用于重構混濁介質內部的熒光圖像的方法以及用于對混濁介質內部成像的設備的制作方法

專利名稱：用于重構混濁介質內部的熒光圖像的方法以及用于對混濁介質內部成像的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于重構混濁介質內部的熒光圖像的方法以及用于對混濁介質的內 部成像的設備。
背景技術：
在本申請的上下文中，術語混濁介質應當被理解為表示由具有高光散射系數的材 料(例如脂肪乳溶液或生物組織)組成的物質。此外，光應當被理解為表示電磁輻射，特別 是具有從ISOnm到1400nm的范圍內的波長的電磁輻射。術語“光學特性”覆蓋減小的散射 系數μ' s和吸收系數ya。此外，“匹配光學特性”應當被理解為具有類似的減小的散射 系數μ' s和類似的吸收系數μ a。用于對混濁介質的內部成像(例如用于乳腺癌篩查)的方法是通過使用光，特別 是使用近紅外(NIR)內的光成像，該方法近年來變得流行。這樣的方法在乳腺X光檢查設 備以及用于檢查人體或動物體的其他部分的設備中實現。用于借助于光對混濁介質內部成 像的這種方法的突出的實例是漫射光學層析術(DOT)。例如，用于對混濁介質內部成像的這 種DOT設備使用照射混濁介質的光源以及用于測量通過混濁介質傳輸的光的一部分(即其 強度)的光電檢測器。控制單元被提供以用于控制掃描過程。處理單元被提供以用于根據 測量的強度重構混濁介質內部的圖像。一些已知的設備特別適于檢查女性胸部。為了允許 檢查混濁介質，設備設有包含測量體并且被設置成接納混濁介質的接納部分。來自光源的 光耦合到接納體中并且耦合到混濁介質中。光被選擇成使得它能夠傳播通過混濁介質。為 了對女性胸部內部成像，典型地使用NIR(近紅外)內的光。作為將光耦合到接納體中的結 果從混濁介質發出的散射光耦合出接納體。耦合出接納體的光用來重構混濁介質內部的圖 像。由于要檢查的混濁介質的不同尺寸的原因，接納部分的尺寸可能不完美地與混濁介質 的尺寸匹配，即接納體的邊界與混濁介質之間留有空間。研究中的混濁介質的部分被填充 接納體中的空間的散射介質(耦合介質)包圍。該散射介質被選擇成使得散射介質的光學 參數(例如吸收和散射系數)類似于混濁介質的相應光學參數。光源隨后從不同的方向照 射混濁介質并且光電檢測器測量透射通過混濁介質的光的部分。利用從不同的方向定向到 混濁介質的光執行多個這樣的測量，并且基于這些測量結果(即獲得的數據集)，處理單元 重構被檢查的混濁介質的圖像。依照該方法的一個發展，執行光的衰減掃描，其中對于源位置和檢測位置的多個 組合檢測光的衰減。在這些測量中，使用了混濁介質的內在對比度，即由于諸如氧合血紅 蛋白、脫氧血紅蛋白、水和脂質之類的散射體和發色團的存在，不同波長的光按不同的量衰 減。根據這些衰減掃描，可以重構混濁介質的吸收圖像以及諸如血紅蛋白濃度之類的生理 參數的圖像。這種技術稱為漫射光學層析術(DOT)。依照該方法的另一發展，為了所述測量施用優先地積聚在所研究的混濁介質中的 病變(例如女性胸部中的癌組織)處的熒光對比劑。利用來自優選地為激光器的光源的光照射混濁介質，并且檢測混濁介質發射的熒光。根據該測量，重構胸部的熒光發射的體圖 像，即使用外源對比度。這樣，重構混濁介質中的對比劑的空間分布。這種方法稱為漫射光 學熒光層析術。已經開發了適于執行衰減測量和熒光測量兩者的設備。在這樣的設備中，對于特 定波長范圍內的多個波長執行衰減測量。衰減測量中獲得的數據允許重構對于所述多個波 長的混濁介質的吸收特性的空間分辨圖像。因此，可以根據衰減測量重構這些波長下光如 何傳播通過混濁介質。為了執行熒光測量，明確地激發熒光對比劑并且僅僅測量熒光對比 劑發射的光。