专利名称：用于重构混浊介质内部的荧光图像的方法以及用于对混浊介质内部成像的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于重构混浊介质内部的荧光图像的方法以及用于对混浊介质的内 部成像的设备。
背景技术：
在本申请的上下文中，术语混浊介质应当被理解为表示由具有高光散射系数的材 料(例如脂肪乳溶液或生物组织)组成的物质。此外，光应当被理解为表示电磁辐射，特别 是具有从ISOnm到1400nm的范围内的波长的电磁辐射。术语“光学特性”覆盖减小的散射 系数μ' s和吸收系数ya。此外，“匹配光学特性”应当被理解为具有类似的减小的散射 系数μ' s和类似的吸收系数μ a。用于对混浊介质的内部成像(例如用于乳腺癌筛查)的方法是通过使用光，特别 是使用近红外(NIR)内的光成像，该方法近年来变得流行。这样的方法在乳腺X光检查设 备以及用于检查人体或动物体的其他部分的设备中实现。用于借助于光对混浊介质内部成 像的这种方法的突出的实例是漫射光学层析术(DOT)。例如，用于对混浊介质内部成像的这 种DOT设备使用照射混浊介质的光源以及用于测量通过混浊介质传输的光的一部分(即其 强度)的光电检测器。控制单元被提供以用于控制扫描过程。处理单元被提供以用于根据 测量的强度重构混浊介质内部的图像。一些已知的设备特别适于检查女性胸部。为了允许 检查混浊介质，设备设有包含测量体并且被设置成接纳混浊介质的接纳部分。来自光源的 光耦合到接纳体中并且耦合到混浊介质中。光被选择成使得它能够传播通过混浊介质。为 了对女性胸部内部成像，典型地使用NIR(近红外)内的光。作为将光耦合到接纳体中的结 果从混浊介质发出的散射光耦合出接纳体。耦合出接纳体的光用来重构混浊介质内部的图 像。由于要检查的混浊介质的不同尺寸的原因，接纳部分的尺寸可能不完美地与混浊介质 的尺寸匹配，即接纳体的边界与混浊介质之间留有空间。研究中的混浊介质的部分被填充 接纳体中的空间的散射介质(耦合介质)包围。该散射介质被选择成使得散射介质的光学 参数(例如吸收和散射系数)类似于混浊介质的相应光学参数。光源随后从不同的方向照 射混浊介质并且光电检测器测量透射通过混浊介质的光的部分。利用从不同的方向定向到 混浊介质的光执行多个这样的测量，并且基于这些测量结果(即获得的数据集)，处理单元 重构被检查的混浊介质的图像。依照该方法的一个发展，执行光的衰减扫描，其中对于源位置和检测位置的多个 组合检测光的衰减。在这些测量中，使用了混浊介质的内在对比度，即由于诸如氧合血红 蛋白、脱氧血红蛋白、水和脂质之类的散射体和发色团的存在，不同波长的光按不同的量衰 减。根据这些衰减扫描，可以重构混浊介质的吸收图像以及诸如血红蛋白浓度之类的生理 参数的图像。这种技术称为漫射光学层析术(DOT)。依照该方法的另一发展，为了所述测量施用优先地积聚在所研究的混浊介质中的 病变(例如女性胸部中的癌组织)处的荧光对比剂。利用来自优选地为激光器的光源的光照射混浊介质，并且检测混浊介质发射的荧光。根据该测量，重构胸部的荧光发射的体图 像，即使用外源对比度。这样，重构混浊介质中的对比剂的空间分布。这种方法称为漫射光 学荧光层析术。已经开发了适于执行衰减测量和荧光测量两者的设备。在这样的设备中，对于特 定波长范围内的多个波长执行衰减测量。衰减测量中获得的数据允许重构对于所述多个波 长的混浊介质的吸收特性的空间分辨图像。因此，可以根据衰减测量重构这些波长下光如 何传播通过混浊介质。为了执行荧光测量，明确地激发荧光对比剂并且仅仅测量荧光对比 剂发射的光。这例如通过在测量体与检测单元之间的光路上引入适当的滤光器来实现。