宿涵，張久樓，陳毛毛，高陽(yáng)，周源，白凈，羅建文,2

1.清華大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，北京100084；2.清華大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)影像研究中心，北京 100084

熒光分子成像系統(tǒng)及重建算法研究進(jìn)展

宿涵1，張久樓1，陳毛毛1，高陽(yáng)1，周源1，白凈1，羅建文1,2

1.清華大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，北京100084；2.清華大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)影像研究中心，北京 100084

精準(zhǔn)醫(yī)療是近年來圍繞生物信息學(xué)、分子醫(yī)學(xué)、臨床診斷學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)等學(xué)科發(fā)展起來的新型醫(yī)學(xué)模式，是指針對(duì)患者的病情，通過前沿技術(shù)手段精確判定疾病的成因及確定治療方案。最終目標(biāo)為在醫(yī)療相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)提升診斷能力、醫(yī)療水平及護(hù)理效果，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療。熒光分子成像是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療的重要技術(shù)之一，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)成像不同，熒光分子影像可以提供生物體內(nèi)的功能信息，可以在細(xì)胞和分子水平對(duì)生物體內(nèi)的生理、病理變化過程進(jìn)行在體成像。本文以精準(zhǔn)醫(yī)療為背景，根據(jù)近年來國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究進(jìn)展，對(duì)熒光分子成像系統(tǒng)與重建算法進(jìn)行了總結(jié)與綜述，并闡述了其應(yīng)用前景與價(jià)值。

精準(zhǔn)醫(yī)療；熒光分子成像；多模態(tài)

1 概述

1.1 精準(zhǔn)醫(yī)療

精準(zhǔn)醫(yī)療是指結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)患者進(jìn)行入院前預(yù)處理、診療、院后康復(fù)管理以提高醫(yī)療資源使用效率，使患者獲益最大化的一種新型醫(yī)療模式[1]。精準(zhǔn)醫(yī)療涵蓋了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)技術(shù)與理念，如臨床診斷學(xué)、分子醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)等，提高了傳統(tǒng)醫(yī)療模式中醫(yī)療資源的投入產(chǎn)出比。精準(zhǔn)醫(yī)療利用生物標(biāo)記物對(duì)患者體內(nèi)病灶進(jìn)行準(zhǔn)確定位，從而精確反應(yīng)出疾病的來源與病灶狀態(tài)，甚至可以針對(duì)特定患者和疾病進(jìn)行個(gè)性化診療與觀察[2]。

結(jié)合當(dāng)前的醫(yī)療環(huán)境背景來看，精準(zhǔn)醫(yī)療的初期將主要圍繞腫瘤類疾病進(jìn)行，如對(duì)腫瘤的靶向性檢測(cè)、腫瘤發(fā)展早期的預(yù)診斷研究、腫瘤切除手術(shù)中的手術(shù)導(dǎo)航等，提高腫瘤類疾病的診斷與治療水平。其長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，在于將精準(zhǔn)醫(yī)療的概念和技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，全面提高早期診斷能力、醫(yī)療水平及康復(fù)護(hù)理效果，乃至于推進(jìn)個(gè)性化醫(yī)療時(shí)代的到來。

1.2 分子影像

分子影像學(xué)是近年來在原有傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的基礎(chǔ)之上快速發(fā)展起來的一門新興醫(yī)學(xué)影像科學(xué)，廣義上指在細(xì)胞和分子水平對(duì)生物體內(nèi)的生理、病理變化過程進(jìn)行在體成像。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)中通常以生物體自身所具有的物理特性或生理特性作為成像源，這些成像源并不具有針對(duì)特定的疾病或生理功能相關(guān)的分子與細(xì)胞的特異性。相比之下，分子影像以特定分子作為成像源，其目的是在分子水平下對(duì)生物體內(nèi)的生理變化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、在體成像[3]，具有高特異性、高靈敏度等特點(diǎn)，能夠?qū)膊∵M(jìn)行精準(zhǔn)的定位，以及定性、定量的分析。因此，分子影像是醫(yī)療研究、臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要成像方式之一。區(qū)別于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)成像，分子影像屬于功能成像，可以活體獲取特定組織器官的代謝與活動(dòng)信息。利用分子影像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)腫瘤的早期診斷與定位、特定疾病的病理研究與藥物研發(fā)、手術(shù)導(dǎo)航等功能，對(duì)精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展能夠發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。

