基于扩散光学层析支持的小动物定量光声层析成像方法研究

Photoacoustic tomography (PAT) features a combination of the high optical contrast and the high ultrasonic resolution, and provides an effective imaging modality for early diagnosis of tumors and in vivo exploration of its biological mechanism. However, without sufficiently taking account of the absorbed energy density distribution, the traditional PAT methods have limited quantitative accuracy of the optical absorption, especially for deep-tissue imaging. Quantitative PAT, by further introducing the photon-migration-based inversion strategy, enables quantitative reconstruction of the optical coefficient distribution in tissues. Its performances mainly rely on several fundamental factors: accuracy of the absorbed energy modeling, satisfiability of the optical inversion scheme for absorption recovery and completeness of the measured information. In order to develop a small-animal imaging tool with high spatial resolution, high functional contrast and improved quantitative accuracy, the proposal focuses on three essential scientific problems with the above relevant factors of quantitative PAT: 1) in vivo extraction of the a priori optical structure using mouse-atlas-based diffuse optical tomography (DOT) methodology for the absorbed energy modeling; 2) a robust and high spatial resolution inversion framework for quantitative PAT image reconstruction; 3) a dual-modality measurement scheme of DOT/PAT and the prototype system with high spatial sampling and wideband frequency properties. The ultimate goal of the research is to establish a beneficial guide to the advanced methodology of DOT-supported quantitative PAT of small-animals, for disclosure of early-phase tumors and their biological mechanism.

光声层析成像技术(PAT)结合了光学成像的功能性和超声成像的高空间分辨率等优点，是肿瘤早期诊断和生物学研究的有效影像手段，但面向深层组织成像时，传统PAT方法由于未充分考虑光能分布特征，造成了光学吸收定量精度上的局限性。定量PAT技术则在其基础上结合了基于光子输运理论的光学反演策略，能够实现组织吸收系数图像的定量重建，其性能取决于光能吸收数理模型的精确性，图像反演理论的适定性和测量方法信息完备性等基本要素。本课题以实现肿瘤早期诊断和生物学研究中活体小动物功能成像和定量检测为目标，围绕上述要素探讨的科学问题主要包括：建立基于数字鼠模型扩散光学层析成像（DOT）先验信息的光能吸收数理模型、发展高空间分辨率和高鲁棒性的定量PAT图像反演算法和研究高空间采样率和高频宽DOT/PAT联合测量方法，最终建立基于DOT支持的小动物定量PAT先进成像方法，开展其在肿瘤早期诊断和恶性生物学方向上的应用研究。

光声层析成像技术(PAT)结合了光学成像的功能性和超声成像的高空间分辨率等优点，是肿瘤早期诊断和生物学研究的有效影像手段，但面向深层组织成像时，传统PAT方法由于未充分考虑光能分布特征，造成了光学吸收定量精度上的局限性。定量PAT技术则在其基础上结合了基于光子输运理论的光学反演策略，能够实现组织吸收系数图像的定量重建，其性能取决于光能吸收数理模型的精确性，图像反演理论的适定性和测量方法信息完备性等基本要素。而面向肿瘤恶性生物学研究的活体小动物功能成像和定量检测应用，必须有效克服现有定量PAT方法在上述三个关键因素上的局限性。. 本课题以实现高空间分辨率和高对比度的小动物光学参数定量成像为目标，围绕上述要素涉及的科学问题展开研究：(1) 建立了基于数字鼠技术和区域DOT重建技术的目标体光学结构的在体获取理论与方法，在此基础上发展了一种基于PAT/DOT联合成像的小动物模型光学功能信息在体获取方法，为组织体光能吸收数理建模提供了必要器官区域及光学参数先验知识；(2) 建立了面向活体小动物全身成像的定量PAT重建方法，基于多方向宽场光片照明模式的多角度联合重建q-PAT迭代反演策略，改善了光学求逆问题的不适定性和噪声鲁棒性，在此基础上探索建立有效降低定量PAT反演问题的病态性，实现高密度体元光学吸收图像高效重建的先进理论算法和技术体系；3) 建立了一套面向小动物模型的仿CT扫描模式DOT/PAT联合测量系统，将DOT测量部分和PAT测量部分通过共同的仿CT空间扫描系统形成一个完整的多模态测量系统;(4) 采用数值模拟、仿体实验、小鼠全身实验和荷瘤鼠肿瘤成像实验对所发展理论、算法及系统的综合特性和活体成像能力进行评估。本课题研究在传统PAT的定量局限性上实现突破性创新，为肿瘤等疾病的早期诊断和生物学机制研究提供了一种新型多模态光学成像方法。课题将继续在肿瘤恶性生物学方向上的应用展开研究工作。