[发明专利]切伦可夫荧光激发的扫描光片断层成像方法

说明书

本发明公开了切伦可夫荧光激发的扫描光片断层成像方法，属于医学图像处理领域。该方法利用在生物体表高灵敏度探测器获取的荧光图像来重建荧光量子产额的分布。该方法包括两个过程，一是通过直线加速器产生X射线光片扫描生物体产生切伦可夫辐射并作为内部激发光源激发荧光团，即激发过程；二是激发出的荧光穿透生物组织到达生物体表后利用外在的高灵敏度探测器获取荧光信号，即发射过程，本方法可以准确地对荧光产额进行重建。

技术领域

本发明属于医学图像处理领域，涉及一种切伦可夫荧光激发的扫描光片断层成像方法。

背景技术

放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种方法，在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出。中国2015年癌症新发病例约430万，其中91.9万人使用了放射治疗，放射治疗已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。如果能在放射治疗时在体揭示恶性肿瘤细胞生理学上的活动，将对于恶性肿瘤的治疗有着重要的帮助。

切伦可夫荧光激发的扫描成像(以下简称CELSI)作为一种新兴的医学成像技术，是一种基于放射产生的切伦可夫光作为激光光源来激发生物体内部的荧光团，并在生物体外通过高灵敏度的探测器接收发射的荧光进行成像的技术。CELSI利用切伦可夫辐射作为内在的激发光源，从而获得了更低的背景噪声和更高的成像灵敏度。此外，CELSI技术利用内在的激发光源激发荧光探针，有效地克服了外部激光光源穿透能力有限的问题，增加了成像深度。另外，光片扫描技术的使用有效地提高了CELSI技术的空间分辨率和深度灵敏度，可以在直径约为1毫米、深度2厘米的病灶进行成像。正是由于CELSI技术具有的这些独特特性，开展该技术研究将促进其在生物医学领域的应用。但是CELSI是一种二维平面成像技术，无法提供荧光探针在生物体内的深度信息，也无法进行定量分析，从而限制了其在生物体中的应用。

发明内容

为克服上述背景技术描述的问题，本发明首次提出了切伦可夫激发的荧光扫描断层成像方法。

本发明采用的技术方案为切伦可夫荧光激发的扫描光片断层成像方法，该方法利用在生物体表高灵敏度探测器获取的荧光图像来重建荧光量子产额的分布。该方法包括两个过程，一是通过直线加速器产生X射线光片扫描生物体产生切伦可夫辐射并作为内部激发光源激发荧光团，即激发过程；二是激发出的荧光穿透生物组织到达生物体表后利用外在的高灵敏度探测器获取荧光信号，即发射过程。

为准确地描述激发和发射过程，本方法采用耦合的扩散近似方程，扩散近似方程形式为：

其中，下标x和m分别代表激发和发射两个波段，▽为梯度算子，Φ_x(r)是r处激发波段的切伦可夫光强，Φ_m(r)是发射波段r处的荧光光强，μ_ai(r)(i＝x,m)代表光学吸收系数，D_i(r)(i＝x,m)代表光学扩散系数，μ_af(r)是荧光团对激发光的吸收系数，η是荧光团量子效率，ημ_af(r)是需要重建的荧光量子产额。对于公式(1)中的光源项q(r)，它是一个内在的激发光源而不是外在的，是通过放射治疗中直线加速器产生的切伦可夫辐射。考虑到大于6兆电子伏的X射线在生物组织中衰减小，且光束厚度小于5毫米，因此将切伦可夫辐射简化为一个均匀分布的光片光源。

采用罗宾型边界条件：

式(2)中，下标x和m分别代表激发和发射两个波段，是边界的单位法向量，A是取决于边界光学反射系数偏差的特定常量。

切伦可夫激发的荧光扫描断层成像方法就是利用发射过程中采集的荧光图像来重建荧光量子产额，这是典型的病态逆问题。为重建荧光量子产额，基于正则化理论，第k次迭代的荧光产额变化量通过式(3)中的迭代方程更新得到：