肿瘤光学分子成像技术研究进展

马文娟 刘佩芳 胡从依 王红彬

自1895年德国科学家伦琴发现X射线以来，医学影像技术在100多年中经历了结构成像、功能成像和分子成像三个阶段，使传统的医学诊断和生命科学研究方式已发生并正在发生巨大变革。近年来，由于分子和细胞技术的巨大进步，转基因动物模型的应用，新的高特异性探针的出现以及小动物成像仪器的发展等众多因素使现在的研究转移到了那些与人类疾病直接或间接相关的特殊基因和蛋白质分子上，发展到分子成像。在分子成像中，核素标记的分子成像是当今分子成像的主流，而光学分子成像技术是整个领域新的热点研究方向。核素标记的分子成像虽然已经应用于临床，但是仍然存在大量需要解决的基础问题，而光学分子成像技术因其在特异性、灵敏性、实时性和安全性等一系列重要指标上具有其他模态无法同时兼有的优点而倍受关注。光学分子成像还在发展的初期，是分子影像学领域面临突破的重点研究方向，它的发展必将为生命科学和临床医学研究提供革命性的新方法和手段。光学分子成像依对比度产生机制有两个主要模态：生物体自发光成像（bioluminescence imaging）和荧光层析成像（fluorescence molecular tomography）。

生物体自发光成像

生物发光是自然界中普遍存在的一种生命现象，在1000m深的海洋下尤为多见。常见的发光生物有发光细菌、发光萤火虫、发光鱼、发光水母等。生物发光过程实际上就是荧光素酶催化荧光素底物发生化学反应的过程。这个反应中，电子发生跃迁，电子由激发态回归到稳态同时发出荧光光子[1]。Wang等在2002年北美放射学会（Radiological Society of North America，RSNA）会议上首次提出BLT，通过收集多个角度光信号的二维像，利用断层成像的原理，构造重建算法反演内部的靶向目标的下位及定量分析信息，从而定量反映组织的早期病理变化。BLT概念提出后，国内外研究者们围绕生物发光断层成像的成像理论和成像方法进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及中科院自动化所田捷教授等所领导的分子影像研究团队。

1.成像算法研究现状

生物发光断层成像技术成像算法的研究包括建立近红外光在生物组织中传输的数学模型，并对其进行求解，得到生物体表光信号分布的正向问题研究和对组织体内未知光源进行定位、定量重建的逆向问题研究两大方面。

目前成像采用的正向模型主要有：蒙特卡洛模拟（Monte Carlo，MC），扩散方程（diffusion equation,DE），辐射传输方程（radiative transfer equation,RTE）以及它的高阶球谐波展开（spherical harmonic,NP）近似。MC方法被认为是目前模拟光在生物组织中传播最精准的方法，被称为“金标准”。这种随机统计的方法适用性高、求解精确，只是在求解过程中需要对大量的样本进行采样而需要耗费较大的计算资源和计算时间。辐射传输方程通过数值计算等方法可以求解该积分-微分方程建立光源分布和表面信号之间的关系。但是辐射传输方程求解困难[2]，故一般采用该方程的近似模型如扩散近似、相函数近似等得到一种简化的数学模型[3]。另外，一些研究者也尝试用辐射传输方程SPn近似来获取计算精度和计算效率上的折衷[4]。

在本质上，BLT光源重建属于非线性问题，但在生物组织的光学参数已知的情况下，生物发光断层成像可以转化为线性问题求解。Jiang等使用扩散光学断层成像为生物发光断层成像光源重建提供可靠的光学特性参数，从而精确重建光源的分布。为了减小算法的欠定性，研究者借助DOT、Micro-CT或Micro-MRI等成像模态获取光学参数及生物体解剖结构信息，融合多种成像模态的数据进行重建[5]。另外一种常用的先验信息是考虑生物发光分子探针的宽谱特性及生物组织对不同谱段的光有不同的吸收和散射特性,而发展的多光谱测量信息[6]。Dehghani等基于多光谱或光谱解析的测量值，构造了多光谱BLT重建算法，解决了BLT解的惟一性问题，获得了更为准确的重建结果和更深的探测深度。此外，鉴于生物发光源谱段会随温度改变，Wang等利用控制感兴趣区域的温度，进而得到了不同温度下多个谱段的数据进行重建[7]。

2.成像设备研究现状

现有的BLT成像系统充分借鉴了FMT成像系统的设计经验，而且由于生物发光是自发光，无需外部的激发光源，因此在系统结构上，比FMT成像系统要简单一些。而且目前市面上的商用FMT成像系统，关闭或者去掉激发光模块后就是一套现成的BLT成像系统。只是由于生物发光信号比激发荧光要弱得多，BLT成像系统的探测器要求比FMT系统的更加灵敏，通常采用制冷型的科学级CCD相机。目前比较有代表性的BLT成像系统有：旋转式多角度BLT成像系统、反射镜式多角度 BLT成像系统 和多光谱多角度BLT成像系统。Wang于2003年开发出他们的首部BLT原型系统，这套系统主要由科学级CCD相机、小鼠固定支架、机械转台等部分组成，所有装置全部放在光学暗箱中。采集数据时，把小鼠麻醉后固定在支架上，关闭光学暗箱，通过计算机控制旋转台调节小鼠与相机之间的视角，依次拍摄多个角度的生物发光图像，然后采用重建算法得出小鼠体内光源的位置与强度信息。Wang等基于平面反射镜设计的多角度 BLT成像系统，能够同时把小鼠的前后左右四个视图成在一幅图像上，解决了多角度图像采集时间过长的问题。由于生物组织的光学参数与波长有关，多光谱测量数据可以用来反演光源深度信息。在光学成像中，多光谱图像大都是通过更换 CCD相机镜头前的滤光片，逐个谱段采集得到的[8]。