這例如通過在測量體與檢測單元之間的光路上引入適當的濾光器來實現。然 而，熒光對比劑發射的光包括位于一定波長范圍內的波段，其可能與衰減測量探測的波長 不同。因此，對于熒光測量的相關波長而言，出現了不知道光如何與混濁介質相互作用的問 題。在申請人已知的一種方法中，使用了以下近似光與混濁介質的相互作用對于與 衰減測量相關的波長以及對于與熒光測量相關的波長范圍基本上相同。然而，該近似通常 不成立并且該近似的質量取決于例如不同的患者以及他們的組織的成分而不同。結果，用 于重構混濁介質內部的熒光圖像，即用于重構混濁介質中熒光對比度的空間分布的圖像的 當前的方法包含以下問題根據重構圖像不能令人滿意地確定混濁介質中不同位置處的熒 光對比劑的濃度。

發明內容
本發明的目的是提供一種用于重構混濁介質內部的熒光圖像的方法以及一種用 于對混濁介質內部成像的設備，利用其可以根據重構圖像更精確地確定混濁介質中不同位 置處的熒光對比劑的濃度。此外，這將快速而高效地實現，而無需附加的硬件。這個目的是通過依照權利要求1的用于重構混濁介質內部的熒光圖像的方法來 獲得的。該方法包括步驟在測量體中容納向其施用了熒光對比劑的混濁介質。熒光對比 劑能夠在用光照射時發射第一波長范圍內的光。該方法還包括通過隨后利用來自多個不 同源位置的光照射混濁介質并且對于每個源位置在多個檢測位置檢測從混濁介質發出的 光，在多個不同的波長下執行衰減測量。該方法還包括根據衰減測量，對于所述多個不同 的波長重構作為混濁介質內部的位置的函數的吸收特性；對于第一波長范圍的波長計算作 為混濁介質內部的位置的函數的吸收特性；通過隨后利用來自所述多個源位置的使得熒光 對比劑發射第一波長范圍內的光的光照射混濁介質并且對于每個源位置在所述多個檢測 位置檢測從熒光對比劑發出的光，執行熒光測量；以及根據熒光測量使用計算的吸收特性 重構混濁介質內部熒光對比劑的空間分布的熒光圖像。結果，更正確地估計具有第一波長 范圍的波長的光與混濁介質的相互作用，并且可以以更高的精確度重構混濁介質內對比劑 的濃度和空間分布。此外，對于離散的波長執行的衰減測量可以用來實現該更高的精確度， 從而無需附加的硬件。“作為位置的函數的吸收特性”表示吸收特性依賴于混濁介質中的位 置而確定。(數學意義上的)函數依賴性不一定必須確立。計算的吸收特性用作重構熒光 圖像的步驟中的輸入信息。優選地，在重構吸收特性的步驟中，計算吸收系數。在這種情況下，已知的吸收系 數波長依賴性可以用來實現對于第一波長范圍的波長的有利計算。
依照一個方面，通過將混濁介質看作多種物質的線性組合并且在所述多個不同的 波長下根據衰減測量確定所述多種物質的局部濃度而計算吸收系數。在這種情況下，可以 以令人滿意的精確度計算關于第一波長范圍的波長的吸收特性，從而可以在重構的熒光圖 像中更正確地可視化熒光對比劑的濃度。如果使用所述多種物質的已知光譜行為計算對于第一波長范圍的波長的吸收特 性，那么可以以令人滿意的精確度計算關于第一范圍的波長的吸收特性。結果，重構的熒光 圖像提供了有關不同位置處熒光對比劑的濃度的可靠信息。因此，可以提供允許將惡性病 變與其他異常區分的熒光圖像。如果所述多種物質包括熒光對比劑，那么即使熒光對比劑的濃度為高，也可以根 據熒光測量重構提供有關熒光對比劑濃度的令人滿意的信息的熒光圖像。優選地，將重構的熒光圖像作為輸入反饋到重構作為混濁介質內部的位置的函數 的吸收特性的步驟，并且迭代地重復外插吸收特性并且重構熒光圖像的步驟。在這種情況 下，即使混濁介質中出現具有高濃度的位置，也可以以提高的精確度確定熒光對比劑的濃 度。所述目的進一步通過依照權利要求7的用于對混濁介質內部成像的設備來獲得。 