李 倫 吳 丹 溫艷婷 陳 藝 遲子惠 田 銀 蔣華北

（1）重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065；2）重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶400065；3）成都市第五人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，成都611130；4）Department of Medical Engineering,University of South Florida,Tampa 33620,USA）

擴(kuò)散光學(xué)層析成像 （diffuse optical tomography，DOT）又稱漫射光學(xué)層析成像，是一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，使用近紅外光測(cè)量以及基于模型的逆計(jì)算，提供組織光學(xué)特性的空間分布（即吸收系數(shù)和散射系數(shù)）［1］。DOT 因其無創(chuàng)性、無輻射性以及便攜性等［1］一直是生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究熱點(diǎn)，主要研究方向集中在光學(xué)乳腺檢測(cè)、腦成像、熒光分子層析成像、新生兒大腦供氧狀況及血氧動(dòng)力學(xué)［2-18］等。DOT 按系統(tǒng)工作模式主要分為連續(xù)波（CW）系統(tǒng)、頻域（FD）系統(tǒng)和時(shí)域（TD）系統(tǒng)［1］，按與被測(cè)物的接觸方式主要分接觸式和非接觸式［1］，接觸式又可以分為與被測(cè)物直接接觸和與被測(cè)物壓縮接觸。

目前，大多數(shù)研究學(xué)者主要基于接觸式進(jìn)行乳腺DOT研究。直接接觸是DOT研究中最常見的接觸方式［4-5，7，19-20］，一般基于激光源和探測(cè)器呈二維環(huán)形陣列。這種方式可以減少光子能量損失、捕獲到更多的信號(hào)來提高信噪比優(yōu)化成像分辨率，同時(shí)也能對(duì)被測(cè)物有一定程度的壓縮作用。Jiang等［2］早在1995年就建立了頻域DOT系統(tǒng)，屬于直接接觸的方式。因連續(xù)波系統(tǒng)有著系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、高信噪比和成本低等特點(diǎn)［1］，在2000年使用單光電倍增管PMT 檢測(cè)建立了第一代單波長(zhǎng)（nm）連續(xù)波DOT系統(tǒng)［3-4，21］，2003年建立了第二代三波長(zhǎng)（nm）連續(xù)波DOT 系統(tǒng)［22］，2006年建立了第三代十波長(zhǎng)（nm）連續(xù)波DOT系統(tǒng)［23］，也都屬于直接接觸的方式。采用連續(xù)波技術(shù)研制的擴(kuò)散熒光-光學(xué)層析成像乳腺腫瘤診斷系統(tǒng)和多波長(zhǎng)DOT 系統(tǒng)也屬于直接接觸的方式［7，24］。壓縮接觸是鑒于傳統(tǒng)乳腺X射線的經(jīng)驗(yàn)，采用平行面板對(duì)被測(cè)物進(jìn)行壓縮［5，25-26］。這種方式不僅可以減少光子能量損失，而且可以壓縮被測(cè)物厚度提高信噪比，達(dá)到優(yōu)化成像分辨率的作用［27-28］。一種用于乳腺光學(xué)斷層成像的混合CW-FD系統(tǒng)［5-6］，采用兩個(gè)平行面板對(duì)乳房進(jìn)行壓縮，屬于壓縮接觸的方式。柏林物理技術(shù)小組和米蘭物理技術(shù)小組也開發(fā)了基于兩個(gè)平行面板之間的軟壓縮乳房斷層掃描時(shí)域系統(tǒng)［29-30］，也屬于壓縮接觸的方式。

乳腺DOT 系統(tǒng)采取非接觸式比較少見。美國Ⅰmaging Diagnostic System Ⅰnc.公司開發(fā)的計(jì)算機(jī)斷層掃描激光乳腺成像系統(tǒng)（computed tomography laser mammography，簡(jiǎn)稱CTLM）［31-33］就采用了非接觸式。CTLM也是基于激光源和探測(cè)器呈二維環(huán)形陣列方式，使用808 nm 激光對(duì)乳房進(jìn)行橫斷層掃描，屬于連續(xù)波DOT 系統(tǒng)?；颊咴诮邮軝z查過程中乳房呈安全舒適的自然下垂?fàn)顟B(tài)，不需壓縮乳房，且不需注射對(duì)比劑。CTLM 充分體現(xiàn)了DOT和非接觸式的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼顧了檢測(cè)時(shí)間和成像分辨率，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。

