用于X射线光动力治疗的影像重建方法技术

本发明专利技术涉及一种用于X射线光动力治疗的影像重建方法，包括：①设置数字放射成像系统的曝光参数，并校准成像光路，使X光源、待成像物体、光栅和CMOS平板探测器在同一直线上。②先对二维吸收光栅成像，获取仅包含光强度梯度信息的图像；③获得闪烁纳米粒子‑光敏剂复合体，而后将其注入待测组织体；将待测组织体放入成像腔，从多个投影角度对其进行照射获取包含光强度梯度及组织体相位信息的图像。④根据探测器接收到的光栅/组织体图像中各像素位置相对于原先的光栅投影图像发生了位置平移的原理求解组织体相位信息。⑤得到组织体三维结构信息。⑥XLCT正向模型构建。⑦获得闪烁纳米粒子‑光敏剂复合体的空间密度分布。

Image reconstruction for X-ray photodynamic therapy

The invention relates to an image reconstruction method for X-ray photodynamic therapy, which includes: (1) setting exposure parameters of digital radiographic imaging system and calibrating imaging optical path to make X-ray source, object to be imaged, grating and CMOS flat panel detector in the same line. (2) Firstly, two-dimensional absorption grating imaging is performed to obtain images containing only light intensity gradient information; thirdly, scintillating nanoparticles and photosensitizer complexes are obtained, and then injected into the tissue to be measured; then, the tissue to be measured is placed into the imaging chamber and irradiated from multiple projection angles to obtain images containing light intensity gradient and phase information of the tissue. (4) According to the principle that the position of each pixel in the grating/tissue image received by the detector shifts relative to the original grating projection image, the phase information of the tissue is calculated. _Obtain three-dimensional structure information of tissue. XLCT forward model construction. _The spatial density distribution of scintillating nanoparticles and photosensitizer complexes was obtained.

