一種提高乳腺擴散光學(xué)層析成像分辨率的方式*

李 倫 吳 丹 溫艷婷 陳 藝 遲子惠 田 銀 蔣華北

（1）重慶郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065；2）重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶400065；3）成都市第五人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，成都611130；4）Department of Medical Engineering,University of South Florida,Tampa 33620,USA）

擴散光學(xué)層析成像 （diffuse optical tomography，DOT）又稱漫射光學(xué)層析成像，是一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，使用近紅外光測量以及基于模型的逆計算，提供組織光學(xué)特性的空間分布（即吸收系數(shù)和散射系數(shù)）［1］。DOT 因其無創(chuàng)性、無輻射性以及便攜性等［1］一直是生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究熱點，主要研究方向集中在光學(xué)乳腺檢測、腦成像、熒光分子層析成像、新生兒大腦供氧狀況及血氧動力學(xué)［2-18］等。DOT 按系統(tǒng)工作模式主要分為連續(xù)波（CW）系統(tǒng)、頻域（FD）系統(tǒng)和時域（TD）系統(tǒng)［1］，按與被測物的接觸方式主要分接觸式和非接觸式［1］，接觸式又可以分為與被測物直接接觸和與被測物壓縮接觸。

目前，大多數(shù)研究學(xué)者主要基于接觸式進行乳腺DOT研究。直接接觸是DOT研究中最常見的接觸方式［4-5，7，19-20］，一般基于激光源和探測器呈二維環(huán)形陣列。這種方式可以減少光子能量損失、捕獲到更多的信號來提高信噪比優(yōu)化成像分辨率，同時也能對被測物有一定程度的壓縮作用。Jiang等［2］早在1995年就建立了頻域DOT系統(tǒng)，屬于直接接觸的方式。因連續(xù)波系統(tǒng)有著系統(tǒng)相對簡單、高信噪比和成本低等特點［1］，在2000年使用單光電倍增管PMT 檢測建立了第一代單波長（nm）連續(xù)波DOT系統(tǒng)［3-4，21］，2003年建立了第二代三波長（nm）連續(xù)波DOT 系統(tǒng)［22］，2006年建立了第三代十波長（nm）連續(xù)波DOT系統(tǒng)［23］，也都屬于直接接觸的方式。采用連續(xù)波技術(shù)研制的擴散熒光-光學(xué)層析成像乳腺腫瘤診斷系統(tǒng)和多波長DOT 系統(tǒng)也屬于直接接觸的方式［7，24］。壓縮接觸是鑒于傳統(tǒng)乳腺X射線的經(jīng)驗，采用平行面板對被測物進行壓縮［5，25-26］。這種方式不僅可以減少光子能量損失，而且可以壓縮被測物厚度提高信噪比，達到優(yōu)化成像分辨率的作用［27-28］。一種用于乳腺光學(xué)斷層成像的混合CW-FD系統(tǒng)［5-6］，采用兩個平行面板對乳房進行壓縮，屬于壓縮接觸的方式。柏林物理技術(shù)小組和米蘭物理技術(shù)小組也開發(fā)了基于兩個平行面板之間的軟壓縮乳房斷層掃描時域系統(tǒng)［29-30］，也屬于壓縮接觸的方式。

乳腺DOT 系統(tǒng)采取非接觸式比較少見。美國Ⅰmaging Diagnostic System Ⅰnc.公司開發(fā)的計算機斷層掃描激光乳腺成像系統(tǒng)（computed tomography laser mammography，簡稱CTLM）［31-33］就采用了非接觸式。CTLM也是基于激光源和探測器呈二維環(huán)形陣列方式，使用808 nm 激光對乳房進行橫斷層掃描，屬于連續(xù)波DOT 系統(tǒng)。患者在接受檢查過程中乳房呈安全舒適的自然下垂?fàn)顟B(tài)，不需壓縮乳房，且不需注射對比劑。CTLM 充分體現(xiàn)了DOT和非接觸式的優(yōu)勢，同時兼顧了檢測時間和成像分辨率，實現(xiàn)了產(chǎn)品化。

由于近紅外光在組織內(nèi)高散射、低吸收的特點，導(dǎo)致DOT 成像分辨率存在一定的局限性［4-5，7，9，27］。特別在女性大尺寸乳腺檢測時，信噪比本身較低進而導(dǎo)致成像分辨率低，因此DOT采取非接觸式在進行大尺寸乳腺檢測時會加劇系統(tǒng)信噪比和成像分辨率低的問題。

