[發明專利]切倫可夫熒光激發的掃描光片斷層成像方法

有效

• 申請號: 201711358717.3
• 申請日: 2017-12-17
• 公開（公告）號: CN108090936B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 馮金超;張娜;賈克斌;李哲;孫中華
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;A61B5/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了切倫可夫熒光激發的掃描光片斷層成像方法，屬于醫學圖像處理領域。該方法利用在生物體表高靈敏度探測器獲取的熒光圖像來重建熒光量子產額的分布。該方法包括兩個過程，一是通過直線加速器產生X射線光片掃描生物體產生切倫可夫輻射并作為內部激發光源激發熒光團，即激發過程；二是激發出的熒光穿透生物組織到達生物體表后利用外在的高靈敏度探測器獲取熒光信號，即發射過程，本方法可以準確地對熒光產額進行重建。

技術領域

本發明屬于醫學圖像處理領域，涉及一種切倫可夫熒光激發的掃描光片斷層成像方法。

背景技術

放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種方法，在腫瘤治療中的作用和地位日益突出。中國2015年癌癥新發病例約430萬，其中91.9萬人使用了放射治療，放射治療已成為治療惡性腫瘤的主要手段之一。如果能在放射治療時在體揭示惡性腫瘤細胞生理學上的活動，將對于惡性腫瘤的治療有著重要的幫助。

切倫可夫熒光激發的掃描成像(以下簡稱CELSI)作為一種新興的醫學成像技術，是一種基于放射產生的切倫可夫光作為激光光源來激發生物體內部的熒光團，并在生物體外通過高靈敏度的探測器接收發射的熒光進行成像的技術。CELSI利用切倫可夫輻射作為內在的激發光源，從而獲得了更低的背景噪聲和更高的成像靈敏度。此外，CELSI技術利用內在的激發光源激發熒光探針，有效地克服了外部激光光源穿透能力有限的問題，增加了成像深度。另外，光片掃描技術的使用有效地提高了CELSI技術的空間分辨率和深度靈敏度，可以在直徑約為1毫米、深度2厘米的病灶進行成像。正是由于CELSI技術具有的這些獨特特性，開展該技術研究將促進其在生物醫學領域的應用。但是CELSI是一種二維平面成像技術，無法提供熒光探針在生物體內的深度信息，也無法進行定量分析，從而限制了其在生物體中的應用。

發明內容

為克服上述背景技術描述的問題，本發明首次提出了切倫可夫激發的熒光掃描斷層成像方法。

本發明采用的技術方案為切倫可夫熒光激發的掃描光片斷層成像方法，該方法利用在生物體表高靈敏度探測器獲取的熒光圖像來重建熒光量子產額的分布。該方法包括兩個過程，一是通過直線加速器產生X射線光片掃描生物體產生切倫可夫輻射并作為內部激發光源激發熒光團，即激發過程；二是激發出的熒光穿透生物組織到達生物體表后利用外在的高靈敏度探測器獲取熒光信號，即發射過程。

為準確地描述激發和發射過程，本方法采用耦合的擴散近似方程，擴散近似方程形式為：

其中，下標x和m分別代表激發和發射兩個波段，▽為梯度算子，Φ_x(r)是r處激發波段的切倫可夫光強，Φ_m(r)是發射波段r處的熒光光強，μ_ai(r)(i＝x,m)代表光學吸收系數，D_i(r)(i＝x,m)代表光學擴散系數，μ_af(r)是熒光團對激發光的吸收系數，η是熒光團量子效率，ημ_af(r)是需要重建的熒光量子產額。對于公式(1)中的光源項q(r)，它是一個內在的激發光源而不是外在的，是通過放射治療中直線加速器產生的切倫可夫輻射。考慮到大于6兆電子伏的X射線在生物組織中衰減小，且光束厚度小于5毫米，因此將切倫可夫輻射簡化為一個均勻分布的光片光源。

采用羅賓型邊界條件：

式(2)中，下標x和m分別代表激發和發射兩個波段，是邊界的單位法向量，A是取決于邊界光學反射系數偏差的特定常量。

切倫可夫激發的熒光掃描斷層成像方法就是利用發射過程中采集的熒光圖像來重建熒光量子產額，這是典型的病態逆問題。為重建熒光量子產額，基于正則化理論，第k次迭代的熒光產額變化量通過式(3)中的迭代方程更新得到：