内窥式切伦科夫发光断层成像方法研究

切伦科夫发光断层成像是一种融合核素和光学三维成像两种成像模态优势的新兴分子影像技术。本项目深入研究切伦科夫光在复杂生物体中的传输过程，结合内窥成像方式下的物理模型和切伦科夫发光光谱特点，建立更准确的光传输混合数学模型；深入研究混合模型之间的边界耦合条件，采用多级自适应有限元方法构建系统方程，描述体内靶标与内窥信号测量值之间的线性关系；考虑体内靶标分布的稀疏特性和测量数据的严重不充足性，发展基于稀疏正则化理论的三维重建算法，实现体内靶标位置和能量分布信息的精确、高效、全域、稳健的重建。最终，建立内窥式切伦科夫发光断层成像理论及算法，以解决不同深度靶标的重建问题，为切伦科夫发光断层成像技术，尤其是内窥式切伦科夫发光断层成像技术的发展和应用奠定理论基础。

切伦科夫荧光成像是一种融合核素显像和光学分子成像两种成像模态优势的新兴分子影像技术。在国家自然科学基金委青年项目支持下，围绕切伦科夫荧光成像技术进一步实用化和临床化的整体目标，我们深入开展了内窥式切伦科夫荧光成像技术研究，内容涵盖内窥式光学三维成像理论模型、内窥式光学三维重建方法、内窥式切伦科夫荧光成像系统及其应用等。首先，通过深入分析内窥式切伦科夫荧光断层成像物理模型，我们发现存在三种类型的区域，包括散射特性组织区域、空腔区域以及内窥探头所在的自由空间区域。针对散射特性组织和空腔区域，深入研究切伦科夫光在复杂生物体中的传输过程，建立了基于生物组织特异性的光学三维成像理论模型，即组织特异性光传输混合数学模型；针对内窥探头所在的自由空间区域，建立了基于朗伯源理论的自由空间光传输模型。其次，考虑体内靶标分布的稀疏特性和测量数据的严重不充足性，发展了基于稀疏正则化理论的三维重建算法，并分别在外部激发模式和内窥模式下的切伦科夫荧光断层成像方法中开展了应用研究。最后，针对胃癌面临的早期诊断难题，结合分子影像技术优势，我们将内窥镜与切伦科夫荧光成像技术有机结合，研发了内窥式切伦科夫荧光成像系统，利用切伦科夫荧光成像临床用核素探针多和光学分子特异性成像的特点，试图探索胃癌的早期诊断问题。通过一系列实验，我们对该系统进行了详细的性能评估，结果表明我们搭建的系统可获得与PET相当的空间分辨率。在系统性能测试基础上，我们与第四军医大学第一附属医院西京医院消化病医院和核医学科合作，率先开展了基于内窥式切伦科夫荧光成像系统的临床直肠癌病患的诊断成像，初步的临床试验结果证明了该系统所拥有的巨大应用潜力。本项目的研究结果对推动切伦科夫荧光成像技术的临床转化具有重要意义。