CN105760697A - 面向荧光剂药代动力学成像的动态仿体设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向荧光剂药代动力学成像的动态仿体设计方法，包括：制作小动物组织体荧光剂药代动力学二室仿体；在第一圆柱空腔仿体里面注入荧光剂浓度为C₀、总液面高度为H₂mm的溶剂为1％Intralipid的混合溶液用于模拟仿体背景；在第二圆柱空腔仿体里面注入荧光剂浓度为C₀＇、总液面高度为H₂mm的溶剂为1％Intralipid的混合溶液；在测量过程中将扫描平面设置于距离仿体底端H₄mm处；为实现荧光剂浓度的动态改变；荧光剂的代谢过程通过改变仿体背景第一圆柱空腔和目标体第二圆柱形空腔中的荧光剂浓度模拟实现。本发明可以模拟小动物组织体荧光剂药代动力学二室模型。

Description

面向荧光剂药代动力学成像的动态仿体设计方法

技术领域

本发明涉及小动物成像领域，尤其是面向荧光剂药代动力学成像，具体涉及面向荧光剂药代动力学成像的动态仿体设计方法。

技术背景

目前恶性肿瘤已经成为当今世界严重危害人类健康和生命安全的常见疾病之一。随着生命科学和肿瘤学的发展，如何从分子水平、细胞水平研究肿瘤发生、发展的机制并探讨早期诊断和治疗肿瘤的有效方法，已经成为影像学、生物学和临床医学研究的热点。

近些年来大量研究表明，血管生成在肿瘤的发生、发展中起着非常重要的作用，同时，血管生成对于肿瘤的侵袭和转移也至关重要[1-4]。而新生血管与恶性肿瘤具有相互促进的关系。一般情况下，良性病变组织周围的血管稀疏，而恶性肿瘤在长到1mm左右时[1]，周围就出现丰富的毛细血管供应肿瘤生长，该“血管化”现象能够提供丰富的血流动力学信息，且肿瘤体积越大、病理分期越高，往往相应的血流动力学信息越丰富。因此，如何利用肿瘤血管生成现象所带来的功能信息提高早期肿瘤的诊断可靠性，评判肿瘤的良、恶程度，进而有效指导临床治疗，是当今肿瘤早期检测和诊断领域亟待解决的技术难题和需求。

荧光分子层析(FluorescenceMolecularTomography,FMT)结合了扩散光学层析理论和近红外荧光探针技术，旨在获得荧光探针浓度的三维分布，进而实现生物活体内特异大分子生化过程的无损三维定量观测。该技术继承了扩散光学层析成像在穿透深度和三维探测方面的特点，同时兼备了荧光剂的高灵敏特性，具有特异性、灵敏性、无电离以及光学分子标记灵活性、多样性等优点，是分子影像和肿瘤检测领域极具发展潜力的成像模式[5]。研究表明：当向组织体内注入荧光剂后，由于肿瘤组织的血管化特征，导致其相对于正常组织具有更大的荧光剂吸收速度和更慢的荧光剂排泄率，即具有更大的荧光剂聚集度，从而在某个最佳时间段内使荧光对比度相对于内源性血运对比度有较大提高[6]。其成像原理可描述为当用适当波长的激发光照射时，该光在组织体内传输并到达反应肿瘤特征的荧光剂聚集处，从而激发荧光剂使其发出荧光，其强度与荧光剂的聚集度成正比，在体外对荧光进行检测并遵循DOT图像重建的一般原理，可反演出荧光参数(荧光产率、寿命)图像，实现对肿瘤目标的定位乃至定性。

