仿CT扫描模式扩散荧光层析成像方法

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2nmol／L左右的浓度和边对边距离5mm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．

小鼠荧光层析成像系统及数据提取扩展方法

基于电子倍增电荷耦合器件探测器搭建了面向小鼠活体非接触式测量的荧光扩散光层析成像系统,为了避免复杂的焦点矫正计算并降低逆问题的病态性,提出一种新的电荷耦合器件平板探测器信息提取及扩展方法,并根据信息提取方法发展了非接触式荧光扩散光层析成像图像重建算法.通过大量仿体荧光扩散光层析成像实验,证明当提取的信息对应于圆柱域投影的1/2、且将信息提取域分解为3个子域时重建可获得最好的效果.制备了皮下植入荧光目标体的活体小鼠进行荧光扩散光层析成像实验,与显微CT成像结果的对比表明:搭建的系统结合所发展的图像重建算法能够较好地重建出活体小鼠内荧光目标体的位置和浓度,有望应用到小鼠肿瘤模型的荧光层析成像中.

基于时间相关单光子计数的非接触式荧光层析成像系统

基于时间相关单光子计数(TCSPC)技术原理,研究了一套面向早期乳腺癌检测的时域荧光层析成像系统.系统采用非接触式空间光扫描测量方式,相对于传统的光纤接触式测量方法,可增大空间采样量、减小测量误差、提高空间分辨率.通过仿体实验对系统的成像质量进行了验证,结果表明:单目标仿体实验能较好地对荧光产率与寿命进行重建;在双目标仿体荧光产率的重建中,可有效对中心距为20 mm、边距为15 mm的目标体进行分辨,且对不同浓度荧光剂目标的重建具有较好的线性.实验结果证明系统应用于乳腺检测的可行性,进一步发展可有望应用于临床乳腺成像中.

X射线荧光层析成像中消除散射光的方法

介绍了X射线荧光层析成像技术的成像原理及其在微量分析领域中的应用。针对X射线与物质相互作用时 ,不仅产生荧光 ,而且会产生各种散射光 ,为消除这些散射光对成像结果的影响 ,提出采用在与入射X射线垂直方向放置一个圆环状的晶体单色器 ,即双聚焦模式晶体单色器 ,使荧光与各种散射光分离 ,并聚焦在探测器上。这样不仅大大增强了荧光信号的强度 ,而且可使荧光探测器小型化。

面向乳腺肿瘤诊断的时域扩散荧光―光学层析成像系统

为了解决传统乳腺扩散光学层析成像可靠性低的问题,设计了一套基于多通道时间相关单光子计数的时域扩散荧光―光学层析成像系统.该系统采用32根同轴光纤均匀分布于组织体表面,作类似X射线层析工作方式的同层扫描,由此获得多角度下的时间分辨投影.通过测量不同仿体,应用相应的迭代图像重建算法,获得了可靠的重建结果.研究表明,该系统工作可靠,是进行乳腺肿瘤早期诊断研究的理想模式之一.

时域荧光分子层析图像重建的线性特征数据法

通过扩展用于时域扩散光成像(Diffuse Optical Tomography,DOT)的广义脉冲谱技术,提出了一种用于时域荧光分子层析成像(Fluorescence Molecular Tomography,FMT)的线性特征数据图像重建算法.此算法能够同时重建荧光产率和荧光寿命,并且利用模拟数据对此方法进行验证,证明了算法的有效性.

荧光分子断层成像系统的研究进展与比较

荧光分子断层成像(FMT)利用具有特异性的荧光分子探针,在体成像、观测生物体内细胞和分子水平的变化。介绍FMT系统的国内外研究进展,从系统的复杂性、投影数目、光源-探测器(S-D)数据对集大小、重构图像的质量等方面,分析5种S-D几何结构的特点。着重从实现方面,分析、比较已报道的几种FMT系统的特点,并对其多模态成像的可扩展性、临床应用的可能性等进行了总结与展望。

快速估计荧光分子断层成像中单个荧光物的深度

荧光分子断层成像支持在体无创研究长时间跨度的分子事件,满足21世纪系统化地观测生命过程的要求。在其复杂且耗时的重建中,先验信息有助于加快重建速度,提高重建图像的质量。文章将求解荧光物的深度作为待优化问题,由单幅荧光图像直接快速地估计深度信息。首先根据生物组织内的扩散模型和外推边界条件,推导出生物体边界上两点处荧光强度的比值Rf。然后用粒子群优化算法,在吸收系数和散射系数的估计区间内,由最小化生物体边界上两点处模型值RfM与测量值RfT之间的差,估计出荧光物的深度。不同尺寸荧光物的两个仿体实验的结果表明,所提出的方法不需要网格剖分和重建,能快速简单地估计出单个类似于球体的荧光物的深度。

肿瘤光学分子成像技术研究进展

肿瘤光学分子成像技术是近年发展起来的新兴技术,在生命科学研究中占有重要地位。其原理为采用荧光报告基团或荧光染料标记的目的细胞,通过灵敏的光学成像仪器,检测活体生物体内细胞生物学行为。依对比度产生机制有两个主要模态:生物体自发光成像和荧光层析成像。光学分子成像技术具有无创、可多次重复、实时活体成像、灵敏、安全等优势,但目前还在发展的初期,是分子影像学领域面临突破的重点研究方向,它的发展必将为生命科学和临床医学研究提供革命性的新方法和手段。

