生物发光成像中光源与几何依赖的空间分布特征：商业系统的实验比较与Geant4模拟

《Journal of Imaging》：Source- and Geometry-Dependent Spatial Profiles in Commercial Bioluminescence Imaging: Experimental Comparison and Geant4 Simulations

　　

专业摘要翻译 本研究探讨了将先前建立的基于LED的Geant4光学光子模拟框架迁移至两个商业成像系统的实验生物发光成像（BLI）。研究人员采用IVIS 200和SmART+ BLI/CT系统，在确定的仿体条件下，比较了受控LED光源和三磷酸腺苷（ATP）驱动的生物发光所产生的空间强度分布。直接比较表明，BLI的空间分布比LED发射更宽，且差异幅度因成像系统而异。为考察模拟框架的可迁移性，研究人员在Geant4中实现了一种空间扩展、各向同性发射的BLI光源，包括其水溶液体积和样品容器。在2.00 mm仿体厚度下，模拟再现了归一化实验BLI分布的一般特征，尽管模拟的空间分布始终窄于实验测量值。研究人员利用独立的理想化双点源模拟，研究了受控仿体条件下的空间可分离性；而附加模拟则表明，光源到边界的距离通过改变光子入射条件和散射历史影响空间分布的形成。总体而言，这些发现证明了光源特异性蒙特卡罗模拟在探究商业BLI系统中空间光子传输方面的潜力，并可通过系统评估光源和仿体参数来支持实验研究的设计与优化，从而可能减少对大量实验测试的需求。

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研究背景与研究问题

生物发光成像（Bioluminescence Imaging, BLI）是一种广泛应用于临床前研究的非侵入性光学成像技术，能够高灵敏度地可视化体内生物学过程，如肿瘤进展、mRNA递送追踪和治疗效果评估。然而，BLI在定量解释方面仍面临重大挑战。其根本原因在于，光学光子在类组织介质中传播时会经历吸收、散射、折射以及在边界处的重新分布。这些效应不仅影响总信号衰减，还决定了空间点扩散函数（Point-Spread Function, PSF），即空间上分离的光源能否被区分的关键因素。

此前，研究人员曾建立了一个简化的物理模型，使用峰值波长约588–590 nm的LED作为受控光源，以隔离组织模拟仿体材料中的材料依赖性光子传输，并为Geant4模拟确定光学参数。然而，该LED框架是否能直接迁移至实际的BLI场景尚不清楚。BLI的光子发射源于空间扩展的反应体积，且其角度和光谱特性均不同于LED。因此，本研究的核心问题是：LED表征框架在多大程度上可转移至商业BLI系统？光源特异性的Geant4模拟能否再现实验观察到的LED与BLI之间的空间分布差异？这些光源和几何依赖性效应如何影响空间分辨率和双光源可分辨性？局部光源-边界距离如何改变有效PSF？

研究方法概述

本研究使用了两种商业BLI系统：IVIS 200和SmART+ BLI/CT。实验采用基于聚氨酯和TiO₂（散射剂）及碳黑（吸收剂）的组织模拟仿体材料。光源分为三类：Kingbright L-934LYD黄色LED（各向异性校准源）、ATP依赖性荧光素酶反应产生的BLI（各向同性体积源）以及用于受控模拟研究的理想化各向同性点源。所有Geant4模拟均基于版本11.1.3，启用了光学光子物理过程，包括吸收、散射、反射和折射。模拟框架针对每种光源类型进行了特异性建模，例如BLI模拟中将Eppendorf管内的反应体积近似为水，光子从整个液体体积内随机位置各向同性发射。光学材料参数（吸收系数、散射平均自由程、各向异性因子g和折射率）沿用了前期LED模型的研究成果。数据分析通过ROOT和Python脚本完成，重点提取归一化径向和线剖面、半高全宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）值，并通过预设的10%谷值下降标准评估双光源可分离性。