該設備包括測量體，其適于容納向其施用熒光對比劑的混濁介質，所述熒光對比劑在照射 時能夠發射第一波長范圍的光；光源單元，其適于隨后利用來自多個不同源位置的光照射 測量體；光源單元能夠有選擇地發射多個不同波長的光；以及檢測單元，其適于在多個不 同檢測位置檢測從測量體發出的光。該設備還包括控制和重構單元，該控制和重構單元適 于控制設備以通過隨后利用來自多個不同源位置的光照射測量體在多個不同的波長下執 行衰減測量并且對于每個源位置在多個檢測位置處檢測從測量體發出的光；通過隨后利用 來自所述多個源位置的使得熒光對比劑發射第一波長范圍內的光的光照射測量體并且對 于每個源位置在所述多個檢測位置檢測從熒光對比劑發出的光，執行熒光測量；根據衰減 測量對于所述多個不同的波長重構作為測量體內的位置的函數的吸收特性；對于第一波長 范圍的波長計算作為測量體內的位置的函數的吸收特性；以及根據熒光測量使用計算的吸 收特性重構測量體內熒光對比劑的空間分布的熒光圖像。結果，更正確地估計具有第一波 長范圍的波長的光與混濁介質的相互作用，并且可以以更高的精確度重構混濁介質內對比 劑的濃度和空間分布。此外，對于若干離散的波長執行的衰減測量可以用來實現該更高的 精確度，從而無需附加的硬件。如果在設備中提供可在測量體與檢測單元之間的光路上引 入的濾光器以用于熒光測量，那么可以以有限數量的硬件實現重構。優選地，所述設備是醫療圖像采集設備。


根據參照附圖對于實施例的詳細描述將得到本發明的另外的特征和優點。圖1示意性地示出了用于對混濁介質內部成像的設備的測量體。圖2示意性地示出了圖1設備中的測量體、光源單元和檢測單元的設置。
具體實施例方式第一實施例
現在將參照圖1和圖2描述本發明的實施例。依照該實施例的用于對混濁介質內 部成像的設備是用于漫射光學層析術(DOT)的設備。特別地，該設備適于檢查女性胸部。 這種設備的整體構造在本領域中是已知的。該設備包括受檢查的個人以臥姿躺在其上的床 (未示出)。床內形成開口，測量體4在其下延伸。圖1中示出了測量體4。在圖1所示的設備中，要檢查的混濁介質1是女性胸部。測量體4以適于接納混 濁介質1的接納部分2為界，如圖1中示意性所示。接納部分2具有杯狀形狀并且設有開 口 3。由圖1可見，要檢查的混濁介質1置于測量體4中，使得它從開口 3的側面自由地懸 在測量體4中。接納部分2用來放置和穩定被檢查的混濁介質1。接納部分2面向混濁介質3的內表面設有多個由光學引導纖維形成的如圖2中示 意性所示連接到光源單元6和檢測單元7的光導5的末端。光源單元6包括至少一個能夠 有選擇地發射多個不同波長的光的光源。優選地，光源單元6包括多個激光器，每個激光器 發射單色的但是不同波長的光。在這種情況下，光源單元6適于使得一次來自這些光源之 一的光可以有選擇地耦合到測量體中。光導5的末端分布在接納部分2的內表面上。所述 設備適于使得來自光源單元6的光可以從多個不同方向(源位置)定向到混濁介質1，并 且從混濁介質1發出的光可以在圍繞測量體4分布的多個不同檢測位置處由檢測單元7檢 測。在該實施例中，檢測單元7由多個檢測器實現，其相應光導5分布在接納部分2的內表 面上。接納部分2內表面處光導5的末端形成多個源位置和多個檢測位置。在該實施例中， 源位置的總數等于檢測位置的總數；然而，本發明并不限于相等的數量。例如，在依照該實 施例的設備中，在接納部分2的內表面上提供了 256個不同的源位置，并且提供了 256個檢 測位置，即光導5的各末端。來自光源的光隨后從這256個源位置定向到混濁介質1，并且 對于每個源位置在所述256個檢測位置處檢測從混濁介質1發出的光。