基于同步辐射低剂量光栅相衬CT的小鼠脑神经胶质瘤早期诊断研究

Research for early diagnosis of tumor research is very important to induct the tumor research and clinical treatment. This project presents the the application of low-dose synchrotron radiation grating phase contrast CT imaging for early diagnosis of brain gliomas in small animals for the first time. With the organic combination of compressed sensing algorithm, structure coupling and dictionary learning algorithm, an optimized algorithm will be proposed for the reconstruction of low-dose grating phase contrast CT. Using such method, brain glioma growth will be monitored and quantitatively analyzed. Now, suitable animal model and basic synchrotron radiation grating phase contrast CT device have already been established. The structure coupled and compressed sensing algorithm have been proposed for the use of low-dose spectrum CT reconstruction. Main innovations include three aspects. First, a kind of synchrotron radiation based, low doses, live tumor detection method will be raised, which can be extended to the clinical application with lab source in the future. Second, a new reconstruction algorithm will be presented suitable for low dose CT, which can be extended to the clinical use of low-dose CT. Third, through the statistical analysis of brain glioma micro-structure characteristics in different time point, the mechanism of occurrence and development of brain glioma will be revealed, which will provide theoretical basis for the early diagnosis of brain gliomas.

肿瘤早期诊断的研究，对引导肿瘤的科学研究和临床治疗具有重要意义。本项目首次提出了低剂量同步辐射光栅相衬CT成像用于小鼠脑神经胶质瘤早期诊断的新方法，将利用压缩感知，结构耦合和字典学习等算法的有机组合，获得低剂量光栅相衬CT的优化重建算法。利用该方法对小鼠脑神经胶质瘤的生长过程进行监测和定量研究，分析其发生、发展规律。目前本项目已具备完善的动物模型和同步辐射光栅相衬CT装置，并首次提出了结构耦合的压缩感知算法用于能谱CT重构领域。本项目的主要创新包括：首先，提出一种基于同步辐射的、低剂量的、活体肿瘤早期检测方法，有望扩展到普通光源的临床应用中。第二、提出了适用于低剂量相衬CT的重构算法，可推广到临床低剂量CT中使用。第三、通过统计分析不同时间的脑神经胶质瘤微结构特征，揭示脑神经胶质瘤的发生、发展机理，为脑神经胶质瘤的早期诊断提供理论依据。

本项目进展顺利，在各个方面都完成了总体目标，包括高水平论文的发表，建立了几种适用于低剂量同步辐射光栅相衬CT成像的图像迭代重构算法，实现了低剂量同步辐射光栅相衬CT成像，使无造影剂检测胶质瘤成为可能，同时通过对肿瘤血管结构特征的提取和分析，有望为胶质瘤的早期诊断提供理论基础。.本项目组不仅很好地完成了计划任务，实现了预期目标，而且有些研究任务提前或超额完成。主要包括：（1）建立了裸鼠胶质瘤模型，采用同轴相衬成像和光栅相衬成像技术获得裸鼠脑肿瘤结构（2）提出了低剂量光栅相衬成像新方法（3）完成了同步辐射X射线成像中样品辐射剂量分布的蒙特卡罗模拟（4）开发了三种不同的低剂量CT重建算法（5）结合深度学习，建立了三维肿瘤分割模型，精准的分割出了肿瘤区域组织。.项目启动以来，截止到2019年12月，在国内外主流学术期刊和会议上，共发表相关论文9篇，其中包括了Journal of Synchrotron Radiation，Optic Express等本领域重要SCI期刊，并参加国际同步辐射成像年会，国际生物医学工程年会等国际重要学术会议，作了多个学术报告。.在项目执行期间，共培养了硕士生7人，已毕业4人。.在执行过程中，本项目严格按照年度计划使用经费，并根据实际情况做了部分预算调整，已通过本单位和合作单位财务决算。.本项目由上海交通大学和中国科学院上海应用物理研究所合作共同完成，取得了良好的结果，在运行过程中，多学科人才聚集在一起，迸发出若干创新点，并在开展合作研究方面取得了一定的经验。但目前小动物活体光栅相衬CT在技术上还存在一些问题，离活体动物实验还有一段距离，需要进行进一步的研究。请求将来在这方面的研究能够给予进一步的资助。