[00923841]双模式活体小动物光学分子成像系统

该成果提出并研制了非接触式的荧光分子层析与微型CT的双模式活体小动物光学分子成像系统，是国际上最早实现该系统的研究小组之一。发明了双模式成像中图像融合和图像重建的方法，拥有从硬件系统设计到软件图像处理的全套知识产权。该成果包括安装在光学平台上的双模式小动物光学分子成像原理样机一台，和小动物置于正常体位的机架旋转式产品样机一台。双模式小动物光学分子成像系统能够提供活体小动物体内荧光分布的三维空间定位、量化、动态观测的测量结果，从而实现在体水平的生物体内生物、化学反应的测量。它主要的优点在于，相对于Caliper，Kodak等公司提供的平面投影式的荧光成像系统，该成果能够提供三维、量化的结果。而相对于GE，Visen等公司提供的三维荧光成像系统，该成果不但能通过图像融合的方法为荧光成像提供了准确的解剖定位，而且将结构信息用于优化荧光重建中，可获得高精度的荧光三维重建结果。该成果的特点在于：高分辨率的结构与分子成像，微型CT空间分辨率达到13 lp/mm，荧光分子层析成像空间分辨率达到1.5 mm。低噪声水平成像与高精度的荧光团测量，微型CT的测量不均匀性为20HU，荧光分子层析成像对于近红外染料DiR的成像灵敏度达到100nM，在灵敏度水平以上的荧光浓度测量误差小于5%。快速的扫描成像与图像重建，快速扫描时间小于10分钟，图像重建采用GPU加速技术，提高了20倍以上。高性价比，双模式成像系统整体价格较低，仅为市面现有小动物三维分子成像设备如PET-CT，MRI的价格的1/2到1/5。双模式活体小动物光学分子成像系统是最新一代的三维分子成像技术，能部分替代传统的三维分子成像设备，与不同的荧光探针配合使用，可以实现活体小动物从细胞到分子的不同生物化学过程的在体、三维研究。疾病发生发展原理研究：随着国家重大科技专项“艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治”的开展，使用双模式系统能够在体研究疾病的发生原因，观察其发展过程，从而实现对疾病原理更加准确的阐释和更加深刻的理解。新药开发中进行药物代谢研究，药效评价：随着国家重大科技专项“重大新药创制”的开展，使用双模式系统能够在体观察药物在体内的分布情况，对药物的靶向性和药物的代谢水平给出客观的评估，也能直接观察在治疗中药物的疗效，从而对药物的有效性做出评价临床前小动物研究各种治疗方法在进入临床前使用双模式系统能够从分子层次揭示治疗方法在小动物模型上的有效性，为进入临床试验提供依据主要进展：该研究组为国际上最早提出并实现微型CT与非接触式荧光分子层析成像（FMT）的多模式成像系统的研究小组之一。设计了微型CT与FMT正交耦合的结构，采用分时采集的方法降低了两种成像模式间互相干扰的问题。提出无需配准的图像融合方法，将微型CT图像和FMT图像在三维空间中融合，为分子信息提供准确的三维解剖定位。发明了通过建立光在组织中传输的蒙特卡罗模拟，定量模拟出任意三维结构的生物组织中的光传输特性的方法，该方法具有精度高，稳定性好的特点。应用该方法，优化了生物组织光学检测/成像系统的设计，为光学治疗剂量定量化提供精确信息，为光谱技术在生物组织中的检测区域定位及信号定量分析提供精确可靠的工具。深入研究了光在组织中的扩散过程及其求逆问题，针对实验对象组织光学参数比较复杂的活体小鼠，提出并实现了将GPU加速的蒙特卡洛模拟的方法应用于FMT重建中，以及将小动物CT图像分割的方法作为FMT重建提供精确的边界条件，并在微型CT分割结果的基础上将边界条件应用于FMT的正问题计算和求逆中，提高了正问题计算的精度，降低了逆问题的病态性，并最终大大提高了分子成像的精度。采用大功率微焦点射线源配合非晶硅的X射线平板探测器进行微型CT成像，获得快速，高分辨，大视野的成像结果。提出在极坐标空间内滤波的方法去除CT图像的放射状伪影，提高了快速成像时CT图像的质量。应用状况:已应用于荧光蛋白、纳米颗粒的在体成像。包括武汉同济医学院，武汉协和医院，长沙中南大学湘雅医院，武汉市第四医院等单位使用该成果开展生物医学研究，并有相关科研论文发表。