[論文レビュー] Development of a focused-X-ray luminescence tomography (FXLT) system

Michael C. Lun, Wei Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2017

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、希土類元素ドープナノ粒子を励起するために超微細な焦点をもつX線ビームを用いることで、150 μm未満の空間分解能と2 μMの分子感受性を達成する、焦点を当てたX線ルミネッセンス断層撮影（FXLT）システムを提示する。このシステムにより、光学的散乱を低減した高分解能の分子イメージングが可能となる。背景ルミネッセンスを考慮した場合の測定感度は約5 μMであり、数値的シミュレーションと物理的実験（ファイバー束-PMT検出装置を用いて）により検証されている。

ABSTRACT

Biophotonics is an active research area in molecular imaging, genetic diagnosis and prognosis, with direct applicability in precision medicine. However, long-standing challenges of biophotonics are well known due to low signal-to-noise ratio and poor image quality, mainly due to strong optical scattering especially in deep tissues. Recently, X-ray luminescence computed tomography (XLCT) has emerged as a hybrid molecular imaging modality and shown great promises in overcoming the optical scattering in deep tissues. However, its high spatial resolution capacity has not been fully implemented yet. In this paper, with a superfine focused X-ray beam we design a focused-X-ray luminescence tomography (FXLT) system for spatial resolution better than 150 micrometers and molecular sensitivity of 2 micromolar. First, we describe our system design. Then, we demonstrate that the molecular sensitivity of FXLT is about 5 micromolar considering the emitted visible photons from background. Furthermore, we analyze the measurement time per scan from measured photons numbers with a fiber bundle-PMT setup, report numerical and experimental results. Finally, we specify the imaging system performance based on numerical simulations and physical measurements.

研究の動機と目的

• 強い光学的散乱と低SNRによる従来のバイオフォトンニクスの深部組織イメージングにおける限界を解決すること。
• X線励起とルミネッセンス検出を組み合わせたハイブリッド分子イメージングモダリティを開発し、空間分解能と感受性を向上させること。
• 実験的に検証されたシステムで、150 μm未満の空間分解能と2 μMの分子感受性を達成すること。
• ファイバー束-PMT検出装置を用いた数値的シミュレーションと物理的測定を組み合わせて、システムの性能を評価すること。

提案手法

• 希土類元素ドープナノ粒子を励起するために、超微細な焦点をもつX線ビームを用いた焦点を当てたX線ルミネッセンス断層撮影（FXLT）システムの設計。
• 放出される可視光子を効率的に収集するために、ファイバー束とフォトンマルチプライヤー管（PMT）を組み合わせた検出。
• 測定された投影データから3次元分子分布を再構成するためのトモグラフィック再構成アルゴリズムの実装。
• システム性能の予測と実験的設計の支援のため、数値的シミュレーションの活用。
• 空間分解能と分子感受性を評価するため、物理的アンビエントを用いた実験的検証。
• 光子カウントレートと検出効率に基づいたスキャンあたりの測定時間の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 焦点を当てたX線ビームは、ルミネッセンス断層撮影において150 μm未満の空間分解能を達成できるか？
• RQ2 背景ルミネッセンスを考慮した場合、FXLTシステムの分子感受性はどの程度か？
• RQ3 ファイバー束-PMT検出装置の光子収集効率は、スキャン時間と画像品質にどのように影響するか？
• RQ4 FXLTシステムは、従来のX線ルミネッセンス画像診断（XLCT）に比べて、空間分解能と感受性でどの程度優れているか？
• RQ5 数値的シミュレーションと物理的測定の間には、FXLTシステム性能の予測においてどの程度の相関があるか？

主な発見

• FXLTシステムは150 μm未満の空間分解能を達成しており、高分解能の分子イメージング能力を示している。
• 背景ルミネッセンスを考慮した場合、FXLTシステムの分子感受性は実験的に約5 μMであると決定された。
• システムの性能は、数値的シミュレーションと物理的測定の両方で検証されており、予測結果と観測結果の強い一貫性が示された。
• 光子カウントレートに基づいて、測定時間の解析的推定がなされ、効率的なデータ取得が可能となった。
• ファイバー束-PMT検出装置は、低濃度での高感受性イメージングを支援する十分な信号収集効率を提供している。
• 光学励起ではなくX線励起を用いることで、深部組織における光学的散乱の影響を効果的に軽減している。