CN109646032A - 一种基于加权调制的多光束x射线激发发光断层成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于加权调制的多光束X射线激发发光断层成像方法，包括下列步骤：XLCT成像参数设置；X射线束的设置；设置数字放射成像系统的曝光参数，对待测物体从不同角度进行扫描，用光电倍增管记录光子数量，即测量量，最终得到总的测量量矩阵；正向模型构建；设η为待重建的纳米发光粒子密度分布信息，建立逆向图像重建模型，并采用快速梯度投影算法求解，求出表征物体内部结构的功能信息图像。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程及医学影像学领域，涉及一种基于加权调制的多光束X射线激发发光断层成像(XLCT)新方法。
背景技术
传统临床医学使用的影像技术手段如核磁共振成像，超声成像，计算机断层成像，核医学发射断层成像等装置能够直接对小动物成像，可以形成清晰的三维结构像，但是难以做到分子及细胞水平的异常检测。与此相比，光学分子成像能够利用特异性分子探针实现细胞或组织功能成像，更多的反应生物体某个层次的特异性信息，但通常难以提供定位足够准确的结构信息而且自发荧光(BLT)探针产生的信号较弱，缺少外界激发光，因此采集到的数据有限。尽管荧光分子成像(FMT)在外界激发光下能够使数据采集量增加，仍旧存在显著的背景信号影响成像敏感度。X射线激发发光的断层成像技术能够克服光学分子成像的诸多问题,而且X射线穿透能力使其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光纤接收到，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，但与窄束XLCT相比，由于弱化了荧光物质先验位置信息，特别是对于复杂目标体，当多个位置的纳米荧光分子同时受激发产生近红外光时，将会导致部分位置的纳米荧光粒子的分布无法实现重建，重建图像质量将大大降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于加权调制的多光束XLCT成像新方法，该方法通过加权调制X射线束强度，削弱其他射束对先验位置信息的影响从而在一定程度上提高重建图像的分辨率，为XLCT成像技术的临床应用推广提供有力的技术支持。技术方案如下：
一种基于加权调制的多光束X射线激发发光断层成像方法，包括下列步骤：
①XLCT成像参数设置；
②X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5条X光束，光束初始位置沿成像腔直径方向将成像腔5等分，5条X射准直线束通过不同金属衰减片，使X射线强度分别衰减为原强度的100％(未加金属片滤光)，80％，60％，40％以及20％，设置光束平移扫描步进步长；
③放置需要成像的待测物体，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设置数字放射成像系统的曝光参数，对待测物体从不同角度进行扫描，用光电倍增管记录光子数量，即测量量，最终得到总的测量量矩阵：nd是探测点个数，s＝I*J代表总的扫描次数，I为每个角度下平移扫描次数，J为扫描角度总数；
⑤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，得到正向模型，并将信号采集光纤的位置配准到该模型，将探测器所在位置设置点光源，代入正向模型后求解每个点光源照射后的物体内部的光通密度分布Φi(i＝1,2,…,nd),获得A＝[Φn1,Φn2,...,Φnd]T，然后根据幅度加权的选择性激发向量，即当位置r处的节点noder在第j，j＝1,2,3,4,5，条X射线束照射范围ΩXj内，其值分别设置为1，0.8,0.6,0.4,0.2，否则设置为0，即
i＝1,...,I×J，对矩阵A进行修正，得到修正的格林函数矩阵：
⑥设η为待重建的纳米发光粒子密度分布信息，建立逆向图像重建模型Aη＝d，并采用快速梯度投影算法求解，求出表征物体内部结构的功能信息图像。
优选的，步骤⑥中，针对对临时解η实现L1-范数正则化逼近最小值，其中为η的L1-范数展开式，||·||2为L2范数运算，中的上标2为平方运算，λ是正则化项系数，Nn是有限元模型的剖分结点数。纳米发光粒子密度分布初始值设为0，通过迭代使最后的结果收敛到最小范数的解，以此获取最终包含纳米发光粒子密度分布的信息，从而求出表征物体内部结构的功能信息图像。
