CN111970960A - 使用短波红外(swir)投影层析成像对解剖器官和内含物进行3d重建的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了使用短波红外光对受试者的关注区域进行层析成像的系统和方法，以提供对所述关注区域内的吸收图的准确重建。重建的吸收图是所述关注区域内组织吸收的空间变化的表示。重建的吸收图本身可以用于分析所述关注区域内的解剖学性质和生物学过程，和/或用作有关解剖学性质的输入信息，以促进通过其他成像模态获得所述关注区域的图像的数据处理。例如，可以将重建的吸收图并入前向模型中，所述前向模型用于荧光和其他基于对比度的层析成像模态中的层析成像重建处理中。以这种方式将重建的吸收图并入其他层析成像重建处理算法中提高了所得重建的准确性。

Description

使用短波红外(SWIR)投影层析成像对解剖器官和内含物进行 3D重建的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及用于层析成像的方法和系统。更具体地，在某些实施方案中，本发明涉及使用短波红外(SWIR)辐射的层析成像。
背景技术
小型哺乳动物的体内成像由肿瘤学、传染病和药物研发等各个领域的大量研究人员进行。涉及哺乳动物体内成像的技术种类繁多，例如生物发光、荧光、层析成像和多模态成像技术。
许多成像模态是层析成像方法。层析成像是基于对透射过样品或从样品发出的光的检测，以获得所研究样品的图像或推断所研究样品的光学性质。例如，层析成像可以用于重建所研究受试者的关注区域内的组织吸收图。在其他应用中，层析成像用于生成存在于关注区域中的探针(例如，荧光发射器)的空间分布图。因此，层析成像允许以无创方式构建对象的内部结构的细节图像，以及在受试者的关注区域内分布探针。
光学层析成像可以提供与所研究受试者内的生物学过程分析有关的重要信息，而这些信息是无法从非光学成像技术(诸如，微型CT或磁共振成像(MRI))获得的。例如，在光波长下的组织吸收图能够提供与血红蛋白浓度和组织氧合状态有关的生物功能信息，这些生物功能信息可用于检测某些类型的肿瘤。此外，与X射线成像或MRI技术相比，光学吸收另外为诸如心脏等某些器官的定位提供了改进的对比度。
光学层析成像还可用于对所施用的或内源性的发光探针(诸如荧光或生物发光探针)的空间分布绘图。例如，荧光探针吸收在对象内部传播的光，并发射比在对象内部吸收的光更长波长(更低能量)的光，从而允许对动物和人类的整个组织中的功能和分子特征(signature)进行无创体内研究。荧光光学层析成像系统由此提供分子成像，其可用于可视地指示作为疾病基础的分子异常，而不是像常规成像方法那样仅成像具有可疑分子异常的区域中的解剖结构。分子靶标的特异性成像提供了疾病的更早检测和表征，以及更早和直接的治疗功效分子评估。在美国专利申请公开号US2004/0015062中描述了说明性的荧光光学层析成像系统，该申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
然而，由于传播通过组织的光经历的强散射，当前用于提供受试者区域内光学吸收的层析成像重建的光学技术受到限制。光散射本身限制了分辨率，并且通过要求准确地考虑光子漫射效应，也增加了层析成像重建过程的复杂性。在层析成像重建过程中考虑光子漫射会通过建模误差和噪声导致明显的不准确性和伪影。
此外，用于可视化受试者内施用的或内源性的探针的光学层析成像技术往往依赖于复杂的层析成像重建过程，以获得受试者内探针的空间分布的图像。在此类光学层析成像技术中采用的层析成像重建处理通常利用复杂的前向模型来描述光子在漫射介质中的传播，以便使用对从受试者区域内的给定探针发出的光进行的一系列测量来推断(例如，通过逆问题的求解)所述探针的空间分布。此类前向模型必须考虑组织内光子的吸收和多重散射。因此，前向模型的准确性以及依赖于前向模型的层析成像重建的准确性受到已知所研究组织的光学性质的准确性的限制。
需要提供对所研究受试者中的关注区域进行准确和定量的层析成像的系统和方法，其考虑了异质光学性质。
发明内容
本文提出使用短波红外(SWIR)光对受试者的关注区域进行层析成像的系统和方法，以提供对关注区域内的吸收图的准确重建。重建的吸收图是关注区域内组织吸收的空间变化的表示。重建的吸收图本身可以用于分析关注区域内的解剖学性质和生物学过程，和/或用作有关解剖学性质的输入信息，以促进通过其他成像模态获得关注区域的图像的数据处理。例如，可以将重建的吸收图并入前向模型中，所述前向模型用于荧光和其他基于对比度的层析成像模态中的层析成像重建处理中。以这种方式将重建的吸收图并入其他层析成像重建处理算法中提高了所得重建的准确性。
在某些实施方案中，本文所述的层析成像方法利用多角度投影层析成像，其中，受试者的关注区域在多个不同的照射角度下被SWIR辐射(例如，具有1000nm至1500nm的波长，例如具有1064nm的波长)照射，并且对于每个角度，检测通过关注区域的光。特别地，在某些实施方案中，针对每个照射角度收集透照图像，其中透照光从照射源穿过关注区域并以基本上直线的方式到达检测器(例如成像检测器，诸如包括多个像素的焦平面阵列(例如CCD，例如CMOS相机))。以这种方式，获得多个角投影测量。
在某些实施方案中，对获得的角投影测量进行处理，以便确定与关注区域的光学吸收图的层析成像重建相对应的表示。如上所述，所确定的光学吸收图可用于分析关注区域中的解剖学性质和生物学过程，或者用作在其他成像模态中使用的其他层析成像重建处理步骤的输入。
与现有光学和非光学成像技术相比，本文所述的SWIR层析成像方法具有优势。特别地，现有的漫射光学层析成像技术依赖于非线性漫射层析成像重建。非线性漫射层析成像重建过程依赖于不适定逆问题的求解，因此存在不准确性，并且通过建模误差和噪声会引入伪影。
漫射光学层析成像技术使用的辐射具有可见(即400至700nm)和近红外(即700至900nm)光谱窗的波长。在这样的波长下，生物组织高度散射，并且用于成像的光子发生强漫射。漫射层析成像技术中使用的光子的散射和漫射限制了可以获得的层析成像图像的准确性和分辨率。此外，为了在漫射光学层析成像方法中使用的层析成像重建过程中准确地考虑光子漫射，需要复杂漫射模型(例如前向模型)。层析成像重建过程的性能高度依赖于这些模型的适当优化和参数化。
相比之下，本文所述的SWIR层析成像方法的实施方案利用SWIR光谱窗中的辐射[(例如，具有从1000nm至1500nm的波长)，例如具有1064nm的波长]。特定SWIR光谱窗的选择及其使用在层析成像中的影响是显著的。特别地，本文所述的特定SWIR光谱窗提供光在组织内足够低的散射和吸收。在更短波长(例如，低于1000nm的波长)下，组织对光的散射增加，从而限制了可以获得的层析成像重建的准确性和空间分辨率。在更长波长(例如，高于1500nm的波长)下，吸收率太高而使光子无法穿透组织。
值得注意的是，SWIR辐射的使用不仅允许以提高的准确度使用现有的漫射光学层析成像方法，而且还允许使用不同于层析成像重建的方法。特别地，SWIR辐射的散射减少使得不需要在层析成像重建过程中使用光子传输的复杂漫射模型，并且不需要解决不适定逆问题来获得层析成像重建。相反，本文所述的SWIR成像方法使用多角度投影层析成像方法。此方法(例如，通过比尔定律关系式，例如通过Radon变换)将穿过受试者的关注区域的光束所经历的衰减与所述区域的光学性质(例如，吸收)直接关联，并允许更加准确和定量的重建。
例如，在某些实施方案中，在层析成像重建中使用校准数据，以便对关注区域内的组织中的光学吸收进行绝对定量。在某些实施方案中，诸如辐射源功率、系统辐射配置以及检测器强度响应等的校准数据可以用于校准检测器读数，使得它们代表穿过样品的光束沿着光路的功耗。通过层析成像重建从此类经校准的数据确定的光学吸收图本质上是定量的，所述光学吸收图的每个体素提供在受试者区域内相关位置中的光学吸收的绝对定量测量(例如，以mm-1或cm-1为单位)。
在某些实施方案中，通过本文所述的SWIR成像方法获得的吸收图在其他(例如荧光，例如，其他基于对比度的成像模态)层析成像重建程序中的使用，相比于通过非光学成像模态(诸如，微型CT或磁共振成像)获得的吸收图的使用，提供了改进。例如，非光学成像模态不直接测量(或重建)样品的光学性质。相反，非光学成像技术(诸如，MRI)有助于建立器官的解剖图。为了对光学性质诸如光学吸收进行绘图，必须使用查找表方法为器官分配预定义的吸收系数。这些方法是基于假设动物与动物之间的器官吸收值和分布(profile)不会改变。此外，在这些方法中都建立了以下假设：器官边界真正代表光学成像中的吸收区域边界。
相比之下，本文所述的SWIR层析成像方法直接重建整个关注区域中的光学吸收图，并且不会受到任何这些限制。
因此，在提供受试者的关注区域内准确且(在某些实施方案中)定量的光学吸收图的情况下，本文所述的系统和方法有助于分析受试者的解剖学性质和生物学过程。
在某些实施方案中，通过本文所述的SWIR成像方法获得的光学吸收图可用于定位解剖器官，包括心脏和肺。在某些实施方案中，构建了三维图像，其示出受试者的一个或多个解剖特征的位置。在某些实施方案中，使用本文所述的方法和系统对生物内含物(例如，肿瘤或具有致密和/或渗漏的脉管系统的其他内含物)进行成像。
在某些实施方案中，通过本文所述的系统和方法获得的光学数据(例如，光学吸收图和/或吸收系数)可以用于改善其他成像模态(诸如荧光层析成像)的性能。
例如，可以将通过本文所述的SWIR层析成像方法确定的光学吸收图作为输入并入到用于荧光层析成像和/或其他基于对比度的三维成像模态(例如，生物发光成像)的层析成像重建中。这些光学吸收图直接对应于在以荧光(或其他基于对比度的)成像模态进行成像的同一受试者内关注区域中的异质光学性质(例如，光学吸收)的测量。此类受试者特异的光学吸收图用于建立前向模型，所述前向模型对于荧光层析成像重建考虑了受试者的关注区域中的异质光学性质。与依赖于预定义吸收系数的其他方法相比，直接通过样品的SWIR投影层析成像获得的受试者特异的吸收数据的使用提高了前向模型的准确性。
