仿CT扫描模式扩散荧光层析成像方法

王 欣，高 峰，李 娇，赵会娟

(天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072)

仿CT扫描模式扩散荧光层析成像方法

王 欣，高 峰，李 娇，赵会娟

(天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072)

为了实现高灵敏度、高空间采样密度的扩散荧光层析成像，提出了一种基于光子计数技术的仿CT扫描模式的成像方法．光源经过准直后入射到仿体上，光电倍增管探测得到光源同一水平面101.25°～258.75°均匀分布的8路探测信号．按照与CT相似的方式，系统旋转仿体以实现对仿体的0°～360°扫描，采用光子计数方式采集多个光源入射角下多个探测位置的光子数信息，获得的大量数据可降低重建过程的病态性，使重建结果更加准确．仿体实验证明，对于荧光剂Cy5.5的探测可以达到2,nmol/L左右的浓度和边对边距离5,mm的空间分辨率，增加空间采样密度可以提高系统的灵敏度和分辨率．

扩散荧光层析成像；荧光产率；仿CT扫描模式；光子计数；图像重建

扩散荧光层析成像(diffuse fluorescence tomography，DFT)是以合适的荧光探针作为标记物或对比剂，用特定波长的光激发荧光染料，使其吸收入射光产生能级跃迁，经过特定的时间衰减回基态并发出荧光，通过测量媒质边界上有限点的荧光强度，考虑光子传播散射特性，重建出组织内部的荧光光学特性的分布图像[1-2]．DFT没有放射性损伤且可以实现生物活体内特异性大分子生化过程的无损三维定量观测，应用领域十分广阔，包括乳腺癌和睾丸畸形的检测、药代动力学等．目前，一般的影像学所揭示的是疾病发展过程中较晚期的结构变化，荧光扩散层析成像可以早期检测和揭示疾病，有利于疾病的早期诊断及治疗[3]．此外，DFT还特别适合基于小动物病理模型的生物医学基础研究[4]．

在DFT中，重建实验数据得到的荧光产率提供了荧光团的位置和强度信息[5]．DFT的测量模式有时域(time domain，TD)、频域(frequency domain，FD)和连续波(continuous wave，CW)3种．其中，TD与FD模式可以实现较高的功能和指标[6]，但相关技术方法较为复杂；连续波模式即稳态测量模式重建图像的方法较为简单和成熟，且其设备价格相对较低，另外，由于稳态测量模式获取数据的速度快[7]，在体测量时可以实现实时动态测量，尤其对于药代动力学和快变化生理信息获取等研究有较大意义．

对于生物组织的光学探测，出于安全性考虑，其光源功率较低；另外生物组织具有高散射特性，这使得需要探测的信号为微弱光信号．光子计数技术以其对微弱光信号探测的高灵敏度而成为生物组织光学探测的重要手段之一．目前大多数用于扩散荧光层析成像的系统都受到有限数量的源和探测器的限制，空间采样密度低，而扩散荧光层析成像的重建算法由于离散化后需要求解的荧光参数的数量远远多于测量数据的数量，具有严重的病态性．提高空间采样密度可以增大数据量，降低病态性，从而实现高空间分辨率，改善信噪比和成像质量[2,8]．虽然CCD相机能够提供大量的光学投影数据而被广泛应用于DFT领域，但要获得高信噪比和高分辨率需要较长的积分时间[9]；为了同时实现高灵敏度和高空间分辨率，本文提出了一种基于光子计数技术的仿CT扫描模式的扩散荧光层析成像方法:光源经过准直后入射到仿体上，在光源同一水平面101.25°～258.75°之间均匀放置8路探测光纤，按照与CT相似的方式，系统旋转仿体以实现对仿体的0°～360°扫描．

本文采用光子计数方式采集多个光源入射角下多个探测位置的光子数信息，空间采样密度高，灵敏度高．仿体实验证明对于荧光剂Cy5.5的探测可以达到2,nmol/L左右的浓度和边对边距离5,mm的空间分辨率．系统的空间采样密度程控可调，可根据实际情况灵活选择，提高空间采样密度可以改善系统的灵敏度和分辨率．