然而，本發明并不 限于這些特定的數量。如圖2中示意性所示，所述設備包括控制和處理單元8，其用于控制圖像的采集并 且重構混濁介質1內部的圖像。控制和處理單元8基于來自檢測單元7的信號重構混濁介 質1內部的圖像。為了進行重構，使用了掃描期間采樣的信號，其中光從不同的方向定向到 混濁介質1。為了簡單起見，不再描述用于對混濁介質內部成像的設備的這些在本領域中已 知的元件。接納部分2還被結構化成使得接納部分2的內表面與混濁介質1之間留有空間。 為了進行檢查，該空間填充有光學匹配的介質。該光學匹配的介質被選擇成在要成像的混 濁介質1與分布在內表面上的源和檢測位置之間提供適當的光學耦合。為此目的，向該光 學匹配的介質設有與要檢查的混濁介質1的光學特性相似的光學特性。現在，將描述依照該實施例的設備的操作。該設備特別地適于其中檢查向其施 用對比劑的混濁介質1的方法。對比劑是能夠在用適當的光照射時發射第一波長范圍的 (熒光)光的熒光對比劑。例如，用于光學熒光層析術的典型的熒光染料發射包括大約 700-950nm的光譜的波段內的光。向其施用了對比劑的混濁介質1放置在測量體4中。然后，執行衰減測量，其中來自光源單元6的光隨后從所述多個源位置定向到混 濁介質。在衰減測量中，當測量衰減測量數據，即入射光的衰減時，在所述多個檢測位置對 于每個源位置檢測用于照射的光的衰減。因此，在衰減測量中，使用混濁介質1的內在對比 度。對于來自光源單元6的光的多個不同的波長X1.....Xk測量用于照射的光的衰減。依照該實施例，這是由光源單元6中的若干不同光源完成的，這些光源發射不同波長X1.....
Ak的光。通常，這些離散波長位于與熒光對比劑的熒光光譜的第一波長范圍不同的第二波 長范圍內。更特別地，在許多情況下，第二波長范圍包含更短的波長。優選地，這些光源由 發射諸如690nm和730nm之類的不同波長的單色光的激光器形成。
根據這些衰減測量，可以使用本領域中已知的重構方法重構混濁介質1的吸收特
性的三維圖像。由于對于不同的波長X1.....λ &執行衰減測量，因而測量對混濁介質1的
不同成分敏感。因此，可以以空間分辨的方式重構混濁介質1的不同成分的濃度。這通過 (數學上)將混濁介質1建模成多種物質的線性組合來完成，其被證明是一種相當良好的近
似。換言之，認為吸收系數μ a具有以下結構h(V):^>〔h(y)，為成分i的濃
度，為成分i的(依賴于波長的)摩爾吸收系數，r為混濁介質內的位置，并且對 所有考慮的成分i執行求和。基于來自衰減測量的數據，對于混濁介質1內的每個位置重 構所述多種成分的局部組合。這通過利用以下方程來完成
Φ,/ r ‘ X ] ‘ Gx{s,d)其中Φχ為波長λ χ處的測量的強度，Oref為參考測量中測量的強度，i定義混濁 介質的成分(例如氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白、脂質、水等等)，ε為對于這些成分中的 每一種的光譜消光，Ci為成分i的對應濃度，s定義源位置，d定義檢測位置，r定義混濁介 質中的相應位置并且^定義波長λ、處的格林函數。可以依照該方法為其確定局部濃度的成分包括血液、Hb(氧合血紅蛋白或脫氧血 紅蛋白)、水、脂質等等。上面提到的波長特別地非常適合這個方面。因此，根據對于若干離 散波長的衰減測量確定混濁介質1在第二波長范圍內的吸收特性。現在，依照本發明，基于重構的關于成分的局部濃度的信息，外插混濁介質1在第 一波長范圍內的吸收特性。這通過以下方式完成如上面描述的，若干成分的局部濃度根據 衰減測量獲悉。此外，例如根據檢查這樣的成分的單獨的測量等等獲悉這些成分在第一波 長范圍內的光譜行為(其與下面描述的熒光測量有關)。