臺灣博碩士論文加值系統

小動物分子造影為近年來提供腫瘤之診斷及治療的動物模式，廣受重視。相較於傳統組織層觀察模式，螢光斷層(Fluorescence Tomography)掃描以非侵入方式提供功能性資訊影像。利用重建動物體內螢光濃度分布位置，影像呈現不同器官組織間的強度對比，進而得到正常與病變組織間差異的訊息，可協助早期腫瘤偵測與治療。
鑒於近紅外光穿透於生物組織的深度可達數公分，以及在活體動物上自體螢光影響低…等優點，本研究設計一套螢光斷層系統，採用近紅外光雙雷射架構，重建組織內部光學參數的資訊影像，所重建影像可判斷出螢光標的物位置。本研究執行圓形假體、小鼠假體、活體小鼠實驗於建立的螢光斷層影像系統。藉由圓形假體實驗驗證系統可靠性，以小鼠假體解決不對稱外觀的問題，進行實驗於活體小鼠來評估此系統的可實行度。
從研究成果來看，經過系統的設計，重建影像大幅地提升準確性。在不加入內部結構性資訊下，可初估螢光位置。加入內部結構性資訊後，重建螢光位置準確率達98%。所建立的螢光斷層影像系統，成功地產生標準形狀物體及不規則形狀物體的螢光影像重建結果，初步驗證了此系統的可行性。突破不規則形狀的挑戰，重建出位於老鼠中的螢光物質，初步預期各種癌症模型診斷的發展方向。

Molecular Imaging of small animals has advanced in recent years for diagnosing and treating tumor. Fluorescence tomography (FT) is a potential modality that offers functional and molecular information to non-invasively localize fluorescent molecules.
FT Imaging approach is the reconstruction of fluorescent distribution. Tomographic imaging principle obtained the slices of the object. With fluorescent labeled marker, the tomographic image is capable of displaying the target’s position. This study develops a FT system with dual laser instruments and reconstructs the interior optical parameters of the tissues. Continuous wave light illuminates the object and the detector captures the emitted light. Light propagation within tissue is described as the diffusion approximation. For efficient processing demands, the system is executed through graphical user interface. The developed interface speeds up pre-process of data. After the process of data acquisition, finite element method and Tikhonov regularization algorithm are utilized to reconstruct the image. The results illustrate that the established system successfully localizes the fluorophores in regular phantom, irregular phantom and living mice. Furthermore, the method demonstrates its potential in preclinical cancer research.

目錄
中文摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖表目錄 v
第一章 緒論 1
1.1 動機與目的 1
1.2 研究貢獻與限制 2
1.3 論文架構 3
第二章 研究背景 4
2.1 螢光斷層影像 4
2.1.1 射源與偵測器形式 4
2.1.2 螢光影像重建 6
2.2 光傳遞於生物組織 7
2.3 擴散方程式 7
2.4 相關研究團隊及本研究優點 8
第三章 實驗系統、材料與方法 9
3.1 儀器架構 9
3.2 實驗流程 11
3.3 影像重建 14
3.3.1 內部結構資訊 16
3.3.2 實驗數據輸入 17
3.4 實驗材料 18
3.4.1 圓形假體 19
3.4.2 老鼠假體 20
3.4.3 活體小鼠 21
第四章 實驗結果與討論 23
4.1 圓形假體 23
4.2 老鼠假體 27
4.3 活體小鼠 31
4.4 三維影像呈現 36
第五章 結論與未來展望 38
參考文獻 39

圖目錄
第二章
Fig. 2- 1 可應用於小動物活體的螢光影像系統示意圖。上排為epi-illumination 的形式：(A)光源與接收器放置於同側；(B)掃描式光源與接收器位於同側接收光強度。下排為trans-illumination 的形式：(C)光源與接收器放置於對側的形式；(D)掃描式光源與接收器於對側接收光強度。 5
Fig. 2- 2 依照光學參數領域的不同所分類出不同光學影像系統型式。左邊第一行列出區分的項目，右邊三列分別為time domain、 frequency domain、 continuous wave domain下的解析度、靈敏度、深度、對比度、訊雜比、成本以及可否螢光定量(由上而下)。 6