本文基于CTLM系統(tǒng)，通過仿體實驗驗證了仿體直徑和目標(biāo)深度對信噪比和成像分辨率的影響。并通過仿體實驗提出了一種提高成像分辨率的方式，即使用高透性的光敏樹脂通過3D 打印制作外殼定位件，利用外殼定位件對被測物進行約束壓縮，以此減小被測物直徑來提高信噪比，提高成像分辨率。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗系統(tǒng)

本文采用CTLM獲取原始掃描數(shù)據(jù)，運用有限元重建算法對掃描數(shù)據(jù)進行圖像重建，已有文獻和書籍對該算法及其相應(yīng)的校準(zhǔn)方法進行了詳細的描述［1，19，21］。

CTLM檢查過程無創(chuàng)、無X射線輻射、無需注射造影劑，是功能性影像檢查設(shè)備，已有臨床研究證實了其有效性［31-33］。當(dāng)激光波長為808 nm 時，脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白的吸收系數(shù)相同且高于水及脂肪的吸收系數(shù)（圖1），CTLM基于此原理設(shè)計。CTLM系統(tǒng)掃描成像方式類似于計算機斷層掃描術(shù)（CT）方式，采取斷層掃描的方式，逐層掃描→逐層成像→逐層下降。CTLM主要由掃描系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)以及圖像重建系統(tǒng)（計算機）等組成（圖2a）。掃描系統(tǒng)包括光源即激光器、探測器以及機械運動系統(tǒng)等。光源激光器為波長（808±5）nm、光束發(fā)散角不大于8 mrad、激光輸出功率不超過500 mW的連續(xù)波激光器，可不間斷輸出信號。探測器為光電二極管，規(guī)格型號OSD35-LR-A，84個探測器呈環(huán)形均布排列。圖2b為光源、仿體以及探測器部分的光路系統(tǒng)圖。機械運動系統(tǒng)能實現(xiàn)水平面上的360°旋轉(zhuǎn)運動（正旋和反旋）以及垂直運動，垂直運動可選擇1、2、3、4 mm 四種下降間距。信號采集系統(tǒng)包含放大器、采集卡以及存儲卡等。圖像重建系統(tǒng)內(nèi)置于計算機內(nèi)。

Fig.1 The absorption spectrum of hemoglobin,water and fat under different wavelengths of light[34]

Fig.2 The schematic diagram of CTLM system(a)and the diagram of the light path system(b)

1.2 仿體材料制作

根據(jù)文獻［35-36］，仿體材料用印度墨汁（PH1714，Phygene?）模擬對光的吸收系數(shù)，20%脂肪乳劑（中/長鏈脂肪乳注射液C8-24，安徽豐原藥業(yè)股份有限公司）模擬對光的散射系數(shù)。設(shè)定仿體背景和目標(biāo)的參數(shù)吸收系數(shù)μa=0.01 mm-1，仿體背景散射系數(shù)：μ's=1 mm-1［1］。本文背景溶液涉及兩種類型，一種瓊脂基，即背景溶液為水與瓊脂粉（Regular Agarose G-10，Biowest?）混合所制；一種卡拉膠基，即背景溶液為水與卡拉膠（L型，廣東華盛食品有限公司）混合所制，背景溶液中卡拉膠用量減少至原瓊脂配比的1/3。目標(biāo)溶液均為瓊脂基。仿體所用材料配比如表1所示。

Table 1 The amount of each material required for the background and target solution

1.3 高透光敏樹脂外殼定位件

光敏樹脂主要由聚合物單體與預(yù)聚體組成，在一定波長的紫外光（250～300 nm）照射下便會立刻引起聚合反應(yīng)，完成固態(tài)化轉(zhuǎn)換，適用于3D 打印制作，為方便其以后針對于女性乳房大小的不同可定制外殼固定件。本實驗選取的是高透性光敏樹脂（規(guī)格型號：SPR8000，抗拉模量：2 700 MPa，泊松比=0.41）制成外殼定位件。SPR8000 是一種具備精確和耐久特性的完全透明的立體光造型樹脂，被用于固態(tài)激光的光固化成型法。

1.4 定量分析方法

使用matlab 軟件求DOT 圖像中ROⅠs 長軸和寬軸半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）和DOT 圖像整體的相對吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值。使用ⅠBW SPSS statistics 23 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 實驗結(jié)果