因此，通过提供一种用于获得受试者区域中的光学吸收的准确和/或定量图的方法，本文所述的SWIR层析成像方法提供了用于体内成像的有利新模态。本文所述的系统和方法的成像方法所提供的光学吸收图可用于定位在其他成像模态中对比度降低的解剖区域和器官。此外，可以将光学吸收图并入其他成像模态中，从而提高其他成像技术的准确性。
在一个方面，本发明涉及一种创建受试者的关注区域的光学层析成像图像的方法，所述方法包括：(a)引导照射辐射(例如，短波红外光；例如具有1000nm至1500nm波长的红外光)(例如，来自第一光源或第一组光源)以多个照射角度进入受试者的关注区域，从而照射(例如，透照)关注区域(例如，以多个照射角度中的每一者依次照射关注区域)；(b)对于多个照射角度中的每一者，(例如，通过第一检测器或第一组检测器)以对应的检测角度检测(例如，依次检测)(例如，成像，例如，使用包括多个像素的焦平面阵列检测器进行成像)透射过关注区域的辐射[例如，其中对于多个照射角度中的每一者，透照光以基本上直线的方式从源穿过关注区域到达检测器]，从而获得多个角投影测量；以及(c)由计算设备的处理器使用与所获得的多个角投影测量相对应的数据来确定与关注区域的光学吸收图的层析成像重建相对应的表示。
在某些实施方案中，步骤(a)包括引导来自第一源的照射辐射，并且步骤(b)包括在第一检测器处检测透射过关注区域的辐射，第一源和第一检测器安装在可操作以围绕受试者旋转的旋转机架上，并且其中，所述方法包括：对于旋转机架的多个位置中的每一者，以给定的照射角度照射受试者的关注区域，并以对应的检测角度检测透射过关注区域的辐射，从而获得多个角投影测量。
在某些实施方案中，步骤(a)包括引导来自第一源的照射辐射，并且步骤(b)包括在第一检测器处检测透射过关注区域的辐射，受试者安装在旋转台上，所述旋转台可操作以围绕穿过其中心的轴线旋转，第一源和第一检测器安装在受试者周围的固定位置，并且所述方法包括：对于旋转台的多个位置中的每一者，以给定的照射角度照射受试者的关注区域，并以对应的检测角度检测透射过关注区域的辐射，从而获得多个角投影测量。
在某些实施方案中，步骤(c)包括将在多个照射角度和对应的检测角度中的每一者下，从第一源、穿过受试者的关注区域到达第一检测器的辐射透射的投影模型(例如，其中投影模型是关注区域的Radon变换，例如其中投影模型是关注区域中的光学吸收的比尔定律模型)反演(例如，投影模型将检测到的辐射的强度与照射辐射强度相关联，作为关注区域中光学吸收系数的位置变化的函数)。
在某些实施方案中，将所述投影模型反演包括将投影模型的逆算子(例如，逆Radon变换)应用于使用与多个角投影测量相对应的数据所确定的多个观测值[例如，其中多个观测值是对应于多个角投影测量的数据；例如，观测值对应于基于与多个角投影测量相对应的数据确定的衰减值(例如，通过对(i)检测到的辐射的功率相对应的信号与(ii)照射辐射的功率相对应的信号之比取对数确定)]，从而确定关注区域的光学吸收图(例如，根据与多个角投影测量相对应的数据将逆算子应用于观测值得出描述关注区域内的吸收系数的位置变化的函数)。
在某些实施方案中，投影模型是离散化模型，所述离散化模型对于多个角测量中的每一者，[例如，通过线性方程组(例如，以矩阵形式表示)]将(i)在角测量下所检测到的辐射的强度相对应的值与(ii)多个光学吸收系数相关联，每个光学吸收系数代表关注区域内特定点的(例如，在照射源的波长处发生的)光学吸收(例如，(ii)关注区域内的光学吸收的空间分布)。
在某些实施方案中，所述方法包括：应用投影模型的逆算子的离散化版本，其中投影模型的离散化逆算子对于代表关注区域中物理位置(例如，3D或2D)的多个离散化位置(例如，体素或像素)中的每一者，将位置处的光学吸收系数的值与使用角投影测量相对应的数据确定的多个观测值中的至少一部分相关联，从而对于多个离散化位置中的每一者，确定光学吸收系数的对应值，进而确定关注区域的光学吸收图。
在某些实施方案中，步骤(c)包括：使用与多个角投影测量相对应的数据和校准数据来确定关注区域的光学吸收图，以便确定关注区域的光学吸收图，其中光学吸收图是定量的(例如，通过将校准数据与角投影测量结合使用，以将与检测到的辐射相对应的数据转换为从第一源到第一检测器沿着光路的功耗的定量表示)。
在某些实施方案中，校准数据包括选自由以下组成的组中的至少一者：与源的功率相对应的数据；与系统的辐射配置的测量相对应的数据；以及与检测器的强度响应相对应的数据(例如，所测量响应度，例如，针对检测器包括的多个像素中的每一者的所测量响应度)。
在某些实施方案中，所述方法包括：(例如，使用表面扫描或X射线微型CT)获得代表受试者在关注区域周围的表面的一个或多个边界的测量，其中步骤(c)包括使用一个或多个边界的测量(例如，通过将与关注区域相对应的重建空间限制为包含在一个或多个所测量边界内的体积)来确定关注区域的光学吸收图。
在某些实施方案中，所述方法包括：将一个或多个去噪滤波器(例如，双边滤波器)应用于与多个角投影测量相对应的数据。
在某些实施方案中，光学吸收图是三维(3D)图。
在某些实施方案中，关注区域包括一个或多个解剖器官(例如受试者的心脏，例如肺)，并且所述方法包括：处理光学吸收图以自动定位(例如识别，例如识别其轮廓)光学吸收图中的一个或多个解剖器官。
在某些实施方案中，所述方法包括：在多个时间点中的每一者处，记录对应的一组多个角投影测量；以及对于多个时间点中的每一者，由处理器使用与对应的一组多个角投影测量相对应的数据来确定关注区域的对应光学吸收图，从而确定多个光学吸收图，所述多个光学吸收图代表在多个不同时间点中的每一者处关注区域中的光学吸收。
在某些实施方案中，多个时间点中的每一者之间的时间间隔足够小，以便提供在受试者区域中的光学吸收的视频码率图像。
在某些实施方案中，所述方法包括：使用所确定的光学吸收图来获得受试者的区域内荧光和/或生物发光发射器(例如物质(species)，例如探针)的分布的层析成像表示。
在某些实施方案中，所述方法包括：(d)由激发源(例如与第一源相同的源；例如与第一源不同的源)用激发光照射关注区域，所述激发光具有与存在于关注区域中的荧光发射器的激发波长相对应的波长；(e)由荧光检测器(例如与第一检测器相同的检测器；例如与第一检测器不同的检测器)检测从关注区域中的多个荧光发射器发射的荧光，所述荧光检测器响应于具有与关注区域中存在的荧光发射器的发射波长相对应的波长的光；以及(f)由处理器使用与所检测到的荧光和所确定的光学吸收图相对应的数据，确定关注区域中荧光发射器的分布的层析成像表示。
在某些实施方案中，步骤(d)包括使用多个不同的激发源位置用激发光照射关注区域。
在某些实施方案中，步骤(e)包括使用多个不同的荧光检测器位置来检测发射的荧光。
在某些实施方案中，步骤(e)包括将前向模型反演，所述前向模型描述(i)从与激发源位置相对应的点到与关注区域中荧光发射器的位置相对应的点的激发光传播，和(ii)从荧光发射器的位置到与荧光检测器位置相对应的点的发射光传播。
在某些实施方案中，所述方法包括：在前向模型中使用所确定的光学吸收图。
在某些实施方案中，所述方法包括：由处理器使用与所检测到的荧光和所确定的光学吸收图相对应的数据来确定关注区域中荧光发射器的数量(例如，浓度)的图。
在另一方面，本发明涉及一种创建受试者的关注区域的光学层析成像图像的系统，所述系统包括：(a)样品台，用于安装受试者(例如，在成像期间处于固定位置)；(b)第一源，经对准以将照射辐射引导到受试者的关注区域中；(c)第一检测器，经对准以检测来自第一源的透射过受试者的关注区域的辐射；(d)存储器，用于存储一组指令；以及(e)处理器，用于执行指令，其中样品台、第一源和第一检测器经定位以允许以多个照射角度照射关注区域，并允许以多个对应的检测角度检测透射过关注区域的辐射，以获得多个角投影测量，并且指令在由处理器执行时使处理器使用与多个角投影测量相对应的数据来确定与关注区域的光学吸收图的层析成像重建相对应的表示。
在某些实施方案中，第一源和第一检测器安装在旋转机架上，所述旋转机架可操作以围绕受试者旋转[例如，以使得多个角投影测量中的每一者对应于旋转机架的旋转位置(例如，旋转机架的每个旋转位置对应于特定照射和检测角度)]。
在某些实施方案中，受试者安装在旋转台上，所述旋转台可操作以围绕穿过其中心的轴线旋转，并且第一源和第一检测器安装在受试者周围的固定位置[例如，以使得多个角投影测量中的每一者对应于其上安装有受试者的旋转台的旋转位置(例如，每个旋转位置对应于特定的照射和检测角度)]。
在某些实施方案中，指令使处理器通过以下操作来确定光学吸收图：将在多个照射角度和对应的检测角度中的每一者下，从第一源、穿过受试者的关注区域到达第一检测器的辐射透射的投影模型(例如，其中投影模型是关注区域的Radon变换，例如其中投影模型是关注区域中的光学吸收的比尔定律模型)反演(例如，投影模型将检测到的辐射的强度与照射辐射强度相关联，作为关注区域中光学吸收系数的位置变化的函数)。
在某些实施方案中，将所述投影模型反演包括将投影模型的逆算子(例如，逆Radon变换)应用于使用与多个角投影测量相对应的数据所确定的多个观测值[例如，其中多个观测值是对应于多个角投影测量的数据；例如，观测值对应于根据与多个角投影测量相对应的数据确定的衰减值(例如，通过对(i)检测到的辐射的功率相对应的信号与(ii)照射辐射的功率相对应的信号之比取对数确定)]，从而确定关注区域的光学吸收图(例如，根据与多个角投影测量相对应的数据将逆算子应用于观测值得出描述关注区域内的吸收系数的位置变化的函数)。
在某些实施方案中，投影模型是离散化模型，所述离散化模型对于多个角测量中的每一者，[例如，通过线性方程组(例如，以矩阵形式表示)]将(i)在角测量下所检测到的辐射的强度相对应的值与(ii)多个光学吸收系数相关联，每个光学吸收系数代表关注区域内特定点的(例如，在照射源的波长处发生的)光学吸收(例如，(ii)关注区域内的光学吸收的空间分布)。
