外源性与内源性光学三维断层成像融合新方法研究

In vivo small animal optical tomographic imaging technologies, including fluorescence molecular tomography (external illumination needed), bioluminescence tomography and Cerenkov luminescence tomography (only internal emission, no external illumination), are widely used in mechanism and pathology research, diagnostic and therapeutic methods investigation, and prognostic performance evaluation in oncology. However, external optical imaging method suffers from the low signal-to-noise ratio, and internal optical imaging methods suffer from the week optical signal. Therefore, this project is aimed to create a new optical multimodality tomographic imaging method that can fuses the external and internal optical information. The new imaging method mainly consists of a dual-source multispectral molecular specific imaging model, a self-adaptive multi-parallel strategies iterative shrinkage reconstruction algorithm, and a dual-source optical and CT structural images registration algorithm. This method will merge the external and internal optical molecular information, as well as the dual-source optical and CT information, so that these multi-source images can complement each other's advantages, and improve their overall imaging performance. Finally, it will be able to trace the 3D distribution of multiple molecular probes in the same imaging subject, quantitatively, with the accuracy of hundreds of micrometers. This project will provide an emerging imaging tool for the in vivo and noninvasive observation of target molecules expression heterogeneity in tumor microenvironments.

在小动物活体光学三维断层成像技术中，外源性激发的激发荧光断层成像，以及内源性自发的生物自发光断层成像和契伦科夫荧光断层成像，都已广泛地应用于肿瘤领域的病理研究、诊疗方法探索和治疗效果评估中。本项目针对外源性光学成像技术信号强而信噪比低，内源性光学成像技术信号弱而信噪比高的成像问题，拟研究融合外源性与内源性光学三维断层成像的新型成像方法。该研究主要包括创建双源融合多光谱分子特异性成像模型，研发自适应多策略并行迭代收缩重建算法，以及构建双源光学图像和结构图像的融合配准算法。从而通过外源性和内源性的光学分子影像信息融合，以及双源光学信息与CT的解剖结构信息融合，达到多源信息的优势互补，全面提升成像性能。实现对于同一成像对象，更全面追踪多源性的不同光学分子探针（两种或两种以上）的在体三维定量分布（定量精度为百微米级）。为活体无创获取肿瘤内部微环境靶标分子表达的空间异质性信息提供新颖的成像技术手段。

在小动物活体光学三维断层成像技术中，外源性激发的激发荧光断层成像，以及内源性自发的生物自发光断层成像和契伦科夫荧光断层成像，都已广泛地应用于肿瘤领域的病理研究、诊疗方法探索和治疗效果评估中。本项目针对外源性和内源性光学成像由于光学散射效应带来三维重建精度低、速度慢等问题，创新了光学散射断层成像的三维重建方法，实现了外源性和内源性光学散射断层成像的高精度融合重建，使得多种光学分子探针的在体分布可以精确定量可视化（定量精度达到100微米）；在此基础上，还实现了断层重建速度的突破：将三维重建的计算耗时由常规方法的数十秒到数分钟，减少到不超过50毫秒。相关方法创新为活体无创获取肿瘤内部微环境靶标分子表达的空间异质性信息提供新颖的成像技术手段。本项目累积发表SCI期刊论文20篇，包括Gut、Medical Image Analysis、IEEE TMI、IEEE TBME等高水平期刊论文。其中SCI影响因子大于10论文3篇，ESI前1%高被引论文1篇。本项目的研究成果通过技术转移，应用于中国科学院自动化研究所成立的医疗科技公司（北京数字精准医疗有限公司）的产业化产品上。相关医疗器械产品与2020年获得了我国国家药品监督管理局（NMPA）的产品注册证，已经开始了市场化销售和推广。本项目开展的临床试验研究，也证明相关新方法和新技术，带来了显著的临床效果，有效地辅助了对肿瘤的精准切除。