由于近紅外光在組織內(nèi)高散射、低吸收的特點(diǎn)，導(dǎo)致DOT 成像分辨率存在一定的局限性［4-5，7，9，27］。特別在女性大尺寸乳腺檢測(cè)時(shí)，信噪比本身較低進(jìn)而導(dǎo)致成像分辨率低，因此DOT采取非接觸式在進(jìn)行大尺寸乳腺檢測(cè)時(shí)會(huì)加劇系統(tǒng)信噪比和成像分辨率低的問題。

本文基于CTLM系統(tǒng)，通過仿體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿體直徑和目標(biāo)深度對(duì)信噪比和成像分辨率的影響。并通過仿體實(shí)驗(yàn)提出了一種提高成像分辨率的方式，即使用高透性的光敏樹脂通過3D 打印制作外殼定位件，利用外殼定位件對(duì)被測(cè)物進(jìn)行約束壓縮，以此減小被測(cè)物直徑來提高信噪比，提高成像分辨率。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文采用CTLM獲取原始掃描數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限元重建算法對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，已有文獻(xiàn)和書籍對(duì)該算法及其相應(yīng)的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述［1，19，21］。

CTLM檢查過程無創(chuàng)、無X射線輻射、無需注射造影劑，是功能性影像檢查設(shè)備，已有臨床研究證實(shí)了其有效性［31-33］。當(dāng)激光波長(zhǎng)為808 nm 時(shí)，脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白的吸收系數(shù)相同且高于水及脂肪的吸收系數(shù)（圖1），CTLM基于此原理設(shè)計(jì)。CTLM系統(tǒng)掃描成像方式類似于計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)（CT）方式，采取斷層掃描的方式，逐層掃描→逐層成像→逐層下降。CTLM主要由掃描系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)以及圖像重建系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)）等組成（圖2a）。掃描系統(tǒng)包括光源即激光器、探測(cè)器以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等。光源激光器為波長(zhǎng)（808±5）nm、光束發(fā)散角不大于8 mrad、激光輸出功率不超過500 mW的連續(xù)波激光器，可不間斷輸出信號(hào)。探測(cè)器為光電二極管，規(guī)格型號(hào)OSD35-LR-A，84個(gè)探測(cè)器呈環(huán)形均布排列。圖2b為光源、仿體以及探測(cè)器部分的光路系統(tǒng)圖。機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)水平面上的360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（正旋和反旋）以及垂直運(yùn)動(dòng)，垂直運(yùn)動(dòng)可選擇1、2、3、4 mm 四種下降間距。信號(hào)采集系統(tǒng)包含放大器、采集卡以及存儲(chǔ)卡等。圖像重建系統(tǒng)內(nèi)置于計(jì)算機(jī)內(nèi)。

Fig.1 The absorption spectrum of hemoglobin,water and fat under different wavelengths of light[34]

Fig.2 The schematic diagram of CTLM system(a)and the diagram of the light path system(b)

1.2 仿體材料制作

根據(jù)文獻(xiàn)［35-36］，仿體材料用印度墨汁（PH1714，Phygene?）模擬對(duì)光的吸收系數(shù)，20%脂肪乳劑（中/長(zhǎng)鏈脂肪乳注射液C8-24，安徽豐原藥業(yè)股份有限公司）模擬對(duì)光的散射系數(shù)。設(shè)定仿體背景和目標(biāo)的參數(shù)吸收系數(shù)μa=0.01 mm-1，仿體背景散射系數(shù)：μ's=1 mm-1［1］。本文背景溶液涉及兩種類型，一種瓊脂基，即背景溶液為水與瓊脂粉（Regular Agarose G-10，Biowest?）混合所制；一種卡拉膠基，即背景溶液為水與卡拉膠（L型，廣東華盛食品有限公司）混合所制，背景溶液中卡拉膠用量減少至原瓊脂配比的1/3。目標(biāo)溶液均為瓊脂基。仿體所用材料配比如表1所示。