在某些实施方案中，指令使处理器通过以下操作来确定光学吸收图：应用投影模型的逆算子的离散化版本，以对于多个离散化位置中的每一者确定光学吸收系数的对应值，其中投影模型的离散化逆算子对于代表关注区域中物理位置(例如，3D或2D)的多个离散化位置(例如，体素或像素)中的每一者，将位置处的光学吸收系数的值与使用角投影测量相对应的数据确定的多个观测值中的至少一部分相关联。
在某些实施方案中，指令使处理器使用与多个角投影测量相对应的数据和校准数据来确定光学吸收图，其中光学吸收图是定量的(例如，其中指令使处理器通过使用校准数据结合角投影测量以将与检测到的辐射相对应的数据转换为从第一源到第一检测器沿着光路的功耗的定量表示来确定光学吸收图的层析成像重建)。
在某些实施方案中，校准数据包括选自由以下组成的组中的至少一者：与源的功率相对应的数据；与系统的辐射配置的测量相对应的数据；以及与检测器的强度响应相对应的数据(例如，所测量响应度，例如，针对检测器包括的多个像素中的每一者的所测量响应度)。
在某些实施方案中，所述系统包括表面扫描模块，用于(例如，使用表面扫描或X射线微型CT测量)获得代表受试者在关注区域周围的表面的一个或多个边界的测量，其中指令使处理器使用一个或多个边界的测量(例如，通过将与关注区域相对应的重建空间限制为包含在一个或多个所测量边界内的体积)来确定光学吸收图。
在某些实施方案中，指令使处理器将一个或多个去噪滤波器(例如，双边滤波器)应用于与多个角投影测量相对应的数据。
在某些实施方案中，光学吸收图是三维(3D)图。
在某些实施方案中，关注区域包括一个或多个解剖器官(例如，受试者的心脏，例如肺)，并且指令使处理器处理光学吸收图，以自动定位(例如，识别，例如识别其轮廓)光学吸收图中的一个或多个解剖器官。
在某些实施方案中，样品台、第一源和第一检测器可操作(例如，组合地)以允许在多个时间点中的每一者处记录对应的一组多个角投影测量，并且其中指令使处理器执行以下操作：对于多个时间点中的每一者，使用与对应的一组多个角投影测量相对应的数据来确定关注区域的对应光学吸收图，从而确定多个光学吸收图，所述多个光学吸收图代表在多个不同时间点中的每一者处关注区域中的光学吸收。
在某些实施方案中，多个时间点中的每一者之间的时间间隔足够小，以便提供在受试者区域中的光学吸收的视频码率图像。
在某些实施方案中，指令使处理器使用所确定的光学吸收图来获得受试者的区域内荧光和/或生物发光发射器(例如物质，例如探针)的分布的层析成像表示。
在某些实施方案中，所述系统包括：(d)激发源(例如与第一源相同的源；例如与第一源不同的源)，经对准以将激发光引导到受试者的关注区域中，所述激发光具有与存在于关注区域中的荧光发射器的激发波长相对应的波长；以及(e)荧光检测器(例如与第一检测器相同的检测器；例如与第一检测器不同的检测器)，经对准以检测从关注区域中的多个荧光发射器发射的荧光，其中荧光检测器响应于具有与关注区域中存在的荧光发射器的发射波长相对应的波长的光，其中指令使处理器使用与所检测到的荧光和所确定的光学吸收图相对应的数据来确定关注区域中的荧光发射器的分布的层析成像表示。
在某些实施方案中，激发源可操作以将激发光从多个不同的激发源位置引导到关注区域中。
在某些实施方案中，荧光检测器可操作以在多个不同的荧光检测器位置处检测从关注区域发射的荧光。
在某些实施方案中，指令使处理器通过以下操作来确定荧光发射器的分布的层析成像表示：将前向模型反演，所述前向模型描述(i)从与激发源位置相对应的点到与关注区域中荧光发射器的位置相对应的点的激发光传播，和(ii)从荧光发射器的位置到与荧光检测器位置相对应的点的发射光传播。
在某些实施方案中，指令使处理器在前向模型中使用所确定的光学吸收图。
在某些实施方案中，指令使处理器使用与所检测到的荧光和所确定的光学吸收图相对应的数据来确定关注区域中荧光发射器的数量(例如，浓度)的图。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，本公开的前述和其他目的、方面、特征和优点将变得更加明显和更好地理解。其中：
图1是根据本发明的说明性实施方案，用于体内透射成像的系统的示意图；
图2是根据说明性实施方案，用于体内透射成像的系统的图像；
图3是根据说明性实施方案，以多个照射角度取得的nu/nu小鼠胸腔的一系列透照图像；
图4是根据说明性实施方案，用于确定与受试者的关注区域的三维光学吸收图的层析成像重建相对应的表示的过程的方框流程图；
图5是根据说明性实施方案，用于本文所述的方法和系统的示例性网络环境的框图；以及
图6是在本发明的说明性实施方案中使用的示例性计算设备和示例性移动计算设备的框图。
定义
近似地：如本文所用，术语“近似地”或“大约”，如应用于一个或多个关注值，是指类似于规定参考值的值。在某些实施方案中，术语“近似地”或“大约”是指取值范围，所述取值在规定参考值的任一方向(大于或小于)的25％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％或更少范围内，除非另有说明或从上下文中可以明显看出，以及除非此数字会超过可能值的100％。
图像：如本文所用，“图像”(例如，哺乳动物的3D图像)包括任何视觉表示，诸如照片、视频帧、流媒体视频，以及照片、视频帧或流媒体视频的任何电子、数字或数学模拟物。在某些实施方案中，本文所述的任何装置都包括用于显示图像或处理器产生的任何其他结果的显示器。在某些实施方案中，本文所述的任何方法都包括显示图像或通过所述方法产生的任何其他结果的步骤。
3D，三维：如本文使用，提及“图像”时的“3D”或“三维”是指传达有关“三维”的信息。3D图像可以被呈现为三维的数据集和/或可以被显示为一组二维表示或三维显示。在某些实施方案中，将3D图像表示为体素(例如，体积像素)数据。
地图：如本文所用，术语“地图”应理解为表示视觉显示，或可以解释为视觉显示的任何数据表示，其包含空间相关信息。例如，给定体积的三维图可包括给定数量的值的数据集，所述数据集在整个体积的三个空间维度上变化。三维地图可以二维(例如，在二维屏幕上或在二维打印输出上)显示。
荧光图像、发射图像：如本文所用，术语“荧光图像”或“发射图像”应理解为是指在与荧光剂或探针的发射波长相对应的波长下获取的图像。
电磁辐射、辐射：如本文所用，术语“电磁辐射”或“辐射”应理解为是指在电和磁部件的空间中的自传播波，它们彼此以及与传播方向呈直角振荡，并且彼此同相。电磁辐射包括：无线电波、微波、红光、红外光和近红外光、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。
短波红外SWIR：如本文所用，术语“短波红外(SWIR)光”应理解为是指包含电磁辐射的任何辐射，其波长在1000nm与1500nm之间。
检测器：如本文所用，术语“检测器”包括电磁辐射的任何检测器，包括但不限于CCD相机、光电倍增管、光电二极管和雪崩光电二极管。
前向模型：如本文所用，术语“前向模型”应理解为是指从源到检测器在给定介质中的光传播(例如，光子传输)的物理模型。
具体实施方式
可以预期，本发明的系统、设备、方法和过程包括使用来自本文所述实施方案的信息所发展出的变更和适应性变化。如本说明书所预期的，可以执行本文所述的系统、设备、方法和过程的适应性变化和/或修改。
在整个说明书中，当物品、设备和系统被描述为具有、包含或包括特定部件时，或者当过程和方法被描述为具有、包含或包括特定步骤时，可以预期，另外，存在主要由或由所叙述的部件组成的本发明的物品、装置和系统，并且存在主要由或由所叙述的处理步骤组成的根据本发明的过程和方法。
应当理解，只要本发明保持可操作，步骤的顺序或执行某些动作的顺序就无关紧要。另外，两个或更多个步骤或动作可同时进行。
本文(例如，在背景技术部分中)提及的任何公开案均不承认该公开案就本文提出的任何权利要求而言是现有技术。提供背景技术部分是为了清楚的目的，并不意味着对任何权利要求的现有技术的描述。
如所指出的，文献是以引用的方式并入本文。如果特定术语的含义存在任何分歧，则以上面“定义”部分中提供的含义为准。
标题在本文中用于帮助读者，而无意限制对所描述主题的解释。
本文描述了用于使用短波红外(SWIR)光辐射(例如，包括波长在1000nm与1500nm之间的光辐射)对受试者的关注区域进行层析成像的系统和方法。在某些实施方案中，本文所述的SWIR层析成像方法提供了光学吸收图的重建，所述光学吸收图代表受试者(例如动物，例如小型哺乳动物)的关注区域内空间变化的光学吸收。在某些实施方案中，关注区域基本上包括受试者的整个身体，使得所述方法提供受试者的整个身体成像。
在某些实施方案中，光学吸收图是三维图。在某些实施方案中，光学吸收图是定量光学吸收图，其提供了受试者的整个关注区域中的光学吸收的绝对定量。
在某些实施方案中，光学吸收图用于建立荧光层析成像的前向模型。与依赖于预定义吸收系数的其他方法相比，通过使用直接由关注样品的SWIR投影层析成像获得的受试者特异的吸收数据建立前向模型可以提高前向模型的准确性。层析成像重建算法中使用的前向模型的准确性反过来会影响层析成像重建程序的准确性。因此，通过允许获得受试者特异的吸收图并将其用于创建层析成像重建程序中使用的前向模型，本文所述的方法提高了层析成像程序(诸如，荧光层析成像)的准确性。
A.多角度投影层析成像
在某些实施方案中，本文所述的系统和方法使用对应于SWIR辐射(例如，具有1000nm至1500nm的波长)的照射辐射以提供与受试者关注区域的吸收图的层析成像重建相对应的表示，来提供多角度投影层析成像。
在某些实施方案中，照射辐射以多个照射角度被引导到受试者中，从而照射关注区域。在每个照射角度处，辐射沿着基本上直线的路径(由对应于给定照射角度的照射光线表示)行进到受试者的关注区域中。给定照射角度对应于在给定照射射线与固定参考轴线之间的在给定旋转方向上测得的角度。例如，如本文所用，相对于受试者的腹侧位置测量的给定照射角度是指在对应照射射线与从受试者的背侧到腹侧的轴线之间测量的角度，其中所述角度是在横向平面内沿顺时针方向相对于受试者的腹侧测量的。
在某些实施方案中，对于多个照射角度中的每一者，以对应的检测角度来检测投射过关注区域的辐射。对于给定的照射和对应的检测角度，投射过关注区域的所检测辐射的每个测量代表角投影测量。因此，如上所述，通过对于多个照射角度中的每一者以对应的检测角度检测投射过关注区域的辐射，获得了多个角投影测量。