因此，基于成分的局部濃度以及這 些成分在第一波長范圍內的吸收特性的知識，計算混濁介質1在第一波長范圍內的吸收特 性。換言之，對于第一波長范圍的波長λ并且對于混濁介質的每個體元(體像素)計算吸 收系數μ“λ，r)。結果，根據對于若干離散波長的衰減測量計算對于第一波長范圍的混濁 介質1的吸收特性的空間分辨圖像。因此，在無需第一波長范圍內的附加衰減測量的情況 下獲得該信息，所述附加衰減測量將需要附加的硬件和附加的測量時間。此外，依照該實施例，執行熒光測量，其中隨后利用來自所述多個源位置的光照射 混濁介質1。該熒光測量中使用的光被選擇成使得熒光對比劑(由優先地地積聚在混濁介 質1中的病變處的熒光染料形成)受該光刺激以發射包含第一波長范圍內的波長的熒光。 對于所述多個源位置中的每一個，在所述多個檢測位置處檢測對比劑發射的熒光，作為熒 光測量數據。熒光的檢測通過在測量體4與檢測單元7之間的光路上的適當濾光來執行。基于熒光測量數據，控制和處理單元8重構混濁介質1中分布的對比劑的熒光發 射的體圖像。依照該實施例，為了重構熒光發射的體圖像，將對于第一波長范圍的計算的吸 收特性用作重構問題的輸入。換言之，通過考慮計算的吸收特性計算對于第一波長范圍的格林函數。依照該實施例，通過使用結合第一波長范圍處的外插吸收的齊次格林函數的波 恩熒光重構來執行熒光圖像的重構。可以對于熒光波段的典型熒光波長Xf(例如熒光對 比劑的發射率具有其最大值的波長)或者對于若干選擇的熒光波長合并外插吸收以便將 整個熒光光譜考慮在內。例如，以下方程用于計算熒光對比劑的濃度Cdye 老卞λ,)ε一爲)J θ二二力；其中為熒光的檢測的強度，Y (Af)為量子產額(每吸收光子的發射熒光光子 的百分比)，ε systeffl為依賴于波長的檢測靈敏度(例如在校準測量中確定)，并且Gf為相應 熒光波長Xf處的格林函數，總和在多個熒光波長上求取。與其中第一波長范圍內的吸收的光譜行為不被考慮或者僅被估計為與衰減測量 的波長的相似的熒光圖像重構相比，重構的熒光圖像包括關于熒光對比劑濃度的更高的精 確度。因此，提高了關于有關混濁介質內不同位置處熒光對比劑濃度的信息的圖像質量。結 果，與先前不考慮諸如混濁介質內發色團(血紅蛋白、氧合血紅蛋白、水、脂質等等)的濃度 之類的因素的熒光重構相比，實現了改善的熒光圖像。第二實施例下面將描述第二實施例。第二實施例基本上與上面描述的第一實施例相對應，并 且不同之處僅在于，將熒光對比劑看作所述成分之一，其濃度根據第二波長范圍內的衰減 測量來確定。因此，依照第二實施例，考慮了熒光對比劑對于熒光的自吸收。這特別在高濃 度熒光對比劑的情況下導致改善的熒光圖像。依照第二實施例，熒光對比劑的濃度Cf (r)及其吸收系數μ af包含在方程
權利要求
用于重構混濁介質內部的熒光圖像的方法，該方法包括步驟 在測量體(4)中容納向其施用了熒光對比劑的混濁介質(1)，熒光對比劑能夠在用光照射時發射第一波長范圍內的光； 通過隨后利用來自多個不同源位置的光照射混濁介質(1)并且對于每個源位置在多個檢測位置檢測從混濁介質(1)發出的光，在多個不同的波長(λ1，...，λk)下執行衰減測量； 根據衰減測量，對于所述多個不同的波長重構作為混濁介質(1)內部的位置的函數的吸收特性(μa(r，λ))； 對于第一波長范圍的波長計算作為混濁介質(1)內部的位置的函數的吸收特性； 通過隨后利用來自所述多個源位置的使得熒光對比劑發射第一波長范圍內的光的光照射混濁介質(1)并且對于每個源位置在所述多個檢測位置檢測從熒光對比劑發出的光，執行熒光測量； 根據熒光測量使用計算的吸收特性重構混濁介質(1)內部熒光對比劑的空間分布的熒光圖像。