然 而，荧光对比剂发射的光包括位于一定波长范围内的波段，其可能与衰减测量探测的波长 不同。因此，对于荧光测量的相关波长而言，出现了不知道光如何与混浊介质相互作用的问 题。在申请人已知的一种方法中，使用了以下近似光与混浊介质的相互作用对于与 衰减测量相关的波长以及对于与荧光测量相关的波长范围基本上相同。然而，该近似通常 不成立并且该近似的质量取决于例如不同的患者以及他们的组织的成分而不同。结果，用 于重构混浊介质内部的荧光图像，即用于重构混浊介质中荧光对比度的空间分布的图像的 当前的方法包含以下问题根据重构图像不能令人满意地确定混浊介质中不同位置处的荧 光对比剂的浓度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于重构混浊介质内部的荧光图像的方法以及一种用 于对混浊介质内部成像的设备，利用其可以根据重构图像更精确地确定混浊介质中不同位 置处的荧光对比剂的浓度。此外，这将快速而高效地实现，而无需附加的硬件。这个目的是通过依照权利要求1的用于重构混浊介质内部的荧光图像的方法来 获得的。该方法包括步骤在测量体中容纳向其施用了荧光对比剂的混浊介质。荧光对比 剂能够在用光照射时发射第一波长范围内的光。该方法还包括通过随后利用来自多个不 同源位置的光照射混浊介质并且对于每个源位置在多个检测位置检测从混浊介质发出的 光，在多个不同的波长下执行衰减测量。该方法还包括根据衰减测量，对于所述多个不同 的波长重构作为混浊介质内部的位置的函数的吸收特性；对于第一波长范围的波长计算作 为混浊介质内部的位置的函数的吸收特性；通过随后利用来自所述多个源位置的使得荧光 对比剂发射第一波长范围内的光的光照射混浊介质并且对于每个源位置在所述多个检测 位置检测从荧光对比剂发出的光，执行荧光测量；以及根据荧光测量使用计算的吸收特性 重构混浊介质内部荧光对比剂的空间分布的荧光图像。结果，更正确地估计具有第一波长 范围的波长的光与混浊介质的相互作用，并且可以以更高的精确度重构混浊介质内对比剂 的浓度和空间分布。此外，对于离散的波长执行的衰减测量可以用来实现该更高的精确度， 从而无需附加的硬件。“作为位置的函数的吸收特性”表示吸收特性依赖于混浊介质中的位 置而确定。(数学意义上的)函数依赖性不一定必须确立。计算的吸收特性用作重构荧光 图像的步骤中的输入信息。优选地，在重构吸收特性的步骤中，计算吸收系数。在这种情况下，已知的吸收系 数波长依赖性可以用来实现对于第一波长范围的波长的有利计算。
依照一个方面，通过将混浊介质看作多种物质的线性组合并且在所述多个不同的 波长下根据衰减测量确定所述多种物质的局部浓度而计算吸收系数。在这种情况下，可以 以令人满意的精确度计算关于第一波长范围的波长的吸收特性，从而可以在重构的荧光图 像中更正确地可视化荧光对比剂的浓度。如果使用所述多种物质的已知光谱行为计算对于第一波长范围的波长的吸收特 性，那么可以以令人满意的精确度计算关于第一范围的波长的吸收特性。结果，重构的荧光 图像提供了有关不同位置处荧光对比剂的浓度的可靠信息。因此，可以提供允许将恶性病 变与其他异常区分的荧光图像。如果所述多种物质包括荧光对比剂，那么即使荧光对比剂的浓度为高，也可以根 据荧光测量重构提供有关荧光对比剂浓度的令人满意的信息的荧光图像。优选地，将重构的荧光图像作为输入反馈到重构作为混浊介质内部的位置的函数 的吸收特性的步骤，并且迭代地重复外插吸收特性并且重构荧光图像的步骤。在这种情况 下，即使混浊介质中出现具有高浓度的位置，也可以以提高的精确度确定荧光对比剂的浓 度。所述目的进一步通过依照权利要求7的用于对混浊介质内部成像的设备来获得。 