在某些实施方案中，对于每个照射角度，检测从源到检测器，以基本上直线的形式穿过受试者的关注区域的透照光。应当理解，为了检测透照光，从源到检测器的整个光路不必是直线，并且在受试者前后的附加光学器件(例如，镜子、透镜、分束器等)可以将放置在光路中并改变光行进的方向。
一旦获得多个角投影测量，就可以使用与所获得的多个角投影测量相对应的数据来确定与关注区域的光学吸收图的层析成像重建相对应的表示。以下将描述用于确定光学吸收图的层析成像重建方法的更多细节。
B.用于多角度SWIR投影层析成像的系统
图1示出了用于获得在确定光学吸收图时使用的多个角投影测量的示例性系统的示意图。示例性系统提供了受试者关注区域的体内透射成像。在示例性系统中，来自第一源102的照射光被引导到受试者的关注区域中。在某些实施方案中，第一源102是产生SWIR辐射的激光器(例如，具有1000nm至1500nm的波长的辐射；例如，在1064nm处工作的光纤激光器)。
在某些实施方案中，照射辐射通过准直器108准直以提供照射辐射的基本上准直的光束。经准直光束被引导的扩束器110以加宽光束腰。在某些实施方案中，光束腰被加宽，使得经准直的光束注入(例如，完全照射)受试者104的关注区域。在一些实施方案中，光导(例如，光纤)用于将来自照射光源的照射光耦合到一个或多个光学元件(例如，准直器108或扩束器110)。在某些实施方案中，光束腰大致为10mm。
在某些实施方案中，照射光被引导到安装在样品台106上(例如，在成像期间处于固定位置)的受试者104的关注区域中，从而照射所述关注区域。一部分照射光传播通过受试者104的区域。
在图1所示的系统中，第一检测器112经对准以检测以基本上直线的方式穿过关注区域的透照光。如图所示，在某些实施方案中，一个或多个光学元件(例如，镜子)用于将已经穿过受试者104的透照光以基本上直线的方式引导至第一检测器114。
在某些实施方案中，第一检测器是成像检测器，诸如包括多个光敏像素的焦平面阵列(例如，CCD、CMOS相机)。因此，在某些实施方案中，每个角投影测量对应于穿过关注区域的照射光的二维透照图像。在图1所示的示例性系统中，第一检测器114是配备有SWIR光学器件的SWIR敏感相机。在某些实施方案中，外壳覆盖系统以防止来自外部光源或环境光源的干扰。
在某些实施方案中，第一源、第一检测器和样品台被定位成允许以多个照射角度照射关注区域，并允许以多个对应的检测角度检测透射过关注区域的辐射，以获得多个角投影测量。
例如，在某些实施方案中，以依次的方式获得多个角投影测量中的每一者。特别地，系统以给定的照射角度将来自第一源的照射辐射引导到样品中，并以对应的给定检测角度检测透射的辐射(例如，检测透照辐射)，从而获得与给定照射角度相关的角投影测量。然后改变源、检测器和样品台的相对位置，以改变照射角度，并且类似地，获得与新照射角度相关联的下一个角投影测量。重复此过程，直到依次获得期望的多个角投影测量。
在某些实施方案中，借助其上安装有第一源和第一检测器的旋转机架116来改变照射角度。机架116可以旋转，使得第一源102和相关联的光学器件(例如，准直器108和扩束器110)以及第一检测器114和任何相关联的光学器件(例如，镜子112)围绕受试者旋转，而样品台和受试者保持在固定位置。旋转机架的多个位置中的每一者由此提供不同的给定照射角度，从而允许获得不同的相关联的角投影测量。
在某些实施方案中，样品台可操作以旋转(例如绕穿过其中心的轴线旋转)，并且第一源、第一检测器和相关联的光学器件被保持在围绕受试者的固定位置。样品台的旋转从而提供照射角度的变化。特别地，样品台的多个旋转位置中的每一者提供不同的给定照射角度，从而允许获得不同的相关联的角投影测量。
在某些实施方案中，多个源和检测器围绕受试者对准，并用于以多个照射角度提供关注区域的照射，并且对于多个照射角度中的每一者，以对应的检测角度检测透射过关注区域的辐射。
图2示出了根据说明性实施方案的用于体内透射成像的系统的图像。来自用作照射光源102的1064nm光纤激光器的光被准直并耦合到光导204中。受试者104被来自光导204的宽锥形光束照射。InGaAs相机用作检测器114来检测透照光。可以旋转受试者104以便获得多个透照图像，每个透照图像对应于与给定照射角度相关联的不同角投影测量。
在某些实施方案中，调节由照射光源102产生的照射光的辐射功率水平。在某些实施方案中，调节照射光的辐射功率水平以确保动物所暴露的辐射水平低于动物皮肤的最大允许辐射暴露水平。在某些实施方案中，调节检测器114的增益和曝光时间以确保多个信号中的每一者(每个信号对应于检测器的多个像素中的一个像素)位于本底噪声之上，同时位于与检测器相关联的传感器饱和水平之下。在某些实施方案中，检测器114在自动光控制模式下操作，在此模式下，自动且动态地调节所述增益和曝光时间。
参看图3，示出了一系列透照图像302、304、306、308和310，每个图像对应于与不同的照射角度相关联的角投影测量。所研究的受试者是nu/nu小鼠，并且照射的关注区域对应于小鼠的胸腔。使用具有1064nm波长的照射辐射获得每个透照图像。
图像302对应于与相对于小鼠的腹侧位置测量的-90度的照射角度相关联的角投影测量。图像304对应于与相对于小鼠的腹侧位置测量的-45度的照射角度相关联的角投影测量。图像306对应于与相对于小鼠的腹侧位置测量的0度的照射角度相关联的角投影测量。图像308对应于与相对于小鼠的腹侧位置测量的45度的照射角度相关联的角投影测量。图像310对应于与相对于小鼠的腹侧位置测量的90度的照射角度相关联的角投影测量。
在一系列图像的每一者中，暗区代表胸腔的高度吸收区(例如，对应于心脏和肺)，而亮区对应于以低光学吸收为特征的区域和器官。
考虑到获取透照图像(诸如，图3中的图像)所需的低曝光时间，在某些实施方案中，本文所述的方法也可以用于许多包括监测心脏活动的二维体内成像应用。
B.用于确定光学吸收图的重建
经由诸如本文中所描述且图1和图2中所示的系统获得的角投影测量可用于通过层析成像重建(例如，通过图4所示的过程400)来确定受试者的关注区域的光学吸收图。如图4所示，将照射辐射以多个照射角度被引导到关注区域中402，并且以对应的检测角度进行检测以获得多个角投影测量404。然后，可以将与多个角投影测量相对应的数据用在层析成像重建程序中以获得关注区域的光学吸收图406。
层析成像重建程序可以基于穿过受试者的关注区域的辐射透射的投影模型。这种投影模型可以对于多个照射角度和对应的检测角度中的每一者，将检测到的辐射的强度相对应的值与照射辐射的强度相关联，作为关注区域内光学吸收系数的位置变化的函数。例如，穿过关注区域的照射辐射束的衰减可以通过比尔定律关系式用关注区域内空间变化的光学吸收来表示。在某些实施方案中，Radon变换用作投影模型。这种投影模型可以被反演以根据多个角投影测量确定代表关注区域内空间变化的光学吸收的光学吸收图。
在某些实施方案中，以离散化形式建立投影模型，以使得所述投影模型对于多个角投影测量中的每一者，将(i)在角测量下所检测到的辐射的强度相对应的值与(ii)多个光学吸收系数相关联，每个光学吸收系数代表关注区域内特定离散点的(例如，在照射源的波长处发生的)光学吸收。因此，在某些实施方案中，投影模型采用线性方程组的形式(例如，用于每个角投影测量的个方程式；例如，用于每个透照图像的每个像素的一个方程式)。线性方程组可以矩阵形式编写，并且可以使用反演技术基于与每个角投影测量下检测到的辐射的强度相对应的数据来求解多个光学吸收系数。
在某些实施方案中，通过将投影模型的逆算子(例如，逆比尔定律，例如逆Radon变换)应用于由多个角投影测量确定的观测值，来实现投影模型的反演。可以离散化形式应用逆算子，以使得所述逆算子对于代表关注区域中物理位置(例如，3D或2D)的多个离散化位置(例如，体素或像素)中的每一者，将所述位置处的光学吸收系数值与使用对应于角投影测量的数据确定的多个观测值中的至少一部分相关联。以此方式，可以基于一个或多个角投影测量的观测值来确定一个或多个物理位置处的吸收系数值。因此，可以通过确定整个关注区域的物理位置处的吸收系数的值来建立光学吸收图。
在某些实施方案中，多个观测值直接对应于(例如，是)多个角投影测量。在某些实施方案中，观测值对应于基于与多个角投影测量相对应的数据确定的衰减值(例如，通过对(i)检测到的辐射的功率相对应的信号与(ii)照射辐射的功率相对应的信号之比取对数确定)。
在某些实施方案中，通过投影模型的反演确定的光学吸收图是包括多个体素的三维图。每个体素中的值代表与动物体积中该位置相对应的吸收水平。所述图的每个体素都与光学吸收值和关注区域内特定位置周围的体积相关联。对于每个体素，相关联的光学吸收值对应于光穿过与体素相关联的特定位置周围的体积所经历的衰减的量度。
相关联的光学吸收值可对应于特定位置周围的体积上的光学吸收的平均值。在某些实施方案中，光学吸收值是光学吸收的定量绝对量度(例如，对应于以长度倒数表示的值)，并且光学吸收图是定量光学吸收图。可以使用校准数据结合所获得的角投影测量来确定定量光学吸收图，这将在下文进行描述。在某些实施方案中，光学吸收值是相对于已知参考测量的光学吸收的相对量度(例如，归一化为图中另一体素的光学吸收值)。
在某些实施方案中，光学吸收值还考虑了散射效应(例如，除了吸收之外)，并且因此对应于消光值或消光系数。因此，在某些实施方案中，光学吸收图是消光图(例如，包括考虑了吸收和散射效应的消光值)。
在某些实施方案中，例如通过表面扫描或其他解剖成像技术(例如，X射线微型CT)获得代表受试者在关注区域周围的表面的一个或多个边界的测量。在某些实施方案中，在层析成像重建过程中使用一个或多个边界的测量，以便确定关注区域的光学吸收图。特别地，在某些实施方案中，将重建空间限制为通过现有方法提取的受试者表面的一个或多个所测量边界内包含的体积。
C.用于定量光学吸收图的校准数据
