馬文娟 劉佩芳 胡從依 王紅彬

自1895年德國(guó)科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在100多年中經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)成像、功能成像和分子成像三個(gè)階段，使傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診斷和生命科學(xué)研究方式已發(fā)生并正在發(fā)生巨大變革。近年來，由于分子和細(xì)胞技術(shù)的巨大進(jìn)步，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型的應(yīng)用，新的高特異性探針的出現(xiàn)以及小動(dòng)物成像儀器的發(fā)展等眾多因素使現(xiàn)在的研究轉(zhuǎn)移到了那些與人類疾病直接或間接相關(guān)的特殊基因和蛋白質(zhì)分子上，發(fā)展到分子成像。在分子成像中，核素標(biāo)記的分子成像是當(dāng)今分子成像的主流，而光學(xué)分子成像技術(shù)是整個(gè)領(lǐng)域新的熱點(diǎn)研究方向。核素標(biāo)記的分子成像雖然已經(jīng)應(yīng)用于臨床，但是仍然存在大量需要解決的基礎(chǔ)問題，而光學(xué)分子成像技術(shù)因其在特異性、靈敏性、實(shí)時(shí)性和安全性等一系列重要指標(biāo)上具有其他模態(tài)無(wú)法同時(shí)兼有的優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注。光學(xué)分子成像還在發(fā)展的初期，是分子影像學(xué)領(lǐng)域面臨突破的重點(diǎn)研究方向，它的發(fā)展必將為生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究提供革命性的新方法和手段。光學(xué)分子成像依對(duì)比度產(chǎn)生機(jī)制有兩個(gè)主要模態(tài)：生物體自發(fā)光成像（bioluminescence imaging）和熒光層析成像（fluorescence molecular tomography）。

生物體自發(fā)光成像

生物發(fā)光是自然界中普遍存在的一種生命現(xiàn)象，在1000m深的海洋下尤為多見。常見的發(fā)光生物有發(fā)光細(xì)菌、發(fā)光螢火蟲、發(fā)光魚、發(fā)光水母等。生物發(fā)光過程實(shí)際上就是熒光素酶催化熒光素底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。這個(gè)反應(yīng)中，電子發(fā)生躍遷，電子由激發(fā)態(tài)回歸到穩(wěn)態(tài)同時(shí)發(fā)出熒光光子[1]。Wang等在2002年北美放射學(xué)會(huì)（Radiological Society of North America，RSNA）會(huì)議上首次提出BLT，通過收集多個(gè)角度光信號(hào)的二維像，利用斷層成像的原理，構(gòu)造重建算法反演內(nèi)部的靶向目標(biāo)的下位及定量分析信息，從而定量反映組織的早期病理變化。BLT概念提出后，國(guó)內(nèi)外研究者們圍繞生物發(fā)光斷層成像的成像理論和成像方法進(jìn)行了深入的研究探索，取得代表性成果。包括Virginia Tech的Wang Ge、Dartmouth College的Hamid Dehghani、Columbia University的A.D.Klose及中科院自動(dòng)化所田捷教授等所領(lǐng)導(dǎo)的分子影像研究團(tuán)隊(duì)。

1.成像算法研究現(xiàn)狀

生物發(fā)光斷層成像技術(shù)成像算法的研究包括建立近紅外光在生物組織中傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行求解，得到生物體表光信號(hào)分布的正向問題研究和對(duì)組織體內(nèi)未知光源進(jìn)行定位、定量重建的逆向問題研究?jī)纱蠓矫妗?/p>

目前成像采用的正向模型主要有：蒙特卡洛模擬（Monte Carlo，MC），擴(kuò)散方程（diffusion equation,DE），輻射傳輸方程（radiative transfer equation,RTE）以及它的高階球諧波展開（spherical harmonic,NP）近似。MC方法被認(rèn)為是目前模擬光在生物組織中傳播最精準(zhǔn)的方法，被稱為“金標(biāo)準(zhǔn)”。這種隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的方法適用性高、求解精確，只是在求解過程中需要對(duì)大量的樣本進(jìn)行采樣而需要耗費(fèi)較大的計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間。輻射傳輸方程通過數(shù)值計(jì)算等方法可以求解該積分-微分方程建立光源分布和表面信號(hào)之間的關(guān)系。但是輻射傳輸方程求解困難[2]，故一般采用該方程的近似模型如擴(kuò)散近似、相函數(shù)近似等得到一種簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型[3]。另外，一些研究者也嘗試用輻射傳輸方程SPn近似來獲取計(jì)算精度和計(jì)算效率上的折衷[4]。