荧光断层层析成像

荧光分子层析成像技术利用激光光束激发生物体内荧光，并在生物样本表面探测被激发出来的荧光信号，再结合数学模型计算荧光的分布，并利用优化算法逆向推导生物体内荧光参数的分布。这样就能够在三维空间内准确找到荧光标记物的位置和荧光标记物的浓度，从而在体定量检测有多少细胞发生了反应，荧光蛋白在体内的转染效率等[9-11]。荧光分子层析成像技术根据其测量技术的不同可以分为以下三种。

1.稳态荧光分子层析成像技术

稳态荧光分子层析成像技术是利用非强度调制的激光光源照射到组织上，通过CCD或者是其他光电探测器件探测激发出来的荧光信号，结合这个探测到的信号和稳态的荧光分子层析成像重构算法，就可以得到体内三维荧光产率的分布。由于稳态技术采用的都是光强恒定的光源，因此检测到的信号只会在强度上变化[12]。该系统的优点是系统简单，数据获取时间相对较短。其缺点是单个距离下无法确定组织体光学参数，有效区分吸收系数和散射系数的影响比较困难，需要光源强度的绝对值。

2.频域荧光分子层析成像技术

在频域（frequency domain，FD）测量系统中，幅度被几到几百兆赫兹正弦波调制的光连续地照射到组织体上。通过组织体的光强将保持同样的调制频率不变，但其幅度却由于组织体的吸收和散射而衰减，而且由于不同的光子从光源到探测器间经历的路径不同，光波的相位会延迟。因此,吸收和散射系数的信息可以通过测量出射光相对于入射光的平均强度的衰减、交流幅度的衰减（或调制度衰减）和相位延迟得到。频域系统最主要的优点是其较短的数据读取时间，与CW系统的数据读取时间大致相同。组织体的光学参数的变化所能够引起的相位角变化是很小的，用相位做可测量量需要仪器的测量精度较高，价格昂贵。而且由于测量主要是通过高频调制实现的，在技术上有相当难度，且系统易受噪声影响。

3.时域荧光分子层析成像技术

时域荧光分子层析成像技术利用一个超短的脉冲光束作为激发光源，然后利用超高速扫描相机或者是时间相关单光子计数系统来探测荧光信号在几百个皮秒内的变化。为了测量光子在整个时间域内的分布，时间门控技术也被应用到这个领域[13-15]。再结合重构算法重构出荧光产率和荧光寿命的三维分布。由于时域荧光分子层析成像技术采用了超短脉冲检测单光子的探测技术，其灵敏度非常高。但是由于时域荧光分子层析成像技术采集的数据里面包含了很多组织内部结构和功能的信息，怎么样能够完全利用这里面的信息来进行重构仍然是一个研究难点。由于时域荧光分子层析成像算法需要对时间进行积分，所以重构时间会比较长。总结与展望

分子影像作为继结构成像和功能成像后的新一代医学影像技术，它能够在细胞和分子水平观测活体内的生理变化过程，为定性或定量研究基因功能、新陈代谢、发病机制、疗效评估等提供信息获取与分析处理的新方法。光学分子成像技术从提出到现在，经历了一个快速的发展过程，国内外研究人员在这一领域取得了一些研究成果，但仍然处于起步阶段。未来的成像重建算法研究需要在更为准确的前向模型，解决逆问题近似解的不惟一性及不稳定性的双重难题，充分利用问题本身的特点及所获取的各种先验信息，设计能处理复杂模型的更加高效、灵活的重建算法，才能满足在体小动物实验中连续在体观测对光源定位及定量的需求，最终将光学分子成像技术推向实用。

[1]吕玉杰，自发荧光断层成像逆问题研.中国科学院自动化研究所，2007

[2]Wang LV,Wu H.Biomedical Optics Principles and Imaging.John Wiley &Sons Inc，2007

[3]黄鹤羽.基于正则化技术和水平集方法的BLT重建问题研究.西安电子科技大学，2010

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[7]Wang G,Shen H,Cong WX,et al.Temperature-modulated bioluminescence tomography.Opt Express,2006,14:7852-7871.

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[12]全国涛.稳态荧光分子层析成像重构算法理论.华中科技大学，2011

[13]Zhang W,Wu L,Li J,et al.Combined hemoglobin and fluorescence diffuse optical tomography for breast tumor diagnosis:a pilot study on time-domain methodology.Biomed Opt Express,2013,4:331-348.

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[15]Leblond F,Tichauer KM,Holt RW,et al.Toward whole-body optical imaging of rats using single-photon counting fluorescence tomography.Opt Lett,2011,36:3723-3725.