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(xiàn)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(shù)技術的仿CT掃描模式的成像方法．光源經(jīng)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(tǒng)旋轉(zhuǎn)仿體以實現(xiàn)對仿體的0°～360°掃描，采用光子計數(shù)方式采集多個光源入射角下多個探測位置的光子數(shù)信息，獲得的大量數(shù)據(jù)可降低重建過程的病態(tài)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(tǒng)的靈敏度和分辨率．

擴散熒光層析成像；熒光產(chǎn)率；仿CT掃描模式；光子計數(shù)；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?qū)Ρ葎锰囟úㄩL的光激發(fā)熒光染料，使其吸收入射光產(chǎn)生能級躍遷，經(jīng)過特定的時間衰減回基態(tài)并發(fā)出熒光，通過測量媒質(zhì)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(nèi)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(xiàn)生物活體內(nèi)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(fā)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(yī)學基礎研究[4]．

在DFT中，重建實驗數(shù)據(jù)得到的熒光產(chǎn)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，F(xiàn)D)和連續(xù)波(continuous wave，CW)3種．其中，TD與FD模式可以實現(xiàn)較高的功能和指標[6]，但相關技術方法較為復雜；連續(xù)波模式即穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)測量模式獲取數(shù)據(jù)的速度快[7]，在體測量時可以實現(xiàn)實時動態(tài)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(shù)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(shù)用于擴散熒光層析成像的系統(tǒng)都受到有限數(shù)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(shù)的數(shù)量遠遠多于測量數(shù)據(jù)的數(shù)量，具有嚴重的病態(tài)性．提高空間采樣密度可以增大數(shù)據(jù)量，降低病態(tài)性，從而實現(xiàn)高空間分辨率，改善信噪比和成像質(zhì)量[2,8]．雖然CCD相機能夠提供大量的光學投影數(shù)據(jù)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(xiàn)高靈敏度和高空間分辨率，本文提出了一種基于光子計數(shù)技術的仿CT掃描模式的擴散熒光層析成像方法:光源經(jīng)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(tǒng)旋轉(zhuǎn)仿體以實現(xiàn)對仿體的0°～360°掃描．

本文采用光子計數(shù)方式采集多個光源入射角下多個探測位置的光子數(shù)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(tǒng)的空間采樣密度程控可調(diào)，可根據(jù)實際情況靈活選擇，提高空間采樣密度可以改善系統(tǒng)的靈敏度和分辨率．

1 仿CT掃描模式DFT方法

1.1 實驗系統(tǒng)

圖1 仿CT掃描模式DFT實驗系統(tǒng)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(tǒng)(見圖1)，主要由光源系統(tǒng)、衰減器、準直器、電動旋轉(zhuǎn)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(shù)模塊等組成．其中，光源系統(tǒng)(LTC100-B，LPS-660-FC，Thorlabs)提供穩(wěn)定的連續(xù)波光源，波長為660,nm，并經(jīng)衰減器(FVA-3100，EXFO，Canada)對其強度進行精細調(diào)節(jié)．本系統(tǒng)的具體工作過程如下:光源耦合入芯徑為62.5,μm、數(shù)值孔徑為0.22的光源光纖中，并經(jīng)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(shù)值孔徑為0.37)分別收集相應探測位置的擴散光，并經(jīng)由8∶1光開關切換分別導入馬達驅(qū)動濾光輪，如圖1(b)所示；光子計數(shù)系統(tǒng)檢測濾光處理后的光信號，分別得到不同探測位置的激發(fā)光和熒光的光子數(shù)信息．按照與CT相似的方式，系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)仿體，以實現(xiàn)對仿體的0°～360°掃描，采集多個光源入射角下的光子數(shù)信息．測量過程中，整個系統(tǒng)被放置于暗箱內(nèi)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(xiàn)自動測量．

系統(tǒng)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(zhuǎn)臺不斷旋轉(zhuǎn)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(tǒng)能夠進行三維圖像掃描和重建．每一個xy平面的掃描數(shù)據(jù)用以重建該平面的二維圖像，系統(tǒng)對于仿體進行逐層掃描，使用全部掃描數(shù)據(jù)重建三維圖像．通過程控旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度與升降臺的步進距離，本系統(tǒng)可實現(xiàn)不同的空間采樣密度，旋轉(zhuǎn)臺的分辨率為0.002,5°，每次二維掃描可以實現(xiàn)最多144,000個入射角度，獲得1,152,000個數(shù)據(jù)．

