三维光学断层技术在活体成像中的应用

三维光学断层成像(Three Dimensional Optical Tomography Imaging)是以光学探针标记的分子或细胞为成像源,在外部光源的激发下产生发射光,通过测量组织边界处的光强,结合光子在组织中的传播模型,来重建出组织内部发射光分布图像以及组织光学参数。三维光学断层成像能够提供目标物在生物体内的分布信息,克服平面成像的局限性。因此,在肿瘤检测、基因表达、蛋白质分子检测、揭示机体功能变化等方面有着很大的应用潜力。本文总结了光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography,OCT)、荧光分子断层成像(Fluorescent Molecular Tomography,FMT)、生物自发光断层成像(Bioluminescence Tomography,BLT)、切伦科夫荧光断层成像(Cerenkov Luminescence Tomography,CLT)等三维光学断层活体成像技术的新进展,分析了其在实际应用中所面临的技术挑战并探讨了相应的解决方案。

基于稀疏贝叶斯学习的单视图增强型切伦科夫发光断层成像

为了增强切伦科夫荧光的强度,促进切伦科夫发光成像(CLI)技术的临床转化,在前期研究中提出了一种基于辐射发光颗粒(RLMPs)的增强型切伦科夫发光成像(ECLI)技术,并取得了显著的增强效果;为了将ECLI技术扩展到三维成像领域,提出一种新型单视图增强型切伦科夫发光断层成像(ECLT)重建方法;该方法仅使用一个角度的测量数据,采用结合可行区域迭代收缩策略的稀疏贝叶斯学习(SBL)重建算法求解逆问题;设计了非匀质圆柱仿真和物理仿体实验,以验证该方法的准确性和稳定性。结果表明,所提方法可以提高光源目标重建的精度和速率,具有良好的稳定性,能够有效缓解逆问题的不适定性。

一种基于模糊C均值聚类的新型单视图切伦科夫发光断层成像方法

通过检测生物组织表面的切伦科夫发光(CL)信号,切伦科夫发光断层成像(CLT)技术可以重建得到生物组织内部放射性核素探针的三维分布。然而,CL信号强度值很低,加之光学信号在生物组织中传输的复杂性,降低了CLT重建精度。为了获得良好的CLT重建结果,提出一种新型单视图CLT重建方法,该方法基于模糊C均值聚类和迭代收缩可行域策略。设计了多组仿真模拟和真实实验,对所提出方法的性能进行了评估。结果表明,该方法可以有效提高重建精度,具有良好的稳定性,且具有重建双光源目标的能力。

基于局部连接网络的切连科夫荧光断层成像方法

针对传统的切连科夫荧光断层成像(CLT)方法的重建精度相对较低的问题,提出一种基于有限元剖分信息的局部连接网络(FES-LCN)。该网络由全连接子网络与结点连接子网络组成,其中结点连接子网络根据有限元剖分信息建立,用于预测初步重建结果与真实光源之间的残差。为验证该网络的性能,设计了物理仿真实验和数字鼠实验,结果表明,基于有限元剖分信息的局部连接网络具有良好的稳定性和准确性。

基于近似消息传递的切伦科夫激发的荧光扫描断层重建

切伦科夫激发的荧光扫描成像(CELSI)作为一种新兴分子成像技术,具有空间分辨率高和成像深度深的优点,在监测放疗过程中肿瘤的生理变化方面具有巨大潜力。前期工作基于Tikhonov方法成功实现了CELSI断层成像,但该方法无法对位置深度超过3 cm或低对比度的荧光目标进行准确重建。为克服这一问题,提出了一种基于近似信息传递算法的断层CELSI稀疏重建方法。为说明该算法的优点,将其与传统的Tikhonov正则化算法以及3种基于稀疏的重建算法进行比较。实验结果表明,就均方误差和对比噪声比而言,本文算法可以获得最优的重建结果。

基于空间信息改进聚类的切伦科夫荧光图像去噪算法

切伦科夫荧光成像因具有临床上广泛可用的放射性核素探针而成为近年来光学分子影像领域的研究热点,但放射性核素在衰变过程中产生的大量高能射线会造成采集到的切伦科夫荧光图像上存在大量脉冲噪声,严重影响基于切伦科夫荧光图像的定量分析和后续的三维重建等。为了尽可能降低上述噪声,提出了一种结合模糊局部信息C-均值聚类算法和整体变分模型的切伦科夫荧光图像去噪算法。数值仿真、物理仿体以及真实动物实验结果表明:与现阶段广泛使用的中值滤波算法相比,所提去噪算法能够在有效去除噪声的同时保留切伦科夫荧光光源部位的形状细节。

荧光素钠在切伦科夫能量转移中的应用

目的 分析医用造影剂荧光素钠作为18 F-FDG的切伦科夫光子能量转移（CRET）媒介的应用价值和适宜应用方案.方法 将不同浓度（0.05、0.10、0.20、1.00、2.00、4.00和8.00 mmol/L）的荧光素钠溶液混合1.85 MBq 18F-FDG进行CLI,观察CRET效应.勾画ROI,定量分析光学信号强度,研究荧光素钠浓度对CRET效应的影响,并确定产生最佳信号增强效果的浓度.将此浓度和对照浓度的荧光素钠溶液混合1.85～ 11.10 MBq 18F-FDG进行CLI,勾画ROI并进行直线拟合分析,研究该最佳浓度的适用范围和核素剂量对CRET效应的影响.将荷瘤裸鼠注射18F-FDG后进行CLI,之后注射荧光素钠溶液再次成像,对比前后图像信号强度,观察CRET效应对活体CLI的改善效果.结果 体外实验表明,荧光素钠混合18F-FDG能有效产生CRET效应.1.00 mmol/L荧光素钠溶液在1.85～ 11.10 MBq 18F-FDG范围内能达到最佳光学信号增强效果,为单独18F-FDG的3.7倍.肿瘤模型实验表明荧光素钠和18F-FDG在生物组织内亦能有效产生CRET,增强信号强度.结论 荧光素钠混合18 F-FDG所产生的CRET效应能提高切伦科夫辐射的光学信号强度,有效缩短曝光时间,获得更高的信噪比和对比度.

基于Unet的切连科夫激发的荧光扫描断层重建

切连科夫激发的荧光扫描成像(CELSI)是一种新兴的成像技术,在生物医学领域有着广阔的应用前景。本课题组前期分别基于Tikhonov正则化和稀疏正则化实现了CELSI断层成像,但重建图像的质量仍有待提高。基于此,本文提出了一种基于Unet的图像后处理算法。该算法将Tikhonov方法只迭代一次得到的低质量图像作为Unet网络的输入,通过网络学习对重建的图像进行一定的修正,以进一步提高重建图像的质量。实验结果表明,所提算法可以提高计算效率,而且当荧光目标在深度50 mm处时重建图像的峰值信噪比和结构相似度分别能达到28 dB和0.92。所提算法基于单荧光目标数据集训练的网络模型能够较好地重建出多荧光目标,表明了该算法具有较好的泛化能力。