（生物医学工程专业论文）基于自发荧光的实时在体成像软件平台的研究开发.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：h u m a ng e n o m ep r o j e c th a sg r e a t l yp r o m o t e dt h ep r o g r e s so fm e d i c a l i m a g i n gt e c h n o l o g yt om a k ei tt h r o u g ht h ep h a s e so f s t r u c t u r a li m a g i n ga n df u n c t i o n a l i m a g i n gi n t om o l e c u l a ri m a g i n gt i m e o p t i c a lm o l e c u l a ri m a g i n gt e c h n o l o g yw i t l l f e a t u r e so fah i g hs e n s i t i v i t y , l o wp r i c ea n ds i m p l i f i e do p e r a t i o n ，a n dt h ef a s tm a t u r i t yo f a n i m a lm o d e l so fh u m a nd i s e a s el a i dt h ef o u n d a t i o nf o rm o l e c u l a ri m a g i n gt e c h n o l o g y i n t ot h et e s ta n dp r e c l i n i c a ls t a g e s i nv i v ot oe x p l o r et h em e c h a n i s mo fm a l i g nd i s e a s e s i nm o l e c u l a ra n dg e n el e v e la t t r a c t su r g e n ta t t e n t i o n ，w h i c hc a ne f f i c i e n t l yd e t e c t p a t h o l o g i c a lc h a n g e sb e f o r ec l i n i c a ls y m p t o m s ，i m p l e m e n td i s e a s ee a r l yw a r n i n ga n d i m p r o v et h e r a p ye f f e c t s f o rt h es a k eo ft h ea b o v en e e d ，r e a l t i m ei nv i v oi m a g i n gs o f t w a r ep l a t f o r mb a s e d o nt h eb i o l u m i n e s c e n e ei sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d m o d e mo p t i c a lm o l e c u l a ri m a g i n g s y s t e mc o m p o s i n go fa d v a n c e di m p o r t e de q u i p m e n t si n c l u d i n g a l lu l t r a - l o wt e m p e r a t u r e a n dl o w - l i g h t - l e v e li m a g e ra n dap r o f e s s i o n a lc h a m p e rn o to n l yf u l l yp r e p a r e sh a r d w a r e p l a t f o r m ，b u ta l s or a i s e sa ne m e r g e n c ym i s s i o n r e a l - t i m ei nv i v oi m a g i n gs o f t w a r e p l a t f o r mm a i n l yc o m p l e t e db yc + + a n dq tf o l l o w so b j e c t o r i e n t e dp r i n c i p l e s ，o fw h i c h s u b c l a s s e si si n d e p e n d e n to fe a c ho t h e rs oa st ob eu s e df l e x i b l ya n di n t e g r a t e dt o g e t h e r 、 ，i t hac l o s el o g i c i ti sb ed i v i d e di n t oc a m e r ac o n t r o lm o d u l e ，d