融合多光学信息的双参数荧光分子断层成像方法的研究

通过同时获得小动物体内荧光探针的浓度和荧光寿命的三维分布，双参数荧光分子断层成像可为疾病病程的在体检测、药物效率的在体评测、功能分子的在体活动规律研究等提供有效手段，具有广泛的生物医学应用前景。本项目重点研究一种融合多光学信息的双参数荧光分子断层成像新方法，期望突破双参数成像面临的时空分辨率瓶颈。首先，引入、理论分析和优化配置荧光和激发光的强度以及飞行时间曲线等多种类型的光学信息，实现在获取同样多有效信息量的情况下，大幅度降低成像时间。其次，在优化配置的基础上，建立一个基于伪随机编码激发的实验系统，实现多光学信息的快速同步检测。最后，针对荧光断层重建高不适定性的难题，建立高效融合多光学信息的荧光断层图像重建算法，提高重建图像的质量。本项目的成功研究，将为高时空分辨的双参数荧光分子断层成像奠定理论和实验基础，对于肿瘤研究和新药物研发等方面具有重要的基础和应用价值。

受限于光子的强散射特性，提高荧光分子断层成像（FMT）的时空分辨能力是一个世界性的难题和挑战。本项目从新的光学成像模式研究和参数优化，以及先验信息融合重建等方面提升荧光分子断层成像的时空分辨能力。通过融合先验的形状信息，有效提高重建图像的分辨能力和稳定性。提出了两步重建和GPU（图形处理单元）加速的椭球参数化的荧光分子断层重建算法。考虑到不同的形状参数对于表面测量值的贡献差别很大，提出了一种两步的策略来处理这些参数以使得重建的稳定性更高。同时，由于基于形状参数的目标函数及其雅克比矩阵的计算呈非线性，非常耗时，我们针对其提出了一种GPU加速的方法。这使得整体优化的时间从10分钟以上降低到1分钟左右。在此基础上，利用球谐函数更好地建模荧光目标形状，进一步提高了先验形状信息的融合能力，提高了重建图像的分辨率。为了克服小动物异质光学参数对于重建定量和定位能力的影响，研究了结合漫射光学重建（DOT）引导获取本征光学参数信息和归一化波恩方法的荧光分子断层重建。结果表明，当激发光放大系数存在偏离时，FMT重建的定量准确性随着偏离的增大而变小。相对而言，结合DOT引导和归一化波恩方法对于偏差的响应更为鲁棒。这表明，在实际应用中，结合DOT引导和归一化波恩方法非常有必要。荧光寿命通常可以表征探针所在组织处的化学特性，提供更多有价值的评价信息。当前可获取荧光寿命信息的FMT面临成像时间过长的难题，限制了其实际应用。为解决这一问题，提出了一种融合飞行时间曲线和连续光信息的成像模式，并针对其提出了一种两步重建的信息融合算法，验证了该模式的可行性。为了方便有效地获取更多探测信息以提高重建质量，提出和建立了一种基于旋转镜的全角度荧光分子断层成像系统。该系统具有无需旋转光源、探测器以及小动物，即可实现全角度成像的能力，有效地提高了成像的分辨能力，大幅度简化了成像的准备和实验过程。同时，优化了全角度系统的各种模式参数。研究和建立了一种基于DLP（数字光学处理）结构光照明的全角度光学断层成像系统。探究了结构光照明在弱散射介质中对于成像分辨的改善能力。并优化了结构光空间频率，使得能够获取最优的对比度改善。为更方便和准确地开展荧光分子影像生物学应用研究，在光学平台上搭建实验系统的基础上，研制了一套多光谱的荧光分子成像样机，实现了图像采集、显示、存储、分子影像处理和分析等功能。