内窥式契伦科夫荧光成像系统及其信号增强方法

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(CerenkovLuminescence 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 CerenkovLuminescence 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 MultiplyCharge 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(5.033×10-3μCi/μL)，在体灵敏度为1.218 KBq/μL(32.922×10-3μCi/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ECLI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ECLI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(6.56×10-4μCi/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。

目录

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摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 光学分子影像技术

1．2．1 光在生物组织中传输特性

1．2．2 光学分子影像技术研究现状

1．3 本文的主要工作与章节安排

第二章 契伦科夫荧光成像技术

2．1 引言

2．2 契伦科夫荧光成像原理及其研究进展

2．2．1 契伦科夫效应

2．2．2 契伦科夫荧光成像技术研究现状

2．3 本章小结

第三章 内窥式契伦科夫荧光成像系统搭建及性能测试

3．1 引言

3．1．1 消化道肿瘤简介

3．1．2 医用内窥镜技术简介

3．1．3 内窥式契伦科夫荧光成像技术的发展现状

3．2 内窥式契伦科夫荧光成像系统

3．2．1 系统搭建

3．2．2 图像畸变校正

3．2．3 图像后处理

3．3 实验设计与实验结果

3．3．1 系统避光性测试

3．3．2 系统空间分辨率测试

3．3．3 系统灵敏度测试

3．3．4 契伦科夫荧光信号衰减率测试

3．3．5 基于裸鼠假瘤模型的在体实验

3．4 结果讨论与分析

3．5 本章小结

第四章 基于放射荧光材料的契伦科夫荧光信号增强方法

4．1 引言

4．1．1 契伦科夫荧光信号增强技术研究现状

4．1．2 放射荧光成像技术简介

4．2 实验设计与实验结果

4．2．1 实验材料

4．2．2 Gd2O2S：Tb颗粒化学特性分析

4．2．3 高能射线激发Gd2O2S：Tb颗粒的放射荧光光谱

4．2．4 基于放射荧光材料的契伦科夫荧光信号增强效果评估

4．2．5 核素活度与放射荧光强度的定量关系

4．2．6 核素与放射荧光材料距离对放射荧光强度的影响分析

4．2．7 契伦科夫荧光信号增强后的混合光信号穿透能力评估

4．2．8 基于裸鼠假瘤模型的在体实验

4．3 结果讨论与分析

4．4 本章小结

第五章 基于放射荧光材料的内窥式契伦科夫荧光成像系统灵敏度增强方法

5．1 引言

5．2 实验设计与实验结果

5．2．1 实验材料

5．2．2 Gd2O2S：Tb颗粒发光稳定性测试

5．2．3 契伦科夫荧光信号增强后的ECLI系统灵敏度测试

5．2．4 不同剂量放射荧光材料对ECLI系统灵敏度的提升效果

5．2．5 基于裸鼠假瘤模型的在体灵敏度测试

5．3 结果讨论与分析

5．4 本章小结

第六章 结束语

6．1 全文工作回顾

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者简介