Author Affiliations
Abstract
1 College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, P. R. China
2 Tianjin Medical University, Cancer Institute and Hospital, Tianjin 300000, P. R. China
3 Tianjin Key Laboratory of Biomedical Detecting Techniques and Instruments, Tianjin 300072, P. R. China
Photodynamic therapy (PDT) dosimetry, including light dose, photosensitizer dose and tissue oxygen, has been a research focus in PDT. In this work, we present a three-dimensional (3D) quantification of protoporphyrin IX (PpIX) using combined spatial frequency domain imaging (SFDI) and diffuse fluorescence tomography (DFT). The SFDI maps both the distributions of tissue absorption and scattering properties at three wavelengths and accordingly provides the optical background for DFT and extracts the tissue oxygenation for assessing the therapeutic outcomes, while DFT dynamically monitors the 3D distribution of PpIX dose from measured fluorescence signals for the procedure optimization. A pilot in vivo application in tumor nude models showed that the proposed SFDI/DFT is able to dynamically trace changes in the PpIX concentration and tissue oxygen during the treatment, rendering it a potentially powerful tool for PDT to improve clinical efficacy.Photodynamic therapy (PDT) dosimetry, including light dose, photosensitizer dose and tissue oxygen, has been a research focus in PDT. In this work, we present a three-dimensional (3D) quantification of protoporphyrin IX (PpIX) using combined spatial frequency domain imaging (SFDI) and diffuse fluorescence tomography (DFT). The SFDI maps both the distributions of tissue absorption and scattering properties at three wavelengths and accordingly provides the optical background for DFT and extracts the tissue oxygenation for assessing the therapeutic outcomes, while DFT dynamically monitors the 3D distribution of PpIX dose from measured fluorescence signals for the procedure optimization. A pilot in vivo application in tumor nude models showed that the proposed SFDI/DFT is able to dynamically trace changes in the PpIX concentration and tissue oxygen during the treatment, rendering it a potentially powerful tool for PDT to improve clinical efficacy.
Photodynamic therapy spatial frequency domain imaging diffuse fluorescence tomography 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2022, 15(6): 2240008
程楠 2张丽敏 1,3,*赵志超 1潘英雪 1[ ... ]高峰 1,3
作者单位
摘要
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津大学 国际工程师学院, 天津 300072
3 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室,天津 300072
4 成都医学院 大健康与智能工程学院,成都 610500
针对目前常用的扩展卡尔曼滤波技术由于舍弃了系统方程求导的高阶项,使得荧光剂药代动力学参数重建精度下降的缺点,研究发展了基于二室模型的二阶自适应扩展卡尔曼滤波技术并引入无迹卡尔曼滤波技术用于荧光剂药代动力学参数重建。通过数值模拟和在体实验对基于一阶自适应扩展卡尔曼滤波、二阶自适应扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波的三种方法进行对比和评估,结果均表明,基于一阶和二阶自适应扩展卡尔曼滤波方法获取的荧光剂药代动力学参数重建结果相近,而基于无迹卡尔曼滤波方法获取的参数在量化度和对比度噪声比上均具有明显优势。该结果与无迹卡尔曼滤波由于没有忽略高阶项而具有更高精度相一致,证明了所提方法的可行性和有效性。
光学成像 扩散荧光层析 荧光剂药代动力学层析 吲哚菁绿 二室模型 扩展卡尔曼滤波 无迹卡尔曼滤波 Optical imaging Diffuse fluorescence tomography Fluorescence pharmacokinetic tomography Indocyanine green Two-compartmental model Extended Kalman filter Unscented Kalman filter 
光子学报
2021, 50(12): 1217001
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
3 天津医科大学肿瘤医院, 天津 300060
基于动态扩散荧光层析成像(DFT)的荧光剂药代动力学参数(渗透率等),可为判断不同生物组织体的生理过程和病理信息提供参考。自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)作为一种动态分析方法,具有精确的建模和多参数在线估计等优势。基于DFT系统对吲哚菁绿(ICG)在健康小鼠肝脏和荷瘤小鼠皮下移植瘤组织中的代谢过程进行了测量,然后采用DFT重建技术获得了ICG的时间序列荧光层析图像,在此基础上结合二室模型和AEKF方法得到了ICG的时间序列渗透率参数层析图像。对比两种实验结果可知,肿瘤中ICG的渗透率参数Kpe、Kep均较健康小鼠肝脏中的小。时间序列荧光层析图像显示,AEKF方法能有效获得复杂生物体实时、稳定的ICG药代动力学参数。
医用光学 自适应扩展卡尔曼滤波 药代动力学 扩散荧光层析成像 吲哚菁绿 渗透率参数 
中国激光
2020, 47(9): 0907002
张雁琦 1,*王欣 1尹国艳 1李娇 1,2[ ... ]张丽敏 1,2
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
3 天津医科大学附属肿瘤医院, 天津 300060
为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像, 设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式, 在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下, 可有效提高系统的空间采样分辨率; 同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式, 兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性, 设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体, 并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法, 实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明, 该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。
医用光学 扩散荧光层析成像 药代动力学 吲哚菁绿 光子计数 动态测量 动态仿体 
中国激光
2017, 44(1): 0107001

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