融合多光學信息的雙參數螢光分子斷層成像方法的研究

《融合多光學信息的雙參數螢光分子斷層成像方法的研究》是依託北京航空航天大學，由汪待發擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：融合多光學信息的雙參數螢光分子斷層成像方法的研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：汪待發
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

通過同時獲得小動物體內螢光探針的濃度和螢光壽命的三維分布，雙參數螢光分子斷層成像可為疾病病程的在體檢測、藥物效率的在體評測、功能分子的在體活動規律研究等提供有效手段，具有廣泛的生物醫學套用前景。本項目重點研究一種融合多光學信息的雙參數螢光分子斷層成像新方法，期望突破雙參數成像面臨的時空解析度瓶頸。首先，引入、理論分析和最佳化配置螢光和激發光的強度以及飛行時間曲線等多種類型的光學信息，實現在獲取同樣多有效信息量的情況下，大幅度降低成像時間。其次，在最佳化配置的基礎上，建立一個基於偽隨機編碼激發的實驗系統，實現多光學信息的快速同步檢測。最後，針對螢光斷層重建高不適定性的難題，建立高效融合多光學信息的螢光斷層圖像重建算法，提高重建圖像的質量。本項目的成功研究，將為高時空分辨的雙參數螢光分子斷層成像奠定理論和實驗基礎，對於腫瘤研究和新藥物研發等方面具有重要的基礎和套用價值。

結題摘要

受限於光子的強散射特性，提高螢光分子斷層成像（FMT）的時空分辨能力是一個世界性的難題和挑戰。本項目從新的光學成像模式研究和參數最佳化，以及先驗信息融合重建等方面提升螢光分子斷層成像的時空分辨能力。通過融合先驗的形狀信息，有效提高重建圖像的分辨能力和穩定性。提出了兩步重建和GPU（圖形處理單元）加速的橢球參數化的螢光分子斷層重建算法。考慮到不同的形狀參數對於表面測量值的貢獻差別很大，提出了一種兩步的策略來處理這些參數以使得重建的穩定性更高。同時，由於基於形狀參數的目標函式及其雅克比矩陣的計算呈非線性，非常耗時，我們針對其提出了一種GPU加速的方法。這使得整體最佳化的時間從10分鐘以上降低到1分鐘左右。在此基礎上，利用球諧函式更好地建模螢光目標形狀，進一步提高了先驗形狀信息的融合能力，提高了重建圖像的解析度。為了克服小動物異質光學參數對於重建定量和定位能力的影響，研究了結合漫射光學重建（DOT）引導獲取本徵光學參數信息和歸一化波恩方法的螢光分子斷層重建。結果表明，當激發光放大係數存在偏離時，FMT重建的定量準確性隨著偏離的增大而變小。相對而言，結合DOT引導和歸一化波恩方法對於偏差的回響更為魯棒。這表明，在實際套用中，結合DOT引導和歸一化波恩方法非常有必要。螢光壽命通常可以表征探針所在組織處的化學特性，提供更多有價值的評價信息。當前可獲取螢光壽命信息的FMT面臨成像時間過長的難題，限制了其實際套用。為解決這一問題，提出了一種融合飛行時間曲線和連續光信息的成像模式，並針對其提出了一種兩步重建的信息融合算法，驗證了該模式的可行性。為了方便有效地獲取更多探測信息以提高重建質量，提出和建立了一種基於旋轉鏡的全形度螢光分子斷層成像系統。該系統具有無需旋轉光源、探測器以及小動物，即可實現全形度成像的能力，有效地提高了成像的分辨能力，大幅度簡化了成像的準備和實驗過程。同時，最佳化了全形度系統的各種模式參數。研究和建立了一種基於DLP（數字光學處理）結構光照明的全形度光學斷層成像系統。探究了結構光照明在弱散射介質中對於成像分辨的改善能力。並最佳化了結構光空間頻率，使得能夠獲取最優的對比度改善。為更方便和準確地開展螢光分子影像生物學套用研究，在光學平台上搭建實驗系統的基礎上，研製了一套多光譜的螢光分子成像樣機，實現了圖像採集、顯示、存儲、分子影像處理和分析等功能。