[논문 리뷰] Development of a focused-X-ray luminescence tomography (FXLT) system

Michael C. Lun, Wei Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 28.

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques참고 문헌 27인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 희토류 도핑 나노입자를 자극하기 위해 초미세 집속 X선 비임을 사용함으로써 150 μm 이하의 공간 해상도와 2 μM의 분자 감도를 달성하는 집중 X선 루미네스선 단층촬영(FXLT) 시스템을 제시한다. 이는 빛 산산이 흩어지는 것을 줄이며 고해상도 분자 영상 촬영을 가능하게 한다. 배경 루미네스선을 고려할 때 시스템의 측정 감도는 약 5 μM로 나타났으며, 수치 시뮬레이션과 물리적 실험을 통해 검증되었다. 이는 섬유 뭉치-PMT 검출 장치를 사용한 실험으로 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 광학 산산이 흩어짐과 낮은 신호 대 잡음비로 인해 전통적인 생물광학이 깊은 조직 영상에서 한계를 보이는 문제를 해결하기 위해.
• X선 자극과 루미네스선 검출을 조합한 하이브리드 분자 영상 모odal을 개발하여 공간 해상도와 감도를 향상시키기 위해.
• 실제로 실험적으로 검증된 시스템에서 150 μm 이하의 공간 해상도와 2 μM의 분자 감도를 달성하기 위해.
• 섬유 뭉치-PMT 검출 장치를 사용한 수치 시뮬레이션과 물리적 측정을 통해 시스템 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 희토류 도핑 나노입자를 자극하기 위해 초미세 집속 X선 비임을 사용하는 집중 X선 루미네스선 단층촬영(FXLT) 시스템 설계.
• 방출된 가시광선을 효율적으로 수집하기 위해 섬유 뭉치와 광증폭관(PMT)을 조합.
• 측정된 투영 데이터로부터 3차원 분자 분포를 재구성하기 위한 단층촬영 재구성 알고리즘 구현.
• 시스템 성능를 예측하고 실험 설계를 안내하기 위해 수치 시뮬레이션 수행.
• 공간 해상도와 분자 감도를 평가하기 위해 물리적 페phantom을 사용한 실험적 검증.
• 광자 수율과 검출 효율에 기반하여 스캔 당 측정 시간을 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 집중 X선 비임이 루미네스선 단층촬영에서 150 μm 이하의 공간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 배경 루미네스선을 고려할 때 FXLT 시스템의 분자 감도는 얼마인가?
• RQ3 섬유 뭉치-PMT 장치의 광자 수확 효율은 스캔 시간과 영상 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FXLT 시스템이 기존의 X선 루미네스선 단층촬영(XLCT)에 비해 공간 해상도와 감도에서 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 수치 시뮬레이션과 물리적 측정 간의 상관관계는 FXLT 시스템 성능 예측에서 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• FXLT 시스템은 150 μm 이하의 공간 해상도를 달성하여 고해상도 분자 영상 능력을 입증한다.
• 배경 루미네스선을 고려할 때 FXLT 시스템의 분자 감도는 실험적으로 약 5 μM로 결정되었다.
• 수치 시뮬레이션과 물리적 측정을 통해 시스템 성능가 검증되었으며, 예측된 결과와 관측된 결과 사이에 강한 일치가 나타났다.
• 광자 수율에 기반하여 스캔 당 측정 시간을 분석적으로 추정함으로써 효율적인 데이터 수집이 가능했다.
• 섬유 뭉치-PMT 검출 장치는 낮은 농도에서 고감도 영상 촬영을 지원할 수 있는 충분한 신호 수집 효율을 제공한다.
• 광학 자극 대신 X선 자극을 사용함으로써 깊은 조직 내 광학 산산이 흩어지는 영향을 효과적으로 완화한다.