[00150024]基于荧光层析/CT双模成像的分子影像关键技术

现代分子生物学技术的迅速发展,特别是随着后基因组时代的到来,人们已经能够根据需要建立各种细胞和动物模型。然而,目前的生物化学或分子生物学手段,虽然可以在分子水平上说明生命基本的化学组成和基本反应,但不能反映这些生物分子作用过程的时间、空间关系,很难实时监测蛋白质在细胞内代谢与调控过程中蛋白质分子间的相互作用及其动力学过程。 光学分子成像技术的发展为在活细胞内研究生物分子时间事件提供了重要手段。结合光学分子标记技术,光学显微成像已经能够在细胞水平实现对分子事件的定量成像。细胞水平的分子成像为阐明生物分子间的相互作用与网络调控机理提供了重要研究手段,然而,要进一步理解微观层次上分子间相互作用与网络调控对宏观生命现象的影响,还需要从组织、器官乃至整体尺度上系统研究分子事件导致的整体效应,因此,在小动物整体水平上研究分子事件的技术是生命科学研究的重大需求。 光电技术的迅猛发展,特别是高性能光源（如波长、强度可调的激光器）和高灵敏度探测器的出现与应用,为在更大尺度上开展分子成像的研究提供重要技术基础。目前,活体小动物研究普遍使用的是二维平面在体光学分子成像方法,该方法在成像深度和信息定量化方面存在明显不足：成像深度一般小于1cm,且不能提供目标尺度与深度定位的定量信息。因此,在生物学研究,特别是重大疾病（如肿瘤、神经退行性疾病）的发生、发展与治疗的动态监测等方面,迫切需要发展成像深度更深的三维在体光学层析分子成像理论与方法。 目前,虽然光学分子成像设备的发展极其迅速,各种性能参数的设备层出不穷,但鉴于光在生物组织中传输的高散射特性,活体光学分子检测具有较高的难度,尤其是较高的定位精度和定量准确性很难实现。在国外已有数家公司推出了平面式的光学分子成像产品,这些产品却只能进行二维的病灶定位和定量。少数几家公司（如美国的PerkinElmer公司和Bioscan公司）在已有的单模式成像系统基础上开始进行荧光分子层析成像与微型CT的双模式产品的研制。但限于技术瓶颈,这些系统的成像结果依然难以满足实验室需求,比如适用性低,重建效果不佳等。 在生物研究中,需要具有更高定位精度和定量准确性的光学分子成像设备。 目前,全世界进行生物分子成像的课题组约有数千家之多,但能够拥有活体光学分子成像设备的课题组非常少。自行研发需要较高的技术积累,而从国外采购造价高昂。比如PerkinElmer公司的双模式系统售价普遍在350万元人民币左右,远非一般课题组可以承受。项目组对光学分子成像设备的研发,有助于突破国外在此领域的技术壁垒,有效降低设备价格。对该设备的研发,不仅可以创造巨大价值,而且有望降低日后检查的成本。按照目前我国对生命科学研究、医学基础研究和药物开发的力度,可以预计到2015年国内对光学分子成像设备的需求量将达到200台以上,价值将超过7亿元人民币。 本项目组从1998年至今开展了光在组织中传播规律及图像重建算法的研究,提出了基于体素化的蒙特卡罗模型（Monte Carlo stimulation in Voxelized media, MCVM）,该模型能够精确的提供光在三维组织中的分布,从而为高精度的荧光重建提供可能。将体素化蒙特卡罗模型用于荧光重建耗时巨大,本课题将GPU用于模型重建,并基于光路互易性原理将加速后的该模型引入荧光分子层析成像（Fluorescence molecular tomography, FMT）的图像重建算法中,有效降低了重建耗时。在上述的理论支持下,从2006年开始项目组开展了FMT-CT成像系统研制,采用机架旋转式的成像模式,实现了小动物自然体位下双模式成像系统样机。基于研制的系统样机,研究希望引入CT结构信息配合前述重建算法实现高精度快速FMT重建的技术,证明并引入投影叠加图对称性,有效降低了CT图像的放射状和环状伪影,并开展了高精度的双模式系统校准方法研究,实现了系统自校准和双模式系统亚像素误差的共校准,为引入高分辨结构信息提高光学分子成像的质量提供基础。本课题组进一步提出一种非均匀剖分技术,使得CT提供的高先验信息不仅能够有效引导FMT图像重建,而且能够加速重建过程。本课题的另外一部分工作在于多功能荧光探针的制备。项目组发明了一种具有多价效应和纳米尺寸效应的多肽荧光探针的构建方法,以四聚体深红荧光蛋白为构架形成的八价纳米探针,具有显著增强的在体肿瘤靶向性和细胞内摄取能力,该探针可有效用于双模式系统成像。项目组还发展了适用于多模式成像系统的探针,能够在多模系统下提供对比度,获得多套物理信息。本系统研制中所提出并实现的关键理论和关键技术能够获得更高精度的成像结果,为生物医学研究提供可靠的活体内动态研究工具。 创新点： 1) 性能优越的荧光层析/CT双模式分子成像系统 （1）使用基于体素化的蒙特卡罗模拟方法进行正向光子分布研究。 （2）利用光路互易性原理减少蒙特卡罗方法的运行次数以减少时间消耗。 （3）利用CT提供的结构信息辅助FMT的重建以获得高精度解。 2) 高靶向性荧光分子探针 FMT/CT双模式成像系统的搭建集合了当今科技发展的多项技术,其中,大部分技术已经成熟,小部分关键技术已在本项目中实现。 高性能计算技术 随着计算技术的发展,计算机的运行速度越来越快。同时,大规模高性能并行计算技术也在蓬勃发展,新兴的计算机集群技术、GPU加速技术以及英特尔众核技术在众多应用方面均展现出了出色的成绩。荧光分子成像技术中的数据重建需要的工作就是将重建过程移植到并行计算平台。高效率的重建算法 重建算法方面,最为传统的方式是采用一阶或二阶优化算法来优化一个带有Tikhonov正则化项的目标函数,但Tikhonov正则化容易产生一个过于光滑的解而影响分辨率,带来伪影。近年来随着压缩感知技术的蓬勃发展,基于稀疏先验的重建算法被广泛运用于FMT的重建问题中,例如全变差正则化,基于L1范数的正则化等,相应的优化算法也被广泛的研究和运用,我们分别采用了最为通用有效的共轭梯度法和Iterative soft thresholding算法分别用于优化带有Tikhonov正则化项和稀疏正则化项这两种情况下的目标函数。图像配准和显示 图像配准技术广泛应用于遥感数据分析、计算机视觉、图像处理等领域,而医学图像配准作为一种成熟的技术已广泛应用于临床,本项目中,我们根据FMT/CT双模式成像性质,研发了独有的图像配准技术,并获得了良好的效果。 本项目的成像系统适用于活体小动物成像,X射线安全性通过了湖北省计量局的检测。