在本質(zhì)上，BLT光源重建屬于非線性問題，但在生物組織的光學(xué)參數(shù)已知的情況下，生物發(fā)光斷層成像可以轉(zhuǎn)化為線性問題求解。Jiang等使用擴(kuò)散光學(xué)斷層成像為生物發(fā)光斷層成像光源重建提供可靠的光學(xué)特性參數(shù)，從而精確重建光源的分布。為了減小算法的欠定性，研究者借助DOT、Micro-CT或Micro-MRI等成像模態(tài)獲取光學(xué)參數(shù)及生物體解剖結(jié)構(gòu)信息，融合多種成像模態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建[5]。另外一種常用的先驗(yàn)信息是考慮生物發(fā)光分子探針的寬譜特性及生物組織對(duì)不同譜段的光有不同的吸收和散射特性,而發(fā)展的多光譜測(cè)量信息[6]。Dehghani等基于多光譜或光譜解析的測(cè)量值，構(gòu)造了多光譜BLT重建算法，解決了BLT解的惟一性問題，獲得了更為準(zhǔn)確的重建結(jié)果和更深的探測(cè)深度。此外，鑒于生物發(fā)光源譜段會(huì)隨溫度改變，Wang等利用控制感興趣區(qū)域的溫度，進(jìn)而得到了不同溫度下多個(gè)譜段的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建[7]。

2.成像設(shè)備研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的BLT成像系統(tǒng)充分借鑒了FMT成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且由于生物發(fā)光是自發(fā)光，無(wú)需外部的激發(fā)光源，因此在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，比FMT成像系統(tǒng)要簡(jiǎn)單一些。而且目前市面上的商用FMT成像系統(tǒng)，關(guān)閉或者去掉激發(fā)光模塊后就是一套現(xiàn)成的BLT成像系統(tǒng)。只是由于生物發(fā)光信號(hào)比激發(fā)熒光要弱得多，BLT成像系統(tǒng)的探測(cè)器要求比FMT系統(tǒng)的更加靈敏，通常采用制冷型的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)。目前比較有代表性的BLT成像系統(tǒng)有：旋轉(zhuǎn)式多角度BLT成像系統(tǒng)、反射鏡式多角度 BLT成像系統(tǒng) 和多光譜多角度BLT成像系統(tǒng)。Wang于2003年開發(fā)出他們的首部BLT原型系統(tǒng)，這套系統(tǒng)主要由科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)、小鼠固定支架、機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)等部分組成，所有裝置全部放在光學(xué)暗箱中。采集數(shù)據(jù)時(shí)，把小鼠麻醉后固定在支架上，關(guān)閉光學(xué)暗箱，通過計(jì)算機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)節(jié)小鼠與相機(jī)之間的視角，依次拍攝多個(gè)角度的生物發(fā)光圖像，然后采用重建算法得出小鼠體內(nèi)光源的位置與強(qiáng)度信息。Wang等基于平面反射鏡設(shè)計(jì)的多角度 BLT成像系統(tǒng)，能夠同時(shí)把小鼠的前后左右四個(gè)視圖成在一幅圖像上，解決了多角度圖像采集時(shí)間過長(zhǎng)的問題。由于生物組織的光學(xué)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)，多光譜測(cè)量數(shù)據(jù)可以用來反演光源深度信息。在光學(xué)成像中，多光譜圖像大都是通過更換 CCD相機(jī)鏡頭前的濾光片，逐個(gè)譜段采集得到的[8]。

熒光斷層層析成像

熒光分子層析成像技術(shù)利用激光光束激發(fā)生物體內(nèi)熒光，并在生物樣本表面探測(cè)被激發(fā)出來的熒光信號(hào)，再結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算熒光的分布，并利用優(yōu)化算法逆向推導(dǎo)生物體內(nèi)熒光參數(shù)的分布。這樣就能夠在三維空間內(nèi)準(zhǔn)確找到熒光標(biāo)記物的位置和熒光標(biāo)記物的濃度，從而在體定量檢測(cè)有多少細(xì)胞發(fā)生了反應(yīng)，熒光蛋白在體內(nèi)的轉(zhuǎn)染效率等[9-11]。熒光分子層析成像技術(shù)根據(jù)其測(cè)量技術(shù)的不同可以分為以下三種。