a r kr o o mc o n t r o l m o d u l e ，i m a g ec o m p u t i n gm o d u l e ，a n di m a g ea n a l y s i sa n dd a t a b a s em o d u l e b e s i d e s t h ee x p e r i m e n tm o d u l e ，t h e ya r ea l s ot h em a i nt a s ko ft h ea r t i c l e t h es o f t w a r ep l a t f o r md r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ew h o l es y s t e mo f f e r sl i f e c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n ，e s p e c i a l l yt h el i g h ti n t e n s i t yb yt h eb i o l u m i n e s c e n ti m a g i n g f r o mt r a n s g e n i cm i c e ，w h i c hi st h ef i r s ts e to fi n d e p e n d e n td e v e l o p m e n to fs m a l la n i m a l i nv i v oo p t i c a li m a g i n gs y s t e mi nc h i n a t h es i g n i f i c a n c eo f t h i ss u c c e s sl i e sn o to n l yi n t h a tb i o l u m i n e s c e n c ei m a g i n gt e c h n o l o g yi m m e d i a t e l yb e c o m e st h ei n s t r u m e n tf o rt h e d r u gt e s t i n g ，p h a r m a c o d y n a m i ce v a l u a t i o na n dc a n c e rr e s e a r c h ，m o r ei m p o r t a n t l yt h a t b i o l u m i n e s c e n c et o m o g r a p h yd e p e n d e n t so ni tf r o ms i m u l a t i o np l a t f o r mp h r a s ei n t ot h e e x p e r i m e n t a ls t a g e k e y w o r d s ：b i o l u m i n e s c e n ti m a g i n g ；i nv i v oi m a g i n gs y s t e m ；m o l e c u l a ri m a g i n g ； o b j e c t o r i e n t e d c l a s s n o ：t p 3 9 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特另l j ) j i l 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：斟j 宅庙 签字日期：z oo7 年汐f 月，3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：计j 客 签字吼力叮年汐厂月，占日 0 蟛争 别醴轹修铭 岂： 签字日期： 加鼍年月陟日 致谢 本论文的工作是在我的导师王瑞平副教授、田捷教授的悉心指导下完成的。 王瑞平副教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此 衷心感谢两年来王瑞平老师对我的关心和指导。田捷教授悉心指导我完成了实验 室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向田捷老 师表示衷心的谢意。 杨鑫副研究员直接指导我们分子影像研究中心的工作，对于我的科研工作和 论文都提出了许多宝贵意见并给予帮助，在此表示衷心的感谢。徐敏高级工程师 一直是我们实验室医学组指导教师，为我顺利地开展工作提供很多帮助，在此表 示衷心的感谢。李悟副研究员、刘建刚博士、何欣秘书给予了我极大的实验室工 作支持、生活上的帮助及鼓励，在此向他们表示诚挚的感谢。 刘杰副教授帮助我了解学院有关政策与要求，并为我在校期间提供计算机等 辅助设备；赵守国副教授等指导我完成专业课程学习，在此向他们表示感谢。研 究生科科长郭讳华老师对我两年来党支部书记工作和个人生活提供了指导与便 利，使我能够更好的与学校和同学沟通并积极努力的工作，在此向她表示衷心的 感谢。 