在某些实施方案中，可以通过将校准数据并入用于基于角投影测量确定光学吸收图的层析成像重建过程中来获得提供受试者的关注区域内的光学吸收的绝对定量的定量光学吸收图。
特别地，在某些实施方案中，获得了包括辐射源功率、系统的辐射配置和检测器强度响应中的至少一项的校准数据，并将所述校准数据与角投影测量一起使用，以确定定量光学吸收图。
特别地，在某些实施方案中，通过成像检测器获得透照图像，并且透照图像的每个像素代表与由成像检测器的对应像素响应于辐射产生的信号(例如，电压，例如电流，例如像素计数)相对应的值，所述辐射透射过受试者的关注区域并入射在检测器像素上(例如，入射在检测器像素上的透照辐射)。对应于检测器强度响应的校准数据用于将来自检测器的多个像素中的每一者的信号转换为每秒光子(例如入射在相应像素上)的量度。对应于系统的辐射源功率和辐射性质的校准数据用于将来自检测器的多个像素中的每一者的信号转换成经准直光束沿着光路的功耗的定量度量，所述经准直光束从照射源、穿过关注区域行进到达检测器。
因此，对于与给定透照图像的对应像素相关联的每个值，获得代表经准直光束沿着光路的功耗的定量度量的对应定量值，所述经准直光束从照射源、穿过关注区域行进到达检测器。以此方式使用校准数据允许确定定量的光学吸收图。
D.附加处理
在某些实施方案中，在执行重建之前，将诸如双边滤波器的去噪滤波器应用于多角度图像。
在某些实施方案中，可以在多个时间点获得多组角投影测量。对于每组角投影测量，可以执行层析成像重建以确定对应的光学吸收图，所述光学吸收图代表给定时间处关注区域内的光学吸收。在某些实施方案中，可以足够快速地获得多组角投影测量以提供视频码率成像。
E.结合SWIR成像与荧光或生物发光层析成像
在某些实施方案中，经由本文所述的SWIR层析成像方法获得的光学吸收图被用作其他成像模态的层析成像重建处理中的输入。特别地，荧光和生物发光层析成像利用与受试者的关注区域中的荧光或生物发光发射器发出的光相对应的数据集。在此类光学层析成像技术中采用的层析成像重建处理通常利用复杂的前向模型来描述光子在漫射介质中的传播，以便使用对从受试者区域内的给定探针(例如，荧光或生物发光发射器)发出的光进行的一系列测量来推断(例如，通过逆问题的求解)所述探针的空间分布。此类前向模型必须考虑组织内光子的吸收和多重散射。因此，前向模型的准确性以及依赖于前向模型的层析成像重建的准确性受到已知所研究组织的光学性质的准确性的限制。
前向模型通常将在漫射介质中的光传播建模为特定关注区域内各个位置处的吸收的函数。通常通过吸收系数来考虑在特定位置的吸收，所述吸收系数的值代表光波的振幅随着其传播而消散的速率。尽管可以基于整个关注区域的恒定平均吸收系数的假设来建立简单的前向模型，但是此类模型无法考虑到吸收系数的空间变化，例如，由于不同器官和组织类型之间以及整个器官和组织类型内的差异，以及其他因素，诸如组织密度变化。因此，使用此类前向模型获得的层析成像重建的准确性受到恒定吸收系数假设的固有不准确性的限制。
可以在更准确的前向模型中使用包括分配给关注区域内不同物理位置的多个不同吸收系数的吸收图，以便考虑到受试者体内吸收的空间变化。通过本文所述的SWIR成像方法获得的吸收图的使用提供了特别有利的方法。值得注意的是，此类吸收图是通过使用光学成像模态直接测量光学性质而获得的。因此，这些吸收系数包括测量的吸收系数，所述测量的吸收系数准确地反映了其所代表的位置的光学性质。此外，由于这些吸收系数是直接针对每个受试者测量的，因此其可考虑到不同受试者可能发生的光学性质变化。
由非光学成像模态(诸如微型CT或磁共振成像)提供的吸收图不提供此功能。例如，非光学成像模态不直接测量(或重建)样品的光学性质。相反，非光学成像技术(诸如，MRI)有助于建立器官的解剖图。为了对光学性质诸如光学吸收进行绘图，必须使用查找表方法为器官分配预定义的吸收系数。这些方法是基于假设动物与动物之间的器官吸收值和分布不会改变。此外，在这些方法中都建立了以下假设：器官边界真正代表光学成像中的吸收区域边界。
因此，经由本文所述的SWIR成像方法获得的光学吸收图可用于建立前向模型，所述前向模型以准确且受试者特异的方式考虑了关注区域内组织的异质光学性质。在其他成像模态的层析成像重建程序中使用此类前向模型提高了所述层析成像重建程序的准确性，并提供改进的成像。
例如，通过本文所述的SWIR层析成像方法确定的光学吸收图可并入到层析成像重建过程中使用的前向模型中，以重建在受试者的关注区域内的发射器(诸如荧光发射器和/或生物发光发射器)的空间分布。
例如，在荧光层析成像中，由激发光源产生的具有激发波长的激发光被引导至受试者的关注区域以激发位于关注区域中的荧光发射器。从激发的荧光发射器发射的光由检测器检测。激发源可以(例如通过扫描光纤)将激发光从多个位置引导到关注区域中，从而通过可移动的自由空间光学器件和其他光束扫描方法引导光束。同样地，检测器可以例如通过使用包括多个像素的焦平面阵列(FPA)检测器(例如，CCD或CMOS相机)、光纤束和其他方法来在多个检测位置处检测发射的光。在层析成像重建程序中，可以将包括用于激发位置和检测位置的各种组合的荧光发射的测量的数据集与前向模型一起用于图像中，所述图像代表例如关注区域内荧光发射器的空间分布(例如，在空间上变化的浓度)。
在某些实施方案中，荧光发射器是在成像之前施用给受试者(例如，通过注射)的探针。在某些实施方案中，荧光发射器在关注区域内的内源性物质(例如蛋白质)中表达。
在某些实施方案中，荧光层析成像系统可以与SWIR成像系统结合。以此方式，受试者移动/重新定位被限制在用于获得光学吸收图的SWIR成像与荧光成像之间。取决于用于荧光成像的荧光发射器的激发和/或发射的波长，SWIR成像模态中用于照射的相同光源也可以用作荧光成像的激发源，和/或单个检测器可以用于SWIR和荧光成像两者。也可以使用不同的源和检测器，并且如果需要，可以将它们共对准。
在某些实施方案中，激发源与在本文所述的SWIR层析成像方法中用于照射受试者的关注区域的SWIR辐射源相同。在某些实施方案中，激发源与在本文所述的SWIR层析成像方法中用于照射受试者的关注区域的SWIR辐射源不同。在某些实施方案中，用于检测发射光的检测器与用于检测透射过关注区域的SWIR辐射以获得用于确定本文所述的光学吸收图的角投影测量的检测器相同。在某些实施方案中，用于检测发射光的检测器与用于检测透色过关注区域的SWIR辐射以获得用于确定本文所述的光学吸收图的角投影测量的检测器不同。
在某些实施方案中，激发波长与用于SWIR多角度投影层析成像的照射辐射的波长相同。在某些实施方案中，发射波长(例如，由荧光探针发射的光的波长)与用于SWIR多角度投影层析成像的照射辐射的波长相同。
根据本文所述的SWIR层析成像方法确定的光学吸收图还可用于建立与生物发光层析成像结合使用的受试者特异的前向模型。与荧光探针不同，生物发光报告分子的优点是不需要外部照射即可达到激发态，从而使报告分子发光。在某些实施方案中，生物发光报告分子在成像之前(例如，通过注射)施用给受试者。在某些实施方案中，生物发光报告分子是受试者内源的。
在某些实施方案中，由位于受试者的区域中的一个或多个生物发光报告分子发射的光被引导到能够检测发射波长处的辐射的检测器，以便产生与检测到的发射光相对应的数据集。
在某些实施方案中，用于检测来自生物发光发射器的发射光的检测器与用于检测透射过关注区域的SWIR辐射以获得用于确定本文所述的光学吸收图的角投影测量的检测器相同。在某些实施方案中，用于检测来自生物发光发射器的发射光的检测器与用于检测透射过关注区域的SWIR辐射以获得用于确定本文所述的光学吸收图的角投影测量的检测器相同。
在某些实施方案中，使用以下方法建立受试者特异的前向模型：(a)使用SWIR多角度投影层析成像收集的光学信息(例如三维吸收图)，和(b)对应于从生物发光发射器检测到的发射光的数据。在某些实施方案中，受试者特异的前向模型用于与对应于检测到的发射光的数据组合，以便确定在受试者区域内生物发光发射器的空间分布的层析成像表示。在某些实施方案中，在受试者区域内生物发光发射器的分布的层析成像表示是在受试者区域内生物发光发射器的数量(例如浓度)的图。
在某些实施方案中，发射波长(例如，由生物发光发射器发射的光的波长)与用于SWIR多角度投影层析成像的照射辐射的波长相同。
在某些实施方案中，通过本文所述的SWIR层析成像方法获得的光学吸收图可用于其他光学成像模态和测量技术，包括但不限于：内窥镜、荧光内窥镜、发光成像、生物发光层析成像、时间分辨透射成像、透射成像、非线性显微镜、共聚焦成像、声光成像、光声成像、反射光谱、光谱、相干干涉、干涉、光学相干层析成像、漫射光学层析成像和荧光介导分子层析成像(连续波、时域频域系统和早期光子)，以及光散射、吸收、偏振、发光、荧光寿命、量子产率和猝灭的测量。
F.应用、发射器和探针
在某些实施方案中，本文所述的系统和方法提供了受试者体内成像的特征。所述系统和方法允许记录多个生物学过程、功能或目标。所描述的方法可用于确定多个标记，包括跟踪受试者中成像探针(例如荧光探针)或报告分子(例如生物发光报告分子)随着时间的定位或评估受试者中成像探针和/或报告分子的代谢和/或排泄随时间的变化或改变。本文所述的方法还可用于通过对由针对此类疾病的治疗调节的分子事件和生物学途径进行成像来跟踪所述治疗，包括但不限于确定功效、最佳时机、最佳剂量水平(包括针对个体患者或受试者)、药效参数，以及治疗组合的协同效应。
本文所述的系统和方法可用于帮助医师、外科医生或其他医务人员识别和表征疾病区域，诸如关节炎、癌症、转移瘤或易损或不稳定斑块，以区分患病组织和正常组织，诸如检测难以检测的肿瘤边缘。
SWIR层析成像的方法以及使用通过本文所述的SWIR层析成像方法确定的光学吸收图的荧光或生物发光成像方法也可以用于检测、表征和/或确定疾病(尤其是早期疾病)的定位、疾病或与疾病相关的状况的严重程度、疾病的分期以及监测和指导各种治疗性干预措施，诸如外科手术程序，以及监测和/或开发药物治疗和递送，包括基于细胞的疗法。