该设备包括测量体，其适于容纳向其施用荧光对比剂的混浊介质，所述荧光对比剂在照射 时能够发射第一波长范围的光；光源单元，其适于随后利用来自多个不同源位置的光照射 测量体；光源单元能够有选择地发射多个不同波长的光；以及检测单元，其适于在多个不 同检测位置检测从测量体发出的光。该设备还包括控制和重构单元，该控制和重构单元适 于控制设备以通过随后利用来自多个不同源位置的光照射测量体在多个不同的波长下执 行衰减测量并且对于每个源位置在多个检测位置处检测从测量体发出的光；通过随后利用 来自所述多个源位置的使得荧光对比剂发射第一波长范围内的光的光照射测量体并且对 于每个源位置在所述多个检测位置检测从荧光对比剂发出的光，执行荧光测量；根据衰减 测量对于所述多个不同的波长重构作为测量体内的位置的函数的吸收特性；对于第一波长 范围的波长计算作为测量体内的位置的函数的吸收特性；以及根据荧光测量使用计算的吸 收特性重构测量体内荧光对比剂的空间分布的荧光图像。结果，更正确地估计具有第一波 长范围的波长的光与混浊介质的相互作用，并且可以以更高的精确度重构混浊介质内对比 剂的浓度和空间分布。此外，对于若干离散的波长执行的衰减测量可以用来实现该更高的 精确度，从而无需附加的硬件。如果在设备中提供可在测量体与检测单元之间的光路上引 入的滤光器以用于荧光测量，那么可以以有限数量的硬件实现重构。优选地，所述设备是医疗图像采集设备。
根据参照附图对于实施例的详细描述将得到本发明的另外的特征和优点。图1示意性地示出了用于对混浊介质内部成像的设备的测量体。图2示意性地示出了图1设备中的测量体、光源单元和检测单元的设置。
具体实施例方式第一实施例
现在将参照图1和图2描述本发明的实施例。依照该实施例的用于对混浊介质内 部成像的设备是用于漫射光学层析术(DOT)的设备。特别地，该设备适于检查女性胸部。 这种设备的整体构造在本领域中是已知的。该设备包括受检查的个人以卧姿躺在其上的床 (未示出)。床内形成开口，测量体4在其下延伸。图1中示出了测量体4。在图1所示的设备中，要检查的混浊介质1是女性胸部。测量体4以适于接纳混 浊介质1的接纳部分2为界，如图1中示意性所示。接纳部分2具有杯状形状并且设有开 口 3。由图1可见，要检查的混浊介质1置于测量体4中，使得它从开口 3的侧面自由地悬 在测量体4中。接纳部分2用来放置和稳定被检查的混浊介质1。接纳部分2面向混浊介质3的内表面设有多个由光学引导纤维形成的如图2中示 意性所示连接到光源单元6和检测单元7的光导5的末端。光源单元6包括至少一个能够 有选择地发射多个不同波长的光的光源。优选地，光源单元6包括多个激光器，每个激光器 发射单色的但是不同波长的光。在这种情况下，光源单元6适于使得一次来自这些光源之 一的光可以有选择地耦合到测量体中。光导5的末端分布在接纳部分2的内表面上。所述 设备适于使得来自光源单元6的光可以从多个不同方向(源位置)定向到混浊介质1，并 且从混浊介质1发出的光可以在围绕测量体4分布的多个不同检测位置处由检测单元7检 测。在该实施例中，检测单元7由多个检测器实现，其相应光导5分布在接纳部分2的内表 面上。接纳部分2内表面处光导5的末端形成多个源位置和多个检测位置。在该实施例中， 源位置的总数等于检测位置的总数；然而，本发明并不限于相等的数量。例如，在依照该实 施例的设备中，在接纳部分2的内表面上提供了 256个不同的源位置，并且提供了 256个检 测位置，即光导5的各末端。来自光源的光随后从这256个源位置定向到混浊介质1，并且 对于每个源位置在所述256个检测位置处检测从混浊介质1发出的光。