿CT掃描方式提供的高空間采樣密度，可降低重建過程的病態性，提高系統分辨率和靈敏度．本文提供的仿CT模式DFT方法，空間采樣密度可以根據實際情況靈活選擇，在小動物分子成像和人類乳腺層析成像方面有較好的應用前景．為了以更快的速度獲得更高質量的圖像，系統和算法方面需要更多的深入研究．

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Diffuse Fluorescence Tomography Method with CT-Analogous Scanning Mode

Wang Xin，Gao Feng，Li Jiao，Zhao Huijuan
(School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A CT-analogous mode of diffuse fluorescence tomography(DFT)based on photon-counting has been proposed to achieve high sensitivity and high spatial sampling density. The incidence light on the phantom is a collimated beam and eight detection fibers placed from 101. 25° to 258.75° in the same place of the source collecting eight detective signals. By rotating the phantom from 0° to 360° as a CT system does，the system acquires the number of photon by photon-counting on different sites of the phantom under different incident perspectives. The large data-set reduces the ill-posed problem of the reconstruction and achieves a more accurate imaging. The proposed system can disclose the concentration of Cy5.5 target with a high sensitivity and fidelity as the concentration is above 2,nmol/L and the edge-to-edge spatial resolution is about 5,mm. By increasing the spatial sampling density，a better resolution and sensitivity can be achieved.

diffuse fluorescence tomography；fluorescence yield；CT-analogous scanning mode；photon counting；image reconstruction

R338.8

A

0493-2137(2013)12-1106-08

DOI 10.11784/tdxb20131209

2012-06-06；

2013-05-31.

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2009AA02Z413)；國家自然科學基金資助項目(30870657，30970775，81101106，61108081).

王 欣（1988— ），博士研究生，wangxin88@tju.edu.cn.

高 峰，gaofeng@tju.edu.cn.