李 伦 吴 丹 温艳婷 陈 艺 迟子惠 田 银 蒋华北

（1）重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆400065；2）重庆邮电大学光电工程学院，重庆400065；3）成都市第五人民医院超声医学科，成都611130；4）Department of Medical Engineering,University of South Florida,Tampa 33620,USA）

扩散光学层析成像 （diffuse optical tomography，DOT）又称漫射光学层析成像，是一种新兴的生物医学成像技术，使用近红外光测量以及基于模型的逆计算，提供组织光学特性的空间分布（即吸收系数和散射系数）［1］。DOT 因其无创性、无辐射性以及便携性等［1］一直是生物医学光子学的研究热点，主要研究方向集中在光学乳腺检测、脑成像、荧光分子层析成像、新生儿大脑供氧状况及血氧动力学［2-18］等。DOT 按系统工作模式主要分为连续波（CW）系统、频域（FD）系统和时域（TD）系统［1］，按与被测物的接触方式主要分接触式和非接触式［1］，接触式又可以分为与被测物直接接触和与被测物压缩接触。

目前，大多数研究学者主要基于接触式进行乳腺DOT研究。直接接触是DOT研究中最常见的接触方式［4-5，7，19-20］，一般基于激光源和探测器呈二维环形阵列。这种方式可以减少光子能量损失、捕获到更多的信号来提高信噪比优化成像分辨率，同时也能对被测物有一定程度的压缩作用。Jiang等［2］早在1995年就建立了频域DOT系统，属于直接接触的方式。因连续波系统有着系统相对简单、高信噪比和成本低等特点［1］，在2000年使用单光电倍增管PMT 检测建立了第一代单波长（nm）连续波DOT系统［3-4，21］，2003年建立了第二代三波长（nm）连续波DOT 系统［22］，2006年建立了第三代十波长（nm）连续波DOT系统［23］，也都属于直接接触的方式。采用连续波技术研制的扩散荧光-光学层析成像乳腺肿瘤诊断系统和多波长DOT 系统也属于直接接触的方式［7，24］。压缩接触是鉴于传统乳腺X射线的经验，采用平行面板对被测物进行压缩［5，25-26］。这种方式不仅可以减少光子能量损失，而且可以压缩被测物厚度提高信噪比，达到优化成像分辨率的作用［27-28］。一种用于乳腺光学断层成像的混合CW-FD系统［5-6］，采用两个平行面板对乳房进行压缩，属于压缩接触的方式。柏林物理技术小组和米兰物理技术小组也开发了基于两个平行面板之间的软压缩乳房断层扫描时域系统［29-30］，也属于压缩接触的方式。

乳腺DOT 系统采取非接触式比较少见。美国Ⅰmaging Diagnostic System Ⅰnc.公司开发的计算机断层扫描激光乳腺成像系统（computed tomography laser mammography，简称CTLM）［31-33］就采用了非接触式。CTLM也是基于激光源和探测器呈二维环形阵列方式，使用808 nm 激光对乳房进行横断层扫描，属于连续波DOT 系统。患者在接受检查过程中乳房呈安全舒适的自然下垂状态，不需压缩乳房，且不需注射对比剂。CTLM 充分体现了DOT和非接触式的优势，同时兼顾了检测时间和成像分辨率，实现了产品化。

由于近红外光在组织内高散射、低吸收的特点，导致DOT 成像分辨率存在一定的局限性［4-5，7，9，27］。特别在女性大尺寸乳腺检测时，信噪比本身较低进而导致成像分辨率低，因此DOT采取非接触式在进行大尺寸乳腺检测时会加剧系统信噪比和成像分辨率低的问题。

本文基于CTLM系统，通过仿体实验验证了仿体直径和目标深度对信噪比和成像分辨率的影响。并通过仿体实验提出了一种提高成像分辨率的方式，即使用高透性的光敏树脂通过3D 打印制作外壳定位件，利用外壳定位件对被测物进行约束压缩，以此减小被测物直径来提高信噪比，提高成像分辨率。

1 实验材料与方法

1.1 实验系统

本文采用CTLM获取原始扫描数据，运用有限元重建算法对扫描数据进行图像重建，已有文献和书籍对该算法及其相应的校准方法进行了详细的描述［1，19，21］。

CTLM检查过程无创、无X射线辐射、无需注射造影剂，是功能性影像检查设备，已有临床研究证实了其有效性［31-33］。当激光波长为808 nm 时，脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收系数相同且高于水及脂肪的吸收系数（图1），CTLM基于此原理设计。CTLM系统扫描成像方式类似于计算机断层扫描术（CT）方式，采取断层扫描的方式，逐层扫描→逐层成像→逐层下降。CTLM主要由扫描系统、信号采集系统以及图像重建系统（计算机）等组成（图2a）。扫描系统包括光源即激光器、探测器以及机械运动系统等。光源激光器为波长（808±5）nm、光束发散角不大于8 mrad、激光输出功率不超过500 mW的连续波激光器，可不间断输出信号。探测器为光电二极管，规格型号OSD35-LR-A，84个探测器呈环形均布排列。图2b为光源、仿体以及探测器部分的光路系统图。机械运动系统能实现水平面上的360°旋转运动（正旋和反旋）以及垂直运动，垂直运动可选择1、2、3、4 mm 四种下降间距。信号采集系统包含放大器、采集卡以及存储卡等。图像重建系统内置于计算机内。

