天津大学研究团队借助中智科仪TRC411像增强相机实现放射治疗剂量的切伦科夫成像

　　天津大学精密仪器与光电子工程学院贾梦宇副研究员团队借助中智科仪自主研发的逐光TRC411像增强相机实现放射治疗剂量的切伦科夫成像，成果以“Photon-limited Cherenkov imaging of radiation therapy dose”为题于期刊“Optics Letters”上发表。

　　1、研究背景

　　当带电粒子(如电子)穿过电介质而且其速度大于光在该介质中的相速度时，介质会被激发产生电磁辐射，形成发光现象，即为切伦科夫光。切伦科夫光具有两个特点：一是光子沿着带电粒子入射方向，以一定的角度发散;二是其辐射光谱在紫外-可见光区呈现连续光谱，光谱成分比例与波长平方成反比。可采用高灵敏度的探测器在一定视场范围内收集切伦科夫光子成像，称为切伦科夫发光成像(Cherenkov Luminescence Imaging, CLI)。CLI具有成像速度快和实时性好等优点，广泛应用于X射线、电子线治疗肿瘤过程的体表位置成像、疗效评估等方面。此外，切伦科夫辐射可作为内部光源激发磷光探针产生荧光并对此成像，即切伦科夫激发发光成像(Cherenkov Excited Luminescence Imaging, CELI)，常用于分子探针体内代谢检测等。

　　切伦科夫成像是一种独特的检测工具，可以在放射治疗过程中提供剂量检测和组织功能信息。切伦科夫效应产生的光子数与组织吸收的放射剂量成正比，可通过收集光子数估算组织吸收的放射剂量。通过对整个剂量场进行实时和非接触式采样，可以实现放射治疗过程中的切伦科夫发光成像，从而绘制出患者的剂量图。此外，切伦科夫激发发光成像(CELI)是一种高灵敏度的分子成像方式，可以提供正在检查的分子组织功能信息。这些成像基于经过优化的相机，可实现快速的时间同步信号选通，并通过大量的图像处理步骤来捕获和使用单光子级图像数据。光信号波长越接近红外段，其组织穿透性越好;而越接近紫外段，其组织穿透性越差。因此从组织中辐射的可探测切伦科夫信号集中在红光至近红外波段，但由于组织中的光散射和吸收作用，切伦科夫光信号非常微弱(辐出度∼0.1mW/cm2)，任何次级分子激发发光信号通常比切伦科夫光信号弱一个数量级。此时泊松噪声主导了测量的下限。除了光信号微弱外，相机还不可避免地引入严重的椒盐噪声，如饱和像素或无功能像素，这是由杂散X射线噪声所导致的。

　　组织中可探测到的切伦科夫光子数是有限的，而且还与杂散光子混合在一起，这严重影响了图像的信噪比(SNR)。切伦科夫图像通常存在SNR低的问题，主要通过延长图像的积分时间来解决。但实际上，如果使用的放射剂量有限，就无法进行更长时间的积分，因此增加信号并不总是可能的，也不总是可取的。抑制噪声的典型解决方案是结合适当的片上累加(Accumulations On Chip, AOC)执行时间中值滤波。为了满足对SNR的特定需求，切伦科夫成像的帧速是有限制的。例如在剂量检测应用中每秒17帧，甚至更低，可以对治疗进行视频成像。这种帧频可以平衡图像的积分，使其具有足够的信号以便于观看。然而，较低的剂量率或能量会产生低标准的图像，因此时间分辨率的限制可能会影响治疗期间的成像质量，因为会出现重叠采集或者只是图像质量较差。此外，由于需要积分或时间滤波的帧数不一致，单个部分或整个治疗过程中的结束帧可能会被低估。

　　为了在信噪比和时间分辨率之间取得更好的平衡，实现光子数受限的切伦科夫成像，论文提出了一种行之有效的图像重建方法。在远距离动态场景中，由于光通量和积分时间的限制，无法进一步收集目标光子。而第一光子成像(First Photon Imaging, FPI)方法规避了这些成像问题，它只记录每个像素探测到的第一个入射光子，利用算法恢复目标场景的反射率和三维轮廓。本研究对源自FPI的图像重建方法进行了修改，提出了一种抑制噪声的全新方法，并将其应用于光子数受限的切伦科夫成像。

　　2、实验方案与结果

　　切伦科夫光是由直线加速器(Linear Accelerator, Linac)产生的高能X射线辐射诱导产生的，该直线加速器的光子能量为6MV并保持不变，剂量率为每分钟600个监测单位(MU)。X射线脉冲的脉宽约为3.25µs，频率360Hz。将脉冲与相机同步，从而控制相机实现延迟3.5µs/500µs、门宽50µs的门控成像。

　　● 实验一：极低放射剂量的切伦科夫发光成像

　　采用安装在距离目标约2m远的三脚架上的IsCMOS相机进行极低放射剂量的切伦科夫成像，如图1(a)所示。目标是一个装满水的5000mL透明水壶，位于直线加速器等中心。根据直方图确定热像素去除的阈值，如图1(b)所示。真实(Ground truth)切伦科夫图像(图1(c))是通过对2次片上累加(发射2个X射线脉冲)获取的150幅图像进行中值滤波而获得的。此外还使用了两种最前沿的图像降噪方法，即非局部均值(NLM)和标准三维块匹配(BM3D)。采用峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM∈[0, 1])评估去噪结果与真实图像之间的相似度。

　　图1极低SNR切伦科夫成像时不同图像降噪算法的性能比较

　　(a)实验装置，(b)基于直方图的热像素去除，(c)高SNR下获得的真实切伦科夫图像，以及分别由(d)1个和(e)6个Linac脉冲诱发的水中切伦科夫光成像结果。

