量子点标记的肿瘤新生血管双模分子成像及识别方法研究

肿瘤血管生成或新生是肿瘤生长与转移的先决条件, 对其无创、实时地检测分析是研究肿瘤发病机理和转移机制的关键。本课题通过光路耦合的方法构建活体分子超光谱成像和多普勒光学相干断层成像的双模分子成像系统并阐明其成像机理，采用基于光学二组元法的变焦系统解决由于波长变化引起的图像漂移和配准问题；通过接枝共聚物作为载体，使用肿瘤靶向分子将其功能化，将经过碳链修饰的量子点包裹起来形成复合结构量子点作为肿瘤标记物并对其特性进行表征；结合光在活体组织中的传输理论，系统研究量子点标记的肿瘤新生血管双模分子影像数据定量化识别分析的新方法，拟将改进的半监督支持向量机算法引入到生化参量反演中，解决高维度、大数据量信息提取中的精度与效率之间的矛盾；通过实时监测大鼠肿瘤皮窗模型的血管形态、血氧饱和度、血流量、血流剪切率等参数，对肿瘤血管生成进行综合评价和分析。为研究肿瘤的发病机理和临床诊断提供一种新的思路。

随着影像学技术的发展, 现代医学影像学逐渐呈现出由形态转向形态与功能并重、由宏观转向微观、由单一模式转向多模式的趋势。现有分子影像技术在肿瘤血管分析中，多数集中于其形态学研究，而从光谱-形态等多维度同时进行分析，特别是结合标记物进行无创在体的检测分析，对于从新的角度研究肿瘤血管具有重要意义。相关研究也可以为肿瘤的发病机理、临床诊断、病情检测和疗效评估等提供一种新的方法和手段。在本项目研究中：（1）研究了能作为标记物使用的多种量子点的制备方法并对其特性进行了表征。研究了Fe3O4/SiO2/Gd2O(CO3)2纳米颗粒的制备方法，通过SiO2层的引入解决了Fe3O4与Gd2O(CO3)2之间的偶合问题；制备出了Gd掺杂CdSe/ZnSe核壳型量子点，通过与3-巯基丙酸进行配体交换使其具有水溶性；给出了水相中制备Gd掺杂的CdTe量子点的实验方法，其荧光量子产率最高可达30%，荧光光谱发射峰波长半峰宽为16～66nm。（2）搭建了适用于血管检测的多维成像系统，该系统的成像光谱范围550nm至1000nm，光谱分辨率2nm至5nm，空间分辨率优于1μm，有效像元数1600×1200，像元尺寸4.4μm×4.4μm。开发了配套的数据采集和处理软件，实现了数据格式的标准化。（3）制备了裸鼠皮窗模型。给出了裸鼠脊背皮窗模型的制备方法并研究了肿瘤模型的制备，使用研制的系统进行了样本数据的采集。（4）提出了基于包络线去除的预处理算法，去除了系统光路和照明光源等因素对采集结果的影响。提出了基于特征的配准算法，实现了肿瘤血管数据的波段配准，提高了光谱测量的准确性。（5）提出了系列图像识别分析算法。包括spectral angle和distance score 相结合的SAD算法用于皮肤组织的识别分析， K-means与fuzzy C-means算法相结合的算法用于血细胞的识别，改进的SVM算法用于神经组织的定量化分析。使用标准光谱相似性指数算法进行多标记物的识别，对CdSe与CdSe/CdS量子点标记的样本进行了共定位分析。对肿瘤血管图像数据进行了三波段伪彩色合成和光谱识别分析，发现不同发展时间的肿瘤血管光谱在第30至60波段存在差异，可以为后续的肿瘤诊断研究提供参考。在本项目资助下，发表SCI检索论文15篇，EI检索的会议论文9篇；获得中国发明和实用新型专利授权6项，完成了预期指标。