基于上述静态FMT成像原理可知，该技术主要获得某段测量时间内组织体荧光剂浓度的静态定量信息，其最佳测量时间段的准确判定对成像效果至关重要。而另一方面，若能获得定量化的荧光剂药代动力学信息，能有效克服静态成像的时间段判定困难，提高成像对比度和信息量，无疑对肿瘤组织的检测与分级、以及病生理过程研究具有重要科学意义和应用价值[7]。荧光剂药代动力学可应用动力学原理和数学模型，定量描述注入到组织体内的荧光剂的吸收、分布、代谢、排泄过程随时间变化的动态规律，其渗透率和排泄率等模型参数与组织局部病理生理状态密切相关[8-14]。肿瘤组织由于其血管新生效应产生了大量的“渗透型”血管，相比于正常组织的“紧致型”血管对荧光剂有着较高的渗透率，并且早期肿瘤组织就已经存在血管新生效应[13]，因而利用动态FMT成像方法，通过直接或间接测量荧光剂时空变化，可定量重建其药代动力参数图像信息，进而为研究肿瘤组织的生理过程和获取病理信息提供一种新客观方法，为肿瘤组织的在体早期诊断、肿瘤分期、药效评价等亟待解决的问题提供一种新思路。

与任何成像系统发展历程相似，面向荧光剂药代动力学成像系统在直接应用于小动物甚至人体之前，需要设计一种动态实验仿体对其药代动力学参数图像重建算法和系统的灵敏性、分辨率和量化度等主要检测指标进行验证。该动态仿体应具有与小动物组织相同或接近的光学参数(吸收系数和散射系数)，且为了模拟荧光剂在小动物体内代谢规律，需建立房室模型来模拟其动力学过程。房室是组成模型的基本单位，可根据药代动力学特点划分，若小动物各组织器官的荧光剂在其间的渗透率相同，则被归纳为一个房室。目前研究中广泛使用较简单的二室模型获得小动物组织的荧光剂药代动力学参数(渗透率)图像[15]，而用于模拟小动物组织荧光剂药代动力学过程二室模型的动态仿体设计在国内外还属于空白，故实现动态仿体设计是十分必要的。

参考文献

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发明内容

本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种面向荧光剂药代动力学成像的动态仿体设计方法。采用本发明提供的动态仿体设计方法，可以模拟小动物组织体荧光剂药代动力学二室模型，实现对其药代动力学参数图像重建算法和系统的灵敏性、分辨率和量化度等主要检测指标进行验证。为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种面向荧光剂药代动力学成像的动态仿体设计方法，包括：

1)制作小动物组织体荧光剂药代动力学二室仿体，采用与小动物组织体光学参数相近的聚甲醛制成直径D₁mm、高H₁mm、壁厚L₁mm的第一圆柱空腔仿体作为仿体背景，即第一室；并制作直径D₂mm、高H₃mm、壁厚L₁mm的第二圆柱形空腔仿体作为仿体目标体，即第二室；第二圆柱形空腔插入第一圆柱空腔仿体内，第一圆柱空腔仿体中心距离第二圆柱形空腔仿体中心L₂mm；

2)在第一圆柱空腔仿体里面注入荧光剂浓度为C₀、总液面高度为H₂mm的溶剂为1％Intralipid的混合溶液用于模拟仿体背景；

3)在第二圆柱空腔仿体里面注入荧光剂浓度为C₀＇、总液面高度为H₂mm的溶剂为1％Intralipid的混合溶液；

4)在测量过程中将扫描平面设置于距离仿体底端H₄mm处；为实现荧光剂浓度的动态改变，仿体背景与目标体中均插入两个与蠕动泵相连的直径D₃mm的硅胶管，其中一个为进液管，另一个为出液管；第一、二圆柱空腔仿体内的四根硅胶管插入液面至距离仿体底部H₅mm(H₃≥H₁≥H₂≥H₅≥H₄)位置；

