本文以實(shí)驗(yàn)結(jié)合光學(xué)軟件FRED來驗(yàn)證熒光介質(zhì)上覆蓋散射層的影響,結(jié)合AF-OCT系統(tǒng)能夠減少由于上皮組織增厚引起的假陽性,增強(qiáng)AF疾病檢測的功效。 >H}jR[H' 6!+X.+ 摘要: ],\sRQbv&
|,;twj[?4
在本文中,我們通過模擬組織的自發(fā)熒光(AF)特性進(jìn)行了模型的研究。我們組合了光學(xué)相干斷層掃描(OCT)和AF成像系統(tǒng),依據(jù)散射層的厚度和濃度來測量AF信號(hào)的強(qiáng)度。使用由生成的OCT圖像計(jì)算得到的厚度和散射濃度,結(jié)合AF-OCT系統(tǒng)能夠估計(jì)由上皮組織散射引起的AF損耗。我們定義了一個(gè)校正因子來計(jì)算上皮組織中的散射損耗,并且計(jì)算了一個(gè)校正散射AF信號(hào)。我們認(rèn)為校正散射AF將會(huì)減少在早期呼吸道病變檢測中的診斷誤檢率,誤檢是由混合因子產(chǎn)生,如增加的皮層厚度和炎癥。 \ I^nx+l
[O7w = 關(guān)鍵詞:光學(xué)相干斷層掃描;自發(fā)熒光;光散射;模型;光線光學(xué);OCT A-line數(shù)據(jù) >X[|c"l. NTm<6Is` 1. 簡介 sK@Y!oF}\ 自發(fā)熒光(AF)成像是一項(xiàng)已實(shí)現(xiàn)的技術(shù),使用藍(lán)光來激發(fā)自然組織熒光。通過收集高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行活檢識(shí)別,已經(jīng)證明這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于癌癥的早期檢測和癌的分期是及其有效的。雖然通過白光成像可以容易的檢測浸潤癌,原位癌和高度的癌前病變的檢測卻十分棘手。白光成像中的變化十分微小,然而,AF成像可以清楚地對(duì)比這種病變。當(dāng)受到藍(lán)光照射時(shí),正常的組織會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的綠色AF,而異常組織則缺少這種AF輻射。 goDV2alC^ 盡管AF成像可以方便的檢測原位癌,對(duì)于良性組織的異,F(xiàn)象也是十分敏感的。例如,上皮組織的厚度未必就與癌癥相關(guān),但是它確實(shí)減少了由散射產(chǎn)生的AF信號(hào),導(dǎo)致了假陽性。因此,將癌癥與其他非危險(xiǎn)異,F(xiàn)象區(qū)別開來可以極大地增加治療的療效。 .QXG"R 光學(xué)相干斷層掃描(OCT)是可以獲得生物組織皮下圖像的一項(xiàng)相干技術(shù),它可以提供小于10μm軸向分辨率和大約3mm穿透深度的圖像。OCT采用了非電離,通常是近紅外的輻射來捕獲組織形態(tài)的實(shí)時(shí)圖像。OCT可以用于研究高風(fēng)險(xiǎn)的組織位置。因此,當(dāng)用于組合時(shí),以一種同時(shí)和協(xié)作的形式,AF-OCT成像可以提供豐富的生化信息,并定位組織形態(tài),這些不能通過單獨(dú)的成像模式獲得。比如,在上皮組織增厚的情況下,OCT可以直接測量上皮組織厚度,并且將AF信號(hào)衰減歸因于上皮增厚,而不是癌癥前期引起的膠原重建。因此,由OCT給定結(jié)構(gòu)信息,并結(jié)合AF-OCT可以減少AF假陽性。 JFRpsv AF信號(hào)強(qiáng)度不僅取決于原位的熒光,也取決于不同組織層的光吸收和散射。組織的光散射已經(jīng)經(jīng)過了深入的研究1-6。模擬組織散射可以提供與AF信號(hào)強(qiáng)度有價(jià)值的信息。由于價(jià)格低廉、方便校準(zhǔn)且易于獲得,英脫利匹特(Intralipid)是用于組織模型最常見的散射媒介。這項(xiàng)工作的目的是根據(jù)散射層的厚度模擬組織自發(fā)熒光的性質(zhì)。我們定義了一個(gè)AF信號(hào)校正因子,用來說明散射層引起的損耗。OCT圖像給出了散射層厚度和散射顆粒的濃度,這是校正因子計(jì)算所需的兩個(gè)因素。因此,我們提出了AF-OCT系統(tǒng),作為癌癥檢測的一個(gè)更靈敏和精確的成像工具。 LAv:+o(m/ 首先,我們解釋了Intralipid模型研究,旨在模擬不同上皮厚度的組織散射特性。然后,使用光線光學(xué)仿真來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。使用AF和OCT數(shù)據(jù)計(jì)算AF校正因子將在最后一章解釋。 