Table 1 The amount of each material required for the background and target solution

1.3 高透光敏樹脂外殼定位件

光敏樹脂主要由聚合物單體與預(yù)聚體組成，在一定波長(zhǎng)的紫外光（250～300 nm）照射下便會(huì)立刻引起聚合反應(yīng)，完成固態(tài)化轉(zhuǎn)換，適用于3D 打印制作，為方便其以后針對(duì)于女性乳房大小的不同可定制外殼固定件。本實(shí)驗(yàn)選取的是高透性光敏樹脂（規(guī)格型號(hào)：SPR8000，抗拉模量：2 700 MPa，泊松比=0.41）制成外殼定位件。SPR8000 是一種具備精確和耐久特性的完全透明的立體光造型樹脂，被用于固態(tài)激光的光固化成型法。

1.4 定量分析方法

使用matlab 軟件求DOT 圖像中ROⅠs 長(zhǎng)軸和寬軸半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）和DOT 圖像整體的相對(duì)吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值。使用ⅠBW SPSS statistics 23 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 仿體直徑和目標(biāo)深度對(duì)成像分辨率的影響

為驗(yàn)證仿體直徑和目標(biāo)深度對(duì)成像分辨率的影響，本文制作標(biāo)準(zhǔn)圓柱形仿體，即仿體背景和目標(biāo)均為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形結(jié)構(gòu)?；? 種仿體直徑D=60 mm、80 mm、100 mm 和3 種目標(biāo)深度L=15 mm、20 mm、25 mm 制作了9 種瓊脂基仿體（圖3），對(duì)比度均設(shè)定μa(contrast)∶μ's(contrast)=5∶3。用CTLM進(jìn)行掃描獲取原始數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限元定量算法在迭代2次、3次、4次、5次下重建獲得圖像，并計(jì)算DOT 圖像整體的相對(duì)吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值，ROⅠs 長(zhǎng)軸和寬軸半高寬。9 種仿體在迭代3 次時(shí)的DOT 圖像（圖3b）說明，CTLM系統(tǒng)以及有限元定量算法能對(duì)背景和目標(biāo)進(jìn)行清楚顯示。隨著仿體直徑的增加，其ROⅠs 寬軸和長(zhǎng)軸半高寬基本屬于上升趨勢(shì)；隨著目標(biāo)深度的增加，也會(huì)對(duì)ROⅠs 寬軸和長(zhǎng)軸半高寬產(chǎn)生影響（表2）。

Fig.3 Sketch of the phantom(a)and the DOT images of 9 phantoms in 3 iterations(b)

運(yùn)用單因素方差分析（one-way ANOVA）分別分析仿體直徑和目標(biāo)深度對(duì)相對(duì)吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值、ROⅠs 長(zhǎng)軸和寬軸半高寬的影響。a.仿體直徑的影響。表3進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，設(shè)定顯著性水平P為0.05，從表3 可知只有ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬顯著性P=0.188＞0.05，其余顯著性P均小于0.05，故只有ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬滿足方差齊性檢驗(yàn)；表4 進(jìn)行ANOVA 分析，且設(shè)定顯著性水平P=0.05，從表4 可知ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬顯著性P=0.00＜0.05，結(jié)果說明仿體直徑對(duì)于ROⅠs長(zhǎng)軸半高寬有顯著影響，對(duì)其他定量數(shù)據(jù)無顯著影響，即仿體直徑是成像分辨率的影響因素之一。b.目標(biāo)深度的影響。表5進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，設(shè)定顯著性水平P為0.05，從表5可知ROⅠs長(zhǎng)軸半高寬顯著性P=0.186＞0.05、ROⅠs 寬軸半高寬顯著性P=0.067＞0.05，其余顯著性P均小于0.05，故只有ROⅠs長(zhǎng)軸和寬軸半高寬滿足方差齊性檢驗(yàn)；表6 進(jìn)行

