螺旋离散扫描式荧光剂药代动力学参数直接成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及药物代谢动力学参数分析成像领域，尤其针对近红外光学成像所用巧 光剂的药代动力学参数成像方法，具体设及螺旋扫描式巧光剂药代动力学参数的直接成像 方法。
【背景技术】
[0002] 肿瘤目前已成为人类健康的最大杀手，早期诊断对于捶救患者的生命至关重要。 近红外巧光扩散层析成成像方法（Diffuse fluorescence tomogra地y，DFT)由于其无创、 无福射损伤W及高特异性等优点，在肿瘤的诊断等有关的研究领域越来越受到广泛关 注EU。近年来的研究表明，针对一个固定时间点的诊断不能代表疾病的全部特征，在传统静 态DFT成像基础上发展的动态巧光成像方法越来越受到广泛的关注。肿瘤组织由于其血管 新生效应产生了大量的"渗透型"血管，巧光剂在其中的动力学过程与正常组织有所区别。 "渗透型"血管相比于正常组织的"紧致型"血管对巧光剂有着较高的渗透率，渗透率的图像 具有对肿瘤分期、治疗监测W及抗癌药物研究评估等潜力
[0003] 目前巧光药代动力学成像的方法可分为间接法和直接法。在间接方法中，首先基 于静态DFT重建方法重建出多帖浓度图像(按采样时间顺序获得的一系列图像），进而得到 成像区域内各位置处浓度随时间变化的曲线，并基于双指数模型对曲线进行拟合或非线性 滤波方式分析得到衰减常数或药代动力学渗透率参数间接法目前存在两个问题。第 一，中间过程静态DFT重建结果受其逆问题的病态性等影响，常表现出重建的不准确性，导 致最终对于药代动力学参数的估计不准确。对于每一帖浓度S维图像，静态DFT重建方法需 要完整的=维扫描测量数据，并忽略数据采集期间的浓度变化。因此，间接法要求数据采集 设备W高时间分辨率实现全部=维数据的采集，W保证每一帖的浓度图像重建结果的准 确，并不丢失巧光剂代谢过程中的动态信息，使间接法在药代动力学参数成像实际应用中 受到限制。
[0004] 在现有直接方法中，第一种是将双指数模型嵌入DFT重建的逆问题，直接重建衰减 常数然而，双指数模型作为一种经验模型，其衰减常数并不能代表具有实际意义的生 理参数，运对于肿瘤诊断等应用方面存在弊端。另一种直接方法则是把DFT的成像方程融入 到基于二室模型的传统扩展卡尔曼滤波中但其仍需要每一帖的完整测量数据在短时间 内得到测量，对于系统的时间分辨率要求很高，成本较高。另外，其传统扩展卡尔曼滤波的 结果依赖于其初值的设置，运也影响了药代动力学参数的估计。
[0005] [参考文献]
[0006] [1]V.Ntziachristos,C.-H.Tung,C.Bremer,and R.Weissleder,"Fluorescence molecular tomography resolves protease activity in vivo,"Nature Med.8(2002) 757-760.
[0007] [2]L.A.Bauer,Applied Clinical Pharmacokinetics,McGraw-Hill,New York (2008).
[0008] [3]K.M Tichauer，Y.Wang，B.W Pogue and J.T.C.Liu/'Quantitative in vivo cell-surface receptor imaging in oncology:kinetic modeling and paired-agent principles from nuclear medicine and optical imaging/'Phys.Med.Biol.60,民239- 民269(2015).
[0009] [4]B.Alacam，B.Yazici，X.Intes，and B.Chance, "Extended Kalman filtering for the modeling and analysis of ICG pharmacokinetics in cancerous tumors using NI民 optical methods，，，IEEE Trans.Biomed.Eng.53(2006)1861-1871.
[0010] [5]X.Intes,J.民ipoll，Y.Chen，et al，"In vivo continuous-wave optical breast imaging enhanced with Indocyanine Green,"Med.Phys.30(2003)1039-1047.
[0011] [6]A.B.Milstein，K.J.Webb,and C.A.Bouman,"Estimation of kinetic model parameters in fluorescence optical diffusion tomography，"J. Opt.Soc.Am.A 7 (2005)1357-1368.
[0012] [7]G.Zhang，F.Liu，H.Pu，W.He，J.Luo and J.Bai，（'A direct method with structural priors for imaging pharmacokinetic parameters in dynamic fluorescence molecular tomography，，，IEEE Trans .Biomed. Eng. 61,986-990(2014).
[0013] [8]B.Alacam and B.Yazici，"Direct reconstruction of pharmcokinetix-rate images of optical fIuorophores from NI民 measurement,"IEEE Trans.Med.Imag.28(2009)1337-1353.
【发明内容】
[0014] 本发明旨在克服现有方法的不足，解决现有成像方法对于数据采集设备的时间分 辨率的要求W及动力学模型准确性等方面的缺陷，发展螺旋离散扫描式焚光剂药代动力学 参数兰维直接成像方法。本发明中所提及到的多路复用的方式测量是指:在探测位置数量 大于或等于探测器的数量时，探测器按时间顺序先后测量得到各探测位置的数据。
[0015] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种螺旋离散扫描式焚光剂药代动力学参 数直接成像方法，其中，静脉注射焚光剂的组织体放置于一圆柱的成像腔中，其特征在于， 包括W下步骤：
[0016] 步骤一、根据兰维螺旋离散扫描模式获取焚光剂扫描数据：
[0017] 步骤1-1、光源经过准直后入射到成像腔表面，在成像腔的外周表面且与光源同水 平面的高度上均布D个探测位置皆）（心=1，2,…，0 )，Nd个探测器W多路复用的方式测量，Nd < D，采样间隔为A T;L次并行测量获得该光源下的所有探测位置的投影数据，L = D/Nd;然 后，成像腔旋转一个角度为A Angle，同时上升一个高度为A Z，W此类推，直至完成全S维 的扫描测量，在该扫描测量过程形成了 S个光源位置rs(s = l，2,…，S);
[0018] 步骤1-2重复P次步骤1-1所述的全=维的扫描测量，获取所需的扫描数据M，P次扫 描测量所覆盖的巧光剂的代谢时间为P X S X L X A T，
[0019]
(1)
[0020] 式（I)中，r (口，3) = [1。6(口，3，1)，1加（口，3,2)，...，1。6(口，3，1^)]了，其中，口=1, 2,…，P，s = l，2,…，S，l = l，2,…，L，p为S维扫描数据的序号，S为光源位置序号，1表示采 样序号，r (p，s)表示第P组=维扫描数据中的第S组投影数据、且由边界测量光流量的伯恩 比组成，
[0021]
C2)
[0022] 式(2)中，Ix(rd，rs，t)和Im(rd，rs，t)分别是激发光和巧光的边界测量光流量，设Inb (口，3，1)为1油化），即* = 1^么刊寸的并行测量数据^=1，2^''，1(，1( = 口乂5乂1^;
[0023] 步骤二、建立多间室巧光剂动力学模型：
[0024] 将成像腔内的组织体概念性的划分为N。个间室，利用多间室巧光剂动力学模型描 述不同间室之间的相互渗透W及通过代谢系统排出组织体外的过程，该多间室巧光剂动力 学模型如下：
[0025]
i3j
[0026] 式（3)中，（:(r,A') = [C|(r.A')，C(rA'C、（r,叫％Ci(r，k)表示第i个间室在时刻k A T时的间室浓度，i = 1，2，…，N。;K( 0 (r，k))是与药代动力学渗透率相关的系统矩阵，
[0027]
觸
[002引式(4)中，《(r，k)和约r