本文所述的系统和方法也可以用于疾病或疾病状况的预后。关于上述各项，可以在治疗前、治疗中或治疗后检测或监测的疾病或疾病状况的例子包括炎症(例如，由关节炎引起的炎症，例如类风湿性关节炎)、癌症(例如结直肠癌、卵巢癌、肺癌、乳腺癌、前列腺癌、宫颈癌、睾丸癌、皮肤癌、脑癌、胃肠道癌、胰腺癌、肝癌、肾癌、膀胱癌、胃癌、白血病、口腔癌、食道癌、骨癌，包括转移)、心血管疾病(例如，动脉粥样硬化和血管炎性病状、局部缺血、中风、血栓形成、弥散性血管内凝血)、皮肤病(例如卡波西肉瘤、牛皮癣、过敏性皮炎)、眼科疾病(例如黄斑变性、糖尿病性视网膜病)、传染病(例如细菌、病毒、真菌和寄生虫感染，包括获得性免疫缺陷综合征、疟疾、恰加斯病、血吸虫病)、免疫性疾病(例如自身免疫性疾病、淋巴瘤、多发性硬化症、类风湿性关节炎、糖尿病、红斑狼疮、重症肌无力、格雷夫斯病)、中枢神经系统疾病(例如神经退行性疾病，诸如帕金森氏症或阿尔茨海默氏病、亨廷顿舞蹈病、肌萎缩性侧索硬化症、朊病毒病)、遗传性疾病、代谢性疾病、环境疾病(例如铅、汞和放射性中毒、皮肤癌)、骨相关的疾病(例如骨质疏松症、原发性和转移性骨肿瘤、骨关节炎)、神经退行性疾病和手术相关并发症(诸如移植排斥、器官排斥、伤口愈合改变、纤维化或其他与手术植入物有关的并发症)。因此，本文所述的系统和方法可用于例如确定肿瘤细胞的存在以及肿瘤细胞的定位和转移；炎症的存在和定位，包括活化的巨噬细胞的存在，例如在动脉粥样硬化或关节炎中；以及血管疾病的存在和定位，包括冠状动脉和外周动脉中有急性阻塞危险的区域(例如易损斑块)、动脉瘤扩大的区域、颈动脉和缺血区域的不稳定斑块以及支架内血栓形成。本文所述的系统和方法也可以用于鉴定和评估细胞死亡、损伤、凋亡、坏死、缺氧和血管生成。本文所述的系统和方法也可以用于监测某些细胞类型的运输和定位，包括T细胞、肿瘤细胞、免疫细胞、干细胞和其他细胞类型。特别地，此方法可以用于监测基于细胞的疗法。本文所述的系统和方法也可以用作光动力疗法的一部分，包括成像、光激活和治疗监测。
在某些实施方案中，本文所述的系统和方法可用于受试者的内源性荧光的成像。例如，可以使用标准基因疗法和转基因技术在动物或人类受试者中待表达的目的关注基因的邻近处包括编码荧光蛋白诸如绿色、红色或红外荧光蛋白的基因。关注基因的表达可以通过对荧光蛋白的成像间接确定。如果此蛋白被表达，那么关注基因也已经被表达。在以下期刊中描述了内源性荧光蛋白的荧光性质：Giepmans等，Science，312:217-224，2006；Shaner等Nature Methods2:905-909，2005；Zhang等Nat.Rev.Mol.Biol.3:906-918，2002；Ai等Biochemistry46:5904-5910，2007；Shaner等Nat.Biotech 22:1567-1572，2004；Campbell等Proc.Nat.Acad.Sci.99:7877-7882，2002；Heikal等Proc.Nat.Acad.Sci.97:11996-12001，2000；Baird等Proc.Nat.Acad.Sci.97:11984-11989，2000；Tsien,Ann.Rev.Biochem.67:509-44，1998；Heim等Curr.Biol.6:178-182，1996；Cubitt等TrendsBiochem Sci.11:448-455，1995；Heim等Proc.Nat.Acad.Sci.91:12501-12504，1994，相关文本以引用的方式并入本文中。
G.计算机系统和网络环境
如图5所示，网络环境500的实现用于提供如本文所述的多角度SWIR层析成像的系统和方法中。在简要概述中，现在参考图5，示出并描述了示例性云计算环境500的框图。云计算环境500可包括一个或多个资源提供者502a、502b、502c(统称为502)。每个资源提供者502可以包括计算资源。在一些实现方式中，计算资源可以包括用于处理数据的任何硬件和/或软件。例如，计算资源可包括能够执行算法、计算机程序和/或计算机应用的硬件和/或软件。在一些实现方式中，示例性计算资源可包括具有存储和检索能力的应用服务器和/或数据库。每个资源提供者502可以连接到云计算环境500中的任何其他资源提供者502。在一些实现方式中，资源提供者502可以通过计算机网络508连接。每个资源提供者502可以通过计算机网络508连接到一个或多个计算设备504a、504b、504c(统称为504)。
云计算环境500可包括资源管理器506。资源管理器506可以通过计算机网络508连接到资源提供者502和计算设备504。在一些实现方式中，资源管理器506可以促进一个或多个资源提供者502向一个或多个计算设备504提供计算资源。资源管理器506可以从特定计算设备504接收对计算资源的请求。资源管理器506可以识别能够提供计算设备504所请求的计算资源的一个或多个资源提供者502。资源管理器506可以选择资源提供者502来提供计算资源。资源管理器506可以促进资源提供者502与特定计算设备504之间的连接。在一些实现方式中，资源管理器506可以在特定资源提供者502与特定计算设备504之间建立连接。在一些实现方式中，资源管理器506可以将特定计算设备504重定向到具有所请求的计算资源的特定资源提供者502。
图6示出了可用于实现本公开中描述的技术的计算设备600和移动计算设备650的实例。计算设备600旨在代表各种形式的数字计算机，诸如膝上型计算机、台式计算机、工作站、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型机和其他适当的计算机。移动计算设备650旨在代表各种形式的移动设备，诸如个人数字助理、蜂窝电话、智能电话和其他类似的计算设备。本文所示的部件及其连接和关系以及其功能仅是示例性的，而非限制性的。
计算设备600包括处理器602、存储器604、存储设备606、连接到存储器604和多个高速扩展端口610的高速接口608，以及连接到低速扩展端口614和存储设备606的低速接口612。处理器602、存储器604、存储设备606、高速接口608、高速扩展端口610和低速接口612中的每一者都使用各种总线互连，并且可以安装在共用主板上，也可以其他适合方式安装。处理器602可以处理用于在计算设备600内执行的指令，包括存储在存储器604中或存储设备606上的指令，以将图形用户界面(GUI)的图形信息显示在外部输入/输出设备(诸如耦接至高速接口608的显示器616)上。在其他实现方式中，可以适当地使用多个处理器和/或多个总线，以及多个存储器和存储器类型。并且，可以连接多个计算设备，每个设备提供必要操作的一部分(例如，作为服务器阵列(server bank)、一组刀片服务器或多处理器系统)。因此，当本文使用术语时，在多个功能被描述为由“处理器”执行的情况下，这涵盖了其中所述多个功能由任意数量的计算设备(一个或多个)的任意数量的处理器(一个或多个)执行的实施方案。此外，在功能被描述为由“处理器”执行的情况下，这涵盖了其中功能由(例如，分布式计算系统中的)任意数量的计算设备(一个或多个)的任意数量的处理器(一个或多个)执行的实施方案。
存储器604将信息存储在计算设备600内。在一些实现方式中，存储器604是一个或多个易失性存储单元。在一些实现方式中，存储器604是一个或多个非易失性存储单元。存储器604也可以是另一种形式的计算机可读介质，诸如磁盘或光盘。
存储设备606能够为计算设备600提供大容量存储。在一些实现方式中，存储设备606可以是或包含计算机可读介质，诸如软盘设备、硬盘设备、光盘设备或磁带设备、闪存或其他类似的固态存储设备，或设备阵列(包括存储区域网络或其他配置中的设备)。指令可以存储在信息载体中。指令在由一个或多个处理设备(例如，处理器602)执行时，执行一种或多种方法，诸如上述方法。指令还可以由诸如计算机可读介质或机器可读介质的一个或多个存储设备(例如，存储器604、存储设备606或处理器602上的存储器)存储。
高速接口608管理计算设备600的带宽密集型操作，而低速接口612管理较低带宽密集型操作。这种功能分配仅是示例性的。在一些实现方式中，高速接口608可以耦接到存储器604、显示器616(例如，通过图形处理器或加速器)，并且可以耦接到可以接受各种扩展卡(未图示)的高速扩展端口610。在实现方式中，低速接口612可以耦接到存储设备606和低速扩展端口614。可包括各种通信端口(例如，USB、
Figure BDA0002721496800000331
以太网、无线以太网)的低速扩展端口614可以例如通过网络适配器耦接至一个或多个输入/输出设备，诸如键盘、指向设备、扫描仪或联网设备(诸如，交换机或路由器)。
计算设备600可以多种不同的形式实现，如图所示。例如，计算设备可以被实现为标准服务器620，或者在一组此类服务器中被实现多次。另外，计算设备可以在诸如膝上型计算机622的个人计算机中实现。计算设备也可以被实现为机架服务器系统624的一部分。或者，计算设备600中的部件可以与诸如移动计算设备650的移动设备(未图示)中的其他部件组合。此类设备中的每一者都可以包含计算设备600和移动计算设备650中的一者或多者，并且整个系统可以由彼此通信的多个计算设备组成。
移动计算设备650包括处理器652、存储器664、输入/输出设备诸如显示器654、通信接口666和收发器668，以及其他部件。移动计算设备650也可设置有存储设备诸如微驱动器或其他设备，以提供附加的存储。处理器652、存储器664、显示器654、通信接口666和收发器668中的每一者可以使用各种总线互连，并且这些部件中的几个可以安装在共用主板上，也可以其他适合方式安装。
处理器652可以在移动计算设备650内执行指令，包括存储在存储器664中的指令。处理器652可以被实现为芯片组，其包括单独的以及多个模拟和数字处理器。处理器652可以提供例如移动计算设备650的其他部件的协调，诸如对用户接口、由移动计算设备650运行的应用程序以及由移动计算设备650进行的无线通信的控制。