2.1 仿體直徑和目標(biāo)深度對成像分辨率的影響

為驗證仿體直徑和目標(biāo)深度對成像分辨率的影響，本文制作標(biāo)準(zhǔn)圓柱形仿體，即仿體背景和目標(biāo)均為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形結(jié)構(gòu)?；? 種仿體直徑D=60 mm、80 mm、100 mm 和3 種目標(biāo)深度L=15 mm、20 mm、25 mm 制作了9 種瓊脂基仿體（圖3），對比度均設(shè)定μa(contrast)∶μ's(contrast)=5∶3。用CTLM進行掃描獲取原始數(shù)據(jù)，運用有限元定量算法在迭代2次、3次、4次、5次下重建獲得圖像，并計算DOT 圖像整體的相對吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值，ROⅠs 長軸和寬軸半高寬。9 種仿體在迭代3 次時的DOT 圖像（圖3b）說明，CTLM系統(tǒng)以及有限元定量算法能對背景和目標(biāo)進行清楚顯示。隨著仿體直徑的增加，其ROⅠs 寬軸和長軸半高寬基本屬于上升趨勢；隨著目標(biāo)深度的增加，也會對ROⅠs 寬軸和長軸半高寬產(chǎn)生影響（表2）。

Fig.3 Sketch of the phantom(a)and the DOT images of 9 phantoms in 3 iterations(b)

運用單因素方差分析（one-way ANOVA）分別分析仿體直徑和目標(biāo)深度對相對吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值、ROⅠs 長軸和寬軸半高寬的影響。a.仿體直徑的影響。表3進行方差齊性檢驗，設(shè)定顯著性水平P為0.05，從表3 可知只有ROⅠs 長軸半高寬顯著性P=0.188＞0.05，其余顯著性P均小于0.05，故只有ROⅠs 長軸半高寬滿足方差齊性檢驗；表4 進行ANOVA 分析，且設(shè)定顯著性水平P=0.05，從表4 可知ROⅠs 長軸半高寬顯著性P=0.00＜0.05，結(jié)果說明仿體直徑對于ROⅠs長軸半高寬有顯著影響，對其他定量數(shù)據(jù)無顯著影響，即仿體直徑是成像分辨率的影響因素之一。b.目標(biāo)深度的影響。表5進行方差齊性檢驗，設(shè)定顯著性水平P為0.05，從表5可知ROⅠs長軸半高寬顯著性P=0.186＞0.05、ROⅠs 寬軸半高寬顯著性P=0.067＞0.05，其余顯著性P均小于0.05，故只有ROⅠs長軸和寬軸半高寬滿足方差齊性檢驗；表6 進行

ANOVA 分析，設(shè)定顯著性水平P為0.05，從表6可知ROⅠs長軸半高寬顯著性P=0.51＞0.05，ROⅠs寬軸半高寬顯著性P=0.028＜0.05，結(jié)果說明目標(biāo)深度對于ROⅠs 寬軸半高寬有顯著影響，對其他定量數(shù)據(jù)無顯著影響，即目標(biāo)深度也是成像分辨率的影響因素之一。

Table 2 Quantitative data of nine phantoms

Table 3 Test for homogeneity of variance(factor:the diameter of the phantom)

Table 4 Statistics of ANOVO(factor:the diameter of the phantom)

Table 5 Test for homogeneity of variance(factor:the depth of the target)

Table 6 Statistics of ANOVO(factor:the depth of the target)

Fig.4 Sketch of the outer covering part(a)and the DOT images of two phantoms without or with the outer covering part in 3 iterations(b)

Table 7 Quantitative data of two phantoms with the outer covering part

Table 8 Test for homogeneity of variance(factor:the outer covering part)

2.2 外殼定位件對成像分辨率的影響

為探討外殼定位件對成像分辨率的影響，本文選取2.1 實驗中仿體直徑D=80 mm、目標(biāo)深度L=15 mm、25 mm 的仿體分別加上外殼定位件（圖4a）后用CTLM進行掃描獲取原始數(shù)據(jù)，在迭代2次、3 次、4 次、5 次下重建獲得圖像，并計算DOT 圖像整體的相對吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值，ROⅠs 長軸和寬軸半高寬。兩種仿體在加外殼定位件前后迭代3 次時的DOT 圖像（圖4b）說明，CTLM 系統(tǒng)以及有限元定量算法均能對背景和目標(biāo)進行清楚顯示，不受外殼定位件的影響。加外殼定位件前后，其ROⅠs 寬軸和長軸半高寬變化不大（表7）。運用單因素方差分析外殼定位件對相對吸收系數(shù)總量、平均值、最大值、最小值、ROⅠs長軸和寬軸半高寬的影響。表8進行方差齊性檢驗，設(shè)定顯著性水平P為0.05，從表8 可知只有ROⅠs 長軸半高寬顯著性P=0.908＞0.05，其余顯著性P均小于0.05，故只有ROⅠs 長軸半高寬滿足方差齊性檢驗；表9 進行ANOVA 分析，設(shè)定顯著性水平P=0.05，從表9 可知ROⅠs 長軸半高寬顯著性P=0.89＞0.05，結(jié)果說明外殼定位件對所有定量數(shù)據(jù)均無顯著影響，實驗結(jié)果驗證了高透光敏樹脂外殼定位件對成像分辨率無明顯影響。