ANOVA 分析，設(shè)定顯著性水平P為0.05，從表6可知ROⅠs長(zhǎng)軸半高寬顯著性P=0.51＞0.05，ROⅠs寬軸半高寬顯著性P=0.028＜0.05，結(jié)果說明目標(biāo)深度對(duì)于ROⅠs 寬軸半高寬有顯著影響，對(duì)其他定量數(shù)據(jù)無顯著影響，即目標(biāo)深度也是成像分辨率的影響因素之一。

Table 2 Quantitative data of nine phantoms

Table 3 Test for homogeneity of variance(factor:the diameter of the phantom)

Table 4 Statistics of ANOVO(factor:the diameter of the phantom)

Table 5 Test for homogeneity of variance(factor:the depth of the target)

Table 6 Statistics of ANOVO(factor:the depth of the target)

Fig.4 Sketch of the outer covering part(a)and the DOT images of two phantoms without or with the outer covering part in 3 iterations(b)

Table 7 Quantitative data of two phantoms with the outer covering part

Table 8 Test for homogeneity of variance(factor:the outer covering part)

2.2 外殼定位件對(duì)成像分辨率的影響

為探討外殼定位件對(duì)成像分辨率的影響，本文選取2.1 實(shí)驗(yàn)中仿體直徑D=80 mm、目標(biāo)深度L=15 mm、25 mm 的仿體分別加上外殼定位件（圖4a）后用CTLM進(jìn)行掃描獲取原始數(shù)據(jù)，在迭代2次、3 次、4 次、5 次下重建獲得圖像，并計(jì)算DOT 圖像整體的相對(duì)吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值，ROⅠs 長(zhǎng)軸和寬軸半高寬。兩種仿體在加外殼定位件前后迭代3 次時(shí)的DOT 圖像（圖4b）說明，CTLM 系統(tǒng)以及有限元定量算法均能對(duì)背景和目標(biāo)進(jìn)行清楚顯示，不受外殼定位件的影響。加外殼定位件前后，其ROⅠs 寬軸和長(zhǎng)軸半高寬變化不大（表7）。運(yùn)用單因素方差分析外殼定位件對(duì)相對(duì)吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值、ROⅠs長(zhǎng)軸和寬軸半高寬的影響。表8進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，設(shè)定顯著性水平P為0.05，從表8 可知只有ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬顯著性P=0.908＞0.05，其余顯著性P均小于0.05，故只有ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬滿足方差齊性檢驗(yàn)；表9 進(jìn)行ANOVA 分析，設(shè)定顯著性水平P=0.05，從表9 可知ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬顯著性P=0.89＞0.05，結(jié)果說明外殼定位件對(duì)所有定量數(shù)據(jù)均無顯著影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了高透光敏樹脂外殼定位件對(duì)成像分辨率無明顯影響。

Table 9 Statistics of ANOVO （Dependent variable：Long-axis FWHM；Factor：The outer covering part）

2.3 外殼定位件的約束壓縮作用對(duì)成像分辨率的影響

為了更好探討外殼定位件的約束壓縮作用對(duì)成像分辨率的影響，本文制作了標(biāo)準(zhǔn)圓柱形仿體，其仿體直徑（D=100 mm）、仿體高度（H=80 mm）以及目標(biāo)直徑（d=10 mm）相同的5種卡拉膠基仿體。其中目標(biāo)深度L=20 mm的仿體設(shè)定了4種對(duì)比度，即μa(contrast)∶μ's(contrast)為5∶3、4∶2、3∶2 和2∶1；目標(biāo)深度L=30 mm 的仿體設(shè)定了一種對(duì)比度，即μa(contrast)∶μ's(contrast)為5∶3，仿體示意圖參照?qǐng)D3a。對(duì)5 種仿體在加本文2.2 節(jié)中外殼定位件前后兩種情況下分別進(jìn)行掃描，在迭代2 次、3 次、4 次、5 次下重建獲得圖像，并計(jì)算DOT 圖像ROⅠs 長(zhǎng)軸和寬軸半高寬。圖5 為5 種仿體在加外殼定位件前后迭代3 次時(shí)的DOT 圖像，定量數(shù)據(jù)如表10所示。

