倪英杰 ， 趙建民， 朱信忠，， 張 倩， 安 羽， 徐 含

(1.浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004；2.西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710071；3.北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044)

0 引 言

分子影像技術(shù)是對活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行分子細(xì)胞水平的定性定量研究[1].光學(xué)分子影像是分子影像的重要組成部分，是基于光傳輸?shù)某上穹绞?激發(fā)熒光斷層成像屬于光學(xué)分子影像，它是一種三維成像技術(shù)，通過獲取的生物表面的熒光信號(hào)分布并利用光子傳播的理論模型，可以對體內(nèi)的熒光進(jìn)行精確定位，并能重建出熒光強(qiáng)度分布[2-3].激發(fā)熒光斷層成像近年來發(fā)展迅速，與其他傳統(tǒng)活體成像技術(shù)比較，具有特異性好、靈敏度高、無放射性污染、結(jié)果直觀、成像快速及成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此,被視為一種較為理想的小動(dòng)物活體成像手段，并在生命科學(xué)等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用[4-6].

不管在發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，癌癥一直是導(dǎo)致人類死亡的主要疾病之一.隨著醫(yī)學(xué)研究的不斷發(fā)展，人們對癌癥的了解越來越深入，很多不同類型的腫瘤通過早期的檢測和及時(shí)的治療都能夠治愈，且研究發(fā)現(xiàn)原發(fā)腫瘤灶常常不止一處.因此,利用激發(fā)熒光斷層成像早期診斷和定位多腫瘤具有重大意義.但是,傳統(tǒng)激發(fā)熒光斷層成像往往較多應(yīng)用于數(shù)值模擬或活體單腫瘤，多腫瘤的重建得不到實(shí)現(xiàn).

因此，筆者建立了小鼠在體雙腫瘤模型，并搭建了FMT/micro-CT成像系統(tǒng)，獲取了小鼠的腫瘤熒光信息及CT三維數(shù)據(jù),最后利用一種基于有限元迭代收縮重建方法成功重建出小鼠的雙腫瘤位置.相對于傳統(tǒng)的單光源重建，本文實(shí)現(xiàn)了在體雙腫瘤的重建，證明了激發(fā)熒光斷層成像在多腫瘤重建方面的可行性，拓寬了激發(fā)熒光斷層成像的應(yīng)用范圍.

圖1 FMT/micro-CT成像系統(tǒng)

1 方 法

1.1 系統(tǒng)介紹

雙腫瘤小鼠實(shí)驗(yàn)是基于FMT/micro-CT雙模態(tài)系統(tǒng)完成的，系統(tǒng)如圖1所示.圖1中,1～8分別為半導(dǎo)體激光器、CCD探測器、X-ray射線源、X-ray平板探測器、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、成像對象、光學(xué)鏡頭及發(fā)射濾光片.Micro-CT采集系統(tǒng)和激發(fā)熒光采集系統(tǒng)呈90°角垂直放置，其中電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)為公用部分，并且是重合的交點(diǎn)，這樣就構(gòu)成了FMT/micro-CT的雙模態(tài)系統(tǒng).將二維熒光信號(hào)映射到基于Micro-CT劃分的網(wǎng)格上，便建立起重建網(wǎng)格.

Micro-CT系統(tǒng)中包含了X-ray射線源、X-ray平板探測器、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，負(fù)責(zé)獲取生物體的解剖結(jié)構(gòu)信息.其中X-ray射線源選用的是牛津儀器公司(Oxford Instruments, USA)的UltraBright型號(hào)，其采用金屬鎢作為陽極材料，焦斑范圍為13～14 μm，電壓變化范圍是20～90 kV，最大輸出功率為80 W，最大輸出電流為2 mA.X-ray探測器選用的是日本濱松(Hamamatsu)公司的CMOS平板探測器，像素大小為50×50，有效像素尺寸為2 240×2 344.系統(tǒng)中采用NI(National Instruments)公司的采集卡完成X-ray平板探測器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.CT數(shù)據(jù)三維重建采用了基于GPU硬件加速的快速錐束重建算法.

光學(xué)采集系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器、CCD探測器、鏡頭和濾光片，主要負(fù)責(zé)采集生物體表面逸出的發(fā)射熒光信號(hào).其中光學(xué)探測器是一個(gè)科學(xué)級(jí)的CCD相機(jī)(美國普林斯頓儀器公司(Princeton Instruments) VersArray 1300 B)，成像時(shí)芯片的制冷溫度為-110 ℃，這是因?yàn)橹评銫CD在450～700 nm波長范圍內(nèi)具有很高的量子轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)CCD芯片溫度降到-60 ℃時(shí)，暗電流可以忽略不計(jì)，因而具有很高的信噪比，從而獲得最佳的圖像質(zhì)量.發(fā)射濾光片，半峰全寬為10 nm的帶通濾光片，它的光學(xué)密度值(Optical Density)大于5，有良好的截止性能.激發(fā)光源為一個(gè)半導(dǎo)體激光器，中心波長為671 nm，激發(fā)時(shí)輸出功率為22 mW，光斑直徑為1 mm(用來模擬點(diǎn)狀激發(fā)光源).此外，激光器的帶寬小于0.1 nm，功率穩(wěn)定性比較好.電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)附帶有一個(gè)控制驅(qū)動(dòng)電路，主要功能是在采取數(shù)據(jù)時(shí)，確保實(shí)驗(yàn)對象在原位不動(dòng)的情況下，能夠360°采集熒光信息和結(jié)構(gòu)信息，便于后期的重建.