处理器652可以通过耦接到显示器654的控制接口658和显示接口656与用户通信。显示器654可以是例如薄膜晶体管液晶显示器(TFT)或有机发光二极管(OLED)显示器或其他适当的显示技术。显示接口656可以包括用于驱动显示器654以向用户呈现图形和其他信息的适当电路。控制接口658可以从用户接收命令并且将其转换以提交给处理器652。另外，外部接口662可以提供与处理器652的通信，以便实现移动计算设备650与其他设备的近区通信。外部接口662可以在一些实现方式中提供例如有线通信，或者在其他实现方式中提供无线通信，并且也可以使用多个接口。
存储器664将信息存储在移动计算设备650内。存储器664可以被实现为计算机可读介质、易失性存储单元或非易失性存储单元中的一者或多者。也可以提供扩展存储器674，并通过扩展接口672将其连接到移动计算设备650，所述扩展接口可包括例如单列直插式内存模块(SIMM)卡接口。扩展存储器674可以为移动计算设备650提供额外的存储空间，或还可以为移动计算设备650存储应用程序或其他信息。具体地，扩展存储器674可以包括用于执行或补充上述过程的指令，并且也可以包括安全信息。因此，例如，扩展存储器674可以被提供为用于移动计算设备650的安全模块，并且可以用允许安全使用移动计算设备650的指令来编程。此外，可以经由SIMM卡提供安全的应用程序以及其他信息，诸如以不可破解的方式将标识信息放在SIMM卡上。
存储器可以包括例如闪存和/或非易失性随机存取存储器(NVRAM)，如下面所讨论。在一些实现方式中，指令被存储在信息载体中。指令在由一个或多个处理设备(例如，处理器652)执行时，执行一种或多种方法，诸如上述方法。指令还可以由诸如一个或多个计算机可读介质或机器可读介质的一个或多个存储设备(例如，存储器664、扩展存储器674或处理器652上的存储器)存储。在一些实现方式中，可以例如通过收发器668或外部接口662以传播的信号来接收指令。
移动计算设备650可以通过通信接口666进行无线通信，并且在必要时，可以包括数字信号处理电路。通信接口666可以提供各种模式或协议下的通信，诸如全球移动通信系统(GSM)语音呼叫、短消息服务(SMS)、增强消息服务(EMS)或多媒体消息服务消息(MMS)、码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、个人数字蜂窝(PDC)、宽带码分多址(WCDMA)、CDMA2000或通用分组无线业务(GPRS)等。例如，可以通过收发器668使用射频进行这种通信。另外，可以使用诸如
Figure BDA0002721496800000351
Wi-FiTW或其他此类收发器(未图示)进行短距离通信。另外，全球定位系统(GPS)接收器模块670可以向移动计算设备650提供附加的导航和位置相关的无线数据，所述无线数据可以被在移动计算设备650上运行的应用程序酌情使用。
移动计算设备650也可以使用音频编解码器660进行听觉通信，所述音频编解码器可以从用户接收口语信息并将其转换为可用的数字信息。音频编解码器660同样可以诸如通过扬声器为用户生成可听见的声音，例如在移动计算设备650的听筒中。这种声音可以包括来自语音电话呼叫的声音，可以包括记录的声音(例如，语音消息、音乐文件等)，并且还可以包括由在移动计算设备650上运行的应用程序生成的声音。
移动计算设备650可以多种不同的形式实现，如图所示。例如，移动计算设备可以被实现为蜂窝电话680。移动计算设备也可以被实现为智能电话682、个人数字助理或其他类似移动设备的一部分。
本文所述的系统和技术的各种实现方式可以通过数字电子电路、集成电路、专门设计的专用集成电路(ASIC)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合来实现。这些各种实现方式可以包括在一个或多个计算机程序中的实现方式，所述一个或多个计算机程序在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上是可执行的和/或可解释的，所述可编程处理器可以是专用的或通用的，其被耦接以从存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令以及向其发送数据和指令。
这些计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且可以使用高级过程式和/或面向对象的编程语言和/或使用汇编/机器语言来实现。如本文所使用的术语机器可读介质和计算机可读介质是指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、装置和/或设备(例如磁盘、光盘、内存、可编程逻辑器件(PLD))，其包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语机器可读信号是指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。
为了提供与用户的交互，可在计算机上实现本文所述的系统和技术，所述计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)监视器)以及用户可借以向计算机提供输入的键盘和指向装置(例如，鼠标或跟踪球)。其他种类的设备也可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)；并且来自用户的输入可以以任何形式被接收，包括声音、语音或触觉输入。
本文所述的系统和技术可以在计算系统中实现，所述计算系统包括后端部件(例如，作为数据服务器)，或包括中间件部件(例如，应用服务器)或包括前端部件(例如，具有图形用户界面或Web浏览器的客户端计算机，用户可通过该Web浏览器与本文所述的系统和技术的实现进行交互)，或此类后端部件、中间件部件或前端部件的任意组合。系统的部件可通过任何数字数据通信形式或介质(例如，通信网络)互连。通信网络的实例包括局域网(LAN)、广域网(WAN)和因特网。
计算系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器一般彼此远离，并且通常通过通信网络进行交互。客户端与服务器的关系由于在各自计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。
本文所述的不同实现方式的元件可以组合以形成以上未具体阐述的其他实现方式。本文所述的过程、计算机程序、数据库等可以排除若干元件，而不会不利地影响其操作。另外，附图中描绘的逻辑流程不需要所示的特定顺序或依次顺序来实现期望的结果。各种分开的元件可以组合成一个或多个单个的元件以执行本文所述的功能。
在整个说明书中，当装置和系统被描述为具有、包含或包括特定部件时，或者当过程和方法被描述为具有、包含或包括特定步骤时，可以预期，另外，存在主要由或由所叙述的部件组成的本发明的装置和系统，并且存在主要由或由所叙述的处理步骤组成的根据本发明的过程和方法。
应当理解，只要本发明保持可操作，步骤的顺序或执行某些动作的顺序就无关紧要。另外，两个或更多个步骤或动作可同时进行。
虽然装置、系统和方法已参考特定优选实施方案进行特定显示和描述，但是本领域技术人员应了解，可在不背离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上进行各种改变。

Claims (44)

1.一种创建受试者的关注区域的光学层析成像图像的方法，所述方法包括：
(a)以多个照射角度将照射辐射引导到所述受试者的所述关注区域中，从而照射所述关注区域；
(b)对于所述多个照射角度中的每一者，以对应的检测角度检测透射过所述关注区域的辐射，从而获得多个角投影测量；
(c)由计算设备的处理器使用与所获得的多个角投影测量相对应的数据来确定与所述关注区域的光学吸收图的层析成像重建相对应的表示。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
步骤(a)包括引导来自第一源的照射辐射，并且步骤(b)包括在第一检测器处检测透射过所述关注区域的辐射，
所述第一源和所述第一检测器安装在可操作以围绕所述受试者旋转的旋转机架上，并且
其中所述方法包括：对于所述旋转机架的多个位置中的每一者，以给定的照射角度照射所述受试者的所述关注区域，并以所述对应的检测角度检测透射过所述关注区域的辐射，从而获得所述多个角投影测量。
3.如权利要求1所述的方法，其中：
步骤(a)包括引导来自第一源的照射辐射，并且步骤(b)包括在第一检测器处检测透射过所述关注区域的辐射，
所述受试者安装在旋转台上，所述旋转台可操作以围绕穿过其中心的轴线旋转，
所述第一源和所述第一检测器安装在所述受试者周围的固定位置，并且
所述方法包括：对于所述旋转台的多个位置中的每一者，以给定的照射角度照射所述受试者的所述关注区域，并以所述对应的检测角度检测透射过所述关注区域的辐射，从而获得所述多个角投影测量。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(c)包括将在所述多个照射角度和对应的检测角度中的每一者下，从第一源、穿过所述受试者的所述关注区域到达第一检测器的辐射透射的投影模型反演。
5.如权利要求4所述的方法，其中将所述投影模型反演包括将所述投影模型的逆算子应用于使用与所述多个角投影测量相对应的所述数据所确定的多个观测值，从而确定所述关注区域的所述光学吸收图。
6.如权利要求4或5中任一项所述的方法，其中所述投影模型是离散化模型，所述离散化模型对于所述多个角测量中的每一者，将(i)与在所述角测量下所检测到的辐射的强度相对应的值与(ii)多个光学吸收系数相关联，每个光学吸收系数代表所述关注区域内特定点的光学吸收。