1 仿CT扫描模式DFT方法

1.1 实验系统

图1 仿CT扫描模式DFT实验系统Fig.1 CT-analogous mode DFT experimental system

本文提出了一种仿CT扫描模式DFT实验系统(见图1)，主要由光源系统、衰减器、准直器、电动旋转台、电动升降台、源光纤与探测光纤、光开关、实验仿体、滤光轮、PMT及计数模块等组成．其中，光源系统(LTC100-B，LPS-660-FC，Thorlabs)提供稳定的连续波光源，波长为660,nm，并经衰减器(FVA-3100，EXFO，Canada)对其强度进行精细调节．本系统的具体工作过程如下:光源耦合入芯径为62.5,µm、数值孔径为0.22的光源光纤中，并经准直器(FC230SMA-B，Thorlabs)准直后入射到仿体表面；均匀分布于光源同一水平面的101.25°～258.75°之间的8路探测光纤(芯径为500,µm，数值孔径为0.37)分别收集相应探测位置的扩散光，并经由8∶1光开关切换分别导入马达驱动滤光轮，如图1(b)所示；光子计数系统检测滤光处理后的光信号，分别得到不同探测位置的激发光和荧光的光子数信息．按照与CT相似的方式，系统采用旋转台旋转仿体，以实现对仿体的0°～360°扫描，采集多个光源入射角下的光子数信息．测量过程中，整个系统被放置于暗箱内以去除杂散光的影响，并由基于Labview语言编写的程序控制而实现自动测量．

系统中，仿体与光纤架为同心圆设计，光源准直器与探测光纤固定在光纤支架上，如图1(b)所示．电动旋转台不断旋转仿体以改变光源入射角度，电动升降台将仿体沿z轴方向垂直成像平面移动，使系统能够进行三维图像扫描和重建．每一个xy平面的扫描数据用以重建该平面的二维图像，系统对于仿体进行逐层扫描，使用全部扫描数据重建三维图像．通过程控旋转台的旋转角度与升降台的步进距离，本系统可实现不同的空间采样密度，旋转台的分辨率为0.002,5°，每次二维扫描可以实现最多144,000个入射角度，获得1,152,000个数据．

本文采用的近红外荧光染料为Cy5.5，其峰值激发波长约为670,nm，峰值荧光发射波长约为700,nm.实验中需要测量激发光与荧光信号，其中荧光信号较为微弱．为了更好地探测到荧光信号，马达驱动滤光轮中放置一个带通滤光片(FF01-716/40-25，Semrock)，用以滤除激发光信号而探测到荧光信号．另外，滤光轮前的准直器(FC230SMA-B，Thorlabs)使探测光准直入射到滤光片，以达到更好的滤光效果．激发光的测量是利用滤光轮中的空孔直接探测，这里假设微弱的荧光信号对激发光的影响是可以忽略的[10]．滤光轮中可以放置不同的带通滤光片，用以探测不同类型的荧光剂．

光子计数模块包括光电倍增管(PMT)与32位计数模块．由于具有较宽测量范围，计数系统可以使用同一计数门宽测量较强的激发光信号和微弱的荧光信号，无需使用中性密度滤光片，也不会达到计数饱和或溢出．光子计数模块的计数门宽程控可调(50,µs～10,s)，可以根据实际测量信号的强度选择合适的门宽，使得系统具有良好的动态特性以及对低浓度荧光剂的较高的探测灵敏度．

1.2 实验仿体

采用由聚甲醛制成的圆柱体模仿组织体，其底面半径为15,mm，高为50,mm．在660,nm波长下，使用时间分辨光谱法测得所用仿体的吸收系数µa= 0.003,8,mm-1，约化散射系数µs'=0.978,mm-1,[11-12].仿体的背景荧光产率根据经验值设定为0.000,01 mm-1. 仿体1如图2(a)所示，目标体为3个底面直径为4,mm、深为35,mm的圆柱形孔，目标体中心距离圆柱仿体中心轴线9,mm，夹角为120°．仿体2如图2(b)所示，目标体为3个底面直径为3,mm、深为35,mm的圆柱形孔．孔中注入1%的Intralipid溶液与Cy5.5荧光剂的混合溶液作为目标体．实验中，假定激发光波长与荧光波长处的光学参数是相等的．

图2 实验仿体示意Fig.2 Sketch of phantom

1.3 图像重建方法

本文采用扩散方程作为光在组织体中的传输模型，激发光和出射荧光在混浊介质中传播可以用式(1)中的耦合扩散方程近似描述．

式中:κx和κm分别为激发光和荧光波长下的扩散系数；μax和μam分别为激发光与荧光波长下的吸收系数；分别为激发光和荧光的光子密度；afημ为荧光产率；c为介质中的光速；；以上参数均为位置矢量r的函数.