在分子影像中，分子探針是實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行觀察和定量分析的關(guān)鍵技術(shù)。它可以與特定細(xì)胞或分子結(jié)合，靶向標(biāo)記特定目標(biāo)。由于成像原理與分子探針的不同，分子影像技術(shù)具有多種模態(tài)，包括正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（Positron Emission Tomography，PET）、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT）、超聲成像、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、X射線計(jì)算機(jī)斷層成像（X-ray Computed Tomography，X-CT）、光學(xué)成像等[4]。PET和SPECT屬于核醫(yī)學(xué)分子成像方法，具有穿透度深、靈敏度高、可定量分析等特性，但有較強(qiáng)的電離輻射；磁共振成像是空間分辨率最高的功能成像方式，但是靈敏度較低，且圖像采集、重建處理時(shí)間較長(zhǎng)；X射線計(jì)算機(jī)斷層成像具有良好的分辨率，但缺點(diǎn)在于軟組織的對(duì)比度較低，且對(duì)人體有一定的電離輻射；光學(xué)成像具有高靈敏度、無電離輻射等特性，包括熒光分子斷層成像（Fluorescence Molecular Tomography，F(xiàn)MT）[5]、擴(kuò)散光學(xué)層析成像（Diffuse Optical Tomography，DOT）[6]、光學(xué)相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）[7]、擴(kuò)散熒光層析成像（Diffuse Fluorescence Tomography，DFT）[8]、光頻選區(qū)成像（Optical Frequency-Domain Imaging，OFDI）[9]、熒光反射成像（Fluorescence Reflectance Imaging，F(xiàn)RI）[10]、共焦距顯微成像（Confocal Microscopy）[11]、多光子顯微成像（Multiphoton Microscopy）[12]等。

2 熒光分子成像

在光學(xué)成像中，熒光分子成像（Fluorescence Molecular Imaging，F(xiàn)MI）是一種重要的成像模式，利用具有特異性靶向標(biāo)記功能的熒光分子探針作為對(duì)比度源，對(duì)特定細(xì)胞或分子進(jìn)行標(biāo)記，經(jīng)過探測(cè)裝置對(duì)熒光信號(hào)的采集，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定生理、病理過程的觀察。熒光分子成像具有毫米級(jí)的空間分辨率，且所使用的熒光分子探針一般具有毒性小、不參與體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化過程、排泄迅速等特性，因此，熒光分子成像具有非常良好的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。

熒光分子成像是一種需要借助外部激發(fā)光源來激發(fā)生物體內(nèi)的熒光分子探針產(chǎn)生熒光，并接收熒光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)被靶向標(biāo)記的基因、蛋白信息獲取的成像技術(shù)[13]。熒光分子成像常用的探針包括吲哚菁綠（Indocyanine Green，ICG）、鄰苯二甲醛、量子點(diǎn)系列等[14]。根據(jù)對(duì)采集到的熒光數(shù)據(jù)的處理方式的不同，熒光分子成像通?？梢苑譃槎S平面成像和三維斷層分子成像兩類。下面將對(duì)幾種典型的熒光分子成像方式進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

2.1 熒光分子斷層成像

熒光分子斷層成像利用多個(gè)角度下特定波長(zhǎng)的激發(fā)光對(duì)熒光分子探針標(biāo)記的生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行照射并激發(fā)熒光，并以高靈敏度的光學(xué)探測(cè)器件對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行采集，最后根據(jù)熒光在生物體內(nèi)的傳輸模型即可重建出熒光探針的三維空間分布。因此，熒光分子斷層成像是一種可以提供三維影像信息的分子影像技術(shù)，具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)易、無電離輻射、探針毒性小、設(shè)備成本低廉等特性，可以應(yīng)用于腫瘤的早期篩查、藥物研發(fā)、生理病理過程研究等多個(gè)領(lǐng)域[15]。熒光分子斷層成像根據(jù)激發(fā)光性質(zhì)的區(qū)別，具有連續(xù)波模式（continuous wave，CW）、時(shí)域模式（Time-Domain，TD）和頻域模式（Frequency-Domain，F(xiàn)D）三種模式。其中時(shí)域模式和頻域模式均可以實(shí)現(xiàn)熒光壽命斷層成像（Fluorescence Molecular Lifetime Tomography，F(xiàn)MLT），且時(shí)域模式下可獲取時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，能夠獲得更廣泛的信息[16]。

動(dòng)態(tài)熒光分子斷層成像（Dynamic Fluorescence molecular tomography，DFMT）是一種在FMT的基礎(chǔ)上加入了時(shí)間維度的成像方式。該技術(shù)保留了FMT所具有的無電離輻射、成像速度快、靈敏度高、特異性強(qiáng)、費(fèi)用低廉等特點(diǎn)，而且可以動(dòng)態(tài)地描述熒光分子探針在生物體內(nèi)吸收、分布以及排出的完整過程，是一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體內(nèi)特定生理、病理過程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的成像技術(shù)，因而，在病理研究、藥代動(dòng)力學(xué)和疾病診斷等多個(gè)方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值[17]。

