CN109589126B - 基于宽光束小步长扫描方式的x射线发光断层成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于宽光束小步长扫描方式的X射线发光断层成像方法，包括下列步骤：①数字X射线成像系统和XLCT成像参数设置。③将注入纳米荧光颗粒的待测物体放到成像腔。④X射线束的设置，实现宽光束小步长的扫描激发方式。⑤对待测物体进行扫描，而后通过光纤探测器接收近红外光子，用光电倍增管记录光子数量。⑥正向模型构建。⑦逆向模型构建。

Description

基于宽光束小步长扫描方式的X射线发光断层成像方法

技术领域

本发明属于生物医学工程及医学影像学领域，涉及一种基于宽光束小步长扫描方式的X射线发光断层成像新方法。

背景技术

光学分子影像作为分子成像技术的重要分支，可以对活体状态下的生物体进行细胞和分子水平上的定性和定量成像，该技术利用特定的分子探针跟踪生物体的病理变化，在体外采用光学分子成像系统采集标记物产生的光信号，这种光信号携带了大量的信息，根据成像模型可以对获得的信号进行三维重建，完成特异性成像，这对于早期疾病检测、治疗、药物研发以及药效评估都有着重大的研究意义。目前，光学分子影像方法主要包括生物断层发光成像(Bioluminescence Tomography,BLT)、荧光分子断层成像(FluorescenceMolecular Tomography,FMT)、扩散光学断层成像(Diffuse Optical Tomography,DOT)和X射线发光断层成像(X-ray Luminescence Computed Tomography,XLCT)等技术。而XLCT作为一种新型的光学分子成像技术，因X射线穿透能力具有更深的成像深度，可以实现深部组织测量且具有较高成像分辨率，因而受到广泛的关注。XLCT对于肿瘤的诊断和治疗有着突破性的意义，它可以利用纳米荧光分子对肿瘤细胞进行标定，通过X射线照射激发纳米荧光分子发射近红外光，然后近红外光穿透生物组织后被探测器接收到，根据接收到的携带位置和浓度信息的光信号进行建模与重建，从而反演出纳米荧光分子在生物体内的三维分布，确定肿瘤的位置和大小，该技术为肿瘤诊治提供一种新型有效的分子影像技术，具有十分重要的意义。

目前国内外在XLCT技术研发方面还在初级阶段，按照X射线激发模式划分，可以分为锥束和窄束XLCT这两类系统。锥束XLCT成像时间短，但是具有较为严重的欠定性，往往会导致重建图像的质量差，而窄束XLCT在成像分辨率方面具备优势，但由于其成像时间长，阻碍了该方法的临床推广应用。针对窄束XLCT成像时间长的问题，国外学者提出一种多光束XLCT成像的方法。该方法通过采用多个光束进行扫描，在牺牲一些分辨率的前提下，成倍缩短了成像时间，该方法的提出推动了窄束XLCT的进一步发展。例如采用四条X射线窄束对仿体同时扫描，可以使每条光束扫描的距离降低到单光束扫描的四分之一，因此扫描时间也可以降低到单光束扫描的四分之一。多光束的XLCT成像方法虽然成倍缩短了成像时间，但与锥束XLCT相比，由于仍采用X射线窄束作为激发光，在有限时间内用于激发纳米荧光分子的X射线光子数有限，限制了激发产生近红外光的光子数，由此导致所采集的近红外信号强度有限，易受噪声干扰的问题。窄束XLCT具有高空间分辨率的特点，但也面临着成像时间长的弊端，制约了该技术在临床应用上的价值，因此缩短成像时间并保证成像质量已经成为该研究面临的一个关键问题。多窄束XLCT能够缩短成像时间，但是随着X线束数的增加，成像模型的信息完备性降低，导致重建图像的分辨率也随之大大下降。

发明内容

本发明提出一种基于宽光束小步长扫描方式的X射线发光断层成像新方法，可以在缩短成像时间的同时保证成像质量，其中，采用宽光束增强了受激产生的信号强度，由此缩短了成像时间，小步长扫描增强了信息完备性，解决宽光束带来的分辨率下降问题。本发明的技术方案如下：

一种基于宽光束小步长扫描方式的X射线发光断层成像方法，包括下列步骤：

①数字X射线成像系统和XLCT成像参数设置：将系统开启，让X微焦点光源和CMOS探测器预热，X射线光源位于物体的正上方且到物体的距离为80cm，利用光纤接收从待测物体表面发出的近红外光。

