面向小动物分子成像的时域荧光扩散层析系统

摘要

本发明涉及小动物分子成像领域，特别涉及面向小动物分子成像的时域荧光扩散层析系统。为提供能获得高定量精度和空间分辨率的三维层析、以及稳健的双参数和多组分成像能力的方法和装置，本发明采用的技术方案是：提供所需波长超短激光的两个皮秒半导体激光器及荧光探针；用于选择前述两个皮秒半导体激光器出射的两路激光的一个2∶1光开关；用于将2∶1光开关出射激光强度衰减到所需测量范围的可变衰减器；用于将可变衰减器出射的所选波长光源切换成多个光源点的光开关；用于将光源点出射激光投射到目标体的入射光纤；用于接收来自目标体的反射或透射激光的接收光纤；本发明主要用于分子成像的时域荧光扩散层析。

主权项

1.一种面向小动物分子成像的时域荧光扩散层析系统，其特征在于，包括：提供所需波长超短激光的两个皮秒半导体激光器及荧光探针；用于选择前述两个皮秒半导体激光器出射的两路激光的一个2∶1光开关；用于将2∶1光开关出射激光强度衰减到所需测量范围的可变衰减器；用于将可变衰减器出射的所选波长光源切换成多个光源点的光开关；用于将光源点出射激光投射到目标体的入射光纤；用于接收来自目标体的反射或透射激光的接收光纤；用于接收来自接收光纤的检验模块，检验模块进一步依次包括：滤除相应激发光的带通滤波器、PMT光电倍增管检测器、TCSPC单光子计数模块；用于由检验模块的输出产生测量平面或三维荧光发射率和寿命的图像的荧光分子层析时域FMT图像重建模块，FMT图像重建模块进一步包括下列模块：①对检测量Γ_x(ζ_d，ξ_s，t)和Γ_m(ζ_d，ξ_s，t)进行拉普拉斯变换，得到Γ_x(ζ_d，ξ_s，p)和Γ_m(ζ_d，ξ_s，p)的模块；②求出荧光波长检测量相对于激发波长检测量的玻恩比(Bom ratio)：的模块；③在Robin边界条件下，对激发光波长的拉普拉斯变换时域扩散方程求解，获得ξ_s处激励下r和ζ_d处之光密度拉普拉斯变换值Φ_x(r，ξ_s，p)和Φ_x(ζ_d，ξ_s，p)的模块，即求解$\left\{\begin{array}{c}[▿·D_x\left(r\right)▿-{\mu }_{\mathrm{ax}}\left(r\right)c-p]{\Phi }_x(r,{\xi }_s,p)=-\delta (r-{\xi }_s)\\ c{\Phi }_x(r,{\xi }_s,p)+2K{D}_x\left(r\right)n·▿{\Phi }_x(r,{\xi }_s,p){|}_{r\in \partial \Omega }=0\\ {\Phi }_x({\zeta }_d,{\xi }_s,p)={\Phi }_x(r,{\xi }_s,p){|}_{r={\zeta }_d}\end{array}\right.$其中μ_ax和D_x为激发波长下的吸收系数和扩散系数；为成像域Ω之边界；n为边界检测点之外法向；K为内反射控制因子；c为组织中的光速；④在Robin边界条件下，获得荧光波长下的拉普拉斯变换时域扩散方程之格林函数G_m(ζ_d，r，p)的模块；即求解$\left\{\begin{array}{c}[▿·D_m\left(r^{\prime }\right)▿-{\mu }_{\mathrm{am}}\left(r^{\prime }\right)c-p]G_m^{\prime }(r^{\prime },r,p)=-\delta (r^{\prime }-r)\\ c{G}_m^{\prime }(r^{\prime },r,p)+2K{D}_m\left(r^{\prime }\right)n·▿G_m^{\prime }(r^{\prime },r,p){|}_{r^{\prime }\in \partial \Omega }=0\\ G_m({\zeta }_d,r,p)=(\mathrm{cK}/2)G_m^{\prime }(r^{\prime },r,p){|}_{r^{\prime }={\zeta }_d}\end{array}\right.