9jO`gWxV8* 5[,+\ 2. 實(shí)驗(yàn)步驟 ;GE26Ymqly 我們建立了一個(gè)能夠結(jié)合OCT和AF成像的雙態(tài)成像系統(tǒng),OCT圖像測量Intralipid膜的厚度和濃度,AF圖像給出相應(yīng)的AF信號(hào)強(qiáng)度。因此,AF-OCT成像可以映射不同濃度下AF強(qiáng)度和Intralipid厚度的關(guān)系。 djsz!$ OCT光激發(fā)使用一個(gè)30mW基于多邊形掃描儀的掃描波長的激光光源,具有106.8nm的帶寬,中心波長為1321.4nm。 激光光源為一個(gè)基于光纖的具有參考臂和樣品臂的馬赫澤德干涉儀(MZI),如圖1所示(OCT部分)。平衡的光電探測器(ThorLabs)檢測干涉。另一個(gè)MZI單元在光源處使用,來產(chǎn)生樣品的參考時(shí)鐘。探測器輸出和MZI時(shí)鐘注入到數(shù)字轉(zhuǎn)換器卡(AlazarTech)中,實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和創(chuàng)建OCT圖像。 F1gt3 ae AF成像系統(tǒng)使用一個(gè)40mW的半導(dǎo)體激光器(相干),在446nm處激發(fā)熒光。使用兩個(gè)1英寸直徑的透鏡和一個(gè)基于APD的探測器(Hamamatsu)來收集再發(fā)射的AF光子。二向色性的濾波片從AF光子中分離出后向散射的藍(lán)光,如圖1所示(AF部分)。通過在自由空間的背面拋光寬板電介質(zhì)反射鏡(ThorLabs),OCT和AF光信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)合和分離。電流掃描鏡提供了樣品AF和OCT光束共同的2維掃描。 X-kXg)!Bg |5=~(-I>@ 圖1.AF-OCT成像系統(tǒng) K`Bq(z?/
我們的模型,如圖2(b)所示,包括一個(gè)直徑為1英寸的。1mm高)圓柱壁,它安裝在一個(gè)熒光載玻片上,以及圓柱壁中包圍著的Intralipid液體。改變?nèi)萜髦蠭ntralipid的量會(huì)產(chǎn)生不同的Intralipid膜厚度,由OCT圖像測得。選擇封閉的圓柱壁時(shí),高度要低,直徑要大,這樣就可以得到小的Intralipid膜厚度(μm范圍),同時(shí)在容器的中心區(qū)域可以接近扁平的表面以避免半月板和透鏡效應(yīng)。圖2(a)顯示了在熒光載玻片上Intralipid膜的AF信號(hào)和OCT圖像。Intralipid膜的厚度和相對(duì)應(yīng)的AF信號(hào)可以從圖中容易地獲得。 -RG8<bI, ]8$#qDS@ 圖2.(a)在熒光載玻片上Intralipid膜的AF信號(hào)和OCT圖像,(b)Intralipid模型由在熒光載玻片上的圓柱壁及其中包含的Intralipid組成。
EqD^/(,L2 3. 光線光學(xué)仿真 EkJVFHfh 使用來自Photon Engineering公司的商業(yè)軟件包FRED,我們將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與光線光學(xué)仿真的結(jié)果進(jìn)行比較。圖3顯示了仿真的配置和組件,包含一個(gè)藍(lán)色的激光光源(446nm)、一個(gè)熒光載玻片、一個(gè)Intralipid膜、用于聚焦藍(lán)光到樣品上和收集重新發(fā)射的AF光子的1英寸透鏡(焦距40mm)、一個(gè)遠(yuǎn)離透鏡50cm的探測器,模仿實(shí)驗(yàn)的裝置。探測器只對(duì)大于500nm的波長敏感,以此分離AF光子和后向散射的藍(lán)光。 URYZV8=B~ 熒光載玻片由一個(gè)散射介質(zhì)模擬,對(duì)于每個(gè)具有425nm–490nm波長范圍的入射光子,通過散射介質(zhì)的“平均自由程”后,散射介質(zhì)會(huì)在隨機(jī)方向重新發(fā)射一個(gè)550nm的光線。使用數(shù)量巨大的光線,重新發(fā)射光子的隨機(jī)方向模仿由點(diǎn)光源產(chǎn)生的球面波,等價(jià)于熒光輻射。平均自由程決定了入射光滲透到載玻片內(nèi)部的深度。Intralipid膜由具有各向異性(g)和散射系數(shù)((μs)的Henyey-Greenstein體散射模型來模擬。 sULIrYRA
I %|@3=Yc 圖3.包含一個(gè)熒光載玻片、一個(gè)Intralipid膜、一個(gè)1英寸透鏡、一個(gè)激光光源和一個(gè)探測器的光線光學(xué)仿真裝置。