2.2 擴(kuò)散熒光層析成像

擴(kuò)散熒光層析成像是一種具有高靈敏度的能夠提供特異性分子探針的空間分布信息的光學(xué)分子成像方法。這種成像方式具有無放射性損傷等特性，并可以對(duì)實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)具有特異性的大分子生化過程進(jìn)行三維定量觀察等功能，可以應(yīng)用于乳腺癌和睪丸畸形等疾病的檢測(cè)等[18]。DFT作為一種分子成像方式，可以應(yīng)用于疾病的早期診斷和治療，以及小動(dòng)物病理模型的生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究[19]。

2.3 熒光反射成像

熒光反射成像利用平面波照射熒光探針及其附近的組織表面進(jìn)行激發(fā)熒光，并使用光學(xué)器件獲取熒光圖像，可以用于進(jìn)行活體在體宏觀觀測(cè)，如組織蛋白酶、基質(zhì)金屬蛋白酶等。該技術(shù)具有動(dòng)物通量高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，然而由于所獲取的熒光圖像為各個(gè)深度的熒光信號(hào)疊加而成，所以各深度的信號(hào)會(huì)有不同程度的模糊。其分辨率受到深度的限制，很難獲取深層組織甚至表面未被標(biāo)記的組織的形狀與熒光探針濃度[20]，所以這種成像方式通常只有幾毫米成像深度，也因此，熒光反射成像通常被應(yīng)用于二維成像來觀察組織表面的形態(tài)及活動(dòng)[21]。

3 理論模型與重建算法研究

3.1 光學(xué)成像物理模型研究

3.1.1 基于一種快速判斷光子觸界方法的Monte Carlo光傳輸模型

Monte Carlo方法由于其高度的靈活性和準(zhǔn)確性而被廣泛應(yīng)用于光在生物組織中傳輸問題的研究，是驗(yàn)證熒光分子斷層成像前向模型準(zhǔn)確性的“金標(biāo)準(zhǔn)”。然而，耗時(shí)巨大一直都是Monte Carlo方法最大的缺點(diǎn)。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組研究并建立了一種快速的基于Monte Carlo方法的光傳輸模型[22]。該模型在判斷光子觸界過程中利用一種基于線段判斷交點(diǎn)的方法代替了傳統(tǒng)的基于射線的方法實(shí)現(xiàn)了模型加速。利用實(shí)驗(yàn)所獲得的小鼠模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該模型可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的光傳輸過程的模擬。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 相同光子數(shù)(104)，不同三角面片下，兩種方法在小鼠模型中運(yùn)算速度的對(duì)比[22]

圖1 不同邊邊距熒光目標(biāo)的重建結(jié)果

3.1.2 消除時(shí)變影響的改進(jìn)FMT前向模型

在傳統(tǒng)的FMT重建算法中，會(huì)假設(shè)采集每一幀圖像時(shí)，熒光分子探針的濃度是保持不變的。然而在實(shí)驗(yàn)、在體研究中，其濃度通常是隨時(shí)間變化的，因而，重建算法不應(yīng)該忽略濃度隨時(shí)間變化的影像。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組建立了一種改進(jìn)的FMT前向模型[23]，該模型將熒光產(chǎn)額分布分為兩個(gè)部分，一部分為常量，表示熒光目標(biāo)的空間分布，另一部分表示濃度變化以及其他因素的影響。其中熒光目標(biāo)的空間分布信息可以從重建結(jié)果中準(zhǔn)確地獲得。仿真和仿體實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，采用了改進(jìn)的FMT前向模型后，重建結(jié)果質(zhì)量從定位精準(zhǔn)性和抗噪聲性等多個(gè)方面具有顯著的提升。

3.2 FMT重建方法研究

3.2.1 基于正則化方法的FMT重建

由于光子穿過生物組織時(shí)存在很高的散射，F(xiàn)MT逆向問題的病態(tài)性導(dǎo)致重建結(jié)果的空間分辨率比較低。與L2正則化不同的是，L1正則化可以保留細(xì)節(jié)信息并且有效地降低噪聲[24]。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組在2013年提出的重啟L1正則化非線性共軛梯度（re-L1-NCG）算法可以提高運(yùn)算速度并且節(jié)約內(nèi)存[25]。該算法包括了內(nèi)部和外部?jī)纱蔚?，?nèi)迭代L1-NCG被用來獲取L1正則化結(jié)果。外部迭代則是使用重啟策略來提高L1-NCG的收斂速度。在re-L1-NCG 算法中，NCG是使用回溯線性搜索來求解L1正則化優(yōu)化問題。然而，L1-NCG的收斂速度在多次迭代之后會(huì)降低。為了提高收斂速度，課題組提出的重啟策略是在下降方向搜索并且重新設(shè)定在固定迭代次數(shù)之后的可行域[26]。為了驗(yàn)證re-L1-NCG算法在空間分辨率中所起到的作用，使用了不同邊邊距熒光目標(biāo)的仿真和仿體數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示re-L1-NCG算法可以分辨出邊邊距0.1 cm的目標(biāo)，見圖1。3.2.2 FMT/PET雙模成像算法