Fig.5 The DOT images of 5 phantoms without or with the outer covering part in 3 iterations

Table 10 Quantitative data of 5 phantoms without/with the outer covering

成像結(jié)果說明，CTLM系統(tǒng)以及有限元定量算法均能對(duì)背景和目標(biāo)進(jìn)行清楚顯示，不受對(duì)比度和外殼定位件的影響。另外，在加外殼定位件后，ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬呈明顯下降趨勢(shì)，其降幅達(dá)到30%以上，ROⅠs 寬軸半高寬不如ROⅠs 長(zhǎng)軸的降幅明顯，其降幅小于10%。因外殼定位件的主要作用體現(xiàn)在壓縮仿體直徑上，同時(shí)也驗(yàn)證了“仿體直徑對(duì)于ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬有顯著影響”的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，加外殼定位件約束壓縮后成像分辨率優(yōu)于不加外殼定位件。

3 討 論

本文通過仿體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了不同仿體直徑和目標(biāo)深度對(duì)成像分辨率的影響。隨著仿體直徑的增加，其ROⅠs 寬軸和長(zhǎng)軸半高寬基本呈上升趨勢(shì)；隨著目標(biāo)深度的增加，也會(huì)對(duì)ROⅠs 寬軸和長(zhǎng)軸半高寬產(chǎn)生影響，但因深度變化量較小，其具體變化趨勢(shì)還有待于下一步進(jìn)行研究。另外，通過單因素方差分析得出仿體直徑對(duì)ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬有顯著影響，目標(biāo)深度對(duì)ROⅠs寬軸半高寬有顯著影響。

本文還提出了一種提高乳腺擴(kuò)散光學(xué)層析成像分辨率的方式，使用高透性的光敏樹脂通過3D 打印制作外殼定位件并利用其對(duì)被測(cè)物進(jìn)行約束壓縮，以減小被測(cè)物直徑來提高信噪比，優(yōu)化成像分辨率。針對(duì)這一改進(jìn)方式，本文首先通過仿體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高透光敏樹脂外殼定位件對(duì)成像分辨率無明顯影響，其次通過仿體實(shí)驗(yàn)，利用外殼定位件將直徑100 mm的仿體壓縮至直徑80 mm，ROⅠs長(zhǎng)軸半高寬呈明顯下降趨勢(shì)，其降幅達(dá)到30%以上，ROⅠs寬軸半高寬不如ROⅠs長(zhǎng)軸的降幅明顯，其降幅小于10%，驗(yàn)證了“仿體直徑對(duì)于ROⅠs 長(zhǎng)軸半高寬有顯著影響”的結(jié)果，證明了加外殼定位件約束壓縮后成像分辨率優(yōu)于不加外殼定位件，達(dá)到了提高成像分辨率的作用。另外，仿體用外殼定位件約束壓縮之后被測(cè)物深度同時(shí)也會(huì)發(fā)生變化，但是深度變化量相對(duì)于直徑變化量較小，故從其實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看出寬軸半高寬變化不明顯，其降幅均小于10%。

本文實(shí)驗(yàn)均基于標(biāo)準(zhǔn)圓形仿體，對(duì)于非圓形仿體的成像效果有待探討，這也將是下一步實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。在可能的條件下，希望能進(jìn)行少量人體實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的可行性。

4 結(jié) 論

本文所提出的方式能夠達(dá)到提高乳腺擴(kuò)散光學(xué)層析成像分辨率的作用，且所使用的材料和方法簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的可實(shí)施性，為提高乳腺擴(kuò)散光層析成像分辨率提供了新思路。