5)实验时，荧光剂的代谢过程通过改变仿体背景第一圆柱空腔和目标体第二圆柱形空腔中的荧光剂浓度模拟实现，对于仿体背景，进液硅胶管以某一流速输入1％Intralipid，出液管以同样流速输出荧光剂与1％Intralipid混合溶液，从而达到仿体内荧光剂浓度随着时间减小而仿体背景溶液总体积不变的目的；目标体的荧光剂浓度变化同样采用上述方法实现；以模拟仿体背景、目标体部分的荧光剂浓度变化的双指数模型，从而实现动态仿体设计。

本发明提供的面向荧光剂药代动力学成像的动态仿体设计方法，有如下优点：

1)本发明动态仿体可模拟小动物组织体荧光剂药代动力学常用二室模型，可通过LabVIEW程序控制仿体背景、目标体的1％Intralipid进液速率及荧光剂与1％Intralipid混合溶液的出液速率，从而模拟荧光剂在组织体中的不同代谢率。

2)本发明动态仿体除用于药代动力学成像研究外也可以用于动态荧光剂层析成像研究(获得不同时刻的荧光产率图像)。

3)本发明动态仿体设计采用固态仿体与液态仿体相结合方式，其中固态仿体稳定性好、能长期保存和易于制作，液态仿体易与荧光剂混合制成不同荧光剂浓度的溶液，即方便制作不同初始浓度的仿体背景、目标体的荧光剂溶液。

4)本发明动态仿体设计方法具有较强的扩展性，可加入多个目标体和蠕动泵模拟荧光剂药代动力学多室模型，也可在无目标体情况下仅实现背景荧光剂浓度变化模拟一室模型，便于动态测量装置的检验。

5)基于LabVIEW程序控制蠕动泵可实现快速改变蠕动泵泵速，从而减少由于手动控制蠕动泵花费时间较长所带来误差。

附图说明

图1：模拟小动物组织体荧光剂药代动力学二室模型的动态仿体模型示意图

图2：蠕动泵工作流程图

具体实施方式

小动物组织体光学参数的模拟采用固态仿体与液态仿体相结合方式，其中固态仿体稳定性好、能长期保存和易于制作，液态仿体易与荧光剂混合制成不同荧光剂浓度的溶液。小动物组织体荧光剂药代动力学二室模型的模拟包含：仿体的背景和目标体分别模拟正常组织(可视为第一室)与病变组织(可视为第二室)，以及仿体背景和目标体中荧光剂浓度随时间的改变模拟正常组织和病变组织的荧光剂代谢过程。模拟实验中模拟小动物组织体荧光剂药代动力学二室模型的动态仿体模型示意图如图1所示，具体设计方法为：

小动物组织体荧光剂药代动力学二室仿体，仿体采用与小动物组织体光学参数相近的聚甲醛制成直径D₁mm、高H₁mm、壁厚L₁mm的圆柱空腔仿体，里面注入荧光剂浓度为C₀、总液面高度为H₂mm的1％Intralipid溶液用于模拟仿体背景。仿体实验时，1％Intralipid溶液常用于模拟小动物组织液。在圆柱空腔仿体内置入同样由聚甲醛制作的直径D₂mm、高H₃mm、壁厚L₁mm的圆柱形空腔作为仿体目标体部分，其仿体中心距离目标体中心L₂mm，里面注入荧光剂浓度为C₀＇、总液面高度为H₂mm的1％Intralipid溶液。在测量过程中可将扫描平面设置于距离仿体底端H₄mm处；为了实现荧光剂浓度的动态改变，仿体背景与目标体中均插入两个与蠕动泵相连的直径D₃mm的硅胶管，其中一个为进液管，另一个为出液管；另外考虑到硅胶管进出液与仿体内溶液的混合程度以及多次旋转台、升降台进行旋转、升降时对硅胶管的拉力的影响，硅胶管插入液面至距离仿体底部H₅mm(H₃≥H₁≥H₂≥H₅≥H₄)位置。实验时，荧光剂的代谢过程通过改变仿体和目标体中的荧光剂浓度模拟实现。对于仿体背景，进液硅胶管以某一流速输入1％Intralipid，出液管以同样流速输出荧光剂与1％Intralipid混合液，从而达到仿体内荧光剂浓度随着时间减小而仿体背景溶液总体积不变的目的。目标体的荧光剂浓度变化同样可采用上述方法实现。