由于具有高靈敏度、非破壞性、在體成像和功能成像等優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)MT成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究、藥物研發(fā)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等方面具有廣泛的應(yīng)用。然而，F(xiàn)MT成像技術(shù)也存在分辨率低、成像深度有限等不足。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組基于已有的PET/FMT雙模成像系統(tǒng)，提出了一種將PET先驗(yàn)信息融入熒光斷層重建過程的迭代重加權(quán)最小二乘（IRLS）的FMT重建算法[27]。仿真和仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用PET先驗(yàn)信息后，F(xiàn)MT重建結(jié)果的分辨率有很大改善，而且與已有的基于PET先驗(yàn)的重建算法相比，計(jì)算速度提高了16倍。仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 間距為2 mm的仿體重建結(jié)果

3.2.3 DFMT重建方法研究

目前，在藥代動(dòng)力學(xué)中，用來獲取藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)圖像的一個(gè)主要方法是直接法，它可以將動(dòng)態(tài)FMT重建和房室模型相結(jié)合，從原始邊界測(cè)量數(shù)據(jù)中直接重建出參數(shù)圖像。因此，該方法可以將測(cè)量噪聲在一個(gè)目標(biāo)函數(shù)中建模，并且在統(tǒng)計(jì)上更加有效。

盡管直接法具有某些特殊的優(yōu)勢(shì)，但是動(dòng)態(tài)FMT運(yùn)用于小鼠器官的藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)重建還是有一定的難度，因?yàn)镕MT內(nèi)在的病態(tài)性導(dǎo)致的空間分辨率較低。這對(duì)于確定特定器官的位置并且對(duì)感興趣器官的藥代動(dòng)力學(xué)分析造成很多困難。由結(jié)構(gòu)成像系統(tǒng)如X-CT提供的結(jié)構(gòu)先驗(yàn)信息可以幫助解決這個(gè)問題。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組在2013年提出了使用FMT/X-CT系統(tǒng)獲取ICG在小鼠肝臟中的參數(shù)圖像[28]。X-CT系統(tǒng)提供的先驗(yàn)信息約束了FMT逆向問題并且限定了特定感興趣器官的藥代動(dòng)力學(xué)分析，這是首次在動(dòng)態(tài)FMT中運(yùn)用結(jié)構(gòu)先驗(yàn)信息來對(duì)藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行重建。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組基于Tikhonov正則化框架提出一種參數(shù)圖像直接重建法，該方法結(jié)合了直接法和多模態(tài)提供結(jié)構(gòu)先驗(yàn)信息的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)證明重建結(jié)果與間接法相比有了很大的提高[29]。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 DFMT的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)成像結(jié)果

3.2.4 時(shí)域熒光斷層成像的熒光壽命直接法重建

在時(shí)域熒光斷層成像中，對(duì)于熒光壽命的重建所使用的傳統(tǒng)方法通常基于拉普拉斯變換或傅里葉變換，這些方法一般只利用了部分采集到的數(shù)據(jù)，而且效果依賴于變換參數(shù)的選取。為了充分利用所采集的數(shù)據(jù)，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組提出了一種針對(duì)熒光壽命重建的直接重建算法[30]。仿真和仿體實(shí)驗(yàn)顯示該方法具有較好的空間定位能力和壽命重建精度，且在不同熒光目標(biāo)之間具有良好的對(duì)比度。

3.3 DFT重建方法研究

DFT主要有穩(wěn)態(tài)、頻域和時(shí)域三種測(cè)量模式。其中，時(shí)域DFT成像技術(shù)通過將超短脈沖激發(fā)光射入光學(xué)參數(shù)已知的組織體內(nèi)，之后檢測(cè)組織體表面的出射激發(fā)光和熒光時(shí)間擴(kuò)展信號(hào)，并將測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)代入到重建算法中，從而獲得組織體內(nèi)相關(guān)物理量的空間分布信息。