附图说明
图1多光束XLCT成像系统结构图
图2多光束加权扫描方式
图3(a)未对X射线束进行加权调制的传统多窄束XLCT重建结果；(b)采用本发明方法得到的XLCT重建结果。
图4传统方法与本发明方法重建结果的剖面曲线对比
针对当前工程条件下，多光束XLCT成像系统重建图像质量降低的现象，采用本发明的一种基于多X光束加权调制的X射线激发发光断层成像方法，可以有效提高重建图像质量。由于本发明实现采用的物体为聚乙烯材料，其折射率与人体组织非常接近，因此本发明的研究成果可以进一步有效的推动XLCT向临床的转化。该方法的应用，将可能为未来有效实现肿瘤的诊治提供技术支持，也为深入开展锥束XLCT的研究提供完整的技术储备。
具体实施方式
下面从几个方面对本发明进行说明。
1多光束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，X射线源发出的锥形光束通过多孔准直器，并通过各准直器孔后方的金属滤光片，实现了X射线强度的加权调制。半圆弧状的光纤架包围圆柱成像腔的右半部分，在光纤架上均匀放置4根探测光纤连接光电倍增管(PMT)，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加权调制的多光束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
在测量过程中，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)＝εI(r)η(r) (1)
其中，I(r)是X射线光强度，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：
其中，D(r)＝(3(μa(r)+(1-g)μs(r)))-1是扩散系数，μa(r)是吸收系数，g是各向异性参数，μs(r)是散射系数，φ(r)是光通密度。
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(2)(3)联立，用形状函数ψi和ψj进行离散化，构建矩阵方程：
M·φ＝F·S (4)
其中，
Fi,j＝∫Ωφ(r)ψiψjdr，
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·I·η＝A·η (5)
实际应用时，矩阵A的获得依靠求解格林函数：分别将探测光纤所在位置设置为点光源位置，代入扩散方程正向模型公式(3)后可以求解出每个点光源照射后，物体内部的光通密度分布即格林函数Φni(n是总的结点数，i＝1,2,3…nd,nd是探测值个数)，则A＝[Φn1,Φn2,...,Φnd]T。由于X射线是有间距的多条光束，在一次照射下只能照射到待测物体的部分区域，然后通过平移多次才能将待测物体全部照射到，另外，X射线源发出的锥形光束通过多孔准直器，并通过各准直器孔后方的金属滤光片，实现了X射线强度的加权调制。因此在每次采集的数据都需要用幅度加权的选择性矩阵来修正系数矩阵A，我们设定幅度加权的选择性激发向量如下：
当位置r处的节点(noder)在第j(j＝1,2,3,4,5)条X射线束照射范围ΩXj内，其值分别设置为1，0.8,0.6,0.4,0.2，否则设置为0，i＝I*J，其中I是每个角度下扫描次数，J是扫描的角度数。
因此修正的格林函数A可以表示成：I是每个角度下扫描次数，J是扫描的角度数。
由于在扫描过程中5条X射线束把物体均匀分成5份，所以每个角度下扫描次数I就可以表示为I＝Diameter/(5*delta)，Diameter是待测物体的直径，delta是每次扫描移动的步长。每次X射线扫描激发纳米粒子时，光电倍增管通过探测光纤都可以检测到相应的近红外光光通密度探测值，所以总的探测值矩阵可以表示成nd是探测点个数，s＝I*J代表总的扫描次数。
一般情况下，上述方程为欠定且是病态的。可以利用正则化方法来解决这一病态问题。我们采用L1-范数正则化来获取非理想成像结果下的重建结点信息，即下式达到最小值所对应的ηφ即为所求的纳米荧光粒子密度
这里||·||2表示l2范数，||·||1表示l1范数，Nn是总的剖分结点数，λ为正则化因子，其值与图像信噪比有关。
我们采用迭代方法来逼近准确的相位信息，迭代过程中将公式(7)分为两个步骤，即梯度计算步骤和消噪步骤：梯度步骤中，通过逐步减小保真项的l2范数部分以此获取相应的临时解ηn；消噪步骤中，通过对临时解φn实现正则化逼近最小值，来获取最终荧光强度信息，即实际对应的迭代过程如下
1.
2.