本文采用的近紅外熒光染料為Cy5.5，其峰值激發(fā)波長約為670,nm，峰值熒光發(fā)射波長約為700,nm.實驗中需要測量激發(fā)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(qū)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)模塊包括光電倍增管(PMT)與32位計數(shù)模塊．由于具有較寬測量范圍，計數(shù)系統(tǒng)可以使用同一計數(shù)門寬測量較強的激發(fā)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(shù)飽和或溢出．光子計數(shù)模塊的計數(shù)門寬程控可調(diào)(50,μs～10,s)，可以根據(jù)實際測量信號的強度選擇合適的門寬，使得系統(tǒng)具有良好的動態(tài)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(shù)μa= 0.003,8,mm-1，約化散射系數(shù)μs'=0.978,mm-1,[11-12].仿體的背景熒光產(chǎn)率根據(jù)經(jīng)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(fā)光波長與熒光波長處的光學參數(shù)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(fā)光和出射熒光在混濁介質(zhì)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(fā)光和熒光波長下的擴散系數(shù)；μax和μam分別為激發(fā)光與熒光波長下的吸收系數(shù)；分別為激發(fā)光和熒光的光子密度；afημ為熒光產(chǎn)率；c為介質(zhì)中的光速；；以上參數(shù)均為位置矢量r的函數(shù).

根據(jù)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(chǎn)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(shù)個數(shù)遠遠多于測量數(shù)據(jù)個數(shù)，使得對體元熒光參數(shù)的求解過程變?yōu)榍范?undetermined)問題，并且線性方程組的解很易受到噪聲干擾，成為病態(tài)問題(ill-posed)，測量數(shù)據(jù)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(wěn)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(shù)重建技術(ART)，如式(8)所示，求得的為熒光產(chǎn)率值．

為了研究空間采樣密度對系統(tǒng)靈敏度的影響，采用不同的旋轉(zhuǎn)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(chǎn)率圖像，如圖3所示．其中，計數(shù)模塊的計數(shù)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(jīng)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(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)間隔分別為45°、22.5°、11.25°、5.625°，即光源入射角數(shù)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(shù)為8時，系統(tǒng)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(shù)為64時，系統(tǒng)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(shù)增加而增大的數(shù)據(jù)量降低了重建問題的病態(tài)性，改善了信噪比，提高了重建結果的準確性，使得系統(tǒng)對低濃度熒光劑的分辨能力提高．由于本系統(tǒng)的空間采樣密度靈活可調(diào)，對高濃度的熒光劑可以選用低采樣密度以縮短數(shù)據(jù)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(chǎn)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(jīng)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(shù)門寬設為500,ms，旋轉(zhuǎn)間隔為5.625°，光子計數(shù)系統(tǒng)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(shù)信息．重建得到一系列仿體熒光產(chǎn)率圖像以及熒光產(chǎn)率圖像中經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)出良好的量化度與空間分辨率．圖5為不同濃度時經(jīng)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(jīng)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(jù)每次實驗中高濃度目標體中心熒光產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)已經(jīng)不能把目標體與背景很好地分離，證明系統(tǒng)在光源入射角數(shù)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(tài)性和信息量的缺乏所造成的[16]．此外，熒光產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量可能的原因還有激光器輸出強度的穩(wěn)定性、仿體的光學參數(shù)與熒光參數(shù)的實驗測量誤差等．

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

圖5 經(jīng)過各個目標體中心與仿體1中心的熒光產(chǎn)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(chǎn)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(shù)下的熒光產(chǎn)率圖像如圖6所示，以研究不同空間采樣密度對系統(tǒng)分辨率的影響．采用不同的旋轉(zhuǎn)間隔對仿體2掃描成像，邊對邊距離為7,mm的兩個孔內(nèi)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(zhuǎn)角度為22.5°、11.25°、7.5°、5.625°、3.75°、1.875°，即光源入射角數(shù)分別為16、32、48、64、96、192，計數(shù)模塊的計數(shù)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(shù)較小時，兩個目標體無法被分辨；隨著光源入射角數(shù)的增大，系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)的分辨率和量化度. 若使入射角數(shù)繼續(xù)增加，數(shù)據(jù)量相應增大，重建算法的病態(tài)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(tǒng)可以根據(jù)實際情況靈活選擇．

為了研究系統(tǒng)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(zhuǎn)角度為1.875°，即光源入射角數(shù)為192，計數(shù)模塊的計數(shù)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(chǎn)率圖像，如圖8所示，從熒光產(chǎn)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(shù)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(tǒng)在掃描入射角數(shù)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(tài)性，提高系統(tǒng)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(jù)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(zhì)量的圖像，系統(tǒng)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(fā)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.