在实验室工作及论文撰写期间，邢雨、常志军、汪瑞芳、冯璐、李双全、张 维娜、李超等二维软件开发小组的同学与我积极探讨，相互协调，对我的科研工 作提供坚实的帮助，在此表示感激之情；刘丹、秦承虎、杨祥、刘春红、刘凯、 冯金超、孙粒、朱守平、高秋娟、刘俊廷、马喜波、韩冬、武婷婷、薛贞文、李 洪波、吕玉杰、石金、杨薇等分子影像研究中心的同学增强了我学习与研究分子 影像的热情和提供了良好学习氛围，并为软件测试与修改提供很多意见，在此向 他们深表谢意；邓可欣、闫国瑞、张星、张慧、张阳阳、戴亚康、代晓倩、郑健、 向德辉、吴永芳、董迪、杨飞、李鹏、李建杰、周苏静、陶训强、曹凯、陈健、 李军、赵继政、张健、韩晟、石慧、吴萍、藏亚丽、时鹏、张瑶瑶、吴哲等同学 对我的科研工作提供了帮助，在此向他们表示感谢。 一 另外，我也特别感谢我的家人钟根儿、曾凤英、钟江成，他们的理解和支持 使我能够在学校专心完成我的学业。 序 自从x 射线发明以来，医学影像技术的发展经历了结构成像、功能成像和分 子影像等三个阶段。前两个阶段的技术革新带来现代医学影像设备，如计算机断层 成像c t 、超声成像、磁共振成像m r i 、计算机x 线成像、正电子发射成像p e t 。 这使得传统的医学诊断方式发生了革命性交化。随着人类基因组测序的完成和后 基因组时代的到来，分子影像学要适应科学发展与技术应用的需求，除了基础算 法的理论研究外，多模态分子影像设备的研制也是势在必行。基于现代生物技术、 断层成像技术、光学成像技术、模拟方法学的在体生物发学成像基础研究已日趋 成熟。另一方面，由于伦理道德和其他诸多条件的限制，很多实验无法在人身上 进行。近年来利用小动物尤其是转基因小鼠进行实验，评估药物反应和研究疾病 的发病机理、临床表现、基因病变等，成功获取相应的生理学和病理学信息并且 研究出治疗疾病尤其是恶性疾病的方法。因此，作为新的成像模态的小动物实时 在体生物发光成像系统已经成为新世纪光学分子影像领域亟需研制的也是可以实 现的影像设备。这将为新药开发、疾病诊断和临床检测的新医学影像工具开发提 供一个可靠基础，具备重要的实际应用价值与现实意义。研制出拥有中国特色的 享有自主知识产权的小动物实时在体生物发光成像系统也是应对国外在体光学分 子影像设备制造商及国际分子影像学发展的最有力回应。 为此，中国科学院自动化研究所分子影像研究中心在田捷教授指导下进口先 进设备搭建一套分子影像硬件原型平台。期间，作者具体负责光学系统软件平台 研究开发，即暗箱和超低温成像仪驱动与控制、图像获取及相应处理和相关实验 验证工作。这也是本文的主要工作。当然，实时在体生物发光成像系统的研究开 发是在田捷教授、杨鑫副研究员、徐敏高级工程师等指导下一个研究团队一致协 同努力的工作成果。作者还得到王瑞平副教授等长期以来的支持、教诲与帮助。 这样才得以完成本文工作。 全文共分五章，第一章概述在分子成像技术及相应设备的国际现状和本文研 究工作及预期结果等；第二章详细讲述实时在体生物发光图像采集的实现过程； 第三章介绍生物发光图像运算、处理与分析；第四章给出了实时在体生物发光成 像软件平台的使用与实验验证；第五章对全文工作进行回顾和总结，并对未来发 展进行展望。 l 引言 在体水平研究分子、基因、细胞是人们长期以来的理想。分子影像打开了通 向这个理想的大门。实时在体生物发光分子成像技术架起大门与理想间的桥梁。 下文分别从人类的夙愿与医学影像危机、分子影像技术特征与作用、生物发 光分子成像技术及其优势等方面详细阐述为什么需要开发基于生物发光的实时在 体成像软件平台及其研究现状、基础：然后简要分析了实时在体生物发光成像系 统研究与开发的价值与意义，并详细列举了现阶段在体成像系统开发遇到的理论 与技术难点：最后，绘制出基于自发荧光的实时在体成像软件平台开发的技术路 线，对全文工作进行规划与布局。 1 1 分子影像关键科学技术问题研究的概述 1 9 0 0 年p v 维拉德( p a u lu l r i c h v i l l a r d ) 发现，射线，随后即被应用到核医学 影像研究。 ， 1 9 0 1 年威廉康拉德伦琴( w i l h e l mc o n r a dr 6 n t g e n ) 因为发现x 射线获首 届诺贝尔物理学奖，开启了医学影像崭新的一页。在此之前，医师想要了解病患 身体内部的情况时，除了直接剖开以外，就只能依靠触诊。 1 9 2 4 年威廉埃因托芬( w i l l e me i n t h o v e n ) 因为发明了心电图与量测装置获 得诺贝尔生理学或医学奖。 1 9 5 2 年费利克斯布洛赫( f e l i xb l o e h ) 和爱德华米尔斯珀塞耳( e d w a r d m i l l sp u r c e l l ) 因发现核磁共振方法获诺贝尔物理学奖，与随后在磁共振成像领域 出现的其余4 位诺贝尔奖得主一起开拓了医学影像的新空间。 1 9 7 9 年阿兰麦克莱德科马克( a l l a nm a c l e o dc o r m a c k ) 和高弗雷豪斯 费尔德( g o d f r e yn e w b o l dh o u n s f i e l d ) 因为研究x 射线断层成像及相关技术与发 明获得诺贝尔生理学或医学奖。 。 