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 仿体材料制作

根据文献［35-36］，仿体材料用印度墨汁（PH1714，Phygene®）模拟对光的吸收系数，20%脂肪乳剂（中/长链脂肪乳注射液C8-24，安徽丰原药业股份有限公司）模拟对光的散射系数。设定仿体背景和目标的参数吸收系数μa=0.01 mm-1，仿体背景散射系数：μ's=1 mm-1［1］。本文背景溶液涉及两种类型，一种琼脂基，即背景溶液为水与琼脂粉（Regular Agarose G-10，Biowest®）混合所制；一种卡拉胶基，即背景溶液为水与卡拉胶（L型，广东华盛食品有限公司）混合所制，背景溶液中卡拉胶用量减少至原琼脂配比的1/3。目标溶液均为琼脂基。仿体所用材料配比如表1所示。

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

1.3 高透光敏树脂外壳定位件

光敏树脂主要由聚合物单体与预聚体组成，在一定波长的紫外光（250～300 nm）照射下便会立刻引起聚合反应，完成固态化转换，适用于3D 打印制作，为方便其以后针对于女性乳房大小的不同可定制外壳固定件。本实验选取的是高透性光敏树脂（规格型号：SPR8000，抗拉模量：2 700 MPa，泊松比=0.41）制成外壳定位件。SPR8000 是一种具备精确和耐久特性的完全透明的立体光造型树脂，被用于固态激光的光固化成型法。

1.4 定量分析方法

使用matlab 软件求DOT 图像中ROⅠs 长轴和宽轴半高宽（full width at half maximum，FWHM）和DOT 图像整体的相对吸收系数总量、平均值、最大值、最小值。使用ⅠBW SPSS statistics 23 进行数据统计分析。

2 实验结果

2.1 仿体直径和目标深度对成像分辨率的影响

为验证仿体直径和目标深度对成像分辨率的影响，本文制作标准圆柱形仿体，即仿体背景和目标均为标准圆柱形结构。基于3 种仿体直径D=60 mm、80 mm、100 mm 和3 种目标深度L=15 mm、20 mm、25 mm 制作了9 种琼脂基仿体（图3），对比度均设定μa(contrast)∶μ's(contrast)=5∶3。用CTLM进行扫描获取原始数据，运用有限元定量算法在迭代2次、3次、4次、5次下重建获得图像，并计算DOT 图像整体的相对吸收系数总量、平均值、最大值、最小值，ROⅠs 长轴和宽轴半高宽。9 种仿体在迭代3 次时的DOT 图像（图3b）说明，CTLM系统以及有限元定量算法能对背景和目标进行清楚显示。随着仿体直径的增加，其ROⅠs 宽轴和长轴半高宽基本属于上升趋势；随着目标深度的增加，也会对ROⅠs 宽轴和长轴半高宽产生影响（表2）。

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

运用单因素方差分析（one-way ANOVA）分别分析仿体直径和目标深度对相对吸收系数总量、平均值、最大值、最小值、ROⅠs 长轴和宽轴半高宽的影响。a.仿体直径的影响。表3进行方差齐性检验，设定显著性水平P为0.05，从表3 可知只有ROⅠs 长轴半高宽显著性P=0.188＞0.05，其余显著性P均小于0.05，故只有ROⅠs 长轴半高宽满足方差齐性检验；表4 进行ANOVA 分析，且设定显著性水平P=0.05，从表4 可知ROⅠs 长轴半高宽显著性P=0.00＜0.05，结果说明仿体直径对于ROⅠs长轴半高宽有显著影响，对其他定量数据无显著影响，即仿体直径是成像分辨率的影响因素之一。b.目标深度的影响。表5进行方差齐性检验，设定显著性水平P为0.05，从表5可知ROⅠs长轴半高宽显著性P=0.186＞0.05、ROⅠs 宽轴半高宽显著性P=0.067＞0.05，其余显著性P均小于0.05，故只有ROⅠs长轴和宽轴半高宽满足方差齐性检验；表6 进行

ANOVA 分析，设定显著性水平P为0.05，从表6可知ROⅠs长轴半高宽显著性P=0.51＞0.05，ROⅠs宽轴半高宽显著性P=0.028＜0.05，结果说明目标深度对于ROⅠs 宽轴半高宽有显著影响，对其他定量数据无显著影响，即目标深度也是成像分辨率的影响因素之一。