【技术实现步骤摘要】
用于X射线光动力治疗的影像重建方法
本专利技术属于生物医学工程及医学影像学领域，涉及一种影像重建方法。
技术介绍
光动力疗法(photodynamictherapy,PDT)是一种联合利用光、光敏剂和氧分子，通过光动力学反应产生的细胞毒素(单态氧)杀死靶细胞的一种治疗手段。PDT具有对靶细胞选择性杀伤的优点，在肿瘤治疗中对复发性、耐药性癌具有良好的杀伤效应，被认为是除手术、放疗、化疗之外的第四种临床治疗癌症的方法。PDT于20世纪70年代开始应用于人类肿瘤的治疗，我国在1980年开始光动力学治疗肿瘤的临床研究，已经成为当今开展PDT肿瘤类型和病例数最多的国家。然而，传统PDT的治疗深度依赖于激发光的波长，一般不适用于深部肿瘤治疗。PDT治疗的前提是激发光必须被传输到光敏剂，且其波长位于光敏剂吸收峰附近，才能被光敏剂吸收来激活光动力过程。由于受到光敏剂有效激发波长的局限，传统的光动力疗法的治疗范围集中在浅表或人体腔道周围组织的肿瘤。例如，目前临床上普遍使用的光敏剂为血卟啉，其荧光光谱吸收峰为630nm,所以常用激光光源的波长位于630nm附近。针对这一问题,部分学者通过光纤穿刺照射治疗拓展PDT对深部肿瘤治疗。例如，上世纪90年代曾超英等通过B超引导经皮肝穿刺，将传输激光的光纤导入肝脏肿瘤内部照射，实现肝癌细胞的选择性杀伤，疗效较满意。但是，这种通过光纤穿刺照射实现PDT治疗在技术上极为不便，组织间穿刺照射也有可能遗漏病灶。此外，穿刺出血还可能引起癌细胞的血行转移。由此设想,如果能解决当前PDT采用激光的穿透能力问题，并且能保证光敏剂激发，则可以得到一种用于深层肿瘤PDT治疗的方法。近几年出现了一种新的光动力治疗方法-X射线激发光动力治疗(X-rayexcitedPDT,XE-PDT)技术，为深部肿瘤的PDT治疗带来了新的曙光。XE-PDT一般通过间接激发光敏剂的方式，即采用某种闪烁纳米粒子在X射线作用下发出的紫外或可见光替代激光，再通过能量传递间接激发光敏剂产生光动力反应。近几年国内外学者通过离体细胞实验验证了XE-PDT的可行性，但到目前为止，XE-PDT距离临床应用还存在较大的距离，其主要原因在于XE-PDT过程中对深部肿瘤状态的时/空信息缺乏有效的监测，像XCT、磁共振等成像导引仅适合术前进行，即缺乏有效在体实时导引技术。
技术实现思路
本专利技术的主旨是提出一种用于X射线光动力治疗的影像重建方法。技术方案如下：一种用于X射线光动力治疗的影像重建方法，包括下列步骤：1)设置数字放射成像系统的曝光参数；2)先对二维吸收光栅成像，获取仅包含光强度梯度信息的图像；3)获得闪烁纳米粒子-光敏剂复合体，而后将其注入待测组织体；将待测组织体放入成像腔，从多个投影角度对其进行照射获取包含光强度梯度及组织体相位信息的图像；4)根据探测器接收到的光栅/组织体图像中各像素位置相对于原先的光栅投影图像发生了位置平移的原理求解组织体相位信息，计算得到X射线经过成像物体后各位置的相位信息：其中，这里d是光源到探测器的距离，d1是光源到成像物体的距离，δx，δy为投影图像横/纵轴方向的各像素平移距离，和分别是傅立叶正变换和逆变换，(kx,ky)是傅立叶空间的坐标，λ为X射线波长；5)将所有角度下得到的相位信息φ(x,y)进行滤波反投影三维重建，得到组织体三维结构信息；6)XLCT正向模型构建：利用有限元法将待测组织体进行有限元剖分建模，剖分单元采用四面体，将高分辨电子倍增CCD的每个像素点所在位置设置为点光源位置，并配准到有限元模型，代入辐射传输方程后可以求解出每个点光源照射后的组织体内部的光通量密度分布Φi，i＝1,2,…,nd,nd是电子倍增CCD的像素个数，则A＝[Φn1,Φn2,...,Φnd]T；7)XLCT模型先验信息设置:根据锥束相衬XCT成像得到的组织体三维结构信息，设置XLCT有限元模型的扩散系数、介质吸收系数以及约化散射系数；根据相衬XCT提供的解剖区域，设定闪烁纳米粒子-光敏剂复合体的空间位置约束作为先验信息；8)在与相衬XCT光路垂直方向设置透镜组聚焦荧光信号，透镜组前面加上滤光设备，避免散射X射线光子进入电子倍增CCD造成器件损害及引入噪声；9)通过高分辨电子倍增CCD测量得到物体转动到不同角度下700nm波长近红外光通量图像Φ，信号采集完毕后，利用公式Φ＝A·η通过代数重建技术迭代获得闪烁纳米粒子-光敏剂复合体的空间密度分布η(r)。