③将注入纳米荧光颗粒的待测物体放到成像腔，调整位移台进行校准操作，保证待测物体在实验过程中可以全部被扫描到。

④X射线束的设置：根据待测物体尺寸设计合适的准直器实现多光束X射线准直，设采用k条光束，光束初始位置沿成像腔直径方向将成像腔k等分，射线宽度为0.8mm，平移步长为0.1mm，即实现宽光束小步长的扫描激发方式。

⑤对待测物体进行扫描，而后通过光纤探测器接收近红外光子，用光电倍增管记录光子数量，即测量量Φ，该角度扫描完成后，将线性平移台调整到初始位置，依次旋转60°，120°，再次按上述步骤进行扫描，并将采集到的信号保存，用于后续图像重建。

⑥正向模型构建：利用有限元法将待测物体进行有限元剖分建模，剖分单元采用四面体，将信号采集光纤的位置配准到该模型，将光纤探测器所在位置设置点光源，代入扩散方程后求解每个光纤探测器对应的系统矩阵Φ_i，i＝1,2,…,nd,nd，为探测器数量，则获得整体系统矩阵A＝[Φ_n1,Φ_n2,...,Φ_nd]^Τ，然后根据选择性激发向量对整体系统矩阵A进行修正，选择性激发向量定义为：位置r处的节点node_r在X射线束照射范围Ω_X内，其值设置为1，否则设置为0，即

得到

I是每一个投影角度下线性扫描步长的数量，J是投影角度的个数，I×J为总的采集数据的次数，采用k条宽光束进行小步长扫描，扫描I*J次，得到待测物体表面的光通量密度的测量量b。

⑦逆向模型构建：对纳米发光粒子密度的空间分布η的求解作无约束最优化求解

b是待测物体表面的光通量密度的测量量，采用ART迭代算法进行迭代处理，以求得η的最小范数-最小二乘解

β为松弛因子，取β＝0.2。

本发明通过增大光束宽度，增强了X射线的强度，从而提高了X射线剂量的利用率，相比于窄束XLCT更利于成像而且缩短了成像时间；同时，通过小步长的方法提高了重建图像的质量，达到了窄束XLCT重建图像的效果。

附图说明

图1多窄束XLCT成像系统结构图

图2三个光束扫描模式

图3 delta＝1.2mm的情况下,(a-e)步长分别为：0.5mm,0.4mm,0.3mm,0.2mm,0.1mm

图4 delta＝1.0mm的情况下,(a-e)步长分别为：0.5mm,0.4mm,0.3mm,0.2mm,0.1mm.

图5 delta＝0.8mm的情况下,(a-e)步长分别为：0.5mm,0.4mm,0.3mm,0.2mm,0.1mm.

图6 delta＝1.2,1.0,0.8mm下三个评价指标的折线图(a)DICE(b)CNR(c)RMSE

图7(a1-c1)为窄光束重建的图像，步长分别为0.3,0.2,0.1，单位是mm；

(a2-c2)为宽光束小步长重建的图像，步长同样分别为0.3,0.2,0.1，单位是mm

具体实施方式

下面从几个方面介绍本发明。

1多窄束XLCT成像系统

实验成像系统为Pixarray 100小动物数字放射成像系统，由美国BIOPTICS公司制造。该系统的探测器为1024×1024的CCD阵列，像素大小为50μm×50μm，14级灰度。横向及纵向的空间分辨率均为每毫米20像素。X射线管的焦斑尺寸为50μm。探测器点扩散函数的半高宽为110μm。实验中，X射线源的工作电压为40kV，工作电流为0.5mA。成像物体模拟小鼠的生理参数设计而成。实验设置X射线源位于物体的正上方且到物体的距离为80cm，半圆弧状的光纤架位于物体的正下方，光纤用铅皮包裹，而后固定在光纤架上，用于接收从待测物体表面发出的光流量。待测物体放于直径为30mm，高为50mm的成像腔内，成像腔固定在平移台上。通过控制器可以实现成像腔的线性平移和旋转，成像系统结构图如图1所示。

2宽光束小步长扫描方式的XLCT成像原理

在XLCT成像过程中，X射线源发出的X射线穿透生物组织，照射到纳米发光材料，激发产生近红外光，X射线的强度在整个过程中会发生变化，根据朗伯比尔定律，可得到在生物组织中X射线的强度变化：