第三章
Fig. 3- 1 儀器架構示意圖。左側分別為兩波段(660 nm/ 705 nm)雷射光源，在兩雷射垂直交叉處放置分光鏡(dichroic mirror)導引光源於同一方向。光源射入物體(object)，透過旋轉濾波片，最右側為加裝鏡頭的EMCCD。 10
Fig. 3- 2 實際系統架構圖。對照Fig. 3- 1示意圖，由左至右分別為660 nm雷射和705 nm雷射，中間phantom為本研究中使用的小鼠假體，最右側是EMCCD。 10
Fig. 3- 3 影像重建流程。由左至右，分別為系統校正、擷取影像資料、資料後處理、執行重建、最後取得重建影像。 11
Fig. 3- 4 接收器相對於物體的位置。(A)為實際物體擺放於旋轉中心(紅色+)，接收器(藍色方形)對物體作旋轉，每22.5度旋轉一次(藍色虛線方形)，總共16個角度。(B)對應於實際接收器擺放位置的接收器分布。 12
Fig. 3- 5 LabVIEW控制面板。左方為控制區，可選擇造影方式，於theta處輸入角度，times輸出值為總共旋轉角度的次數；右方區域為原始影像的顯示圖，右下角為整個過程停止按鈕。 13
Fig. 3- 6 影像擷取資料三型態。(A) 發射光擴散光學斷層：λx光源進入中間含有螢光物質的組織中，由可通過λx波段的濾波片過濾光，由detector接收光強度；(B) 激發光擴散光學斷層：λm光源進入中間含有螢光物質的組織中，由可通過λm波段的濾波片過濾光，由detector接收光強度；(C) 仿螢光發射光擴散光學斷層：λx光源進入中間含有螢光物質的組織中，由可通過λm波段的濾波片過濾光，由detector接收光強度。Detector為EMCCD。 14
Fig. 3- 7 影像重建流程。由最上面開始，代入物體邊界條件(boundary information)、產生mesh離散網格、設定初始光學參數(μa、μs')、計算forward model，將實驗得到的物體邊界光強度數據(experiment data)代入反運算(inversed model)。 15
Fig. 3- 8 (A) detector與source於圓形假體上的分布位置。x軸為在x方向的座標位置，y軸為y方向的座標位置，單位為mm。(B) source-detector強度曲線。 18
Fig. 3- 9 Alexa Fluor○R660 激發波長(黑色實線)與發光波長(紅色粗線)光譜圖。橘色垂直虛線表示λx的雷射660 nm波段；綠色垂直虛線表示λm的雷射705 nm波段。 19
Fig. 3- 10 圓形假體設計圖。左行為圓形假體上視圖；右行為圓形假體大小的示意圖。上排為中間孔洞的圓形假體上視圖(A)及假體示意圖(C)；下排為側邊孔洞的圓形假體上視圖(B)及假體大小示意圖(D)。 20
Fig. 3- 11老鼠假體設計圖。(A)小鼠假體工程圖。體積大約83 mm x 33 mm x 30 mm(長x寬x高) (B)小鼠假體透視圖，可插入棒子深度至40 mm，棒子剩餘20 mm在小鼠假體外側。(C)將螢光物質放入中間孔洞(綠色圓圈)位置，距離側邊邊界約12 mm 和底部邊界6.1 mm處。(D)可插入式棒子示意圖。總長為60 mm，直徑6.8 mm。中間一個深度8 mm、直徑5 mm的孔洞可放入螢光物質(藍色)。(E)小鼠假體實體圖。 21
Fig. 3- 12 電腦斷層影像呈現螢光物質Alexa Fluor 660位於小鼠體內橘色實線所指的位置。 22
Fig. 3- 13活體小鼠經麻醉後位於造影平台上。 22
第四章