然而，本发明并不 限于这些特定的数量。如图2中示意性所示，所述设备包括控制和处理单元8，其用于控制图像的采集并 且重构混浊介质1内部的图像。控制和处理单元8基于来自检测单元7的信号重构混浊介 质1内部的图像。为了进行重构，使用了扫描期间采样的信号，其中光从不同的方向定向到 混浊介质1。为了简单起见，不再描述用于对混浊介质内部成像的设备的这些在本领域中已 知的元件。接纳部分2还被结构化成使得接纳部分2的内表面与混浊介质1之间留有空间。 为了进行检查，该空间填充有光学匹配的介质。该光学匹配的介质被选择成在要成像的混 浊介质1与分布在内表面上的源和检测位置之间提供适当的光学耦合。为此目的，向该光 学匹配的介质设有与要检查的混浊介质1的光学特性相似的光学特性。现在，将描述依照该实施例的设备的操作。该设备特别地适于其中检查向其施 用对比剂的混浊介质1的方法。对比剂是能够在用适当的光照射时发射第一波长范围的 (荧光)光的荧光对比剂。例如，用于光学荧光层析术的典型的荧光染料发射包括大约 700-950nm的光谱的波段内的光。向其施用了对比剂的混浊介质1放置在测量体4中。然后，执行衰减测量，其中来自光源单元6的光随后从所述多个源位置定向到混 浊介质。在衰减测量中，当测量衰减测量数据，即入射光的衰减时，在所述多个检测位置对 于每个源位置检测用于照射的光的衰减。因此，在衰减测量中，使用混浊介质1的内在对比 度。对于来自光源单元6的光的多个不同的波长X1.....Xk测量用于照射的光的衰减。依照该实施例，这是由光源单元6中的若干不同光源完成的，这些光源发射不同波长X1.....
Ak的光。通常，这些离散波长位于与荧光对比剂的荧光光谱的第一波长范围不同的第二波 长范围内。更特别地，在许多情况下，第二波长范围包含更短的波长。优选地，这些光源由 发射诸如690nm和730nm之类的不同波长的单色光的激光器形成。
根据这些衰减测量，可以使用本领域中已知的重构方法重构混浊介质1的吸收特
性的三维图像。由于对于不同的波长X1.....λ &执行衰减测量，因而测量对混浊介质1的
不同成分敏感。因此，可以以空间分辨的方式重构混浊介质1的不同成分的浓度。这通过 (数学上)将混浊介质1建模成多种物质的线性组合来完成，其被证明是一种相当良好的近
似。换言之，认为吸收系数μ a具有以下结构h(V):^>〔h(y)，为成分i的浓
度，为成分i的(依赖于波长的)摩尔吸收系数，r为混浊介质内的位置，并且对 所有考虑的成分i执行求和。基于来自衰减测量的数据，对于混浊介质1内的每个位置重 构所述多种成分的局部组合。这通过利用以下方程来完成
Φ,/ r ‘ X ] ‘ Gx{s,d)其中Φχ为波长λ χ处的测量的强度，Oref为参考测量中测量的强度，i定义混浊 介质的成分(例如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白、脂质、水等等)，ε为对于这些成分中的 每一种的光谱消光，Ci为成分i的对应浓度，s定义源位置，d定义检测位置，r定义混浊介 质中的相应位置并且^定义波长λ、处的格林函数。可以依照该方法为其确定局部浓度的成分包括血液、Hb(氧合血红蛋白或脱氧血 红蛋白)、水、脂质等等。上面提到的波长特别地非常适合这个方面。因此，根据对于若干离 散波长的衰减测量确定混浊介质1在第二波长范围内的吸收特性。现在，依照本发明，基于重构的关于成分的局部浓度的信息，外插混浊介质1在第 一波长范围内的吸收特性。这通过以下方式完成如上面描述的，若干成分的局部浓度根据 衰减测量获悉。此外，例如根据检查这样的成分的单独的测量等等获悉这些成分在第一波 长范围内的光谱行为(其与下面描述的荧光测量有关)。