優(yōu)化熒光分子層析成像質(zhì)量的方法研究.pdf

1、熒光分子層析成像（Fluorescence Molecular Tomography, FMT）作為一種新興的分子成像手段，在腫瘤早期檢測(cè)和藥物開發(fā)等研究中具有重要作用。然而，F(xiàn)MT的圖像重建過程存在病態(tài)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差和數(shù)值模擬計(jì)算誤差敏感，導(dǎo)致結(jié)果中易出現(xiàn)嚴(yán)重偽影，進(jìn)而引起定位和定量信息的不準(zhǔn)確，以及空間分辨率低下。因此，為提高FMT的成像質(zhì)量，本文從優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建FMT-CT雙模式系統(tǒng)的空間融合方法，以及提高成像空間分辨率等方面

2、開展研究。
　　在比較了他人已有研究基礎(chǔ)上，為避免數(shù)據(jù)采集中通常采用的將生物樣品旋轉(zhuǎn)和垂直固定，由此帶來的器官晃動(dòng)和變形，以及由此引入的實(shí)驗(yàn)誤差，本文設(shè)計(jì)并研制了一套機(jī)架旋轉(zhuǎn)式FMT系統(tǒng)，主要研究?jī)?nèi)容包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件選型、軟件實(shí)現(xiàn)以及性能測(cè)試。首先，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全角度有效采集，對(duì)系統(tǒng)的整體框架和旋轉(zhuǎn)機(jī)架等進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)處于自然體位的小動(dòng)物的全角度掃描。其次，為了實(shí)現(xiàn)快速、大視場(chǎng)、高靈敏度以及高分辨率成像，選用了電子倍

3、增 CCD作為探測(cè)器；為了避免光源對(duì)形狀不規(guī)則的樣品表面進(jìn)行掃描時(shí)，光斑尺寸大幅變化引起的實(shí)驗(yàn)誤差，自主設(shè)計(jì)了光纖聚焦鏡，使光斑直徑在焦平面±10 mm范圍小于1 mm。再次，采用微軟基礎(chǔ)類庫(kù)（Microsoft Foundation Classes, MFC）進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)全自動(dòng)獲取。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，分辨率達(dá)到了0.7 mm；靈敏度達(dá)到了0.01μmol/L；線性度達(dá)到了99.46％，誤差小于10%。綜合性能較已

4、有同類系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　在已建立的機(jī)架旋轉(zhuǎn)式FMT系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了利用CT先驗(yàn)信息減小FMT重建中的數(shù)值模擬計(jì)算誤差，實(shí)現(xiàn) FMT-CT雙模式成像的空間融合，本文提出了一種適用于機(jī)架旋轉(zhuǎn)式FMT-CT雙模式系統(tǒng)的幾何校準(zhǔn)方法。該方法考慮了FMT和CT的空間旋轉(zhuǎn)和偏移，以CT坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，對(duì)FMT系統(tǒng)的光源掃描模塊和探測(cè)模塊分別進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從原理上解決了雙模式系統(tǒng)空間融合中硬件安裝誤差問題。校準(zhǔn)結(jié)果表明，光源掃描的定位誤差

5、為0.0153 mm，探測(cè)模塊在CCD兩個(gè)維度的定位誤差分別為0.18 mm和0.08 mm，滿足生物應(yīng)用的需求。通過動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本雙模式系統(tǒng)能夠?qū)π∈蟛煌课坏臒晒饽繕?biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，證明本文所建立方法有效實(shí)現(xiàn)了雙模式成像的空間融合。
　　為進(jìn)一步降低FMT重建問題病態(tài)性對(duì)成像質(zhì)量的影響，本文發(fā)展了第二近紅外光學(xué)窗（NIR-II）FMT。新興的NIR-II染料在彈道光區(qū)域的熒光成像中展現(xiàn)出了較高的分辨能力，但對(duì)諸如F

6、MT這種高散射區(qū)域的熒光成像是否同樣有效尚不清楚。為此，本文首先從理論上分析了NIR-II提高FMT分辨率的可行性，利用奇異值分析方法和仿真實(shí)驗(yàn)，證明了NIR-II能夠改善FMT重建問題的病態(tài)性、提高空間分辨率。其次，搭建了一套兼容NIR-I和NIR-II的成像系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：平板模型實(shí)驗(yàn)中，NIR-II FMT的空間分辨率能夠達(dá)到1 mm，高于NIR-I的3 mm；鼠狀仿體模型實(shí)驗(yàn)中，NIR-II FMT能分辨2 mm間隔的熒

7、光團(tuán)，而NIR-I則無法完成。以上結(jié)果證明，NIR-II有效提高了FMT的空間分辨率。NIR-II波段下，組織散射系數(shù)的變化是提升FMT空間分辨率的主要原因。
　　綜上所述，本文研制了機(jī)架旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的FMT系統(tǒng)，減小了實(shí)驗(yàn)誤差；發(fā)展了FMT-CT雙模式系統(tǒng)的幾何校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)了雙模式成像的空間耦合，降低了FMT的數(shù)值模擬計(jì)算誤差；發(fā)展了NIR-II FMT，提高了FMT的空間分辨率。通過以上三方面的研究，有效提高了FMT的成像質(zhì)量，