光学标测心肌组织深层荧光信息的提取与三维重建方法研究

Cardiac optical mapping is now moving towards the goal of establishing 3D (three dimensional) deep tissue functional information of the whole heart. Our group has been devoted to optical measuring cardiac membrane potential for many years, and as a result, optical mapping platform has been built up and successfully applied to measure ex vivo rabbit cardiac potential. The next step is to extract 3D deep cardiac potential distribution using Monte Carlo simulation and cardiac surface detected fluorescence. In this research, reflectance signal will be used for cardiac tissue structural information (tissue optical properties) extraction while fluorescence signal will be used for functional information (fluorescent and electrical information) extraction, and then these two will be combined using image fusion algorithm to rebuild 3D deep cardiac structural and functional image. Our goal is to develop an algorithm with complete independent intellectual property rights for 3D cardiac structural and functional information extraction, and apply it to explore the mechanism and pre-condition of defibrillation, the dynamic change of electrical potential, as well as mechanism of ischemic arrhythmia and detection of deep tissue electrical reentry. The significance of this research is that it can provide new tools for electrophysiology study.

心脏电活动光学标测技术正朝着全心脏深层三维立体功能成像方向发展。本课题组多年致力于心脏膜电位光学记录，已建立光学标测检测平台，并成功用于兔离体心脏电活动标测的基础实验研究。在此基础上，根据心脏表面所探测的荧光信号，利用蒙特卡洛模拟算法，恢复提取心肌组织深层三维电位分布是我们进一步的研究目标。本课题拟通过光学反射信号提取心肌组织结构信息（组织光学参数），利用荧光信号拟合提取心肌组织功能信息（荧光信息和电位信息），并将二者通过图像融合算法进行整合，恢复重建出深层三维心脏结构功能图像，开发出一套完整的具有自主知识产权的三维心肌组织结构和功能信息提取算法，用于探索电除颤机理、除颤条件和除颤过程的电位动态变化，探讨缺血性心律失常的生理机制，实现对组织深层折返信息的检测，从而为国内外电生理研究提供新的手段。

该项目按照预期的计划执行，根据项目要求搭建了高光谱系统用于提取组织反射光谱三维数据，通过调节光学镜头参数可以采集放大任意倍率的图像。并设计开发了一套高光谱数据采集系统软件，提出曝光系数校正方法，能按需连续自动的采集图像并能实时显示和保存，效率极高并具有广泛的适用性。并构建正向/逆向蒙特卡洛三维体素模型，提取得到组织的三维光学参数。蒙特卡洛三维体素模型是在多层模型的基础上建立的，可以匹配高光谱成像技术对空间分辨率的要求，提取生物组织三维空间内任一点的光学参数。在此基础上，构建了心脏电活动荧光三维蒙特卡洛模型，模拟了不同生理条件下电兴奋传导速度与心脏表面荧光强度变化之间的关系，并与家兔离体心脏电活动光学标测所得到的荧光信号进行对比。.通过仿体实验，成功提取到了组织仿体的吸收系数 和散射系数 ，其中A组仿体提取值相对理论值的误差均值和标准差分别为吸收系数10.53% 9.92%，散射系数7.33% 6.92%；B组仿体的结果分别为吸收系数12.42% 9.23%，散射系数9.78% 8.86%。本项目还进行了基于光敏剂血卟啉单甲醚(HMME)的猪肉仿体实验，验证了系统提取猪肉组织光学参数的可靠性。采用不同厚度的猪肉组织模拟多层生物组织的情况，在不同组织深度涂覆5种不同浓度HMME溶液作为实验组，通过测量反射光谱，提取猪肉组织光学参数，为以后通过反射光谱提取组织深层生理信息的研究工作奠定了基础。最后，我们还进行了初步的基于金纳米粒子的仿体组织高光谱检测实验，为进行光动力治疗时通过采集图像提取照射区域信息奠定了基础。.为提高方法实时性，降低实际使用时的运算量，本项目通过采集基底细胞癌切片和未染色的肝癌切片实验的显微高光谱图像，利用宽间隔导数法分析组织中不同组分的光谱特性，将预先分类的组织样本经过深度卷积神经网络模型的训练学习，能准确的识别癌组织和非癌组织，其识别的准确率都很高，从82.5% 到 98.74%不等。由此验证了本文建立的应用于高光谱图像分类的深度卷积神经网络模型的适用性，也展现了高光谱成像技术应用于肝癌在体检测的潜力。