检索历史 清除

摘要锥束X射线发光断层成像(Cone-beam X-ray luminescence computed tomography,CB-XLCT)是一种新型的光学分子影像技术，它利用锥束X射线激发成像物体内的X射线发光探针，通过高灵敏的光学相机探测体表光学信号分布，借助一定的重建方法获得探针的三维空间分布。CB-XLCT能够在细胞、分子水平上观察生物体内的生理以及病理过程，相较于生物自发光断层成像、荧光分子断层成像等其它分子影像技术，CB-XLCT具有成像深度大、对比度高、灵敏度高等优势；同时，与其他类型的XLCT相比，CB-XLCT具有成像快，易实现的优点，更适宜进行小动物成像研究。因此，CB-XLCT在疾病监测、药物研发、影像引导放疗等方面具有广阔的应用前景。<br>　　作为国际上较早开展CB-XLCT研究的单位，于2013年搭建了CB-XLCT系统，最早实现了单角度活体埋管CB-XLCT成像，并合成了高荧光产额的X射线发光探针。然而，研究发现，由于X线的锥束形激发和光在组织中的强散射特性，相较其他XLCT系统，CB-XLCT的重建具有严重的病态性，导致CB-XLCT的成像性能较低，尤其是其成像速度（投影采集速度与采集模式、图像重建速度）和成像质量不能满足开展成像应用的需求。如何提升CB-XLCT成像速度，改善成像质量，成为CB-XLCT研究尤其是开展在体应用的一大挑战。针对这一挑战，本文开展了CB-XLCT成像算法的系列研究：<br>　　1.针对CB-XLCT投影数目多导致的数据采集耗时的问题，提出基于截断奇异值分解(Truncated singular value decomposition,TSVD)的稀疏角度重建算法。该方法首先对原始权重矩阵和目标方程进行TSVD变换，以保证压缩感知(Compressed sensing,CS)在CB-XLCT重建中的稀疏角度目标恢复性能；然后采用基于CS理论的快速迭代收敛阈值算法(Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm，FISTA)重建。仿真和仿体实验结果表明，当投影数目分别减少至2个（仿真）和4个（仿体）时，重建图像依然能够保持高精度，说明本方法有效减少了成像投影数目，提升了成像速度。<br>　　2.针对射线源或成像物体360o全角度数据采集在某些在体应用（如乳腺癌术中肿块切除术等）中难以实现以及全角度扫描带来的数据采集时间长等问题，提出基于组稀疏先验和深度补偿的有限角度成像重建算法。该方法利用两个补偿矩阵缓解由于有限角度采样带来的探测不一致性，并引入组稀疏作为先验进行重建。仿真和仿体实验结果表明，成像角度范围可由360°减小至90°，成像投影数目减小至2个，大幅减少了成像时间，为CB-XLCT应用于有限角度在体成像提供了方案。<br>　　3.针对CB-XLCT权重矩阵规模大，传统重建方法耗时导致的CB-XLCT成像速度慢的问题，提出基于重启策略的快速重建算法。该方法共有内外两层循环，内层循环利用原始对偶牛顿共轭梯度(Primal-dual Newton Conjugate Gradient,pdNCG)方法快速获得探针分布，外层循环根据该分布对重建区域和初始值进行重新设置，实现重启。仿真和仿体实验结果表明，该方法在减小权重矩阵规模的同时缓解了求解方程的病态性，加快了收敛速度，大幅缩减了重建时间，提高了成像速度。<br>　　4.针对不同浓度的两个相邻目标成像质量差，难以分辨的问题，提出基于重建域主成分分析(Principal component analysis,PCA)的成像方法。该方法利用不同浓度的探针在不同X射线管电压激发下的表现差异，采用多个电压对成像物体激发并重建，利用PCA方法分析重建后数据，进而恢复探针空间分布。仿体实验结果表明，该方法可以仅用两个激发电压实现近距离不同浓度探针（边边距为0mm）的解析。<br>　　5.针对探针动态成像过程中的空间分辨率差的问题，基于探针在不同组织间代谢模式差异，提出基于投影域PCA的成像方法。该方法首先对不同时间获取的光学投影图像进行降噪，然后采用PCA对多帧时间序列数据进行分析，选择能够代表探针代谢模式的PC分量进行重建。仿真和仿体实验结果表明，该方法不仅可以分辨具有不同代谢模式的目标区域，还能恢复所有时刻的探针浓度信息；相对于重建域PCA，该方法具有更好的噪声抑制性能。<br>　　通过以上关键成像方法的深入研究，本研究实现了CB-XLCT的快速、高质量成像，CB-XLCT的成像性能大幅度提升，为突破光学成像技术瓶颈，进一步开展活体成像应用研究及分子影像装备研发奠定了坚实的基础。