因此，基于成分的局部浓度以及这 些成分在第一波长范围内的吸收特性的知识，计算混浊介质1在第一波长范围内的吸收特 性。换言之，对于第一波长范围的波长λ并且对于混浊介质的每个体元(体像素)计算吸 收系数μ“λ，r)。结果，根据对于若干离散波长的衰减测量计算对于第一波长范围的混浊 介质1的吸收特性的空间分辨图像。因此，在无需第一波长范围内的附加衰减测量的情况 下获得该信息，所述附加衰减测量将需要附加的硬件和附加的测量时间。此外，依照该实施例，执行荧光测量，其中随后利用来自所述多个源位置的光照射 混浊介质1。该荧光测量中使用的光被选择成使得荧光对比剂(由优先地地积聚在混浊介 质1中的病变处的荧光染料形成)受该光刺激以发射包含第一波长范围内的波长的荧光。 对于所述多个源位置中的每一个，在所述多个检测位置处检测对比剂发射的荧光，作为荧 光测量数据。荧光的检测通过在测量体4与检测单元7之间的光路上的适当滤光来执行。基于荧光测量数据，控制和处理单元8重构混浊介质1中分布的对比剂的荧光发 射的体图像。依照该实施例，为了重构荧光发射的体图像，将对于第一波长范围的计算的吸 收特性用作重构问题的输入。换言之，通过考虑计算的吸收特性计算对于第一波长范围的格林函数。依照该实施例，通过使用结合第一波长范围处的外插吸收的齐次格林函数的波 恩荧光重构来执行荧光图像的重构。可以对于荧光波段的典型荧光波长Xf(例如荧光对 比剂的发射率具有其最大值的波长)或者对于若干选择的荧光波长合并外插吸收以便将 整个荧光光谱考虑在内。例如，以下方程用于计算荧光对比剂的浓度Cdye 老卞λ,)ε一爲)J θ二二力；其中为荧光的检测的强度，Y (Af)为量子产额(每吸收光子的发射荧光光子 的百分比)，ε systeffl为依赖于波长的检测灵敏度(例如在校准测量中确定)，并且Gf为相应 荧光波长Xf处的格林函数，总和在多个荧光波长上求取。与其中第一波长范围内的吸收的光谱行为不被考虑或者仅被估计为与衰减测量 的波长的相似的荧光图像重构相比，重构的荧光图像包括关于荧光对比剂浓度的更高的精 确度。因此，提高了关于有关混浊介质内不同位置处荧光对比剂浓度的信息的图像质量。结 果，与先前不考虑诸如混浊介质内发色团(血红蛋白、氧合血红蛋白、水、脂质等等)的浓度 之类的因素的荧光重构相比，实现了改善的荧光图像。第二实施例下面将描述第二实施例。第二实施例基本上与上面描述的第一实施例相对应，并 且不同之处仅在于，将荧光对比剂看作所述成分之一，其浓度根据第二波长范围内的衰减 测量来确定。因此，依照第二实施例，考虑了荧光对比剂对于荧光的自吸收。这特别在高浓 度荧光对比剂的情况下导致改善的荧光图像。依照第二实施例，荧光对比剂的浓度Cf (r)及其吸收系数μ af包含在方程
权利要求
用于重构混浊介质内部的荧光图像的方法，该方法包括步骤 在测量体(4)中容纳向其施用了荧光对比剂的混浊介质(1)，荧光对比剂能够在用光照射时发射第一波长范围内的光； 通过随后利用来自多个不同源位置的光照射混浊介质(1)并且对于每个源位置在多个检测位置检测从混浊介质(1)发出的光，在多个不同的波长(λ1，...，λk)下执行衰减测量； 根据衰减测量，对于所述多个不同的波长重构作为混浊介质(1)内部的位置的函数的吸收特性(μa(r，λ))； 对于第一波长范围的波长计算作为混浊介质(1)内部的位置的函数的吸收特性； 通过随后利用来自所述多个源位置的使得荧光对比剂发射第一波长范围内的光的光照射混浊介质(1)并且对于每个源位置在所述多个检测位置检测从荧光对比剂发出的光，执行荧光测量； 根据荧光测量使用计算的吸收特性重构混浊介质(1)内部荧光对比剂的空间分布的荧光图像。