其中，X(r₀)是X射线在初始位置r₀处的强度，μ(τ)是X射线在位置τ处的衰减系数。

在成像过程中，纳米发光材料经过X射线照射后，受激发出近红外光，激发出的光源强度可表示为：

S(r)＝εX(r)η(r). (2)

其中，S(r)是近红外光强度，η(r)是纳米荧光粒子的密度，ε是光子产额。

光子在生物软组织中的传播过程可以用辐射传输方程(RTE)来描述，由于生物软组织对近红外光具有高散射性和低吸收性，RTE一般被近似为扩散方程，因此成像模型可以表达为：

-▽·[D(r)▽Φ(r)]+μ_a(r)Φ(r)＝S(r) r∈Ω (3)

其中，D(r)＝(3(μ_a(r)+(1-g)μ_s(r)))^-1是扩散系数，μ_a(r)是吸收系数，g是各向异性参数，μ_s(r)是散射系数，Φ(r)是光通量密度。

采用稳态扩散方程描述光子传播，在边界处可由罗宾边界条件进行补充：

其中，k(r,n,n′)是边界不匹配因子，它取决于Ω内的折射率n和周围环境的折射率n′，v(r)是外向单位法向向量。

有限元方法已被广泛应用于求解扩散方程，特别是对任意几何图形的求解。基于有限元理论，将式方程(3)(4)联立，用形状函数ψ_i和ψ_j进行离散化，构建矩阵方程：

M·Φ＝F·S (5)

其中，

方程(5)中的矩阵M是正定的，因此可以得到：

Φ＝M^-1·F·S＝M^-1·F·ε·X·η＝A·η (6)

实际应用时，矩阵A的获得依靠求解格林函数：将探测器所在位置设置为点光源位置，代入扩散方程后可以求解出每个点光源照射后的物体内部的光通量密度分布Φ_i(i＝1,2,…,nd,nd是探测器的个数)，则A＝[Φ_n1,Φ_n2,...,Φ_nd]^Τ。由于X射线是有间距的多条宽光束，在一次照射下只能照射到待测物体的部分区域，然后通过窄步长平移多次才能将待测物体全部照射到，因此在每次采集的数据都需要用选择性矩阵来修正系数矩阵A，我们设定选择性激发向量如下：

当位置r处的节点(node_r)在X射线束照射范围Ω_X内，其值设置为1，否则设置为0。其中i＝1,...,I×J为总的采集数据的次数，I是每一个投影角度下线性扫描步长的数量，J是投影角度的个数。修正后的系数矩阵A为：

其中，nd是探测器的个数，Φ_j(j＝n1,...,nd)为第j个探测光纤对应的格林函数。然后采用3条宽光束进行小步长扫描，扫描I*J次，得到待测物体表面的光通量密度的测量量b。

由于上述的离散过程导致了实际测量数据个数远远小于待求的未知量个数，并且方程的解很容易受噪声干扰，因此很难用直接的矩阵求逆的方法得到纳米发光粒子密度的空间分布η。在此情形下，只能通过对原问题的求解过程转化为无约束最优化求解：

正规化方法主要有截断SVD法、Tikhonov-Mill法，迭代正规法(Landweber法)、代数重建技术(algebraic reconstruction technique，ART)等。由于ART是广泛应用于医学成像领域的一种基于矩阵行的迭代重建技术，因此本发明采用该技术进行原问题求解：

式中，j＝1,...,m(m为节点个数)，β称为松弛因子，其取值范围为[0,2]，当β取0.1～0.3时，重建结果比较稳定但收敛速度慢，因此这里取值为0.2。

3基于宽光束小步长扫描方式的X射线发光断层成像新方法技术流程

本发明的基于宽光束小步长扫描方式的X射线发光断层成像新方法的流程描述如下：

1、数字X射线成像系统设置：将系统开启，让X微焦点光源和CMOS探测器预热，为保证实验过程中成像系统的稳定性，在实验前至少需要让机器预热30分钟。

2、设置XLCT成像参数：X射线光源位于物体的正上方且到物体的距离为80cm，半圆弧状的光纤架位于物体的正下方，光纤用铅皮包裹，而后固定在光纤架上，用于接收从待测物体表面发出的近红外光。