根据式(1)，光源位于sr处时，在dr处测得的荧光光子密度等于荧光体元dV在整体上的积分．重建荧光产率时，本文采用了归一化玻恩比[13]，得到荧光密度表达式为

其中

离散过程导致所要求的体元上的荧光参数个数远远多于测量数据个数，使得对体元荧光参数的求解过程变为欠定(undetermined)问题，并且线性方程组的解很易受到噪声干扰，成为病态问题(ill-posed)，测量数据的微小变化可能引起重建图像的完全变异，因此很难用直接的矩阵求逆的方法得到．在此情况下，只能通过对原问题的求解过程做某种约束以求得原问题稳定的、合理的近似解，这个过程称为正则化过程[15]．本文采用的方法为代数重建技术(ART)，如式(8)所示，求得的为荧光产率值．

为了研究空间采样密度对系统灵敏度的影响，采用不同的旋转间隔对仿体1扫描成像，获得不同空间采样密度下的荧光产率图像，如图3所示．其中，计数模块的计数门宽设为500,ms，3个目标体Cy5.5溶液的浓度分别为8,nmol/L、4,nmol/L、2,nmol/L，经过x轴的目标体浓度为4,nmol/L，顺时针依次为2,nmol/L、8,nmol/L，旋转台的旋转间隔分别为45°、22.5°、11.25°、5.625°，即光源入射角数分别为8、16、32、64．重建图像中黑色圆圈为目标体的理想位置，可以看出当光源入射角数为8时，系统只能分别出8,nmol/L的目标体，并且其形状和位置信息不准确；当光源入射角数为64时，系统可以分辨出4,nmol/L目标体，且目标体的形状和位置较为准确．由于光源入射角数增加而增大的数据量降低了重建问题的病态性，改善了信噪比，提高了重建结果的准确性，使得系统对低浓度荧光剂的分辨能力提高．由于本系统的空间采样密度灵活可调，对高浓度的荧光剂可以选用低采样密度以缩短数据采样时间，为了探测较低浓度荧光剂则可适当加大采样密度以提高灵敏度.

2 仿体实验与结果

图3 不同空间采样密度下仿体1荧光产率图像Fig.3 Yield images of phantom 1,under different spatial sampling densities

为了研究所提出成像方法的灵敏度，首先使用浓度为1%的Intralipid溶液与Cy5.5制成母液，并采用光谱仪测得母液中Cy5.5的浓度为8,µmol/L．用相同体积的1%Intralipid溶液与Cy5.5母液混合得到的浓度为4,µmol/L．将相同体积的浓度为4,µmol/L的Cy5.5溶液与1%Intralipid溶液混合则得到2,µmol/L的Cy5.5溶液．以此方法，采用1%的Intralipid溶液不断稀释荧光溶液得到不同浓度荧光剂溶液(2,nmol/L～8,µmol/L)．实验中将浓度比为4∶2∶1的Cy5.5溶液分别填充于仿体1的3个圆柱孔中作为目标体，经过x轴的目标体为中浓度Cy5.5溶液，顺时针依次为低浓度和高浓度Cy5.5溶液．其中，计数门宽设为500,ms，旋转间隔为5.625°，光子计数系统依次获取光源对面8个探测位置的投影信号，对仿体进行360°扫描得到64个入射角下512组光子数信息．重建得到一系列仿体荧光产率图像以及荧光产率图像中经过各个目标体中心与仿体中心的剖线图，如图4和图5所示．图4为仿体1的荧光产率图像，其中黑色圆圈为目标体的理想位置，可以看出所提出的仿CT扫描模式DFT方法对荧光产率进行了有效重建，合理揭示了目标体的位置、形状以及荧光剂的浓度，并且表现出良好的量化度与空间分辨率．图5为不同浓度时经过各个目标体中心和仿体1中心的剖线图，其中剖线1、剖线2、剖线3分别为经过高浓度、中浓度、低浓度Cy5.5溶液目标体中心与仿体中心的剖线值；理想曲线的最大值根据每次实验中高浓度目标体中心荧光产率最大值归一化得到．由图5可以看出，每次实验中不同浓度目标体的荧光产率最大值的比值接近4∶2∶1，与荧光剂浓度比值相符，说明本方法具有良好的量化特性．由图4可知，当Cy5.5溶液的浓度降低到2,nmol/L的时候系统已经不能把目标体与背景很好地分离，证明系统在光源入射角数为64时的灵敏度约为2,nmol/L左右．以上的结果也证明本文所提出的方法能够有效分辨出目标体的浓度并且具有较高的灵敏度．重建图像中的目标体尺寸存在略微的膨胀，图像的边缘存在一些伪像，这是由重建算法本身所固有的病态性和信息量的缺乏所造成的[16]．此外，荧光产率比值与浓度比值并非完全一致，这可能是由于溶液配制过程中的误差造成的．不同实验结果中同浓度目标体的荧光产率值并不相同，这是由于不同实验的光源及其他条件不能保证完全一致所造成．影响图像质量可能的原因还有激光器输出强度的稳定性、仿体的光学参数与荧光参数的实验测量误差等．