另外基于LabVIEW控制程序可对进、出液蠕动泵泵速进行控制。仿体的背景和目标体均插入与进、出液蠕动泵相连并受其控制的进、出液硅胶管，程序循环设置相同时间间隔的不同时间段内的进、出液蠕动泵不同泵速，使蠕动泵泵速在不同时间段内遵循相应的变化，仿体背景和目标体的进、出液硅胶管流速随着进、出液蠕动泵泵速的变化而改变，以模拟仿体背景、目标体部分的荧光剂浓度变化的双指数模型。其中背景、目标体进液硅胶管输入1％Intralipid溶液，出液硅胶管输出荧光剂与1％Intralipid混合溶液，实现仿体背景和目标体具有不同荧光剂代谢率的模拟，从而实现了动态仿体设计。

下面结合实施例对本发明进行说明。动态仿体的几何参数、光学参数以及荧光剂药代动力学二室模型设计和实现的具体过程如下：

实验时，动态仿体中固态部分由聚甲醛制成。聚甲醛制作的固态带有空腔目标体圆柱的空腔仿体背景圆柱直径为30mm、高为60mm、璧厚为0.1mm，空腔目标体圆柱直径12mm、高为70mm、璧厚为0.1mm。固态仿体空腔背景圆柱横截面中心距离空腔目标体圆柱横截面中心8mm。固态仿体的背景、目标体圆柱顶部连接的进、出液硅胶管的外径均为4mm，内径均为0.8mm。仿体固态部分的光学参数为折射率n₁＝1.5，吸收系数μ_a1＝0.0038mm^-1，约化散射系数μ_s1'＝0.978mm^-1。

动态仿体中液态部分由荧光剂ICG溶液制成。固态空腔背景及目标体圆柱内充有荧光剂ICG溶液，1％Intralipid作为荧光剂ICG溶液的溶剂，该荧光剂为唯一通过美国食品药品监督管理局(FDA)批准的可用于人体的试剂，背景及目标体内ICG溶液浓度均配置为8μM/L。背景及目标体固态空腔内填入的荧光剂ICG溶液的总液面高度均为42mm，四根硅胶管插入液面至距离仿体底部30mm，在测量过程中扫描平面设置于距离仿体底端20mm处。仿体液态部分的光学参数为折射率n₂＝1.5，吸收系数μ_a2＝0.0017mm^-1，约化散射系数μ_s2'＝0.87mm^-1。

动态仿体背景、目标体两部分内的荧光剂浓度随时间变换实现，其中以实现常用二室模型为例，具体步骤为：

(1)在荧光剂药代动力学成像二室模型中，荧光剂浓度的变化可用双指数模型描述。动态仿体背景ICG浓度双指数变化模型为：

$C_i={\mathrm{Ae}}^{{-K}_1{T}_i}+{\mathrm{Be}}^{-K_2{T}_i},(i=\mathrm{0,1,2}...)---\left(1\right)$

其中，T_i为第i个时间节点，C_i为T_i时刻的浓度，A、B、K₁、K₂为常数。

同样，目标体ICG浓度双指数变化模型可表示为：

${C_i}^{\′}=A^{\′}{e}^{-{K_1}^{\′}{T}_i}+B^{\′}{e}^{-{K_2}^{\′}{T}_i},(i=\mathrm{0,1,2}...)---\left(2\right)$