Table 9 Statistics of ANOVO （Dependent variable：Long-axis FWHM；Factor：The outer covering part）

2.3 外殼定位件的約束壓縮作用對成像分辨率的影響

為了更好探討外殼定位件的約束壓縮作用對成像分辨率的影響，本文制作了標(biāo)準(zhǔn)圓柱形仿體，其仿體直徑（D=100 mm）、仿體高度（H=80 mm）以及目標(biāo)直徑（d=10 mm）相同的5種卡拉膠基仿體。其中目標(biāo)深度L=20 mm的仿體設(shè)定了4種對比度，即μa(contrast)∶μ's(contrast)為5∶3、4∶2、3∶2 和2∶1；目標(biāo)深度L=30 mm 的仿體設(shè)定了一種對比度，即μa(contrast)∶μ's(contrast)為5∶3，仿體示意圖參照圖3a。對5 種仿體在加本文2.2 節(jié)中外殼定位件前后兩種情況下分別進行掃描，在迭代2 次、3 次、4 次、5 次下重建獲得圖像，并計算DOT 圖像ROⅠs 長軸和寬軸半高寬。圖5 為5 種仿體在加外殼定位件前后迭代3 次時的DOT 圖像，定量數(shù)據(jù)如表10所示。

Fig.5 The DOT images of 5 phantoms without or with the outer covering part in 3 iterations

Table 10 Quantitative data of 5 phantoms without/with the outer covering

成像結(jié)果說明，CTLM系統(tǒng)以及有限元定量算法均能對背景和目標(biāo)進行清楚顯示，不受對比度和外殼定位件的影響。另外，在加外殼定位件后，ROⅠs 長軸半高寬呈明顯下降趨勢，其降幅達到30%以上，ROⅠs 寬軸半高寬不如ROⅠs 長軸的降幅明顯，其降幅小于10%。因外殼定位件的主要作用體現(xiàn)在壓縮仿體直徑上，同時也驗證了“仿體直徑對于ROⅠs 長軸半高寬有顯著影響”的結(jié)果。實驗結(jié)果證明，加外殼定位件約束壓縮后成像分辨率優(yōu)于不加外殼定位件。

3 討 論

本文通過仿體實驗，驗證了不同仿體直徑和目標(biāo)深度對成像分辨率的影響。隨著仿體直徑的增加，其ROⅠs 寬軸和長軸半高寬基本呈上升趨勢；隨著目標(biāo)深度的增加，也會對ROⅠs 寬軸和長軸半高寬產(chǎn)生影響，但因深度變化量較小，其具體變化趨勢還有待于下一步進行研究。另外，通過單因素方差分析得出仿體直徑對ROⅠs 長軸半高寬有顯著影響，目標(biāo)深度對ROⅠs寬軸半高寬有顯著影響。

本文還提出了一種提高乳腺擴散光學(xué)層析成像分辨率的方式，使用高透性的光敏樹脂通過3D 打印制作外殼定位件并利用其對被測物進行約束壓縮，以減小被測物直徑來提高信噪比，優(yōu)化成像分辨率。針對這一改進方式，本文首先通過仿體實驗驗證了高透光敏樹脂外殼定位件對成像分辨率無明顯影響，其次通過仿體實驗，利用外殼定位件將直徑100 mm的仿體壓縮至直徑80 mm，ROⅠs長軸半高寬呈明顯下降趨勢，其降幅達到30%以上，ROⅠs寬軸半高寬不如ROⅠs長軸的降幅明顯，其降幅小于10%，驗證了“仿體直徑對于ROⅠs 長軸半高寬有顯著影響”的結(jié)果，證明了加外殼定位件約束壓縮后成像分辨率優(yōu)于不加外殼定位件，達到了提高成像分辨率的作用。另外，仿體用外殼定位件約束壓縮之后被測物深度同時也會發(fā)生變化，但是深度變化量相對于直徑變化量較小，故從其實驗結(jié)果中看出寬軸半高寬變化不明顯，其降幅均小于10%。

本文實驗均基于標(biāo)準(zhǔn)圓形仿體，對于非圓形仿體的成像效果有待探討，這也將是下一步實驗計劃。在可能的條件下，希望能進行少量人體實驗進一步驗證該方案的可行性。

4 結(jié) 論

本文所提出的方式能夠達到提高乳腺擴散光學(xué)層析成像分辨率的作用，且所使用的材料和方法簡單，具有較強的可實施性，為提高乳腺擴散光層析成像分辨率提供了新思路。