3、将注入纳米荧光颗粒的待测物体放到成像腔，成像腔的直径为30mm，高为50mm，调整位移台进行校准操作，保证待测物体在实验过程中可以全部被扫描到。

4、X射线束的设置：根据待测物体尺寸设计合适的准直器实现多光束X射线准直，这里采用3条光束，光束初始位置沿成像腔直径方向将成像腔3等分，射线宽度为0.8mm，平移步长为0.1mm，即实现宽光束小步长的扫描激发方式。

5、设置数字放射成像系统的曝光参数，在上述成像设置下，对待测物体进行扫描，而后通过光纤探测器接收近红外光子，用光电倍增管记录光子数量，即测量量Φ。该角度扫描完成后，将线性平移台调整到初始位置，依次旋转60°，120°，再次按上述步骤进行扫描，并将采集到的信号保存，用于后续图像重建。

6、正向模型构建：正向模型构建：利用有限元法将待测物体进行有限元剖分建模，剖分单元采用四面体，将信号采集光纤的位置配准到该模型，将光纤探测器所在位置设置点光源，代入扩散方程后求解每个光纤探测器对应的系统矩阵(或格林函数)Φ_i(i＝1,2,…,nd,nd为探测器数量),则获得整体系统矩阵A＝[Φ_n1,Φ_n2,...,Φ_nd]^Τ，然后根据选择性激发向量对整体系统矩阵A进行修正，选择性激发向量定义为：位置r处的节点(node_r)在X射线束照射范围Ω_X内，其值设置为1，否则设置为0，即

得到

(I是每一个投影角度下线性扫描步长的数量，J是投影角度的个数，实验中取J＝3，I×J为总的采集数据的次数)，实验中采用3条宽光束进行小步长扫描，扫描I*J次，得到待测物体表面的光通量密度的测量量b。

7、逆向模型构建：由于实际测量数据个数远远小于待求的未知量的个数，因此需要对纳米发光粒子密度的空间分布η的求解作无约束最优化求解

(b是待测物体表面的光通量密度的测量量)，然后我们采用ART迭代算法进行迭代处理，以求得η的最小范数-最小二乘解

(β为松弛因子，本发明取β＝0.2)。根据需要，可以从η的三维重建结果中取任意截面的图像，用于分析该平面上纳米发光粒子密度的分布。

该方法与目前的窄光束XLCT相比，缩短了成像时间，增大了X射线的强度，提高了X射线剂量的利用率，而且在重建图像的质量上，达到了窄光束XLCT重建图像的效果。本发明采用三个光束进行照射仿体，如图2所示，三条光束均分整个仿体，在数值仿真和模拟实验中，扫描的距离是单光束的三分之一，因此在扫描时间上成倍的缩短，同时在此基础上增加光束宽度又进一步减少了扫描距离，从而进一步缩短了扫描时间。在实际的仿体实验中，形成窄光束的准直器不易制作，而且会额外增加成本，而使用宽光束，降低了准直器的制作难度，而且得到的数据与仿真的数据差异性小，这样更利于成像，而且缩短了实验扫描时间，这对临床研究提供了可能性，具有重要的研究意义和广泛的应用前景。

本发明采用3个光束小步长扫描方法，扫描模式如图2所示，delta为射线宽度，distance为相邻射线束之间的距离，step为步长，投影角度选0°，60°和120°三个方向，每个投影角度下平移的步长总数为I＝2R/step/n，R为仿体直径，n为射线束的个数，目标体objects直径是1.6mm。在图1的扫描模式下，我们分别研究了X射线宽度为delta＝1.2mm，delta＝1.0mm和delta＝0.8mm三种情况下，步长大小对成像质量的影响，步长step设置均依次采用0.5mm,0.4mm,0.3mm,0.2mm,0.1mm这5种情况，重建的图像如图3、4、5所示。

分别记录了图3、4、5不同步长下重建图像的三个评价指标：相似度(DICE)，对比度噪声比(CNR)和均方根误差(RMSE)，其中，DICE是指建区域中强度值大于最大值的50％的体元的面积与实际目标体的面积之比，一般认为DICE越接近1，越好；CNR是描述重建区域与背景之间的差异的，一般认为CNR越大，重建图像的质量越好；RMSE是描述重建目标体与实际目标体之间的差异的，一般认为RMSE越小，重建图像的质量越好。根据三个指标的数据，绘制了折线图，如图6所示：

