内窥式契伦科夫荧光成像系统及其信号增强方法

发布时间：2017-12-25 04:32

本文关键词：内窥式契伦科夫荧光成像系统及其信号增强方法　出处：《西安电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于拥有大量临床可用的放射性核素探针,契伦科夫荧光成像(Cerenkov Luminescence Imaging, CLI)技术自提出之日起便受到了研究者们的广泛关注。然而,契伦科夫荧光是放射性核素在核衰变时的二次产物,其强度非常弱,而且大部分能量分布在短波段,当核素靶标位于较深的生物组织中时(如消化道肿瘤),传统CLI技术难以从生物体表探测到契伦科夫荧光,限制了CLI技术的临床转化应用。本文围绕CLI技术临床转化面临的深层靶标成像问题,借助于临床上广泛使用的内窥技术,首先研制了一套内窥式契伦科夫荧光成像(Endoscopic Cerenkov Luminescence Imaging, ECLI)系统。其次,针对ECLI系统采集契伦科夫荧光信号时衰减率高、探测灵敏度低这一问题,提出了一种基于放射荧光材料的契伦科夫荧光信号增强方法。最后,将提出的契伦科夫荧光信号增强方法用于提升ECLI系统的探测灵敏度。主要研究内容包括以下几个方面：1)针对CLI技术难以探测生物体深层核素探针,尤其是消化道肿瘤,所发出的契伦科夫荧光这一问题,研制了一套基于临床用消化道纤维内窥镜的ECLI系统。该系统包含一根消化道纤维内窥镜、一个电子倍增电荷耦合器件(Electronic Multiply Charge Coupled Device, EMCCD)相机以及一个避光性良好的光学耦合器用来连接EMCCD相机和纤维内窥镜。通过一系列的离体实验以及基于裸鼠假瘤的在体实验,对ECLI系统进行了较为全面的性能测试。首先,利用1951 USAF分辨率测试图(1951United States Air Force resolution test chart)和一块自制的、注满68Ga溶液的分辨率测试板,我们测试了ECLI系统的白光分辨率和契伦科夫荧光分辨率,结果显示系统的白光分辨率为198μm,契伦科夫荧光分辨率优于1mm,证明了ECLI系统可以获得与PET系统相当的空间分辨率；其次,通过探测不同浓度68Ga发出的契伦科夫荧光,测试了系统的离体灵敏度和在体灵敏度,结果显示系统的离体灵敏度为0.186KBq/μL为(5.033×10-3 μCi/μL),在体灵敏度为1.218 KBq/μL (32.922 ×10-3 μCi/μL);然后,测试了ECLI系统相较CLI设备在采集契伦科夫荧光信号时的信号衰减,发现使用ECLI时的信号衰减率约为96%。最后,通过基于裸鼠假瘤模型的在体实验证明了ECLI系统在促进CLI技术临床／预临床转化方面具有非常大的潜力。2)受放射荧光成像(Radioluminescence Imaging,RLI)技术的启发,针对契伦科夫荧光信号弱、穿透性差的缺点,提出了一种契伦科夫荧光信号增强方法。在该方法中,使用放射性核素衰变时产生的高能射线激发放射荧光材料发射放射荧光,最终采集到的荧光信号中不仅包含原始的契伦科夫荧光,还包含放射荧光,从而达到增强契伦科夫荧光信号的目的。在本文研究中,我们采用Gd2O2S:Tb放射荧光材料,并通过一系列的离体实验和基于裸鼠假瘤的在体实验,对所提出的这种增强方法的效果进行了评估,得到了三点结论：首先,Gd2O2S:Tb颗粒能被核素衰变时产生的高能射线激发发射荧光信号；其次,使用Gd2O2S:Tb颗粒能够有效增强契伦科夫荧光信号强度与穿透深度；最后,基于裸鼠假瘤模型的在体实验进一步证明了所提出的契伦科夫荧光信号增强方法在提升CLI/ECLI在体探测灵敏度方面的巨大潜力。3)针对本文所研发的ECU系统采集契伦科夫荧光信号时衰减率高所导致的探测灵敏度低这一问题,结合本文提出的基于放射荧光材料的契伦科夫荧光信号增强方法,探讨该荧光信号增强方法是否能够提高ECLI系统的探测灵敏度。在进行具体实验论证时,为了和契伦科夫荧光信号增强前的ECU系统灵敏度进行比较,实验时所使用的放射荧光材料、放射性核素以及成像时的EMCCD相机参数均和原始ECLI系统灵敏度测试时的参数保持一致。结果表明,使用Gd2O2S:Tb颗粒进行契伦科夫荧光信号增强后,ECLI系统的离体探测灵敏度提升了53.4倍,在体灵敏度提升了50.1倍。需要注意的是,结合荧光信号增强方法后,ECLI系统的在体灵敏度达到2.43×10-2KBq/μL(6.56×10-4 μCi/μL)低于消化道肿瘤的平均核素汇聚活度,能够满足临床诊断、检测的需求。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R817;TP391.41

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