在時(shí)域DFT成像中，逆問題的求解具有很強(qiáng)的病態(tài)性，即重建過程對(duì)噪聲具有很強(qiáng)的敏感性，這會(huì)導(dǎo)致重建圖像具有很低的空間分辨率。Gao等曾于2002年提出一種利用廣義脈沖譜技術(shù)的時(shí)域DFT成像方法，該方法可以通過增加變換頻率在全時(shí)間分辨測(cè)量數(shù)據(jù)中采集到更多的特征數(shù)據(jù)，用以熒光重建。該方法可以在一定程度上降低逆問題的病態(tài)性，從而改善重建結(jié)果的質(zhì)量。然而有研究表明，多變換頻率信息通常具有比較高的相關(guān)性，因此引入該特征量不足以對(duì)病態(tài)性產(chǎn)生大幅度的改善，而成像結(jié)果的質(zhì)量也并沒有顯著提高[31-32]。

天津大學(xué)高峰研究組提出了一種在無限平板時(shí)域擴(kuò)散熒光層析成像方法的基礎(chǔ)上采用多級(jí)小波變換的重建方法[33]。該方法在重建過程中，把待求參量進(jìn)行離散小波變換，這既可以獲得多分辨率的重見效果，又減少了在低分辨率重建過程中未知參量的個(gè)數(shù)，理論上可以有效地減弱逆問題的病態(tài)性，獲得更好的成像結(jié)果。該研究組利用一種基于時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)（Time-Correlated Single Photon Counting，TCSPC）技術(shù)的非接觸式時(shí)域成像系統(tǒng)，對(duì)所提出的重建算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法與傳統(tǒng)重建方法相比，確實(shí)顯著地具有更好地量化度和更高的空間分辨率。

4 實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用

4.1 熒光分子成像相關(guān)小動(dòng)物在體實(shí)驗(yàn)

4.1.1 小鼠肺部擴(kuò)散性腫瘤的在體FMT/CT雙模成像

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組基于實(shí)驗(yàn)室搭建的FMT/CT雙模小動(dòng)物成像系統(tǒng)，對(duì)肺部擴(kuò)散性腫瘤的小鼠肺部進(jìn)行了在體CT解剖結(jié)構(gòu)成像和FMT功能成像[34]。利用兩步重建法將CT結(jié)構(gòu)信息融入到FMT的重建過程中，來提高FMT成像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)解剖結(jié)構(gòu)和功能信息進(jìn)行成像。在CT呈現(xiàn)的解剖結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)異常的情況下，F(xiàn)MT的重建結(jié)果顯示了肺部熒光信號(hào)的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了肺部擴(kuò)散性腫瘤的早期、非破壞性檢測(cè)。離體成像和組織病理切片分別驗(yàn)證了肺部癌變的存在。重建結(jié)果見圖4。

圖4 肺擴(kuò)散腫瘤小鼠在體FMT/CT成像

4.1.2 雙模探針實(shí)現(xiàn)MRI與FMT的多模在體成像

多模成像將不同成像模式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)地結(jié)合在一起，可以為臨床前的研究工作帶來極大的便利。將熒光成像與磁共振成像結(jié)合使用的多模成像，可以實(shí)現(xiàn)兩種成像模式間的相互驗(yàn)證以及直接比較。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組使用了一種新穎的靶向腫瘤的雙模探針來實(shí)現(xiàn)多模成像[35]。首先用離體實(shí)驗(yàn)證明該雙模探針對(duì)腫瘤細(xì)胞的靶向性，隨后進(jìn)行了探針在體的熒光成像以及核磁共振成像，并定量分析了探針對(duì)于圖像對(duì)比的增強(qiáng)效率。最后，通過該課題組開發(fā)的熒光分子斷層成像系統(tǒng)以及算法，獲得了可以反映探針在小鼠腫瘤內(nèi)分布的熒光斷層圖像。通過與核磁共振得到的圖像對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用雙模探針進(jìn)行的多模成像可以提供不同成像模式間的互相驗(yàn)證與直接對(duì)比。

4.2 熒光分子成像在手術(shù)中的應(yīng)用

近年來，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)日益成熟，分子影像也逐漸開始應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。由于其功能性成像的特性，相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)成像模態(tài)，分子影像可以為醫(yī)生提供有關(guān)病人狀況更豐富的信息。在臨床手術(shù)中，對(duì)于腫瘤邊界信息的精準(zhǔn)定位是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的挑戰(zhàn)性問題。結(jié)合光學(xué)分子影像實(shí)現(xiàn)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)作為一種新興的醫(yī)學(xué)成像方法，可以輔助醫(yī)生在術(shù)中切除腫瘤時(shí)，精準(zhǔn)定位腫瘤的邊界。該方法可以對(duì)腫瘤進(jìn)行細(xì)胞分子層面的實(shí)時(shí)、在體成像[36]。中科院分子影像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的光學(xué)分子影像手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)已在汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院等多家醫(yī)院投入使用，進(jìn)行了多例乳腺癌前哨淋巴結(jié)活檢手術(shù)。其結(jié)果顯示光學(xué)分子影像手術(shù)導(dǎo)航方法可以對(duì)前哨淋巴結(jié)組織進(jìn)行快速、精確的定位，其檢出率與傳統(tǒng)方法相比具有很明顯的提升。徐同花等在2014年針對(duì)上述系統(tǒng)的圖像融合算法進(jìn)行了研究和改進(jìn)，在算法的運(yùn)行效率、圖像融合效果等多個(gè)方面得到了提升[37]。