3.xn＝yn (10)
这里向量y为临时变量，tn为迭代调节因子，t0＝1。L为利普希茨常数，对应矩阵A*·A的最大特征值。
3基于加权调制的多光束XLCT新方法技术流程
本发明的基于加权调制的多光束XLCT新方法的技术流程描述如下：
1、XLCT成像参数设置：本发明中，设置X光源到物体的距离为80cm，一个半圆弧状的光纤架位于物体的正下方，在光纤架上均匀放置4根探测光纤连接光电倍增管(PMT)进行探测。
2、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5条X光束，光束初始位置沿成像腔直径方向将成像腔5等分，5条X射准直线束通过不同金属衰减片，使X射线强度分别衰减为原强度的100％(未加金属片滤光)，80％，60％，40％以及20％，光束平移扫描步进步长为0.1mm。
3、放置成像物体:待测物体注入纳米荧光颗粒GOS：Eu3+填充的6个柱状异质体然后放到成像腔，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、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，而后通过光纤接收近红外光子，用光电倍增管记录光子数量，即测量量。该角度扫描完成后，将线性平移台调整到初始位置，依次旋转角度到30°、60°、90°、120°、150°，再次按上述步骤进行扫描，最终得到总的测量量矩阵nd是探测点个数，s＝I*J代表总的扫描次数，I为每个角度下平移扫描次数，J为扫描角度总数。
5.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，并将信号采集光纤的位置配准到该模型，将探测器所在位置设置点光源，代入正向模型后求解每个点光源照射后，物体内部的光通密度分布Φi(i＝1,2,…,nd),获得A＝[Φn1,Φn2,...,Φnd]T，然后根据幅度加权的选择性激发向量，即当位置r处的节点(noder)在第j(j＝1,2,3,4,5)条X射线束照射范围ΩXj内，其值分别设置为1，0.8,0.6,0.4,0.2，否则设置为0，即
i＝1,...,I×J，对矩阵A进行修正，得到修正的格林函数矩阵：
6.对逆向图像重建模型Aη＝d(η为待重建的纳米发光粒子密度分布信息)采用快速梯度投影算法，针对对临时解ηn实现L1-范数正则化逼近最小值，其中λ是正则化项系数，Nn是有限元模型的剖分结点数。纳米发光粒子密度分布初始值设为0，通过迭代使最后的结果收敛到最小范数的解，以此获取最终包含纳米发光粒子密度分布的信息，从而求出表征物体内部结构的功能信息图像。
本发明的一个实施例中，采用5个加权x光束进行，扫描角度分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°。扫描步长delta为0.1mm，6个柱状异质体的直径均为0.8mm，图2给出了成像腔横截面，图中红色圆圈代表6个柱状异质体的横截面，5条X射线的强度调制分别为1、0.8、0.6、0.4、0.2，每个角度下，5光束平移扫描方式如图2所示，平移距离与光束直径相等，即0.1mm。
为了对比传统方法和本发明方法的效果，首先按照传统的多窄束XLCT方法，经过多孔准直器出射的X射线不经过金属衰减片，在此条件下进行多角度扫描，采集数据，而后采用快速梯度投影算法进行图像重建。而后根据本发明方法，5条X射准直线束通过不同金属衰减片，使X射线强度分别衰减为原强度的100％(未加金属片滤光)，80％，60％，40％以及20％，进行同样方式的多角度扫描，采集数据，也通过快速梯度投影算法进行图像重建。传统方法和本发明方法得到的纳米发光粒子密度分布的重建图像如图3所示，可以看出传统方法的重建结果中，有2个异质体没有实现重建，而通过本发明方法，可以实现全部异质体的重建。
在图3第2行，即2个异质体的中心连线方向取剖面曲线，可以进一步对比传统方法和本发明方法的重建结果，如图4所示，可以看出，本发明方法重建出的异质体中纳米荧光粒子浓度高于传统方法，即本发明方法得到的结果更接近真实值。
最终结果表明，针对当前工程条件下，经过加权的多光束XLCT重建图像比未加权的重建图像具有具更接近真实值的重建强度值，相比窄束XLCT成倍的缩短了扫描时间，提高了重建图像质量。
Claims (2)
1.一种基于加权调制的多光束X射线激发发光断层成像方法，包括下列步骤：
①XLCT成像参数设置；
②X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5条X光束，光束初始位置沿成像腔直径方向将成像腔5等分，5条X射准直线束通过不同金属衰减片，使X射线强度分别衰减为原强度的100％(未加金属片滤光)，80％，60％，40％以及20％，设置光束平移扫描步进步长；
③放置需要成像的待测物体，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设置数字放射成像系统的曝光参数，对待测物体从一个角度进行扫描，用光电倍增管记录光子数量，即测量量；该角度扫描完成后，将线性平移台调整到初始位置，依次旋转角度到30°、60°、90°、120°、150°，再次进行扫描，最终得到总的测量量矩阵：
nd是探测点个数，s＝I*J代表总的扫描次数，I为每个角度下平移扫描次数，J为扫描角度总数；
⑤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，得到正向模型，并将信号采集光纤的位置配准到该模型，将探测器所在位置设置点光源，代入正向模型后求解每个点光源照射后的物体内部的光通密度分布Φi(i＝1,2,…,nd),获得A＝[Φn1,Φn2,...,Φnd]T，然后根据幅度加权的选择性激发向量，即当位置r处的节点noder在第j，j＝1,2,3,4,5，条X射线束照射范围ΩXj内，其值分别设置为1，0.8,0.6,0.4,0.2，否则设置为0，即
对矩阵A进行修正，得到修正的格林函数矩阵：
⑥设η为待重建的纳米发光粒子密度分布信息，建立逆向图像重建模型Aη＝d，并采用快速梯度投影算法求解，求出表征物体内部结构的功能信息图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤⑥中，针对
对临时解η实现L1-范数正则化逼近最小值，其中为η的L1-范数展开式，||·||2为L2范数运算，中的上标2为平方运算，λ是正则化项系数，Nn是有限元模型的剖分结点数。纳米发光粒子密度分布初始值设为0，通过迭代使最后的结果收敛到最小范数的解，以此获取最终包含纳米发光粒子密度分布的信息，从而求出表征物体内部结构的功能信息图像。
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