Fig. 4- 1 中間孔洞圓形假體三種實驗型態下的source-detector強度曲線。x軸為source-detector對應累積數目，y軸為EMCCD擷取原始光強度值(counts)。 23
Fig. 4- 2 側邊孔洞圓形假體三種實驗型態下的source-detector強度曲線。x軸為source-detector對應累積數目，y軸為EMCCD擷取原始光強度值(counts)。 24
Fig. 4- 3 圓形假體於重建過程中的位置圖與最終螢光重建影像。(A)中間孔洞圓形假體二維座標圖。(B)中間孔洞螢光重建影像。(C)側邊孔洞圓形假體二維座標圖。(D)側邊孔洞螢光重建影像。 25
Fig. 4- 4 加入a prior所重建的側邊圓形孔洞螢光影像。 26
Fig. 4- 5 (A) Fig. 4- 4影像y=0時的強度曲線圖，x軸為影像的x座標，y軸為重建螢光強度值分布。(B) Fig. 4- 4影像x=12時的強度曲線圖，x軸為影像的y座標，y軸為重建螢光強度值分布。 26
Fig. 4- 6 detector與source於老鼠假體上的分布位置。x軸為在x方向的座標位置，y軸為y方向的座標位置，單位為mm。 28
Fig. 4- 7 重建老鼠假體影像的source-detector強度曲線。x軸為source-detector對應累積數目，y軸為EMCCD擷取原始光強度值(counts)。 28
Fig. 4- 8 沒有加入a prior的老鼠假體螢光重建影像。 29
Fig. 4- 9同一斷層面的電腦斷層影像及螢光斷層影像。(A)電腦斷層影像。(B)螢光斷層重建影像。 30
Fig. 4- 10 (A)小鼠假體影像y=34.05 時的強度曲線圖，x軸為影像的x座標，y軸為重建螢光強度值分布。(B)小鼠假體影像x=36.67 時的強度曲線圖，x軸為影像的y座標，y軸為重建螢光強度值分布。 30
Fig. 4- 11 活體小鼠的電腦斷層影像位置對照圖與螢光斷層重建影像。 32
Fig. 4- 12 detector與source於深層小鼠上的分布位置。x軸為在x方向的座標位置，y軸為y方向的座標位置，單位為mm。 33
Fig. 4- 13置入螢光物質於小鼠體內重建影像的source-detector強度曲線。x軸為source-detector對應累積數目，y軸為EMCCD擷取原始光強度值(counts)。 33
Fig. 4- 14 沒有加入a prior的小鼠深層螢光重建影像。 34
Fig. 4- 15 深層小鼠的電腦斷層影像位置對照圖與螢光斷層重建影像。 34
Fig. 4- 16 (A)小鼠深層重建影像y=31.5 時的強度曲線圖，x軸為影像的x座標，y軸為重建螢光強度值分布。(B) 小鼠深層重建影像x=43.54 時的強度曲線圖，x軸為影像的y座標，y軸為重建螢光強度值分布。 35
Fig. 4- 17 中間孔洞圓形假體的三維影像。 36
Fig. 4- 18 側邊孔洞圓形假體的三維影像。 37
Fig. 4- 19 小鼠假體的三維影像。 37

表目錄
第三章
Table. 3- 1 本研究系統構成要素的詳細規格，將儀器設備的名稱和規格分別由上而下列成表格。 11
第四章
Table. 4- 1 側邊孔洞圓形假體在未a prior 和加入a prior的螢光物質中心位置及大小。 27
Table. 4- 2 小鼠假體在未a prior 和加入a prior的螢光物質中心位置及大小。 31
Table. 4- 3 深層小鼠在未a prior 和加入a prior的螢光物質中心位置及大小。 35

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