4.3 利用分子影像對(duì)腫瘤治療進(jìn)行療效評(píng)估

FMT可以實(shí)現(xiàn)非侵入地在體觀察組織中特定細(xì)胞或分子的活動(dòng)特性，故而具有評(píng)估特定疾病治療效果的潛力。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組利用FMT對(duì)經(jīng)過順鉑治療后的荷瘤小鼠模型進(jìn)行了在體觀測(cè)[38]。之前的仿體實(shí)驗(yàn)中，顯示了FMT的定位能力和量化精度。在體實(shí)驗(yàn)中，在使用順鉑進(jìn)行癌癥治療的同時(shí)，觀測(cè)了紅色熒光蛋白在腫瘤表面和內(nèi)部的活動(dòng)情況，以對(duì)其治療效果進(jìn)行評(píng)估。

基于18氟-脫氧葡萄糖的PET系統(tǒng)（18F-fluorodeoxyglucose Based Positron Emission Tomography，[18F]FDG-PET）可以對(duì)腫瘤治療過程中腫瘤內(nèi)部所攝取的18氟-脫氧葡萄糖的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組利用熒光成像系統(tǒng)和[18F]FDG-PET系統(tǒng)對(duì)接受了金納米棒-ICG復(fù)合物治療的腫瘤小鼠模型進(jìn)行了非侵入式的在體成像實(shí)驗(yàn)[39]，并在治療結(jié)束后對(duì)兩系統(tǒng)所獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了量化分析。分析結(jié)果顯示，小鼠體內(nèi)的熒光信號(hào)強(qiáng)度和腫瘤的新陳代謝活動(dòng)強(qiáng)度均有明顯的降低。這表明利用熒光成像系統(tǒng)與[18F]FDG-PET系統(tǒng)共同進(jìn)行的雙模成像，是一種可對(duì)腫瘤治療進(jìn)行分子尺度評(píng)估的非侵入式方法。

5 應(yīng)用前景與展望

癌癥的預(yù)診斷一直是一個(gè)熱點(diǎn)問題，也是一個(gè)較復(fù)雜的難題。由于癌細(xì)胞并非從體外入侵，從而規(guī)避了大部分人體內(nèi)免疫系統(tǒng)的防護(hù)作用，因而在被確診時(shí)通常為中、晚期，這使得大部分癌癥很難在早期甚至病變初期被探測(cè)到，大大提高了診療難度。熒光分子成像的發(fā)展，使得從分子或細(xì)胞級(jí)別對(duì)癌癥進(jìn)行認(rèn)識(shí)和了解變?yōu)榭赡堋Ｈ鏜uldoon TJ等[40]人基于高分辨率熒光成像系統(tǒng)對(duì)口腔內(nèi)腫瘤進(jìn)行特異性標(biāo)記，并對(duì)各階段腫瘤分布、形態(tài)進(jìn)行了觀察，建立了一種口腔內(nèi)腫瘤的判別方法。

熒光分子成像由于其所具有的靈敏度高、特異性強(qiáng)、設(shè)備成本低廉、無電離輻射、分子探針毒性小等特點(diǎn)，在腫瘤的早期診斷，藥物研發(fā)，特定生理、病理過程的研究中有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來，熒光分子成像的重建算法得到了廣泛發(fā)展，從重建速度、精度、目標(biāo)形狀準(zhǔn)確度、空間分辨率等多個(gè)方面改善了重建質(zhì)量。這將改善腫瘤在三維空間分布的重建結(jié)果，并對(duì)癌癥的研究起到了推動(dòng)性的作用[41]。

隨著多功能熒光分子探針的不斷發(fā)展，熒光分子成像與其他模態(tài)的成像系統(tǒng)相結(jié)合成為了一個(gè)重要的發(fā)展方向。如清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子影像研究組建立的FMT/CT雙模成像系統(tǒng)，利用CT系統(tǒng)獲得的解剖信息提供結(jié)構(gòu)先驗(yàn)知識(shí)，使FMT獲取的分子影像信息取得更好的重建質(zhì)量。此外，該課題組基于現(xiàn)有的FMT/PET雙模成像系統(tǒng)，提出了一種利用PET系統(tǒng)提供的先驗(yàn)信息進(jìn)行FMT分子影像重建的重建算法，所獲結(jié)果的空間分辨率以及重建速度均獲得了很大的改善。