研究结果

3.1 直接LED-BLI对比揭示系统依赖的空间分布差异

在2.00 mm仿体厚度下，研究人员直接比较了LED和BLI的空间分布。结果表明，BLI始终产生比LED更宽的分布。在SmART+系统中，差异较小（径向FWHM增加4.2%，线剖面FWHM增加4.3%）；而在IVIS系统中，差异更为显著（径向FWHM增加17.7%，线剖面FWHM增加37.2%）。随着仿体厚度增加，这种差异在两种系统中均进一步扩大。这证实LED可作为受控校准源，但不能视为BLI的定量等价替代物。

3.2 光源特异性模拟-实验一致性

在2.00 mm仿体厚度下，研究人员将实验BLI数据与相应的Geant4模拟进行了比较。模拟总体上再现了归一化分布的形态，但系统性低估了实验FWHM值。对于IVIS，径向FWHM偏差为20.1%，线剖面FWHM偏差为23.9%；对于SmART+，相应偏差分别为11.1%和7.8%。一项敏感性分析显示，将各向异性因子g从0.90调整为0.875可使IVIS的线剖面FWHM与实验值匹配，但径向宽度仍被低估。

3.3 跨设备空间分布测量的可比性

通过使用LED作为受控参考源，研究人员比较了IVIS和SmART+系统的空间分布。在2.00 mm和7.62 mm仿体厚度下，两种系统均表现出相似的深度依赖性展宽趋势，径向和线剖面FWHM值接近。这表明校准后的空间分布测量在不同系统间具有方法论上的可比性。

3.4 理想化参考条件下的空间分辨率分析

研究人员利用理想化各向同性点源，系统分析了不同仿体厚度下的双光源可分离性。共执行了112次模拟运行，横向中心间距最大达44 mm。结果显示，单光源线剖面FWHM随仿体厚度非线性增加，最小可分辨间距（Δ_min）也相应增大。在约20 mm深度处，光源可分离性显著降低，表明光学散射对空间分辨率构成实质性限制。

3.5 光源-边界距离与局部光源环境

通过改变仿体空腔内光源相对于探测器侧材料边界的位置，研究人员发现，即使保持仿体材料厚度和光学性质不变，光源-边界距离也能显著改变检测到的空间分布宽度。对于各向同性点源，增大此距离导致检测到光子的平均散射事件数大幅增加，并改变了平均入射角。LED光源表现出类似的定性展宽趋势，但幅度较小。这表明光源-边界距离是一个独立于名义材料厚度的几何变量。

讨论与结论总结

讨论要点：LED作为受控材料表征源仍有价值，但无法定量等效于BLI，两者间的差异是多种因素（光源尺寸、角度分布、光谱特性）综合作用的结果。光源特异性模拟在归一化分布层面实现了良好的定性一致性，但定量精度有限，可能受限于简化的系统光学模型和未包含的探测器模糊效应。空间分辨率分析表明，单光源PSF宽度是预测双光源可分离性的有用指标，但阈值依赖于具体配置。光源-边界距离的敏感性揭示了局部几何环境的重要性，这对生物发光断层成像（BLT）等正向模型的构建具有启示意义。

研究结论翻译：本研究将前期基于LED的仿体传输框架扩展至对两种商业BLI系统（IVIS和SmART+）中光源依赖性空间分布的研究。在可比仿体和成像条件下，LED和ATP驱动的BLI产生了不同的空间强度分布，表明LED框架无法在不考虑光源特异性特征的情况下定量迁移至BLI。BLI特异性Geant4模拟在2.00 mm仿体厚度下再现了归一化实验分布的一般形态和大致空间尺度，但系统性低估了测量宽度7.8%–23.9%。这些发现展示了蒙特卡罗模拟在研究空间光子传输方面的潜力，同时突显了定量预测对底层模型假设的敏感性。附加模拟探讨了光源间距和光源-边界距离对空间分布形成的影响。两项代表性的IVIS LED实验支持了可分辨/不可分辨分类的一致性，而模拟则为检验光源和几何依赖性空间可分离性提供了受控框架。总体而言，这项工作为在定义的同质仿体条件下比较实验BLI分布与光源特异性光学光子模拟建立了方法论基础。研究结果支持利用此类模拟探究控制空间信号分布的物理因素，但并未确立辐射度学精度或通用的体内空间分辨率极限。