1 9 9 9 年亚米德齐威尔( a h m e dh a s s a nz e w a i l ) 因为用飞秒激光光谱对化学 反应中间过程的研究获诺贝尔化学奖。激光成像技术催生飞秒化学。 2 0 0 8 年钱永建( r o g e ryt s i e n ) 、下村惰( o s a m us h i m o m u r a ) 和马丁查尔 菲( m a r t i nc h a l f i e ) 因为发现和研究绿色荧光蛋白而获得诺贝尔化学奖，为光学分 子影像新时代奠定基础。【l 】 以上技术进步都引领医学影像新革命，但仍然满足不了时代发展的需求。医 学影像是指为了医疗或医学研究，对人体或人体某部份，以非侵入方式取得内部 组织影像的技术与处理过程，是一种逆问题的推论演算，即成园( 活体组织的特 性) 是经由结果( 观测影像信号) 反推而来。医学影像百余年来，特别是人类基 因组测序完成以后的后基因组时代使得人们在微观水平对生命的本质有了一个 初步认识。然而，越来越多的数据表明生命体，特别是人类自身，微观生命活动 及宏观生命特征并不是某一种基因、蛋白质或者细胞作用结果，而是错综复杂的 生命物质共同调节的产物，如图1 1 所示。这为人类认识生命奥秘提高生命质量向 医学影像提出巨大挑战。虽然细胞学分析能够从多种基因与蛋白质相互作用角度 深入研究，但是不能对多种物质的功能与相互作用进行原位观察。考虑到生命体 复杂性，通过转基因动物的方式来观察基因与蛋白质等物质功能已经为生物医学 研究提供可行性载体。利用小动物活体对分子、细胞水平的变化进行实时、动态、 在体观察是生物医学工作者亟待的理想手段。从疾病角度看，如何在病症出现之 前就在细胞或分子水平发现生命特征变化，实现疾病的早期预警与治疗也己经为 医学影像下达艰巨任务。从新药开发到药效评估角度看，预临床验证是必经之路。 2 0 0 1 年数据显示美国国立癌症研究所对2 3 0 4 种化台物进行筛选，结果表明在细胞 水平5 6 的化合物有抗肿瘤活性，而在体只有4 。小动物在体实验是世界各研 究单位期盼的在体水平药物评估工具。因此，医学影像面临革命性危机，小动物 在体成像技术的突破迫在眉睫。 图1 - l 癌症中细胞凋亡抑制因子( i a p s ) 的信号通道，i a p s 是目前唯一已知的内源性半胱 氨酸蛋白酶抑制剂，而半肮氨酸蛋白酶是细胞凋亡程序性死亡通路的至关重要的下游调节园 子。d i f f e r e n ts t r a t e g i e s t o t a r g e t i n h l b i t o r so f a p o p o t o s i s ( 1 a p s ) i nc a n c e r i a p $ m t h e 。n h k n o w n e n d o g e n o u s i n h i b i t o 口o f c a s p a s e s w h i c ha me s s e n t i a ld o t r e a m m e d i a t o r s o fa p o p l o t i c m e a m p a t h w a y s 2 分子影像技术是2 l 世纪的医学影像技术，为小动物在体水平研究指明方向。 1 9 9 9 年美国哈佛大学r a l p hw e i s s l d e r 等学者提出分子影像学( m o l e c u l a ri m a g i n g ) 概念，并预言分子影像学将在未来的5 至1 5 年得到极大发展，将有大量应用于分 子影像学诊断的新药物和分子影像学诊断系统进入临床应【3 ，4 】。2 0 0 2 年7 月，美 国哈佛大学v a s i l i sn t z i a c h r i s t o s 等学者在 n a t u r e 上报告了在小动物体内实现分 子水平上在体成像的实验系统和相应结果【5 】。这一研究成果为从生理学、病理学、 生物化学水平上认识疾病，明确病变组织的生物过程和病变细胞的基因表达，为 临床的早期诊断等提供了分子和细胞水平上的信息。同年，美国国立卫生研究院 ( n i h ) 制定通向未来生命科学的“中长期发展规划”国立卫生研究院路线图 ( n i hr o a d m a p ) 。该路线图在“获得新发现的途径 主课题中特别列出对分子影 像的支持。美国国家科学基金委( n s f ) 、美国国家癌症研究所及美国国家生物医 学成像和生物工程研究所( n i b i b ) 都做出规划和相应基金来支持分子影像学研究。 2 0 0 2 年8 月在波士顿会议上，美国成立了分子影像学学会( s o c i e t yo fm o l e c u l a r i m a g i n g ，s m i ) ，并定期举行年会。随后，欧洲也成立了专业学会。同年；”期刊 “m o l e c u l a ri m a g i n g ”在美国创刊，并作为s m i 的学会期刊。2 0 0 0 年起至现今， 每年来自中国科学院、清华大学、北京大学、浙江大学、复旦大学、南开大学等 的学者主持召开香山科学会议，会同海外专家一起探讨中国分子影像的发展。中 国科技部、教育部、国家自然科学基金委员会等单位也成立专门基金项目推动其 发展，如2 0 0 6 年立项的“分子影像关键科学技术问题的研究 9 7 3 项目。 