从DICE的折线图可以看出，随着步长step的减小，三种射线宽度的DICE均呈上升趋势，表明，重建区域与实际目标体的大小越来越接近；从CNR的折线图可以看出，随着步长step的减小，三种射线宽度的CNR均呈上升趋势，表明，重建区域与背景之间的差异越来越明显；从RMSE的折线图可以看出，随着步长step的减小，三种射线宽度的RMSE均呈下降趋势，表明，重建区域浓度值的大小与实际目标体区域浓度值的大小的差异越来越小。三个评价指标的变化均表明了，在宽光束下，随着步长的减小，重建图像的质量越来越好，尤其是在小步长下(如step＝0.1mm)，重建图像的质量明显得到提高。

基于宽光束小步长的XLCT，在重建图像的质量上明显得到提高，为了检验重建质量的效果，我们做了三组与窄光束成像的对比实验。在窄光束实验中，束宽delta和步长step相等，分别为0.3mm，0.2mm，0.1mm，其他实验条件与宽光束窄步长实验一致，为了进行很好的对比，我们分别取光束宽度delta为0.8mm情况下，步长step分别为0.3mm，0.2mm，0.1mm的重建图像进行对比，如图7所示：

为了对重建图像的质量进行更好的对比，我们对宽光束和窄光束重建图像的三个评价指标进行了对比，如表1所示：

表1宽光束窄步长与窄光束窄步长评价指标的对比

对比(a1)和(a2)，可以发现，(a2)的DICE和CNR均比(a1)的稍微大些，且(a2)的RMSE比(a1)小，表明(a2)重建图像的质量比(a1)好；对比(b1)和(b2)，可以发现，(b2)与(b2)的DICE相差很小，但(b2)的CNR比(b1)稍微小一些，而(b2)的RMSE比(b1)小得多，从整体上来看，(b1)和(b2)重建图像的质量相差不大；对比(c1)和(c2)，可以发现(c2)的DICE和CNR均比(c1)大，且(c2)的RMSE比(c1)小，这表明，(c2)重建图像的质量要比(c1)好一些。通过三组实验的对比，我们可以得到以下结论：小步长可以解决宽光束带来的分辨率下降问题，提高重建图像的质量，而且可以用来实现窄光束的效果。

Claims (1)

1.一种基于宽光束小步长扫描方式的X射线发光断层成像方法，包括下列步骤：

①数字X射线成像系统和XLCT成像参数设置：将系统开启，让X微焦点光源和CMOS探测器预热，X射线光源位于物体的正上方且到物体的距离为80cm，利用光纤接收从待测物体表面发出的近红外光；

③将注入纳米荧光颗粒的待测物体放到成像腔，调整位移台进行校准操作，保证待测物体在实验过程中可以全部被扫描到；

④X射线束的设置：根据待测物体尺寸设计合适的准直器实现多光束X射线准直，设采用k条光束，光束初始位置沿成像腔直径方向将成像腔k等分，射线宽度为0.8mm，平移步长为0.1mm，即实现宽光束小步长的扫描激发方式；

⑤对待测物体进行扫描，而后通过光纤探测器接收近红外光子，用光电倍增管记录光子数量，即测量量Φ，该角度扫描完成后，将线性平移台调整到初始位置，依次旋转60°，120°，再次按上述步骤进行扫描，并将采集到的信号保存，用于后续图像重建；

⑥正向模型构建：利用有限元法将待测物体进行有限元剖分建模，剖分单元采用四面体，将信号采集光纤的位置配准到该模型，将光纤探测器所在位置设置点光源，代入扩散方程后求解每个光纤探测器对应的系统矩阵Φ_i，i＝1,2,…,nd,nd，为探测器数量，则获得整体系统矩阵A＝[Φ_n1,Φ_n2,...,Φ_nd]^Τ，然后根据选择性激发向量对整体系统矩阵A进行修正，选择性激发向量定义为：位置r处的节点node_r在X射线束照射范围Ω_X内，其值设置为1，否则设置为0，即

得到

I是每一个投影角度下线性扫描步长的数量，J是投影角度的个数，I×J为总的采集数据的次数，采用k条宽光束进行小步长扫描，扫描I*J次，得到待测物体表面的光通量密度的测量量b；

⑦逆向模型构建：对纳米发光粒子密度的空间分布η的求解作无约束最优化求解

b是待测物体表面的光通量密度的测量量，采用ART迭代算法进行迭代处理，以求得η的最小范数-最小二乘解

β为松弛因子，取β＝0.2。

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