[发明专利]使用短波红外(SWIR)投影层析成像对解剖器官和内含物进行3D重建的系统和方法

说明书

本文公开了使用短波红外光对受试者的关注区域进行层析成像的系统和方法，以提供对所述关注区域内的吸收图的准确重建。重建的吸收图是所述关注区域内组织吸收的空间变化的表示。重建的吸收图本身可以用于分析所述关注区域内的解剖学性质和生物学过程，和/或用作有关解剖学性质的输入信息，以促进通过其他成像模态获得所述关注区域的图像的数据处理。例如，可以将重建的吸收图并入前向模型中，所述前向模型用于荧光和其他基于对比度的层析成像模态中的层析成像重建处理中。以这种方式将重建的吸收图并入其他层析成像重建处理算法中提高了所得重建的准确性。

技术领域

本发明总体涉及用于层析成像的方法和系统。更具体地，在某些实施方案中，本发明涉及使用短波红外(SWIR)辐射的层析成像。

背景技术

小型哺乳动物的体内成像由肿瘤学、传染病和药物研发等各个领域的大量研究人员进行。涉及哺乳动物体内成像的技术种类繁多，例如生物发光、荧光、层析成像和多模态成像技术。

许多成像模态是层析成像方法。层析成像是基于对透射过样品或从样品发出的光的检测，以获得所研究样品的图像或推断所研究样品的光学性质。例如，层析成像可以用于重建所研究受试者的关注区域内的组织吸收图。在其他应用中，层析成像用于生成存在于关注区域中的探针(例如，荧光发射器)的空间分布图。因此，层析成像允许以无创方式构建对象的内部结构的细节图像，以及在受试者的关注区域内分布探针。

光学层析成像可以提供与所研究受试者内的生物学过程分析有关的重要信息，而这些信息是无法从非光学成像技术(诸如，微型CT或磁共振成像(MRI))获得的。例如，在光波长下的组织吸收图能够提供与血红蛋白浓度和组织氧合状态有关的生物功能信息，这些生物功能信息可用于检测某些类型的肿瘤。此外，与X射线成像或MRI技术相比，光学吸收另外为诸如心脏等某些器官的定位提供了改进的对比度。

光学层析成像还可用于对所施用的或内源性的发光探针(诸如荧光或生物发光探针)的空间分布绘图。例如，荧光探针吸收在对象内部传播的光，并发射比在对象内部吸收的光更长波长(更低能量)的光，从而允许对动物和人类的整个组织中的功能和分子特征(signature)进行无创体内研究。荧光光学层析成像系统由此提供分子成像，其可用于可视地指示作为疾病基础的分子异常，而不是像常规成像方法那样仅成像具有可疑分子异常的区域中的解剖结构。分子靶标的特异性成像提供了疾病的更早检测和表征，以及更早和直接的治疗功效分子评估。在美国专利申请公开号US2004/0015062中描述了说明性的荧光光学层析成像系统，该申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

然而，由于传播通过组织的光经历的强散射，当前用于提供受试者区域内光学吸收的层析成像重建的光学技术受到限制。光散射本身限制了分辨率，并且通过要求准确地考虑光子漫射效应，也增加了层析成像重建过程的复杂性。在层析成像重建过程中考虑光子漫射会通过建模误差和噪声导致明显的不准确性和伪影。

此外，用于可视化受试者内施用的或内源性的探针的光学层析成像技术往往依赖于复杂的层析成像重建过程，以获得受试者内探针的空间分布的图像。在此类光学层析成像技术中采用的层析成像重建处理通常利用复杂的前向模型来描述光子在漫射介质中的传播，以便使用对从受试者区域内的给定探针发出的光进行的一系列测量来推断(例如，通过逆问题的求解)所述探针的空间分布。此类前向模型必须考虑组织内光子的吸收和多重散射。因此，前向模型的准确性以及依赖于前向模型的层析成像重建的准确性受到已知所研究组织的光学性质的准确性的限制。

需要提供对所研究受试者中的关注区域进行准确和定量的层析成像的系统和方法，其考虑了异质光学性质。

发明内容