目前熒光分子成像主要被用于小動(dòng)物成像研究，但部分臨床研究已經(jīng)獲得了一定的成果更多基于原有理論的優(yōu)化算法正在不斷被提出，具有更好效果的熒光分子探針正在被投入使用。隨著研究的繼續(xù)進(jìn)行，分子影像將在手術(shù)導(dǎo)航、特定疾病篩查等更多診療方法中起到關(guān)鍵的作用，所以分子影像在未來的精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

[1] National Research Council (US) Committee on A Framework for Developing a New Taxonomy of Disease.Toward precision medicine:Building a knowledge network for biomedical research and a new taxonomy of disease[M].US:National Academies Press,2011.

[2] 徐鵬輝.美國(guó)啟動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療計(jì)劃[J].世界復(fù)合醫(yī)學(xué),2015(1):44-46.

[3] Weissleder R,Mahmood U.Molecular Imaging[J].Radiology, 2001,219(2):316-333.

[4] 趙倩,李娟,王榮福.PET/MRI 顯像技術(shù)與其他分子影像技術(shù)的比較[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2013,10(1):4-8.

[5] Bai J,Xu Z.Fluorescence Molecular Tomography.Molecular Imaging[M].Springer Berlin Heidelberg,2013:185-216.

[6] Choe R,Corlu A,Lee K,et al.Diffuse optical tomography of breast cancer during neoadjuvant chemotherapy:a case study with comparison to MRI[J].Med Phys,2005,32(4):1128-1139.

[7] Huang D,Swanson EA,Lin CP,et al.Optical coherence tomography[J].Science,1991,254(5035):1178-1181.

[8] Nouizi F,Chabrier R,Torregrossa M,et al.3D modeling for solving forward model of no-contact Fluorescence Diffuse Optical Tomography method[C].European Conferences on Biomedical Optics[A].International Society for Optics and Photonics,2009:73690C-73690C-10.

[9] Yun S,Tearney G,de Boer J,et al.High-speed optical frequencydomain imaging[J].Opt Express,2003,11(22):2953-2963.

[10] Weissleder R,Ntziachristos V.Shedding light onto live molecular targets[J].Nat Med,2003,9(1):123-128.

[11] Wilson T.Confocal microscopy[M].London:Academic Press, 1990,426:1-64.

[12] K?nig K.Multiphoton microscopy in life sciences[J].J Microsc, 2000,200(2):83-104.

[13] Ntziachristos V.Fluorescence molecular imaging[J].Annu Rev Biomed Eng,2006,8:1-33.

[14] 王紅,張華山.分離檢測(cè)生物活性物質(zhì)的熒光標(biāo)記試劑與分子探針及其應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展,2007,19(5):633.

[15] 朱新建,宋小磊,汪待發(fā),等.熒光分子成像技術(shù)概述及研究進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2008,32(1):1-5.

[16] O’Leary MA,Boas DA,Li XD,et al.Fluorescence lifetime imaging in turbid media[J].Opt Lett,1996,21(2):158-160.

[17] 張光磊,劉飛,張賓,等.動(dòng)態(tài)熒光分子成像技術(shù)研究進(jìn)展[J].國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志,2012,35(3):181-184.

[18] 王欣,高峰,李嬌,等.仿 CT 掃描模式擴(kuò)散熒光層析成像方法[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)與工程技術(shù)版,2013,46(12):1106-1113.

[19] Abascal JF,Aguirre J,Chamorro-Servent J,et al.Influence of absorption and scattering on the quantification of fluorescence diffuse optical tomography using normalized data[J].J Biomed Opt,2012,17(3):036013.

[20] Ntziachristos V,Bremer C,Graves EE,et al.In vivo tomographic imaging of near-infrared fluorescent probes[J].Mol Imaging, 2002,1(2):82-88.

[21] Cullen JJ,Renger EH.Continuous measurement of the DCMU-induced fluorescence response of natural phytoplankton populations[J].Marine Biology,1979,53(1):13-20.

[22] Zhao X,Liu H,Zhang B,et al.Fast photon-boundary intersection computation for Monte Carlo simulation of photon migration[J].

Opt Eng,2013,52(1):019001.

[23] He W,Zhang G,Pu H,et al.Modified forward model for eliminating the time-varying impact in fluorescence molecular tomography[J].J Biomed Opt,2014,19(5):056012.

[24] Gao H,Zhao H.A multilevel and multigrid optical tomography based equation Part 1: l1 regularization[J].Opt Express,2010, 18:1854.

[25] Shi J,Zhang B,Liu F,et al.Efficient L1 regularization-based reconstruction for fluorescent molecular tomography using restarted nonlinear conjugate gradient[J].Opt Lett,2013, 38(18):3696-3699.