1.穩(wěn)態(tài)熒光分子層析成像技術(shù)

穩(wěn)態(tài)熒光分子層析成像技術(shù)是利用非強(qiáng)度調(diào)制的激光光源照射到組織上，通過CCD或者是其他光電探測(cè)器件探測(cè)激發(fā)出來的熒光信號(hào)，結(jié)合這個(gè)探測(cè)到的信號(hào)和穩(wěn)態(tài)的熒光分子層析成像重構(gòu)算法，就可以得到體內(nèi)三維熒光產(chǎn)率的分布。由于穩(wěn)態(tài)技術(shù)采用的都是光強(qiáng)恒定的光源，因此檢測(cè)到的信號(hào)只會(huì)在強(qiáng)度上變化[12]。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間相對(duì)較短。其缺點(diǎn)是單個(gè)距離下無(wú)法確定組織體光學(xué)參數(shù)，有效區(qū)分吸收系數(shù)和散射系數(shù)的影響比較困難，需要光源強(qiáng)度的絕對(duì)值。

2.頻域熒光分子層析成像技術(shù)

在頻域（frequency domain，F(xiàn)D）測(cè)量系統(tǒng)中，幅度被幾到幾百兆赫茲正弦波調(diào)制的光連續(xù)地照射到組織體上。通過組織體的光強(qiáng)將保持同樣的調(diào)制頻率不變，但其幅度卻由于組織體的吸收和散射而衰減，而且由于不同的光子從光源到探測(cè)器間經(jīng)歷的路徑不同，光波的相位會(huì)延遲。因此,吸收和散射系數(shù)的信息可以通過測(cè)量出射光相對(duì)于入射光的平均強(qiáng)度的衰減、交流幅度的衰減（或調(diào)制度衰減）和相位延遲得到。頻域系統(tǒng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是其較短的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間，與CW系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間大致相同。組織體的光學(xué)參數(shù)的變化所能夠引起的相位角變化是很小的，用相位做可測(cè)量量需要儀器的測(cè)量精度較高，價(jià)格昂貴。而且由于測(cè)量主要是通過高頻調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，在技術(shù)上有相當(dāng)難度，且系統(tǒng)易受噪聲影響。

3.時(shí)域熒光分子層析成像技術(shù)

時(shí)域熒光分子層析成像技術(shù)利用一個(gè)超短的脈沖光束作為激發(fā)光源，然后利用超高速掃描相機(jī)或者是時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)來探測(cè)熒光信號(hào)在幾百個(gè)皮秒內(nèi)的變化。為了測(cè)量光子在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的分布，時(shí)間門控技術(shù)也被應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域[13-15]。再結(jié)合重構(gòu)算法重構(gòu)出熒光產(chǎn)率和熒光壽命的三維分布。由于時(shí)域熒光分子層析成像技術(shù)采用了超短脈沖檢測(cè)單光子的探測(cè)技術(shù)，其靈敏度非常高。但是由于時(shí)域熒光分子層析成像技術(shù)采集的數(shù)據(jù)里面包含了很多組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的信息，怎么樣能夠完全利用這里面的信息來進(jìn)行重構(gòu)仍然是一個(gè)研究難點(diǎn)。由于時(shí)域熒光分子層析成像算法需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，所以重構(gòu)時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)?？偨Y(jié)與展望

分子影像作為繼結(jié)構(gòu)成像和功能成像后的新一代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，它能夠在細(xì)胞和分子水平觀測(cè)活體內(nèi)的生理變化過程，為定性或定量研究基因功能、新陳代謝、發(fā)病機(jī)制、療效評(píng)估等提供信息獲取與分析處理的新方法。光學(xué)分子成像技術(shù)從提出到現(xiàn)在，經(jīng)歷了一個(gè)快速的發(fā)展過程，國(guó)內(nèi)外研究人員在這一領(lǐng)域取得了一些研究成果，但仍然處于起步階段。未來的成像重建算法研究需要在更為準(zhǔn)確的前向模型，解決逆問題近似解的不惟一性及不穩(wěn)定性的雙重難題，充分利用問題本身的特點(diǎn)及所獲取的各種先驗(yàn)信息，設(shè)計(jì)能處理復(fù)雜模型的更加高效、靈活的重建算法，才能滿足在體小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中連續(xù)在體觀測(cè)對(duì)光源定位及定量的需求，最終將光學(xué)分子成像技術(shù)推向?qū)嵱谩?/p>

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