[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一种聚焦X射线荧光断层扫描（FXLT）系统，通过使用超细聚焦X射线束激发掺杂稀土元素的纳米颗粒，实现了亚150 μm的空间分辨率和2 μM的分子灵敏度，从而在减少光学散射的同时实现高分辨率分子成像。当考虑背景荧光时，该系统实测灵敏度约为5 μM，该结果通过数值模拟和基于光纤束-PMT探测系统的物理实验得到验证。

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.

研究动机与目标

• 解决传统生物光子学在深层组织成像中因强光学散射和信噪比低而导致的局限性。
• 开发一种结合X射线激发与荧光检测的混合分子成像模式，以提高空间分辨率和灵敏度。
• 在实际、实验验证的系统中实现亚150 μm的空间分辨率和2 μM的分子灵敏度。
• 通过数值模拟和基于光纤束-PMT探测系统的物理测量，评估系统性能。

提出的方法

• 设计一种利用超细聚焦X射线束激发掺杂稀土元素纳米颗粒的聚焦X射线荧光断层扫描（FXLT）系统。
• 采用与光电倍增管（PMT）耦合的光纤束，高效收集发射的可见光子。
• 实施一种断层重建算法，从测量的投影数据中重建三维分子分布。
• 利用数值模拟预测系统性能并指导实验设计。
• 通过物理幻像进行实验验证，以评估空间分辨率和分子灵敏度。
• 基于光子计数率和探测效率，分析每次扫描的测量时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 聚焦X射线束是否能在荧光断层扫描中实现亚150 μm的空间分辨率？
• RQ2 在考虑背景荧光的情况下，FXLT系统的分子灵敏度是多少？
• RQ3 光纤束-PMT探测系统的光子收集效率如何影响扫描时间和图像质量？
• RQ4 FXLT系统在空间分辨率和灵敏度方面相较于传统X射线荧光计算机断层扫描（XLCT）的性能提升程度如何？
• RQ5 数值模拟与物理测量在预测FXLT系统性能方面的一致性如何？

主要发现

• FXLT系统实现了优于150 μm的空间分辨率，证明了其具备高分辨率分子成像能力。
• 在考虑背景荧光的情况下，FXLT系统的分子灵敏度经实验测定约为5 μM。
• 系统性能通过数值模拟和物理测量得到双重验证，预测结果与观测结果表现出高度一致性。
• 基于光子计数率，对每次扫描的测量时间进行了理论估算，实现了高效的数据采集。
• 光纤束-PMT探测系统提供了足够的信号收集效率，支持低浓度下的高灵敏度成像。
• 该系统通过采用X射线激发而非光学激发，有效减轻了深层组织中光学散射的影响。