2.依照权利要求1的方法，其中在重构吸收特性的步骤中，计算吸收系数(ya(r， λ))。
3.依照权利要求2的方法，其中通过将混浊介质(1)看作多种物质(i)的线性组合并 且在所述多个不同的波长(λ” ...，Ak)下根据衰减测量确定所述多种物质的局部浓度 (Ci),来计算吸收系数(Ua(r, λ))0
4.依照权利要求3的方法，其中使用所述多种物质(i)的已知光谱行为计算对于第一 波长范围的波长的吸收特性(ya(r，λ))。
5.依照权利要求3或4中任何一项的方法，其中所述多种物质(i)包括荧光对比剂。
6.依照权利要求5的方法，其中将重构的荧光图像作为输入反馈到重构作为混浊介质 内部的位置的函数的吸收特性(ya(r，λ))的步骤，并且迭代地重复计算吸收特性和重构 荧光图像的步骤。
7.用于对混浊介质内部成像的设备；该设备包括_测量体(4)，其适于容纳向其施用了荧光对比剂的混浊介质(1)，所述荧光对比剂在 照射时能够发射第一波长范围的光；-光源单元(6)，其适于随后利用来自多个不同源位置的光照射测量体(4)；光源单元 能够有选择地发射多个不同波长(λ ” . . .，λ k)的光；-检测单元(7)，其适于在多个不同检测位置检测从测量体(4)发出的光；以及 -控制和重构单元(8)，其适于控制所述设备以-通过随后利用来自多个不同源位置的光照射测量体(4)在多个不同的波长下执行衰 减测量，并且对于每个源位置在多个检测位置处检测从测量体(4)发出的光；-通过随后利用来自所述多个源位置的使得荧光对比剂发射第一波长范围内的光的光 照射测量体(4)并且对于每个源位置在所述多个检测位置检测从荧光对比剂发出的光，执 行荧光测量；_根据衰减测量对于所述多个不同的波长重构作为测量体(4)内的位置的函数的吸收 特性(ya(r，λ))；_对于第一波长范围的波长计算作为测量体(4)内的位置的函数的吸收特性； -根据荧光测量使用计算的吸收特性重构测量体(4)内荧光对比剂的空间分布的荧光 图像。
8.依照权利要求7的设备，其中在该设备中提供可在测量体(4)与检测单元(7)之间 的光路上弓I入的滤光器以用于荧光测量。
9.依照权利要求7或8中任何一项的设备，其中该设备是医疗图像采集设备。
全文摘要
提供了一种用于重构混浊介质内部的荧光图像的方法。该方法包括步骤在测量体(4)中容纳向其施用了荧光对比剂的混浊介质(1)。荧光对比剂能够在用光照射时发射第一波长范围内的光。该方法还包括通过随后利用来自多个不同源位置的光照射混浊介质(1)并且对于每个源位置在多个检测位置检测从混浊介质(1)发出的光，在多个不同的波长(λ1，...，λk)下执行衰减测量；根据衰减测量对于所述多个不同的波长重构作为混浊介质(1)内部的位置的函数的吸收特性(μa(r，λ))；对于第一波长范围的波长计算作为混浊介质(1)内部的位置的函数的吸收特性；通过随后利用来自所述多个源位置的使得荧光对比剂发射第一波长范围内的光的光照射混浊介质(1)并且对于每个源位置在所述多个检测位置检测从荧光对比剂发出的光，执行荧光测量；以及根据荧光测量使用计算的吸收特性重构混浊介质(1)内部荧光对比剂的空间分布的荧光图像。
文档编号G01N21/49GK101980656SQ200980111054
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月20日 优先权日2008年3月27日
发明者A·齐格勒, R·齐格勒, T·尼尔森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司