基于衰减校正的自发荧光断层成像研究

自发荧光断层成像是一种重要的光学分子影像成像模态，它可以利用特异的分子探针技术对活体状态下的生命过程进行细胞、分子水平的定性和定量研究。项目采用基于自适应技术的衰减校正方法进行自发荧光断层成像逆向光源重建，衰减校正方法的研究将极大地降低生物自发荧光重建问题的病态性，提高重建精度。同时，针对原有的基于标记点配准方法的局限性，我们研究无基准点的非刚性配准方法，并将小鼠的呼吸节律校正引入到配准中来，必将极大地提高配准精度，有利于后续重建精度的提高。此外，我们将研究自发荧光的快速重建方法，将不同的算法融合到统一的框架下，形成基于配准、重建算法的荧光三维分布计算平台，满足肿瘤探测的实效性需求。项目的研究为深入开展自发荧光断层成像理论、算法和系统的研究奠定了基础，对原发性肿瘤的探测和相关药物的评估具有重要应用价值。

根据项目立项时的关键科学问题，我们完成了以下几项研究目标：.首先，系统的研究了肿瘤成像过程中荧光的衰减规律，提出了有效的荧光补偿重建算法，减少了荧光衰减对重建结果的影响。这部分的工作发表在美国光学学会的主流期刊Applied Optics . .其次，基于真实环境原位肿瘤探测中的二维多角度荧光的三维映射问题，发展一套无基准点的非刚性配准映射方法；这部分的工作我们发表在了美国光学学会的会刊Journal of Biomedical Optics 上.文中我们提出了一种基于光学迭代映射的2维-3维配准方法，同时将该方法应用到三维转基因鼠骨的配准和其骨钙素的重建问题中。与传统的基于固定点的方法相比，我们的方法不依赖标记点，三次实验的配准精度分别被改进了0.3,0.5和0.4象素。此外， 基于两种配准方法得到的结果，我们重建了转基因鼠内部光源的三维位置信息。 重建结果表明， 真实的光源位置与重建光源位置的平均误差分别被减少了0.32,0.48,0.39mm。.第三，基于肿瘤快速诊断的需求，研究快速的光源映射和重建算法，将肿瘤荧光重建中的四大步融合为一个统一的算法框架，形成一个原位肿瘤快速三维定位的算法平台。在该平台的支持下，我们对药物五氟尿嘧啶进行了纳米包载，并验证了其疗效和靶向性。这部分的工作发表在了生物材料的顶级期刊Biomaterials上。文中，我们利用SM5-1与聚乳酸耦联并包载5氟尿嘧啶（5-FU）制备了一种靶向性药物PLA-5FU-SM5-1，和对照药PLA-5FU和单纯5-FU，并在体内体外两种方式进行肿瘤杀伤实验。皮下肿瘤小鼠抗癌结果表明，相对于空白对照组，PLA-5FU-SM5-1，PLA-5FU和5-FU分别能够导致45.07%，23.56%和19.05%的肿瘤细胞抑制率。同时，为了进一步评价药物的抗癌效果，我们建立了肝原位癌小鼠用于后续实验。根据获得的肝原位癌小鼠的腹部荧光测算， PLA-5FU-SM5-1，PLA-5FU和5-FU可以得到53.24%、31%和18.11%的肿瘤抑制率。进一步，我们利用我们自主研发的基于衰减校正的自适应有限元重建方法重建了肝原位癌小鼠治疗后的肝癌的三位分布，得到了与腹部荧光测算一致的结果。该方法不光可以估计肝癌的整体抑制效果，还可以得到肝癌的分布信息，这也为后续的肝癌相关研究提供了有效的信息。