新型介观（mm-cm）三维立体吸收/荧光/荧光光谱多维度定量成像的研究

Mesoscopic (mm - cm) 3-D biomedical imaging is of significance for applications in biological, medical research. To date, however, mesoscopic 3-D optical imaging techniques have not been efficiently extended to incorporate multidimensional fluorescence imaging, which may cause problems when attempting to make quantitative measurements on specimens. This is due to the low photon utilization efficiency and the lack of methods for merging multidimensional information. The focus of this project is to extend intensity-based mesoscopic 3-D imaging to incorporate spectrally resolved fluorescence imaging techniques, to investigate the methods for merging multidimensional information and finally to provide a mesoscopic 3-D absorption/fluorescence/fluorescence spectrum imaging platform based on scanning laser optical tomography with isotropic spatial resolution. There are three main research aspects: the design and the development of 3-D absorption/fluorescence/fluorescence spectrum imaging system, which will make the efficiently quantitative measurements on mesoscopic specimens; the investigation of modeling from a series of spectrally-resolved angular projection images to 3-D spectrum information and merging multidimensional information, which will achieve 3-D multidimensional information with isotropic spatial resolution; the optimization of the system parameters, which will provide an imaging platform for mesoscopic (mm-cm) quantitative measurements with the spatial resolution of ≤10 μm, the spectrum resolution of ≤2 nm. The research of this project will offer a new paradigm for compact, robust, highly efficient non-invasive mesoscopic 3-D fluorescence functional imaging system. The application will provide new insights or reveal new mechanism when investigating the whole biological organism and therefore boost the development of national biological and medical research.

介观（mm-cm）三维光学成像在生物医学领域有重要应用价值。但现有研究受限于光子利用效率低、整合机制缺乏等问题尚未能将介观三维光学成像与多维度荧光成像有机结合起来，因而难以对样本进行高效定量的测量。本项目提出一种高效有机结合介观光学成像和荧光光谱分辨的方法，实现基于扫描激光光学断层成像的介观三维立体吸收/荧光/荧光光谱的多维度定量测量技术。拟开展研究主要有：设计搭建介观吸收/荧光/荧光光谱成像系统，实现高效、定量多维度测量；建立从角度相关的含光谱信息的投影图像到三维立体光谱信息的重组模型，探索多维度信息整合的模式、方法，实现空间精度各向同性的三维光谱分辨技术；参数优化，实现成像范围mm-cm，空间精度≤10μm，光谱精度≤2nm的三维介观多维度测量系统。本研究为实现高性能无损伤介观多维度定量成像系统提供新思路，可应用在介观生物系统的研究中发现新现象和揭示新机制，有力推动生物医学领域的发展。

介观（mm-cm）三维光学成像可在完整的生物系统上提取生物立体结构信息，在生物医学领域有重要应用价值。但现有研究受限于光子利用效率低、整合机制缺乏等问题尚未能将介观三维光学成像与多维度荧光成像有机结合起来，制约了介观多维度荧光成像技术的发展与应用。. 在本项目的研究中，我们设计并搭建了高分辨率介观三维光学成像技术（光学投影层析成像、扫描激光层析成像和光片显微成像），根据成像机理和系统性能，选取具有较高光子利用效率且空间精度各项同性的扫描激光层析成像技术作为介观成像系统。在研究其与荧光光谱分辨技术结合机理中，提出了利用两个时序同步的扫描激发和对称反扫描探测的方法，将不同点激发的荧光耦合至狭缝上同一个位置点，实现了系统的高光子效率和高光谱分辨率。并基于上述机理研究，搭建了高光谱激光扫描层析成像系统，编写了基于Labview的系统硬件操控平台，并测量了系统的光学特性和物理特性。同时，我们建立了从角度相关的含光谱信息的投影图像到三维立体光谱信息的重组模型，编写了基于MATLAB多维投影数据重组及整合的算法，利用GPU并行计算对算法进行了加速优化，利用颜色作为附加维度可显示中心荧光发射波长整合显示多维度信息，实现了对生物医学介观样本进行空间精度各向同性的高光谱成像。系统成像范围达到mm-cm，空间分辨率可达到≤10 μm，空间精度各向同性，光谱分辨率可达到≤2 nm。在完成了系统的搭建，硬件操控和数据处理后，研究了系统的高速、高精度均衡条件，根据生物医学应用实际情况优化系统参数，使之符合具体应用的高性能快速测量，并开展了双色标记小鼠胸腺、无标记小鼠小肠以及其它生物医学应用实验研究。本项目的研究成果不仅促进了介观多维度荧光成像技术的发展，为基于荧光的诊疗技术具有重要指导意义，且有望作为新的观测手段推进生物医学系统领域的研究发展。. 在项目上述执行期间，发表了国内外期刊论文11篇，会议论文4篇，申请了国家发明专利3项，指导了6位研究生。