1.2 雙腫瘤小鼠建模

筆者建模使用的細(xì)胞是帶有GFP(Green Fluorescent Protein)熒光標(biāo)記的乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231，由協(xié)和醫(yī)院提供，將細(xì)胞放入5%二氧化碳和恒溫37 ℃的環(huán)境中培養(yǎng).當(dāng)培育的細(xì)胞數(shù)量足夠多時(shí)，將6×106數(shù)量級(jí)的細(xì)胞分別注入小鼠的肝臟和左下肢皮下，5只雌性裸鼠(5～6周，北京大學(xué)動(dòng)物中心)完成建模，并在建模完成4周后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn).

1.3 基于迭代收縮的重建算法

對于激發(fā)熒光成像而言，在原理上包含2個(gè)相關(guān)聯(lián)的過程，即激發(fā)過程和發(fā)射過程.激發(fā)過程是指利用單色或窄帶外源激發(fā)光照射成像物體的某些特定點(diǎn)或區(qū)域，這部分光通過成像物體表面進(jìn)入到內(nèi)部，并在物體內(nèi)部形成一定的光強(qiáng)分布.發(fā)射過程是指成像物體內(nèi)部的熒光團(tuán)吸收了一定的激發(fā)光光能，并將吸收的能量部分地轉(zhuǎn)化為光子釋放出去，釋放出去的這部分光叫做發(fā)射光(Emission Light)，激發(fā)過程和發(fā)射過程可以用如下2個(gè)相耦合的擴(kuò)散方程來描述[7-8]：

(1)

式(1)中:r∈Ω;Ω代表成像物體所占據(jù)的三維空間;下標(biāo)x和m分別表示激發(fā)光和發(fā)射光;Φx,m代表光子密度;μax,am為光學(xué)吸收系數(shù);Dx,m=1/3[μax,am+(1-g)μax,am]為擴(kuò)散系數(shù).對于激發(fā)過程中外源光的選擇并不唯一，在本文的所有實(shí)驗(yàn)中，筆者均采用或假設(shè)采用單色穩(wěn)態(tài)激光器產(chǎn)生的點(diǎn)狀激光作為激發(fā)光源.式(1)中:Θδ(r-rl)表示點(diǎn)狀激發(fā)光源;Θ表示光源的強(qiáng)度;ημaf(r)即是所要求解的未知熒光光源分布.

要解出式(1)比較困難，而研究發(fā)現(xiàn)早期階段的腫瘤區(qū)域具有稀疏性，這就意味著熒光團(tuán)也具有稀疏性，相關(guān)研究者已經(jīng)證明通過加入L1范數(shù)能夠得到良好的稀疏結(jié)果，且加入范數(shù)后的式子更容易獲得最優(yōu)值.而本文引用的重建方法是一種迭代收縮重建算法，這種方法的可行性已被驗(yàn)證過，并在國際期刊上發(fā)表[9].這種方法的目標(biāo)是將L1范數(shù)約束推廣到更一般的Lp范數(shù)(1≤p<2)，使得重建方法的適用范圍更廣，然后運(yùn)用迭代收縮的方法求解最優(yōu)結(jié)果.下面給出加入了一般的Lp正則化約束的FMT重建問題的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

(2)

(3)

2 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)采集流程

1)小鼠腹腔注射150μL烏拉坦;

2)將小鼠放在鼠架上，并將鼠架固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上;

3)采集光學(xué)圖像，用激光器透射激發(fā)小鼠，小鼠內(nèi)部的GFP熒光染料受到激發(fā)后產(chǎn)生發(fā)射熒光信號(hào)，經(jīng)體內(nèi)生物組織后由表面穿出，并通過特定的帶通濾光片最終被CCD探測器捕捉.連續(xù)采集360°，每幅圖旋轉(zhuǎn)22.5°，共采集16幅熒光圖像，每幅圖像的曝光時(shí)間為0.5s，讀出模式為2×2binning;

4)小鼠尾靜脈注射造影劑碘海醇(1mL/kg)，15min后進(jìn)行Micro-CT掃描.下面需要將采集的光學(xué)圖像和CT數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并最終用于光源重建.