[26] Shi J,Liu F,Zhang G,et al.Enhanced spatial resolution in fluorescence molecular tomography using restarted L1-regularized nonlinear conjugate gradient algorithm[J].J Biomed Opt,2014,19(4):04601.

[27] Zhang B,Liu S,Cao X,et al.Fluorescence tomography reconstruction with simultaneous positron emission tomography priors[J].IEEE T Multimedia,2013,15(5):1031-1038.

[28] Zhang G,Liu F,Zhang B,et al.Imaging of pharmacokinetic rates of indocyanine green in mouse liver with a hybrid fluorescence molecular tomography/x-ray computed tomography system[J].J Biomed Opt,2013,18(4):040505.

[29] Zhang G,Pu H,He W,et al.Full-direct method for imaging pharmacokinetic parameters in dynamic fluorescence molecular tomography[J].Appl Phys Lett,2015,106(8):81-110.

[30] Cai C,Zhang L,Zhang J,et al.Direct reconstruction method for time-domain fluorescence molecular lifetime tomography[J].Opt Lett,2015,40(17):4038-4041.

[31] Xin W,Feng G,Jiao L,et al.Diffuse Fluorescence Tomography Method with CT-Analogous Scanning Mode[J].Journal of Tianjin University (Science and Technology),2013,12:9.

[32] 楊芳.基于平板檢測(cè)模式的時(shí)域乳腺擴(kuò)散光學(xué)層析先進(jìn)方法研究[D].天津:天津大學(xué),2010.

[33] 李嬌,張燕,趙會(huì)娟,等.基于多級(jí)小波域變換的時(shí)域擴(kuò)散熒光層析成像方法[J].生命科學(xué)儀器,2014,3:10.

[34] Zhang B,Gao F,Wang M,et al.In vivo tomographic imaging of lung colonization of tumour in mouse with simultaneous fluorescence and X-ray CT[J].J Biophotonics,2014,7(1-2):110-116.

[35] Zhang Y,Zhang B,Liu F,et al.In vivo tomographic imaging with fluorescence and MRI using tumor-targeted dual-labeled nanoparticles[J].Int J Nanomedicine,2014,9:33.

[36] 遲崇巍,葉津佐,王建東,等.基于光學(xué)分子影像的腫瘤靶向手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與前景[J].中華放射學(xué)雜志,2015,49(3): 233-235.

[37] 徐同花,趙建民,朱信忠,等.光學(xué)分子影像手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中圖像融合算法研究[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,37(3): 280-287.

[38] Liu F,Cao X,He W,et al.Monitoring of tumor response to cisplatin by subsurface fluorescence molecular tomography[J].J Biomed Opt,2012,17(4):0405041-0405043.

[39] Liu F,Zhang Y,Liu S,et al.Monitoring of tumor response to Au nanorod-indocyanine green conjugates mediated therapy with fluorescence imaging and positron emission tomography[J].IEEE T Multimedia,2013,15(5):1025-1030.

[40] Muldoon TJ,Roblyer D,Williams MD,et al.Noninvasive imaging of oral neoplasia with a high-resolution fiber-optic microendoscope[J].Head Neck,2012,34(3):305-312.

[41] Ntziachristos V,Tung C H,Bremer C,et al.Fluorescence molecular tomography resolves protease activity in vivo[J].Nat Med, 2002,8(7):757-761.

Research on the Reconstruction Algorithms and Imaging Systems for Fluorescence Molecular Imaging

SU Han1, ZHANG Jiulou1, CHEN Maomao1, GAO Yang1, ZHOU Yuan1, BAI Jing1, LUO Jianwen1,2
1.Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2.Center for Biomedical Imaging Research, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China

As a newly developed medical model based on bioinformatics, molecular medicine, clinical diagnostics and medical imaging, precision medicine makes use of advanced technology to accurately trace causes of diseases and thusdetermine therapeutic regimen for different patients. The ultimate aim of precision medicine is to facilitate the diagnosis capability, medical treatment capability, and nursing effect in all medicalrelated fields, and to finally realize personalized medicine. Fluorescence molecular imaging is an essential technology involved in the realization of precision medicine. It provides in vivo functional information as well as imaging in cellular and molecular levels, which differs from traditional structural imaging. Based on recent development of related research both at home and abroad, this paper summarizes the reconstruction algorithms and imaging systems for fluorescence molecular imaging and describes the value and future of the application with precision medicine as background.

precision medicine, fluorescence molecular imaging, multi-model

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.03.004

1674-1633(2016)03-0020-06

2015-10-22

2015-12-22

羅建文，教授。

通訊作者郵箱：luo_jianwen@mail.tsinghua.edu.cn