仿CT扫描模式时域扩散荧光层析成像方法与系统研究

摘要

扩散荧光层析成像技术（Diffuse Fluorescence tomography，DFT）作为最具前景的小动物成像手段之一，获得众多研究小组的青睐。其利用特定的荧光探针，通过重建目标体的荧光参数分布情况来实现细胞或分子水平上生物体内部生理、病理过程的在体跟踪和检测。在DFT的稳态、频域和时域三种测量模式中，时域测量模式可以提供最多的组织体信息，不仅可对目标体的荧光产率进行定量分析，还可通过对脉冲激励下产生荧光信号的解析获得荧光寿命信息，实现荧光产率和荧光寿命的同时重建，具有其他测量模式不可比拟的优势。
　　基于时间相关单光子计数(Time-Correlated Single Photon Counting Techniques，TCSPC)技术的时间分辨系统为时域测量的主要方法之一。TCSPC技术能够在记录低强度光信号时达到皮秒量级的时间分辨率，且具有极高的灵敏度和准确率，在时域测量系统中常与光电倍增管(photomultiplier，PMT)结合使用。在光学成像系统中，该时域测量系统通常采用光纤接触测量模式，这种光纤与成像腔直接接触的测量方式使得系统的空间采样率受到源光纤和探测光纤数量的限制，测量数据的不足直接导致了DFT重建过程中的不适定性加剧，影响重建图像的质量。
　　为了保证系统高灵敏度和高准确率的同时，实现空间采样密度的提升，本文发展了一套基于PMT-TCSPC检测技术的仿CT扫描模式时域扩散荧光层析成像系统，实现了集实验测量、结果显示、数据保存、时间原点校正为一体的系统自动化集成控制。
　　基于此全时间分辨系统，利用仿体实验验证了提高空间采样密度可提高系统成像灵敏度与空间分辨率，系统可分辨边边距为4mm的不同cy5.5荧光目标体，灵敏度约为1nM/L。此外，进行了小鼠在体荧光成像的初步研究，DFT与XCT图像对比结果表明，所采用的DFT成像方法能够实现小鼠体内荧光异质体的准确定位，验证了其在小动物模型在体检测方向上的有效性和可行性。
　　为了克服扩散近似光子输运模型的限制条件，发展了一种基于早期光子输运模型的DFT成像方法，本文利用所搭建的系统对此成像算法进行了初步验证。实验结果表明，此算法可比较准确的重建出目标体的形状和位置。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 扩散荧光层析成像技术基础

1．2．1 近红外光与生物组织体的相互作用

1．2．2 荧光产生机制

1．2．3 荧光参数

1．2．4 荧光探针

1．3 DFT技术研究现状

1．4 本文主要研究内容及结构安排

第二章 扩散荧光层析成像技术的测量方法

2．1 稳态测量模式

2．2 频域测量模式

2．3 时域测量模式

2．3．1 时域测量模式原理

2．3．2 时域测量系统检测技术

2．4 本章小结

第三章 时域扩散荧光层析成像系统硬件平台

3．1 系统总体设计介绍

3．2 TCSPC技术原理

3．3 系统工作方式及框图

3．4 系统组成模块

3．4．1 光源模块

3．4．2 测量模块

3．4．3 数据采集处理模块

3．5 本章小结

第四章 成像系统软件集成

4．1 软件需求分析

4．2 硬件仪器二次开发

4．2．1 TCSPC控制

4．2．2 滤光轮控制

4．2．3 成像腔三维移动控制

4．2．4 光开关控制

4．3 软件集成模块划分

4．3．1 单步测量和连续测量模块

4．3．2 时间原点标定模块

4．4 软件系统使用流程

4．5 本章小结

第五章 系统实验验证

5．1 实验仿体制作与荧光剂选择

5．2 荧光产率及荧光寿命重建实验

5．3 不同荧光浓度定量性实验

5．4 空间采样密度对成像质量影响

5．5 系统空间分辨率

5．6 灵敏度

5．7 小鼠实验

5．8 基于早期到达光的DFT成像方法

5．8．1 成像算法

5．8．2 实验验证

5．9 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