7.如权利要求6所述的方法，其包括：应用所述投影模型的所述逆算子的离散化版本，其中所述投影模型的所述离散化逆算子对于代表所述关注区域中物理位置的多个离散化位置中的每一者，将所述位置处的光学吸收系数的值与使用所述角投影测量相对应的所述数据确定的所述多个观测值中的至少一部分相关联，从而对于所述多个离散化位置中的每一者，确定所述光学吸收系数的对应值，进而确定所述关注区域的所述光学吸收图。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(c)包括：使用与所述多个角投影测量相对应的所述数据和校准数据来确定所述关注区域的所述光学吸收图，以便确定所述关注区域的所述光学吸收图，其中所述光学吸收图是定量的。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述校准数据包括选自由以下组成的组中的至少一者：
与所述源的功率相对应的数据；
与所述系统的辐射配置的测量相对应的数据；以及
与所述检测器的强度响应相对应的数据。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：获得代表所述受试者在所述关注区域周围的表面的一个或多个边界的测量，其中步骤(c)包括使用所述一个或多个边界的所述测量来确定所述关注区域的所述光学吸收图。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：将一个或多个去噪滤波器应用于与所述多个角投影测量相对应的所述数据。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述光学吸收图是三维(3D)图。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述关注区域包括一个或多个解剖器官，并且所述方法包括：处理所述光学吸收图以自动定位所述光学吸收图中的所述一个或多个解剖器官。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：
在多个时间点中的每一者处记录对应的一组多个角投影测量；以及
对于所述多个时间点中的每一者，由所述处理器使用与所述对应的一组多个角投影测量相对应的数据来确定所述关注区域的对应光学吸收图，从而确定多个光学吸收图，所述多个光学吸收图代表在所述多个不同时间点中的每一者处所述关注区域中的光学吸收。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述多个时间点中的每一者之间的时间间隔足够小，以便提供在所述受试者的所述区域中光学吸收的视频码率图像。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：使用所确定的光学吸收图来获得所述受试者的所述区域内荧光和/或生物发光发射器的分布的层析成像表示。
17.如权利要求16所述的方法，其包括：
(d)由激发源用激发光照射所述关注区域，所述激发光具有与存在于所述关注区域中的荧光发射器的激发波长相对应的波长；
(e)由荧光检测器检测从所述关注区域中的所述多个荧光发射器发射的荧光，所述荧光检测器响应于具有与所述关注区域中存在的所述荧光发射器的发射波长相对应的波长的光；以及
(f)由所述处理器使用与所检测到的荧光和所确定的光学吸收图相对应的数据，确定所述关注区域中所述荧光发射器的所述分布的层析成像表示。
18.如权利要求17所述的方法，其中步骤(d)包括使用多个不同的激发源位置用激发光照射所述关注区域。
19.如权利要求17或18中任一项所述的方法，其中步骤(e)包括使用多个不同的荧光检测器位置来检测发射的荧光。
20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其中步骤(e)包括将前向模型反演，所述前向模型描述(i)从与激发源位置相对应的点到与所述关注区域中荧光发射器的位置相对应的点的激发光传播，和(ii)从所述荧光发射器的位置到与荧光检测器位置相对应的点的发射光传播。
21.如权利要求20所述的方法，其包括在所述前向模型中使用所确定的光学吸收图。
22.如权利要求16至21中任一项所述的方法，其包括：由所述处理器使用与所检测到的荧光和所确定的光学吸收图相对应的数据来确定所述关注区域中所述荧光发射器的数量的图。
23.一种创建受试者的关注区域的光学层析成像图像的系统，所述系统包括：
(a)样品台，用于安装受试者；
(b)第一源，经对准以将照射辐射引导到所述受试者的所述关注区域中；
(c)第一检测器，经对准以检测来自所述第一源的透射过所述受试者的所述关注区域的辐射；
(d)存储器，用于存储一组指令；以及
(e)处理器，用于执行所述指令，
其中：
所述样品台、所述第一源和所述第一检测器经定位以允许以多个照射角度照射所述关注区域，并允许以多个对应的检测角度检测透射过所述关注区域的辐射，以获得多个角投影测量，并且
所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器使用与所述多个角投影测量相对应的数据来确定与所述关注区域的光学吸收图的层析成像重建相对应的表示。
24.如权利要求23所述的系统，其中：
所述第一源和所述第一检测器安装在可操作以围绕所述受试者旋转的旋转机架上。
25.如权利要求23所述的系统，其中：
所述受试者安装在旋转台上，所述旋转台可操作以围绕穿过其中心的轴线旋转，并且
所述第一源和所述第一检测器安装在所述受试者周围的固定位置。
26.如权利要求24至25中任一项所述的系统，其中所述指令使所述处理器通过以下操作来确定所述光学吸收图：将在所述多个照射角度和对应的检测角度中的每一者下，从所述第一源、穿过所述受试者的所述关注区域到达所述第一检测器的辐射透射的投影模型反演。
27.如权利要求26所述的系统，其中将所述投影模型反演包括将所述投影模型的逆算子应用于使用与所述多个角投影测量相对应的所述数据所确定的多个观测值，从而确定所述关注区域的所述光学吸收图。
28.如权利要求26或27中任一项所述的系统，其中所述投影模型是离散化模型，所述离散化模型对于所述多个角测量中的每一者，将(i)与在所述角测量下所检测到的辐射的强度相对应的值与(ii)多个光学吸收系数相关联，每个光学吸收系数代表所述关注区域内特定点的光学吸收。
29.如权利要求28所述的系统，其中所述指令使所述处理器通过以下操作来确定所述光学吸收图：应用所述投影模型的所述逆算子的离散化版本，以对于所述多个离散化位置中的每一者确定所述光学吸收系数的对应值，其中所述投影模型的所述离散化逆算子对于代表所述关注区域中物理位置的多个离散化位置中的每一者，将所述位置处的光学吸收系数的值与使用所述角投影测量相对应的所述数据确定的所述多个观测值中的至少一部分相关联。
30.如权利要求23至29中任一项所述的系统，其中所述指令使所述处理器使用与所述多个角投影测量相对应的所述数据和校准数据来确定所述光学吸收图，其中所述光学吸收图是定量的。
31.如权利要求30所述的系统，其中所述校准数据包括选自由以下组成的组中的至少一者：
与所述源的功率相对应的数据；
与所述系统的辐射配置的测量相对应的数据；以及
与所述检测器的强度响应相对应的数据。
32.如权利要求23至31中任一项所述的系统，其包括表面扫描模块，用于获得代表所述受试者在所述关注区域周围的表面的一个或多个边界的测量，其中所述指令使所述处理器使用所述一个或多个边界的所述测量来确定所述光学吸收图。
33.如权利要求23至32中任一项所述的系统，其中所述指令使所述处理器将一个或多个去噪滤波器应用于与所述多个角投影测量相对应的所述数据。
34.如权利要求23至33中任一项所述的系统，其中所述光学吸收图是三维(3D)图。
35.如权利要求23至34中任一项所述的系统，其中所述关注区域包括一个或多个解剖器官，并且所述指令使所述处理器处理所述光学吸收图，以自动定位所述光学吸收图中的所述一个或多个解剖器官。
36.如权利要求23至34中任一项所述的系统，其中所述样品台、所述第一源和所述第一检测器可操作以允许在多个时间点中的每一者处记录对应的一组多个角投影测量，并且其中所述指令使所述处理器执行以下操作：
对于所述多个时间点中的每一者，使用与所述对应的一组多个角投影测量相对应的数据来确定所述关注区域的对应光学吸收图，从而确定多个光学吸收图，所述多个光学吸收图代表在所述多个不同时间点中的每一者处所述关注区域中的光学吸收。
37.如权利要求36所述的系统，其中所述多个时间点中的每一者之间的时间间隔足够小，以便提供在所述受试者的所述区域中光学吸收的视频码率图像。
38.如权利要求23至37中任一项所述的系统，其中所述指令使所述处理器使用所确定的光学吸收图来获得所述受试者的所述区域内荧光和/或生物发光发射器的分布的层析成像表示。
39.如权利要求38所述的系统，其包括：
(d)激发源，经对准以将激发光引导到所述受试者的所述关注区域中，所述激发光具有与存在于所述关注区域中的荧光发射器的激发波长相对应的波长；以及
(e)荧光检测器，经对准以检测从所述关注区域中的所述多个荧光发射器发射的荧光，其中所述荧光检测器响应于具有与所述关注区域中存在的所述荧光发射器的发射波长相对应的波长的光，
其中所述指令使所述处理器使用与所检测到的荧光和所确定的光学吸收图相对应的数据来确定所述关注区域中所述荧光发射器的所述分布的层析成像表示。
40.如权利要求39所述的系统，其中所述激发源可操作以将所述激发光从多个不同的激发源位置引导到所述关注区域中。
41.如权利要求39或40中任一项所述的系统，其中所述荧光检测器可操作以在多个不同的荧光检测器位置处检测从所述关注区域发射的荧光。
42.如权利要求39至41中任一项所述的系统，其中所述指令使所述处理器通过以下操作来确定所述荧光发射器的所述分布的所述层析成像表示：将前向模型反演，所述前向模型描述(i)从与激发源位置相对应的点到与所述关注区域中荧光发射器的位置相对应的点的激发光传播，和(ii)从所述荧光发射器的位置到与荧光检测器位置相对应的点的发射光传播。
43.如权利要求42所述的系统，其中所述指令使所述处理器在所述前向模型中使用所确定的光学吸收图。
44.如权利要求38至43中任一项所述的系统，其中所述指令使所述处理器使用与所检测到的荧光和所确定的光学吸收图相对应的数据来确定所述关注区域中所述荧光发射器的数量的图。
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