2.2 CT數(shù)據(jù)分割和網(wǎng)格剖分

小鼠的解剖結(jié)構(gòu)信息通過對CT數(shù)據(jù)進(jìn)行分割得到.實(shí)驗(yàn)中，CT采集的只是各個(gè)方向上的投影數(shù)據(jù)，而組織分割需要的是重建后的三維數(shù)據(jù).因此,在分割之前，需要先進(jìn)行CT投影數(shù)據(jù)的三維重建及幾何校正等工作.

CT三維數(shù)據(jù)重建是通過3DMed實(shí)現(xiàn)的，3DMed是基于普通微機(jī)的三維醫(yī)學(xué)影像處理與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、二維讀片、距離測量、三維可視化等功能.這些工具在仿真、工程、規(guī)劃以及教學(xué)中的有限元網(wǎng)格方面有著廣泛用途.CT三維數(shù)據(jù)重建結(jié)果如圖2～圖4所示.

圖2 x-y軸CT重建圖 圖3 y-z軸CT重建圖 圖4 x-z軸CT重建圖

重建后的CT三維數(shù)據(jù)是RAW格式(一種未經(jīng)處理的圖像格式)的數(shù)據(jù)，它其實(shí)是通過很多張二維的切片疊在一起描述所掃描區(qū)域的三維結(jié)構(gòu).其中的尺寸規(guī)格其實(shí)就是指x,y,z方向上的切片數(shù)量.在圖2～圖4中，小鼠CT三維數(shù)據(jù)在3個(gè)方向上的切片數(shù)量分別是512,512,200.

小鼠的CT三維數(shù)據(jù)重建后，需要對各個(gè)器官進(jìn)行分割，這里需要分割的器官有5種:肌肉、肺、心臟、肝臟及腎,各個(gè)器官的光學(xué)特性參數(shù)依照參考文獻(xiàn)[10]計(jì)算.圖5～圖6為小鼠CT數(shù)據(jù)分割前后的效果圖.

圖5 分割前的CT數(shù)據(jù)圖 圖6 分割后的CT數(shù)據(jù)圖

2.3 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

配準(zhǔn)的過程實(shí)際上就是將CCD上的二維熒光數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到micro-CT的三維體數(shù)據(jù)上.因此，首先將小鼠激發(fā)熒光圖像與白光圖像疊加，這里選取2個(gè)角度如圖7～圖8.之后采用最近點(diǎn)原理，對2個(gè)網(wǎng)格中表面上距離最近的點(diǎn)做匹配，從而得到重建所用網(wǎng)格表面上所用點(diǎn)的能量密度值.配準(zhǔn)前后對比結(jié)果如圖9～圖10所示.

圖7 0°疊加效果圖 圖8 90°疊加效果圖

圖9 配準(zhǔn)前的結(jié)果圖 圖10 配準(zhǔn)后的結(jié)果圖

2.4 重建結(jié)果及對比

由于小鼠的骨骼三維幾何機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，因而,在重建中將小鼠頭部和尾部去掉，只選用軀干中間光子出射能量較大的區(qū)域用于重建，并且實(shí)際上去掉的部分并不是腫瘤所在區(qū)域，去掉后進(jìn)行重建有利于節(jié)省資源，提高重建效率.最終重建結(jié)果如圖11所示.從圖11中可以清楚地看出小鼠肝臟和左下肢兩處光源被成功重建.為證明本重建結(jié)果的優(yōu)勢，將傳統(tǒng)單光源重建結(jié)果與之相比較，圖12所示為小鼠腹腔植入光源的重建結(jié)果[11].相對于傳統(tǒng)的單光源重建，本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在體雙腫瘤的重建，在實(shí)用性方面更具說服力，更重要的是它證明了激發(fā)熒光斷層成像在多腫瘤重建方面的可行性，拓寬了激發(fā)熒光斷層成像的應(yīng)用范圍.

圖11 雙腫瘤重建結(jié)果 圖12 傳統(tǒng)單腫瘤重建效果

3 總 結(jié)

本文將帶有GFP熒光標(biāo)記的細(xì)胞注入小鼠體內(nèi)，建立雙腫瘤小鼠模型，利用FMT/Micro-CT系統(tǒng)獲取小鼠腫瘤熒光信息和結(jié)構(gòu)信息，通過分割、配準(zhǔn)一系列數(shù)據(jù)處理過程，最后獲得了雙腫瘤的重建結(jié)果圖;并將傳統(tǒng)單光源重建結(jié)果與之比較，證明了激發(fā)熒光斷層成像在多腫瘤重建方面的可行性，拓寬了激發(fā)熒光斷層成像的應(yīng)用范圍.但本實(shí)驗(yàn)尚存在很多不足的地方，F(xiàn)MT的主要功能是獲得光源的三維信息，本實(shí)驗(yàn)中為獲得較好的熒光效果，光源的深度沒有得到很好的保障，這是需要改進(jìn)的地方;另外，本論文中的雙光源重建過程是單個(gè)分開進(jìn)行的，效率比較低.因此,在以后的研究中將在重建速度方面作進(jìn)一步的改善.

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