2.依照權利要求1的方法，其中在重構吸收特性的步驟中，計算吸收系數(ya(r， λ))。
3.依照權利要求2的方法，其中通過將混濁介質(1)看作多種物質(i)的線性組合并 且在所述多個不同的波長(λ” ...，Ak)下根據衰減測量確定所述多種物質的局部濃度 (Ci),來計算吸收系數(Ua(r, λ))0
4.依照權利要求3的方法，其中使用所述多種物質(i)的已知光譜行為計算對于第一 波長范圍的波長的吸收特性(ya(r，λ))。
5.依照權利要求3或4中任何一項的方法，其中所述多種物質(i)包括熒光對比劑。
6.依照權利要求5的方法，其中將重構的熒光圖像作為輸入反饋到重構作為混濁介質 內部的位置的函數的吸收特性(ya(r，λ))的步驟，并且迭代地重復計算吸收特性和重構 熒光圖像的步驟。
7.用于對混濁介質內部成像的設備；該設備包括_測量體(4)，其適于容納向其施用了熒光對比劑的混濁介質(1)，所述熒光對比劑在 照射時能夠發射第一波長范圍的光；-光源單元(6)，其適于隨后利用來自多個不同源位置的光照射測量體(4)；光源單元 能夠有選擇地發射多個不同波長(λ ” . . .，λ k)的光；-檢測單元(7)，其適于在多個不同檢測位置檢測從測量體(4)發出的光；以及 -控制和重構單元(8)，其適于控制所述設備以-通過隨后利用來自多個不同源位置的光照射測量體(4)在多個不同的波長下執行衰 減測量，并且對于每個源位置在多個檢測位置處檢測從測量體(4)發出的光；-通過隨后利用來自所述多個源位置的使得熒光對比劑發射第一波長范圍內的光的光 照射測量體(4)并且對于每個源位置在所述多個檢測位置檢測從熒光對比劑發出的光，執 行熒光測量；_根據衰減測量對于所述多個不同的波長重構作為測量體(4)內的位置的函數的吸收 特性(ya(r，λ))；_對于第一波長范圍的波長計算作為測量體(4)內的位置的函數的吸收特性； -根據熒光測量使用計算的吸收特性重構測量體(4)內熒光對比劑的空間分布的熒光 圖像。
8.依照權利要求7的設備，其中在該設備中提供可在測量體(4)與檢測單元(7)之間 的光路上弓I入的濾光器以用于熒光測量。
9.依照權利要求7或8中任何一項的設備，其中該設備是醫療圖像采集設備。
全文摘要
提供了一種用于重構混濁介質內部的熒光圖像的方法。該方法包括步驟在測量體(4)中容納向其施用了熒光對比劑的混濁介質(1)。熒光對比劑能夠在用光照射時發射第一波長范圍內的光。該方法還包括通過隨后利用來自多個不同源位置的光照射混濁介質(1)并且對于每個源位置在多個檢測位置檢測從混濁介質(1)發出的光，在多個不同的波長(λ1，...，λk)下執行衰減測量；根據衰減測量對于所述多個不同的波長重構作為混濁介質(1)內部的位置的函數的吸收特性(μa(r，λ))；對于第一波長范圍的波長計算作為混濁介質(1)內部的位置的函數的吸收特性；通過隨后利用來自所述多個源位置的使得熒光對比劑發射第一波長范圍內的光的光照射混濁介質(1)并且對于每個源位置在所述多個檢測位置檢測從熒光對比劑發出的光，執行熒光測量；以及根據熒光測量使用計算的吸收特性重構混濁介質(1)內部熒光對比劑的空間分布的熒光圖像。
文檔編號G01N21/49GK101980656SQ200980111054
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月20日 優先權日2008年3月27日
發明者A·齊格勒, R·齊格勒, T·尼爾森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司