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 外壳定位件对成像分辨率的影响

为探讨外壳定位件对成像分辨率的影响，本文选取2.1 实验中仿体直径D=80 mm、目标深度L=15 mm、25 mm 的仿体分别加上外壳定位件（图4a）后用CTLM进行扫描获取原始数据，在迭代2次、3 次、4 次、5 次下重建获得图像，并计算DOT 图像整体的相对吸收系数总量、平均值、最大值、最小值，ROⅠs 长轴和宽轴半高宽。两种仿体在加外壳定位件前后迭代3 次时的DOT 图像（图4b）说明，CTLM 系统以及有限元定量算法均能对背景和目标进行清楚显示，不受外壳定位件的影响。加外壳定位件前后，其ROⅠs 宽轴和长轴半高宽变化不大（表7）。运用单因素方差分析外壳定位件对相对吸收系数总量、平均值、最大值、最小值、ROⅠs长轴和宽轴半高宽的影响。表8进行方差齐性检验，设定显著性水平P为0.05，从表8 可知只有ROⅠs 长轴半高宽显著性P=0.908＞0.05，其余显著性P均小于0.05，故只有ROⅠs 长轴半高宽满足方差齐性检验；表9 进行ANOVA 分析，设定显著性水平P=0.05，从表9 可知ROⅠs 长轴半高宽显著性P=0.89＞0.05，结果说明外壳定位件对所有定量数据均无显著影响，实验结果验证了高透光敏树脂外壳定位件对成像分辨率无明显影响。

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

2.3 外壳定位件的约束压缩作用对成像分辨率的影响

为了更好探讨外壳定位件的约束压缩作用对成像分辨率的影响，本文制作了标准圆柱形仿体，其仿体直径（D=100 mm）、仿体高度（H=80 mm）以及目标直径（d=10 mm）相同的5种卡拉胶基仿体。其中目标深度L=20 mm的仿体设定了4种对比度，即μa(contrast)∶μ's(contrast)为5∶3、4∶2、3∶2 和2∶1；目标深度L=30 mm 的仿体设定了一种对比度，即μa(contrast)∶μ's(contrast)为5∶3，仿体示意图参照图3a。对5 种仿体在加本文2.2 节中外壳定位件前后两种情况下分别进行扫描，在迭代2 次、3 次、4 次、5 次下重建获得图像，并计算DOT 图像ROⅠs 长轴和宽轴半高宽。图5 为5 种仿体在加外壳定位件前后迭代3 次时的DOT 图像，定量数据如表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

成像结果说明，CTLM系统以及有限元定量算法均能对背景和目标进行清楚显示，不受对比度和外壳定位件的影响。另外，在加外壳定位件后，ROⅠs 长轴半高宽呈明显下降趋势，其降幅达到30%以上，ROⅠs 宽轴半高宽不如ROⅠs 长轴的降幅明显，其降幅小于10%。因外壳定位件的主要作用体现在压缩仿体直径上，同时也验证了“仿体直径对于ROⅠs 长轴半高宽有显著影响”的结果。实验结果证明，加外壳定位件约束压缩后成像分辨率优于不加外壳定位件。

3 讨 论

本文通过仿体实验，验证了不同仿体直径和目标深度对成像分辨率的影响。随着仿体直径的增加，其ROⅠs 宽轴和长轴半高宽基本呈上升趋势；随着目标深度的增加，也会对ROⅠs 宽轴和长轴半高宽产生影响，但因深度变化量较小，其具体变化趋势还有待于下一步进行研究。另外，通过单因素方差分析得出仿体直径对ROⅠs 长轴半高宽有显著影响，目标深度对ROⅠs宽轴半高宽有显著影响。

本文还提出了一种提高乳腺扩散光学层析成像分辨率的方式，使用高透性的光敏树脂通过3D 打印制作外壳定位件并利用其对被测物进行约束压缩，以减小被测物直径来提高信噪比，优化成像分辨率。针对这一改进方式，本文首先通过仿体实验验证了高透光敏树脂外壳定位件对成像分辨率无明显影响，其次通过仿体实验，利用外壳定位件将直径100 mm的仿体压缩至直径80 mm，ROⅠs长轴半高宽呈明显下降趋势，其降幅达到30%以上，ROⅠs宽轴半高宽不如ROⅠs长轴的降幅明显，其降幅小于10%，验证了“仿体直径对于ROⅠs 长轴半高宽有显著影响”的结果，证明了加外壳定位件约束压缩后成像分辨率优于不加外壳定位件，达到了提高成像分辨率的作用。另外，仿体用外壳定位件约束压缩之后被测物深度同时也会发生变化，但是深度变化量相对于直径变化量较小，故从其实验结果中看出宽轴半高宽变化不明显，其降幅均小于10%。

本文实验均基于标准圆形仿体，对于非圆形仿体的成像效果有待探讨，这也将是下一步实验计划。在可能的条件下，希望能进行少量人体实验进一步验证该方案的可行性。

4 结 论

本文所提出的方式能够达到提高乳腺扩散光学层析成像分辨率的作用，且所使用的材料和方法简单，具有较强的可实施性，为提高乳腺扩散光层析成像分辨率提供了新思路。