[00659388]面向胃癌早期检测的定量光学分子成像新方法

胃癌是严重威胁国人生命健康的重大疾病，早期检测是其防治与降低死亡率的关键。光学分子成像技术由于能够从分子细胞水平反应肿瘤的生理病理变化，可为胃癌的早期检测提供新手段。然而，光学分子成像技术成功应用于胃癌的早期检测还面临-些亟需解决的问题，包括胃的空腔结构及其所处环境的光学特性异质性带来的成像精度和效率问题、成像模型病态性和测量数据不足性带来的成像精度稳定性问题、基于漫射光理论的定量光学分子成像技术分辨率不足问题。在国家自然科学基金和陕西省自然科学基金等项目支持下，项目组以胃癌的早期检测与精准诊疗为关键科学问题，围绕胃癌早期检测研究多尺度定量光学分子成像新技术，发现了胃癌问题特异性的光学分子成像理论模型、融合稀疏正则化的高稳定性光学三维重建方法、融合受激拉曼散射的高分辨率光学投影成像方法，推动了光学分子成像技术在胃癌早期诊断中的应用。主要发现点有： 1、融合受激拉曼散射的高分辨率光学分子成像方法：光学分子成像技术依赖于体内胃癌源发射的光信号经在生物体内传输至体表进行成像，以通过光与生物体内器官、组织、细胞或分子的相互作用规律揭示胃癌疾病的发生发展机制。由于生物组织的强散射作用，胃癌源发射的光信号会在体表形成漫射斑，造成成像分辨率较低。针对这个问题，项目组充分利用贝塞尔光束的无衍射特性和自我修护特性，通过融合受激拉曼散射技术，创新性的提出了受激拉曼投影成像概念，发现了融合受激拉曼散射的高分辨率光学分子成像方法，空间分辨率从毫米量级提高到了微米量级，成像速度提高了1个数量级，为胃癌活细胞新陈代谢活动的高分辨率定量三维快速检测以及肿瘤边界的高分辨率精准识别提供新手段。 2、融合结构和光学异质性的光学分子成像理论模型：胃肠道的解剖结构具有其自身独特特点，包括空腔结构、被周围的肝脏和肌肉包裹等，造成其具有较强的光学特性异质性，这导致原位胃癌的定量光学分子成像具有精度和效率低下或无法兼顾问题。针对这个问题，项目组通过构建腔体的组织光传输混合模型解决胃的空腔结构影响，通过构建高低阶组织光传输混合模型解决胃所处环境的光学特性异质性问题；建立边界耦合条件，创建了用于胃癌早期检测特定问题的融合结构和光学异质性的光学分子成像理论模型，精度提高了5倍，计算效率提高了1/3，实现了原位胃癌复杂特殊环境下的光传输过程的准确、高效建模。 3、融合稀疏正则化的高稳定性光学三维重建方法：原位胃癌的定量光学分子成像技术基于高精度的成像理论模型，设计准确快速的三维重建方法，通过体表测量数据获取胃癌的位置和分布信息。融合结构和光学异质性的光学分子成像理论模型的高维性以及体表测量数据的严重不充足性，造成了原位胃癌的定量光学三维重建具有较差的精度稳定性。这对这个难题，项目组充分利用原位胃癌空间分布的稀疏特性，通过构建基于lp范数的稀疏正则化目标函数，创建了融合稀疏正则化的高稳定性光学三维重建方法，改进了重建图像质量和计算效率，确保了原位胃癌复杂特殊环境下定量光学分子成像的精度稳定性。 项目相关成果已在Nature Communications等国际权威期刊发表SCI论文，其中8篇代表性论文的SCI他引次数54次。这些成果受到国际同行的积极肯定与评价。