　　从图1(d)和图1(e)中可以看出，原始图像的信噪比(SNR)低于零，所应用的三种降噪算法都将SNR提高到 20dB以上。在信噪比提升方面，BM3D优于NLM，SNR平均提高了18.7%，PSNR为3.2%，SSIM为55.6%。与BM3D相比，论文所提出的方法在SNR、PSNR和SSIM方面都有显著提高，SNR提高了35.0%，PSNR提高了51.3%，SSIM提高了46.9%。与真实图像的微小偏差可能是由于迭代求解过程中每一步的残留杂散噪声在一定程度上误导了光子的聚集。根据PSNR准则(即>30.0 dB)，6次片上累加获取的切伦科夫图像具有可接受的保真度。

　● 实验二：滑动窗口IMRT治疗中的切伦科夫发光成像

　　接着，在滑动窗口IMRT治疗过程中对乳房模型进行了切伦科夫成像，分别以270°和90°的机架角应对内侧和外侧切线小光束。图2展示了五个选定时间点的成像结果，每帧均以30次片上累加采集。与原始图像(热像素已去除)相比，应用BM3D算法后SNR平均提高了39.1%(±4.7%)，而采用论文提出的算法后，SNR提高了247.6%(±35.6%)。从图2(c)中可以发现，辐照部分内外的杂散X射线噪声从根本上得到了缓解，目标边缘和半影区域得到了很好的保留。光分布的不均匀性可能是由与表面高度和表面角度相关的变化造成的。

　　图2 乳房模型在IMRT治疗过程中5个不同时刻的切伦科夫成像结果

　　(a)热像素去除后的原始图像，以及分别应用(b)BM3D和(c)论文提出方法处理过后的结果，每一列对应治疗过程中的不同时刻。

　　● 实验三：切伦科夫激发发光成像

　　在CELI实验中进一步验证了所提出的方法，以评估组织中不同浓度(CPtG4)和深度的磷光物质发光的图像信噪比。实验中使用的磷光探针是Oxyphor PtG4。将含有0.5mL不同浓度溶液的埃彭多夫管(管1-7分别对应100、70、40、20、10、5和1µM)分别放置在仿真组织模型的不同深度(0、1、2和 3cm)，如图3(a)所示。采用ICCD捕捉图像，外照明配置，Linac机架的方向为145°，与ICCD位于同一侧。图3(b)显示了使用BM3D和论文提出方法处理过的CELI图像，随后是基于直方图的预处理。真实CELI图像是36次片上累加获取的。BM3D和论文提出方法在1cm深度内的性能相当，例如，在PSNR和SSIM方面的平均差异分别为9.5%和6.2%。随着目标深度的增加，差异变得越来越大，例如，在2cm深度PSNR的平均差异为85.1%，而在3cm深度PSNR差异则高达111.7%。在2cm结果中，降噪处理过的图像和真实图像都看不到后三种浓度的埃彭多夫管，只有浓度最高的管在3cm深度可见。在3cm深的情况下，发光光子被大量散射和吸收，导致信号光强接近背景强度。图3(c)中的轮廓图进一步比较了四种最高浓度的1cm和2cm结果。在图3(d)中计算了信噪比与不同深度和浓度的关系。

　　图3不同目标深度和磷光探针PtG4浓度下的成像质量研究

　　(a)室内灯光下实验材料图像，(b)使用不同图像重建算法复原的CELI图像，(c)沿子图(b)中红色虚线绘制的归一化轮廓，(d)原始、算法重建和真实图像在不同CPtG4和目标深度下的信噪比分布图。

　　该研究中，可接受的信噪比最低为10dB，对应的对比度-背景比(CBR)为1，根据这一标准，CPtG4 = 100µM、20µM、10µM时，原始测量的成像深度分别为1.5cm、1cm和0.5cm。使用BM3D方法后，100µM和20µM的成像深度分别扩展到2.0cm和1.5cm。而应用论文提出的方法后，成像深度进一步扩展到2.5cm和1.8cm，所有浓度高于10µM的埃彭多夫管都能在1.5cm深度内被检测到，而且去噪处理后的图像的信噪比接近真实图像，在所有深度和浓度的平均差异为3.7%。与原始测量结果相比，当CPtG4 = 100µM、20µM和10µM时，论文提出方法分别将成像深度延长了66.7%、80.0%和200.0%，平均值为115.6%。

　　3、结论

　　通过综合利用低通量切伦科夫成像的物理原理和物体的空间相关性，论文提出了一种噪声抑制的有限光子成像技术，以实现低通量切伦科夫发光成像和切伦科夫激发发光成像。实验结果表明，只需从直线加速器(10mGy剂量)辐射一个X射线脉冲，就能以高信噪比较好地恢复切伦科夫信号。对于大多数浓度的磷光探针，切伦科夫激发发光成像深度的平均可延长距离>100%。这表明在图像复原过程中，综合考虑信号幅度、噪声鲁棒性和时间分辨率，可以改善切伦科夫成像在放射肿瘤学中的应用。论文提出方法对需要在有限辐射剂量下进行快速准确成像的实际应用大有裨益，例如剂量限制分次放疗的剂量测定，以及快速放疗过程中的分子传感。

　　4、论文链接

　　论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.485668

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　　5、解决方案

　　由中智科仪自主研发生产的逐光TRC411像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

　　1. 500皮秒光学快门

　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。

　　2.超高采样频率

　　逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

　　3.精准的时序控制

　　逐光TRC411像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

　　4. 创新“零噪声”技术

　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。