基于联合代数重建技术的介观荧光分子层析成像

针对介观荧光分子层析成像重建问题,提出了一种基于联合代数重建技术的介观荧光分子层析成像重建方法。首先应用主成分分析算法对敏感矩阵进行双重降维操作,以消除敏感矩阵中的冗余信息;其次为保持重建结果与目标数据的一致性,对降维后的矩阵进行零填充;最后应用荧光光强测量数据和填充后的敏感矩阵,经带有总变差正则化项的联合代数重建技术重建组织中荧光探针的三维分布。为了评估所提方法的性能,设计了计算机数值仿体实验和血管树实验。实验结果表明,文中所提方法既提高了算法的重建精度和抗噪声性能又缩短了重建时间。因此,文中所提方法适用于介观荧光分子层析成像重建研究。

镜像优化FDOT系统成像过程的计算机仿真

传统的单角度FDOT系统由于受到探测设备限制,重建出来的图像分辨率不高;而现有的多角度FDOT系统普遍存在特异性高、难推广、造价高等问题。根据以上问题提出了一种平面镜优化的系统改造方法,在原有的单角度FDOT系统基础上,添加平面镜增加采集数据量的方法开发适用于临床肿瘤诊断研究的镜像FDOT系统。仿真结果表明,优化后的镜像FDOT系统荧光目标块重建荧光断层图像完整,能够很好地反映荧光目标块的分布,有望将该系统进一步应用于小鼠肿瘤研究实验。

荧光分子层析成像图像重建研究进展

荧光分子层析(FMT)成像是一种具有深度分辨能力的宏观光学成像技术,可定位和量化生物体内的荧光分子探针,在蛋白质相互作用研究、药物作用机制解析以及肿瘤治疗效果评价等方面具有巨大的应用潜力。然而,FMT的一个关键挑战是其逆向问题具有高度病态性,这意味着图像重建对测量噪声及各种数值误差非常敏感。要获得良好的图像重建结果,除了尽可能提升系统的性能以减小测量噪声外,还主要取决于两个方面:一是提高正向问题求解的精度以降低数值误差;二是缓解逆向问题的病态性使其抗噪声能力更强。本综述介绍了目前FMT图像重建在这两个方面的研究进展。

基于组稀疏正则化的荧光扩散层析成像重建

针对荧光扩散层析成像中荧光光源的定位误差较大和形态学信息不完整的问题,提出一种基于组稀疏正则化的同时代数重建技术(GSR-SART)算法。该算法利用图像的非局部自相似性和局部稀疏性构造自适应相似组;然后,将相似组作为基本单元,学习自适应字典;最后,采用迭代收缩阈值算法求解目标函数。实验结果表明,所提算法在峰值信噪比和方均根误差的结果上比其他先进算法有较大的提升。

基于二维圆域解析模型的时域扩散荧光层析原理与实验研究

提出了基于二维圆域解析模型的时域扩散荧光层析图像重建算法。采用了外推边界条件下二维圆域结构的扩散方程解析解,利用基于耦合扩散方程拉氏变换的广义脉冲谱技术和基于玻恩比的归一化逆问题模型,实现圆柱层析模式下的图像重建。为了解决线性求逆过程中的病态问题,采用了代数重建技术进行相应的线性求逆。并通过引入一对实数拉氏变换因子,实现荧光产率和寿命的同时重建。利用多通道的时间相关单光子计数系统对实验仿体进行了圆柱层析式时间分辨的数据测量,实验结果表明,提出的重建算法对于目标体的位置和形状都进行了较准确的重建,从而验证了该重建算法的可靠性及可行性。

面向吲哚菁绿药代动力学成像的动态实验系统

为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像,设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式,在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下,可有效提高系统的空间采样分辨率;同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式,兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性,设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体,并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法,实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明,该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。

用于提高成像灵敏度的区域DOT/FMT混合成像方法

当前荧光分子层析(FMT)技术因假设背景光学结构均匀而导致其灵敏度、定量性和空间分辨率等主要指标与实际应用要求存在一定的差距,而基于区域标识的"粗粒度"扩散光学层析成像(区域DOT)重建算法在目标体结构先验信息的支持以及光学特性分区均匀性自然假设下能够有效获取目标体的光学结构,展开了提高FMT技术成像灵敏度的稳态测量模式下区域DOT/FMT混合成像方法的研究。数值模拟中以含有区域标记的光学数字鼠模型为背景,分别在已知数字鼠精确光学结构、利用区域DOT重建算法获取的数字鼠光学结构以及假设数字鼠各区域光学参数均匀三种背景情况下基于FMT技术重建荧光产率图像,并利用简化的仿体模型进行实验验证。结果表明,该区域DOT/FMT混合成像方法使FMT技术成像灵敏度有了显著提高,荧光产率图像具有更好的定位及量化精度。

基于自适应扩展卡尔曼滤波的吲哚菁绿药代动力学实验研究

基于动态扩散荧光层析成像(DFT)的荧光剂药代动力学参数(渗透率等),可为判断不同生物组织体的生理过程和病理信息提供参考。自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)作为一种动态分析方法,具有精确的建模和多参数在线估计等优势。基于DFT系统对吲哚菁绿(ICG)在健康小鼠肝脏和荷瘤小鼠皮下移植瘤组织中的代谢过程进行了测量,然后采用DFT重建技术获得了ICG的时间序列荧光层析图像,在此基础上结合二室模型和AEKF方法得到了ICG的时间序列渗透率参数层析图像。对比两种实验结果可知,肿瘤中ICG的渗透率参数Kpe、Kep均较健康小鼠肝脏中的小。时间序列荧光层析图像显示,AEKF方法能有效获得复杂生物体实时、稳定的ICG药代动力学参数。