其中，Ti为第i个时间节点，C_i＇为T_i时刻的浓度，A＇、B＇、K₁＇、K₂＇为常数。

(2)为了设定荧光剂代谢浓度的变化值，需通过计算设定蠕动泵转速，其中蠕动泵工作过程如图2所示，蠕动泵转速详细计算过程如下：

1)设背景、目标体荧光剂ICG初始浓度分别为C₀、C₀＇，初始时间为T₀，时间间隔为△T，则T_n时刻时，T_n＝n△T+T₀(n＝0,1,2…)。利用动态仿体双指数变化模型公式(1)和(2)，分别计算出背景部分T₁至T_n时刻对应的ICG浓度值C₁至C_n以及目标体部分T₁至T_n时刻对应的ICG浓度值C₁＇至C_n＇；

2)根据背景ICG浓度值C_i、C_i+1浓度的变化，利用背景进出液蠕动泵泵速计算公式：

其中，V₀为动态仿体背景的体积，v_泵i为T_i至T_i+1时间段内背景进出液蠕动泵泵速。可获得每个时间段内背景进出液蠕动泵泵速v_泵0至v_泵n的值；

同样，根据目标体ICG浓度值C_i＇、C_i+1＇浓度的变化，利用目标体进出液蠕动泵泵速计算公式：

其中，V₀＇为动态仿体目标体的体积，v_泵i＇为T_i至T_i+1时间段内目标体进出液蠕动泵泵速。同样可获得每个时间段内目标体进出液蠕动泵泵速v_泵0＇至v_泵n＇的值；

3)通过基于LabVIEW的蠕动泵控制程序，循环设置与背景顶部连接进、出液蠕动泵泵速v_泵0至v_泵n以及与目标体顶部连接进、出液蠕动泵泵速v_泵0＇至v_泵n＇。程序控制使与背景顶部连接进、出液蠕动泵泵速每间隔△T由v_泵0至v_泵n顺序变换，与目标体顶部连接进、出液蠕动泵泵速每间隔△T由v_泵0＇至v_泵n＇顺序变换。

仿体的背景、目标体均实现了相应的双指数模型，模拟了小动物组织体荧光剂药代动力学的二室模型。

Claims (1)

1.一种面向荧光剂药代动力学成像的动态仿体设计方法，包括：

1)制作小动物组织体荧光剂药代动力学二室仿体，采用与小动物组织体光学参数相近的聚甲醛制成直径D₁mm、高H₁mm、壁厚L₁mm的第一圆柱空腔仿体作为仿体背景，即第一室；并制作直径D₂mm、高H₃mm、壁厚L₁mm的第二圆柱形空腔仿体作为仿体目标体，即第二室；第二圆柱形空腔插入第一圆柱空腔仿体内，第一圆柱空腔仿体中心距离第二圆柱形空腔仿体中心L₂mm；

2)在第一圆柱空腔仿体里面注入荧光剂浓度为C₀、总液面高度为H₂mm的溶剂为1％Intralipid的混合溶液用于模拟仿体背景；

3)在第二圆柱空腔仿体里面注入荧光剂浓度为C₀＇、总液面高度为H₂mm的溶剂为1％Intralipid的混合溶液；

4)在测量过程中将扫描平面设置于距离仿体底端H₄mm处；为实现荧光剂浓度的动态改变，仿体背景与目标体中均插入两个与蠕动泵相连的直径D₃mm的硅胶管，其中一个为进液管，另一个为出液管；第一、二圆柱空腔仿体内的四根硅胶管插入液面至距离仿体底部H₅mm(H₃≥H₁≥H₂≥H₅≥H₄)位置；

5)实验时，荧光剂的代谢过程通过改变仿体背景第一圆柱空腔和目标体第二圆柱形空腔中的荧光剂浓度模拟实现，对于仿体背景，进液硅胶管以某一流速输入1％Intralipid，出液管以同样流速输出荧光剂与1％Intralipid混合溶液，从而达到仿体内荧光剂浓度随着时间减小而仿体背景溶液总体积不变的目的；目标体的荧光剂浓度变化同样采用上述方法实现；以模拟仿体背景、目标体部分的荧光剂浓度变化的双指数模型，从而实现动态仿体设计。