ih>a~U< 4. 結(jié)果和討論 >vWEUE[ 圖4(a)比較了10% Intralipid實(shí)驗(yàn)結(jié)果和光線光學(xué)的仿真結(jié)果。Intralipid模型仿真需要散射參數(shù)(g, μs)。散射系數(shù)7-19的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量在許多論文中已經(jīng)提出。然而,文獻(xiàn)中報(bào)道的g和μs的值是變化的。我們使用在引用最多的文章中提出的數(shù)值來運(yùn)行仿真,也就是van Staveren, et al8、Michels, et al17和Flock, et al19。在實(shí)驗(yàn)和仿真的情況下,所有的AF信號(hào)都?xì)w一化沒有Intralipid膜的AF數(shù)值,來隔離Intralipid膜對(duì)AF信號(hào)的影響。使用由Flock, et al19給出的Intralipid散射參數(shù),我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出與仿真結(jié)果幾乎完美的匹配。然而,使用van Staveren, et al8和Michels, et al17提出的散射參數(shù),比我們實(shí)驗(yàn)測量建議產(chǎn)生了更多的AF損耗。 Hp btj ePp[m
zg6 oL<BLr9> 圖4.(a)AF信號(hào)隨Intralipid厚度變化曲線,來自實(shí)驗(yàn)(藍(lán)色圓)和對(duì)10%Intralipid使用由Flock(紅色方塊)、van Staveren(綠色三角)和Michels(紫色方塊)提出的散射參數(shù)的光線光學(xué)仿真,(b)對(duì)于不同的Intralipid濃度,實(shí)驗(yàn)AF信號(hào)隨Intralipid厚度變化曲線。
|7 &|> 圖4(b)是對(duì)于不同的Intralipid濃度, 實(shí)驗(yàn)AF信號(hào)隨Intralipid厚度變化曲線。正如預(yù)期,20%的Intralipid會(huì)引起激發(fā)藍(lán)光的劇烈散射,重新發(fā)射AF會(huì)隨著Intralipid厚度的增加急劇下降,然而,在較低的Intralipid濃度處,AF信號(hào)的損耗是比較少的。知道了Intralipid濃度,圖4(b)記錄了Intralipid膜引起的信號(hào)衰減,這可以用于AF校正因子。因此給定一個(gè)Intralipid濃度,AF信號(hào)的校正因子可以從圖4(b)中估計(jì)得到。 q&zny2]) 根據(jù)事實(shí)高濃度會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)振幅的衰減,OCT A-scan數(shù)據(jù)可以給出Intralipid濃度,然而,對(duì)于低濃度這種衰減很低。圖5(上)顯示了不同濃度下的OCT A-scan。A-scan數(shù)據(jù)(藍(lán)色圓)曲線擬合到e-at函數(shù)(綠色實(shí)線),產(chǎn)生衰減系數(shù)(a)隨Intralipid濃度的變化曲線,如圖5(下)所示。OCT數(shù)據(jù)可以測量散射顆粒(圖5b)的濃度,有助于找到圖4中對(duì)應(yīng)的曲線。舉個(gè)例子,具有2.6mm-1OCT A-line損耗的樣品對(duì)應(yīng)于大約5%的濃度的散射顆粒。因此,AF校正因子可以由圖4(b)的紅色曲線確定。所以對(duì)于觀察到的AF信號(hào),AF-OCT系統(tǒng)提供了足夠的信息來計(jì)算校正因子,從而可以用于減少較厚散射層引起的AF假陽性。 vv+TKO !1a}| !Zn 圖5.上:OCT A-line數(shù)據(jù)(圓)曲線擬合到e-at(綠色實(shí)線),下:從OCT A-line數(shù)據(jù)得出的損耗系數(shù)a隨Intralipid濃度的變化曲線。
I@n*[EC 5. 結(jié)論 5>k>L*5J 我們進(jìn)行了一項(xiàng)Intralipid模型研究,使用組合的AF-OCT系統(tǒng)模擬了熒光介質(zhì)上覆蓋散射層的影響。對(duì)于不同的散射顆粒的濃度,呈現(xiàn)出隨著散射層厚度變化的AF損耗曲線。OCT成像用于計(jì)算散射層厚度和濃度,以及估計(jì)AF信號(hào)損耗所需的參數(shù)。模型用于從散射層引起的損耗計(jì)算AF信號(hào)衰減的校正因子。因此,結(jié)合AF-OCT系統(tǒng)能夠減少由于上皮組織增厚引起的假陽性,增強(qiáng)AF疾病檢測的功效。 <7=&DpjI7F