活體生物光學分子成像與分析平臺介紹
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| 分子影像學是醫(yī)學影像技術和分子生物學、化學、物理學、放射醫(yī)學、核醫(yī)學以及計算機科學相結合的一門新的學科。本實驗室主要研究光學分子影像。與核素等成像模態(tài)相比，其設備成本大大降低。通過體內特定分子為成像靶點與特殊成像探針結合，利用Optical和micro-CT等幾種成像模態(tài) 對小動物進行在體、無損、動態(tài)成像，在分子和細胞水平上檢測小動物體內感興趣區(qū)域的生理病理活動，從而定量地獲取小動物體內的生物相關信息。 |
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成像算法研究 |
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在光學分子影像中，對病灶等感興趣區(qū)域的成像是通過各種重建算法來實現(xiàn)。通過光學成像系統(tǒng)所獲取的生物體表光學信號分布，結合CT系統(tǒng)獲取并采用相應算法重見得到該生物體的解剖結構，以及生物體各個組織特異的光學信息分布，對活體小動物體內的感興趣區(qū)域進行成像。由于光學成像固有的病態(tài)性(ill-posedness)，其重建算法仍然是該領域的國際學術熱點與難點。本實驗室針對小動物成像實驗中的一系列問題，發(fā)展了多種重建算法：多水平自適應有限元方法，無網(wǎng)格方法，基于貝葉斯的方法以及基于廣義圖割的方法等等，在成像精度、深度和速度等方面有了不同程度地提高，從而推動著光學成像在實際中的應用。 以下幾幅圖展示了一組自發(fā)光光源重建的過程。該光源在肝臟以下，距離體表約8mm。最終準確定位該光源，誤差小于0.5mm。 全角度自發(fā)光信號與小鼠二維白光配準圖 小鼠三維表面光強映射圖 光源重建結果圖
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| 軟件平臺構建 |
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本實驗室與西安電子科技大學、美國弗吉尼亞理工大學光學分子影像實驗室聯(lián)合開發(fā)了在體生物光學分子成像與分析平臺(Molecular Optical Simulation Environment, MOSE)。MOSE是基于蒙特卡洛方法來仿真光子在生物組織中以及自由空間中傳播的平臺，通過仿真可以預測小動物體體內和表面的光強信號分布。 針對該方法的計算十分耗時，最新版MOSE大大提高了仿真速度。同時它采用了面向對象設計方法，從而使面向用戶的接口簡單而易于理解，并使用Qt制作軟件界面。目前已向教育和研究機構免費提供，可在網(wǎng)站免費下載試用。 同時，我們也提供了一組由本實驗室micro-CT成像系統(tǒng)成像的非勻質數(shù)字鼠模型，也可在網(wǎng)站免費下載使用。
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| 成像系統(tǒng)研發(fā) |
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本實驗室自主研發(fā)了光學成像系統(tǒng)，用于獲取小動物體內發(fā)出的極微弱可見光信號，以此檢測小動物體內特定感興趣區(qū)的生理病理活動；同時，還研發(fā)了針對小動物的micro-CT成像系統(tǒng)，獲取其解剖結構信息，既可單獨作為一種模態(tài)對組織器官進行成像，又可作為光學成像的補充模態(tài)，為光源重建提供幾何先驗信息。 該研究為多模態(tài)分子影像成像系統(tǒng)的研發(fā)奠定了前期基礎。
光學成像系統(tǒng) micro-CT成像系統(tǒng)
光學采集與處理軟件 CT采集與重建軟件
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| 初步在體實驗 |
| 基于本實驗室自主研發(fā)的光學分子影像成像設備，我們初步開展了肝癌、乳腺癌、鼻咽癌、黑色素瘤等荷瘤鼠模型的成像研究和藥物療效評測，以及檢測Luciferase基因在心肌特異性與骨骼肌特異性 轉基因鼠中的陽性表達率，達到了預期的實驗效果。
下圖是使用環(huán)磷酰胺對肝癌荷瘤鼠治療效果的成像：
用藥組
對照組 |
