面向乳腺腫瘤診斷的時(shí)域擴(kuò)散熒光―光學(xué)混合層析成像方法研究.pdf

1、基于腫瘤與正常組織血紅蛋白含氧量差異的擴(kuò)散光學(xué)層析成像(diffuseopticaltomography,DOT),被稱為血氧─DOT(hemoglobin-DOT),是新興、具有研究前景的乳腺腫瘤檢測(cè)方式,能夠提供血紅蛋白濃度、脂肪和水含量等功能圖像,還能夠提供細(xì)胞核尺寸、組織體積分?jǐn)?shù)等形態(tài)學(xué)信息可以揭示腫瘤在病理和生理上的異常,有利于甄別良、惡性腫瘤,進(jìn)行病情分期,但是圖像分辨率低,量化精度差,妨礙了血氧─DOT在臨床中的應(yīng)用。采用

2、熒光染料進(jìn)行擴(kuò)散光學(xué)層析熒光造影成像,稱作熒光擴(kuò)散層析成像(fluorescencediffuseopticaltomography,FDOT)。FDOT繼承了DOT在探測(cè)深度和三維成像上的優(yōu)勢(shì),可以獲得功能信息和反映微環(huán)境情況的pO2、pH等參數(shù),成像靈敏度高,可以定位早期腫瘤。本文中將FDOT與血氧─DOT相結(jié)合,依靠FDOT對(duì)腫瘤的高靈敏度來(lái)可以提高早期乳腺腫瘤診斷的可靠性。
　　本研究的目標(biāo)是針對(duì)血氧─DOT和FDOT各自

3、的特點(diǎn),采用FDOT與血氧─DOT聯(lián)合成像,利用FDOT提供的先驗(yàn)信息引導(dǎo)血氧─DOT重建,改善血氧─DOT的量化度,提高血氧─DOT早期腫瘤診斷的可靠性。與其他多模態(tài)成像方式相比,FDOT聯(lián)合血氧─DOT的方案成本較低,對(duì)早期乳腺腫瘤的探測(cè)能力高。本研究涉及系統(tǒng)搭建和程序開(kāi)發(fā),提出了時(shí)域擴(kuò)散熒光─光學(xué)混合層析成像的早期乳腺腫瘤診斷方法。完成的具體工作包括:
　　(1)研制了一套基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的32通道時(shí)間分辨系統(tǒng),高重復(fù)

4、頻率皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器輸出780nm和830nm的激發(fā)光,采用基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)的方式并行測(cè)量獲得時(shí)間分辨數(shù)據(jù)。
　　(2)對(duì)多通道系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試校正,消除通道光學(xué)性能差異和時(shí)間原點(diǎn)漂移對(duì)圖像質(zhì)量的影響。采用分層掃描/全三維重建的測(cè)量方法和閾值優(yōu)化策略,提高了測(cè)量速度。
　　(3)提出了基于廣義脈沖譜技術(shù)的FDOT引導(dǎo)血氧─DOT的重建算法框架,對(duì)FDOT重建出的熒光產(chǎn)率圖像進(jìn)行分割,提取出“感興趣區(qū)域”,引導(dǎo)血氧─

5、DOT重建。
　　(4)通過(guò)一系列二維仿體實(shí)驗(yàn),測(cè)試了系統(tǒng)的線性響應(yīng)和靈敏度;通過(guò)三維仿體實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了FDOT和血氧─DOT的分層測(cè)量/全三維重建能力;通過(guò)FDOT引導(dǎo)的血氧─DOT實(shí)驗(yàn),證明了混合層析成像方案能改善血氧─DOT量化精度。
　　(5)進(jìn)行了三維雙波長(zhǎng)DOT臨床研究。對(duì)已診斷出腫瘤的患者進(jìn)行三維雙波長(zhǎng)DOT測(cè)量,在獲得了雙波長(zhǎng)光學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上,得到了血紅蛋白濃度變化和氧飽和等功能信息,證明了光學(xué)層析成像這種無(wú)創(chuàng)

6、的功能影像模式具有診斷早期乳腺腫瘤的能力。
　　由于現(xiàn)有的多模態(tài)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,檢測(cè)成本高,而且傳統(tǒng)的解剖成像方式不適宜為DOT提供先驗(yàn)信息。針對(duì)此研發(fā)了基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)測(cè)量模式的時(shí)域擴(kuò)散熒光―光學(xué)混合層析成像早期乳腺腫瘤診斷系統(tǒng),涉及硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。包括光源模塊,測(cè)量模塊,數(shù)據(jù)采集處理模塊和計(jì)算機(jī)控制模塊,實(shí)現(xiàn)了多通道并行測(cè)量的自動(dòng)化控制。
　　由于已有的乳腺光學(xué)層析成像用于早期乳腺腫瘤診斷靈敏度低