基于有限角度稀疏采样的拉曼-光学投影断层成像技术与方法

Accurate quantification of bone mineral density (BMD) and bone quality change is of significance for the diagnosis of osteoporosis and monitoring treatment assessment. Concentrated on accurate quantification of BMD and bone quality change, this project aims to develop a dual-modality imaging technology of Raman and optical projection tomography. By developing a Raman-optical projection tomographic imaging system that sparsely samples the signal in limited angles, we can achieve three-dimensional, high-resolution fusion imaging of the microscopic structure and molecular function of millimeter scale sample in a label-free manner. By investigating missing angle data compensation strategy and sparse learning based image reconstruction algorithm, we can achieve accurate and fast three-dimensional reconstruction of sparsely sampled data in limited angles. Finally, limited-angle, sparse sampling based Raman-optical projection tomography technology is established, providing an in vivo, quantitative, and three-dimensional imaging tool for accurate quantification of BMD and bone quality change.

精确量化骨矿物质密度和骨质量变化对于骨质疏松症的精准诊断、治疗评估监测具有重要意义。本项目围绕骨矿物质密度和骨质量变化的精确量化问题，通过研制基于有限角度稀疏采样的拉曼-光学投影断层成像系统，实现毫米尺度样本的高分辨率、免标记三维显微结构和分子功能融合成像；通过研究缺失角度数据补偿策略和基于稀疏学习的图像重建算法，实现有限角度稀疏采样数据的准确快速三维重建。最终建立基于有限角度稀疏采样的拉曼-光学投影断层成像技术，为精确量化骨矿物质密度和骨质量变化提供在体、定量、三维影像学手段。

精确量化骨矿物质密度和骨质量变化对于骨质疏松症的精准诊断、治疗评估监测具有重要意义，这需要能够对骨组织微结构和骨基质成分变化进行同时成像和精确定量。本项目围绕骨组织微结构和骨基质成分变化精确定量问题，研究基于有限角度稀疏采样的拉曼-光学投影断层成像方法与技术，将为精确量化骨矿物质密度和骨质量变化提供在体、定量、三维影像学手段。围绕活体样本微观结构和分子组分的同时定量成像，本项目主要完成了三个方面的工作。首先，针对三维样本显微结构和分子组分的双模态信息获取，研发了双模态拉曼-光学投影断层成像系统，采用“双路激发、共路探测”架构，实现了5.12-36.42 μm的跨尺度空间分辨能力以及优于70 mM的脂质分子检测能力；其次，针对活体样本在体、连续动态观测对双模态投影断层成像速度的需求，建立了可用于稀疏角度投影数据和有限角度投影数据的基于迭代和深度学习网络的重建方法，具有较好的泛化能力，实现了个位数投影数据情况下的高质量图像重建；第三，选取了斑马鱼、拟南芥、果蝇等模式生物为实验对象，开展了技术验证与应用实验，证明了本项目研发的系统和方法在样本三维结构和分子组分融合成像中的适用性和应用潜力。在本项目支持下，项目组还探索了一些新型成像技术，包括融合贝塞尔光的受激拉曼显微成像技术和拉曼光谱检测技术、基于无透镜模式的无标记计算显微成像技术等，其中融合贝塞尔光的受激拉曼显微成像技术和拉曼光谱检测技术实现了散射介质下药物成分的高质量高效光谱检测，为中药提取物主要药效成分质量控制提供了新的快速便捷式检测手段，具有较好的产业应用前景。本项目共发表SCI论文23篇，国际会议口头报告10篇，国内会议邀请报告17次；授权美国专利1项，中国发明专利7项，受理中国发明专利2项；获省级自然科学二等奖和厅局级科学技术一等奖各1项。项目负责人入选了国家级青年人才、省部级人才等。