附图说明图1X射线光动力治疗导引系统原理图图2不同深度小鼠体内闪烁纳米粒子-光敏剂复合体的XLCT重建图像(上)与由相衬XCT成像三维重构获得的小鼠结构图像(下)的对比具体实施方式针对当前工程条件下，XE-PDT精准治疗所面临的关键问题：由于XE-PDT过程中对深部肿瘤状态的时/空信息缺乏有效的监测，像XCT、磁共振等成像导引仅适合术前进行，即缺乏有效在体实时导引技术。XE-PDT治疗过程中，X射线激发闪烁纳米粒子产生的光被光敏剂吸收以此产生单态氧杀死靶细胞，如果闪烁纳米粒子受激产生的光可以从组织体出射并被探测，那么考虑到这部分光携带了组织体功能信息，可望用于组织体功能信息的成像，而这一过程与近年来发展起来的一种X射线功能成像新模态相一致，即X射线发光断层成像方法(X-rayluminescencecomputedtomography,XLCT)，这为XE-PDT的在体导引提供了一个新的方向。但是，现有的XLCT成像技术不存在闪烁纳米粒子受激产生的光被光敏剂吸收的问题，而要将XE-PDT与XLCT结合则会出现如下矛盾，如果要保证XE-PDT治疗效果，则需要让闪烁纳米粒子受激产生的光会被光敏剂充分吸收用于产生单态氧，相应地，从组织出射的光强则会逐渐降低，直到不能被光谱仪检测，从而无法保证XLCT成像质量。因此，本专利技术针对当前XE-PDT过程中对深部肿瘤状态的时/空信息缺乏有效监测的问题，发展出一种X射线光动力治疗在体影像重建方法。具体包含下面的几个方面。1X射线光动力治疗导引系统为了满足XE-PDT精准治疗，所构建的X射线光动力治疗导引系统需要解决数据获取的空间分辨率、时间分辨率方面的问题。具体实现方案如下：为了保证XE-PDT治疗时对病灶组织的空间分辨率，构建的成像系统可以获得组织体结构信息，以此作为先验信息实现组织体XLCT图像重建，则可以有效提高病灶组织空间分辨率。图1为本专利技术采用的X射线发光断层成像系统(XLCT)与锥束相衬XCT集成测量方案。该系统采用微焦斑X射线源(焦斑尺寸：50μm；管电流：0.5mA；管电压：5-45kV)和100mm×100mm高分辨CMOS平板探测器(像元面积：50μm×50μm)，具有自动选择能量范围和曝光时间的功能。相衬XCT成像光路中，X光源、待成像物体、光栅和CMOS平板探测器在同一直线上，X射线穿过物体后相位发生改变，而后经过光栅，相位一阶导数信息得到了增强，再经过一定空间距离的自由传播后，相位信息被转化为强度调制信息并由探测器接收。光栅和待成像物体的前后位置调整不影响相衬XCT成像结果，本专利技术将成像物体置前是为了便于与XLCT系统集成。在时间分辨率方面，通过采用高分辨电子倍增CCD实现近红外信号快速采集，并且只需要将物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于X射线光动力治疗的影像重建方法，包括下列步骤：1)设置数字放射成像系统的曝光参数；2)先对二维吸收光栅成像，获取仅包含光强度梯度信息的图像；3)获得闪烁纳米粒子‑光敏剂复合体，而后将其注入待测组织体；将待测组织体放入成像腔，从多个投影角度对其进行照射获取包含光强度梯度及组织体相位信息的图像；4)根据探测器接收到的光栅/组织体图像中各像素位置相对于原先的光栅投影图像发生了位置平移的原理求解组织体相位信息，计算得到X射线经过成像物体后各位置的相位信息：

【技术特征摘要】
1.一种用于X射线光动力治疗的影像重建方法，包括下列步骤：1)设置数字放射成像系统的曝光参数；2)先对二维吸收光栅成像，获取仅包含光强度梯度信息的图像；3)获得闪烁纳米粒子-光敏剂复合体，而后将其注入待测组织体；将待测组织体放入成像腔，从多个投影角度对其进行照射获取包含光强度梯度及组织体相位信息的图像；4)根据探测器接收到的光栅/组织体图像中各像素位置相对于原先的光栅投影图像发生了位置平移的原理求解组织体相位信息，计算得到X射线经过成像物体后各位置的相位信息：其中，这里d是光源到探测器的距离，d1是光源到成像物体的距离，δx，δy为投影图像横/纵轴方向的各像素平移距离，和分别是傅立叶正变换和逆变换，(kx,ky)是傅立叶空间的坐标，λ为X射线波长；5)将所有角度下得到的相位信息φ(x,y)进行滤波反投影三维重建，得到组织体三维结构信息；6)XLCT正向模型构建：利用有限元法将待测组织体进行有限元剖分建模，剖分单元采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：周仲兴，高峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12