图4 不同目标体浓度下仿体1荧光产率图像Fig.4 Yield images of phantom 1,under different concentrations

图5 经过各个目标体中心与仿体1中心的荧光产率剖线图Fig.5 Profiles of phantom 1,under different concentrations

图6 不同空间采样密度下仿体2荧光产率图像(边对边距离7,mm)Fig.6 Yield images of phantom 2,under different spatial sampling densities(the edge to edge distance is 7,mm)

不同光源入射角数下的荧光产率图像如图6所示，以研究不同空间采样密度对系统分辨率的影响．采用不同的旋转间隔对仿体2扫描成像，边对边距离为7,mm的两个孔内注入浓度为500,nmol/L左右的Cy5.5溶液作为目标体，另外一个孔中注入1% Intralipid溶液当作背景．图6中，黑色圆圈为目标体的理想位置；旋转角度为22.5°、11.25°、7.5°、5.625°、3.75°、1.875°，即光源入射角数分别为16、32、48、64、96、192，计数模块的计数门宽设为500,ms，光源强度等其他条件保持不变．由重建图像可以看出，当光源入射角数较小时，两个目标体无法被分辨；随着光源入射角数的增大，系统逐渐可以分辨两个目标体．图7中理想曲线的最大值设为实验中目标体中心荧光产率的最大值，可以看出空间采样密度的提高可以相应地改善系统的分辨率和量化度. 若使入射角数继续增加，数据量相应增大，重建算法的病态性将进一步得到改善，分辨率将提高，但采样时间则相对增加，系统可以根据实际情况灵活选择．

为了研究系统的空间分辨率，对仿体2中边对边距离分别为5,mm和3,mm的两目标体分别扫描成像，采用浓度为500,nmol/L左右的Cy5.5溶液注入目标体，另外一个孔中注入1%Intralipid溶液当作背景．旋转角度为1.875°，即光源入射角数为192，计数模块的计数门宽设为500,ms．重建得到边对边距离分别为5,mm和3,mm的荧光产率图像，如图8所示，从荧光产率图像及其过两目标体中心的剖线图中可以看出，当扫描入射角数为192时，边对边距离为5,mm时可以分辨两个目标体，边对边距离为3,mm时则不能分辨．故本文所提出的仿CT扫描模式的DFT系统在扫描入射角数为192时的空间分辨率为5,mm左右(边对边距离)．

图8 仿体2两目标体的荧光产率图像及剖线(边对边距离为5,mm与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)

图7 不同空间采样密度下仿体2剖线图(边对边距离7,mm)Fig.7 Profile of phantom 2,under different spatial sampling densities(the edge to edge distance is 7,mm)

3 结 语

本文提出了一种基于光子计数技术的仿CT模式的DFT方法．仿体实验结果证明，此方法可获得荧光的产率图像具有较好的量化度；对于不同浓度的荧光剂Cy5.5具有较好的定量性和较高的灵敏度；仿CT扫描方式提供的高空间采样密度，可降低重建过程的病态性，提高系统分辨率和灵敏度．本文提供的仿CT模式DFT方法，空间采样密度可以根据实际情况灵活选择，在小动物分子成像和人类乳腺层析成像方面有较好的应用前景．为了以更快的速度获得更高质量的图像，系统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.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA02Z413)；国家自然科学基金资助项目(30870657，30970775，81101106，61108081).

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

高 峰，gaofeng@tju.edu.cn.