$其中r和r′为两个独立的空间矢量，μ_am和D_m为荧光波长下的吸收系数和扩散系数，为r处激励，r′处出射的光密度格林函数拉普拉斯变换值；⑤由荧光扩散方程$\left\{\begin{array}{c}[▿·D_m\left(r\right)▿-{\mu }_{\mathrm{am}}\left(r\right)c-p]{\Phi }_m(r,r_s,p)=-c{\Phi }_x(r,r_s,p)x(r,p)\\ x(r,p)=\eta {\mu }_{\mathrm{af}}\left(r\right)/[1+\mathrm{p\tau }\left(r\right)]\end{array}\right.$得出荧光扩散成像积分方程并进行空间离散化获得成像矩阵方程Γ_m(p)＝W(p)x(p)的模块，其中x(p)＝[x₁(p)，x₂(p)，…，x_N(p)]^T；Γ_m(p)＝[Γ_m(ζ₁，ξ₁，p)，Γ_m(ζ₂，ξ₁，p)，…，Γ_m(ζ_D，ξ_S，p)]^T；W(p)为SD×N维矩阵；N为离散后之体元数；⑥由任务②和⑤得Born比形式成像矩阵方程之模块，其中中元素的计算式为F^(Γ)(ζ_d，ξ_s，p)为模型计算值；⑦基于代数重建技术(Algebraic Reconstruction Technique，ART)的成像矩阵方程求解模块，即$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}\left(p\right)=x_k\left(p\right)+\lambda \frac{[{{\hat{\Gamma }}_m}^{(k+1)}\left(p\right)-W^{(k+1)}\left(p\right)x_k\left(p\right)]}{\left[W^{(k+1)}\left(p\right)\right]·{\left[W^{(k+1)}\left(p\right)\right]}^T}{\left[W^{(k+1)}\left(p\right)\right]}^T\\ k=\mathrm{0,1,2},...,(S\times D-1)\end{array}\right.$其中为的第k个元素；W^(k)(p)为W(p)的第k行；λ为迭代松弛因子；⑦将拉普拉斯变换因子p分别取p₁和p₂，利用上述ART方法的荧光产率ημ_af(r)和荧光寿命τ(r)成像计算模块，即$\left\{\begin{array}{c}\eta {\mu }_{\mathrm{af}}\left(r\right)=(p_1-p_2)x(r,p_1)x(r,p_2)/[p_{1}x(r,p_1)-p_{2}x(r,p_2)]\\ \tau \left(r\right)=-[x(r,p_1)-x(r,p_2)]/[p_{1}x(r,p_1)-p_{2}x(r,p_2)]\end{array}\right.$上述公式中r和r′为两个独立的空间矢量，ξ_s代表光源的位置，ζ_d为探测器的位置，Γ_x(ζ_d，ξ_s，t)为光源ξ_s激励，ζ_d点探测时激发光的检测光流量，Γ_m(ζ_d，ξ_s，t)为光源ξ_s激励，ζ_d点探测时出射光的检测光流量；Φ_x(r，ξ_s，p)为在外推边界条件下光源ξ_s激励，r位置处的激发光的光密度；Φ_x(ζ_d，ξ_s，p)为在外推边界条件下光源ξ_s激励，ζ_d位置处探测到的激发光的光密度；G_m(ζ_d，r，p)为r位置激励时ζ_d位置处探测到的出射光光流量的格林函数解；ημ_af(r)表示荧光产率；η为量子效率；μ_af(r)为荧光吸收系数；τ(r)为荧光寿命，δ(r，r_s)为r_s处的弥向点光源，Φ_x(r，r_s，p)为r_s处光源激励，r处激发光的光密度，Φ_m(r，r_s，p)为r_s处光源激励，r处荧光的光密度。