分子影像是指无损伤地在分子水平上探测生物体内的分子，并给出体内分子 分布信息的医学影像技术，是研究特定基因功能、生物体生长发育、疾病发生发 展、药物在体定量评估和药效动力学变化的生命特征提取与分析的有效工具【6 】。 它将在以下方面产生重要影响：跟踪特定的分子细胞过程，如基因表达及蛋白质 间的复杂相互作用等；同步追踪多个分子事件；分子细胞水平评估疾病的发生发 展；基因治疗；分子细胞水平疗效成像；缩短新药开发周期等。【7 ，8 】 分子影像实际过程简单，操作容易，如图1 2 所示。在体水平特异性追踪某一 基因或蛋白质，或者在体观察某疾病发生发展的分子细胞水平变化( 图1 2 ( a ) 所示变化) 时，我们将利用报告基因技术研究开发的能够与目标分子特异性结合 的分子探针注射到小动物体内。在体内循环系统及信号调控机制作用下，分子探 针就会与目标分子，即与靶分子结合( 图1 2 ( b ) ) ，同时发出可以检测到的信号。 由于在不同的成像模态中信号形式不同，成像方式不同。但是它们都可以被归纳 为先进行信号采集( 图1 2 ( c ) ) ，然后利用不同图像重建算法实现信号可视化( 图 1 2 ( d ) ) 。至此，实时、动态、在体及无创的对分子细胞水平的变化呈现在眼前。 由此，我们可以非常清晰认识到上述过程中的分子细胞微观水平成像研究难点： 什么样的生物过程能够被观察到? 在体水平成像能够尽量减少研究之外的可变因 素或者物理、生物、化学等相互作用? 分子探针的在体药物动力学特性符合实际 需求? 信号需要怎样放大才能被采集? 什么样的成像模态适合分子影像? 9 】 以上问题都是当今世界分子影像学研究的热点。只有选择合适的分子或者细 胞，才能观察到其生物过程，这是分子影像的根本。只有选择生物相容性的材料 作为分子探针，分子影像才能真正被接受为在体研究手段，这是分子影像的基础。 只有能够克服生理屏障被传导运输到靶分子结合区域的分子探针才是能实际使用 的探针，如图1 - 3 所示。只有能够放大甚至低到皮摩尔数量级的物质产生的在体微 掌箩 、重蛩矿弋 a 国赢 括号亲焦 b 重建算注信号还原 凰网z 2 蜀 爝戳、i d 图1 2 分子影像实现过程简图。i m p l e m e n t a t i o ns c h e m a t i c o f m o l e c u l a r i m a g i n g 图1 3 分子探针的药物代谢动力学示意图。p h a r m a c o k i n e t i c s o f r a o l e c u l a r i m a g i n g p r o b e s f l o 移曰 弱信号，才能实现超低浓度的目标进行观察。只有时间分辨率、空间分辨率、灵 敏度等参数指标高的成像模态才有可能被发展成为应用到动物实验、预临床及临 床水平的医学影像技术。 分子探针与分子成像技术是分子影像设备研究与开发的前提，既是世界范围 内分子影像关键科学技术问题，也是本文所涉及的课题，下文依次简要介绍： 一、分子探针技术研究 从化学和生物学的意义理解，探针就是一种已知特异性的分子，它带有合适 的标记物为反应后检测。传统医学x 一射线及其计算机断层成像( x r a y ，c t ) 、磁 共振成像( m 甜) 、正电子发射型计算机断层成像( p e t ) 、单光子发射型计算机断 层成像( s p e t ) 、超声成像( u l t r a s o u n di m a g i n g ) 等使用的影像增强剂或对比剂提 高了目标区域与背景差异从而特异性标定靶区，属于经典医学影像学分子探针。 近几年，特别是后基因时代非侵入式在体光学成像研究方向尤其明显，生物分子 探针研究取得重大成就，是光学分子影像时代到来的先声。美国科学家下村俯和 约翰森( f r a n kh j o h n s o n ) 在1 9 6 1 到1 9 7 4 年发现两种发光的蛋白质：水母素 ( a e q u o f i n ) 和绿色荧光蛋白( g f p ) ，并在细胞和比较生理学、s c i e n c e ) ) 、 ( n a t u r e ) ) 等杂志报道【1 1 ，1 2 ，1 3 。1 9 8 5 年普瑞舍( d o u g l a sp r a s h e r ) 和s a t o s h ii n o u y e 分别根据蛋白质序列拿到了水母素的基因【1 4 ，1 5 】。1 9 9 2 年普瑞舍获得g f p 的基 因 1 6 】。1 9 9 4 年美国哥伦比亚大学的马丁查尔菲独立进行将g f p 表达到其他生 物体这项工作并在 s c i e n c e ) ) 上发表文章引起世界轰动 1 7 】。1 9 9 4 年，华裔美国 科学家钱永健开始改造g f p ，有多项发现。世界上目前使用的荧光蛋白大多是钱 永健实验室改造后的变种，有的荧光更强，有的呈黄色、蓝色，有的可激活。这 为荧光介导断层成像( f m t ) 与荧光寿命成像等光学分子影像技术提供了良好的 分子探针 1 8 ，1 9 ，2 0 。1 9 9 5 年，美国斯坦福大学c h r i s t o p h e rh c o n t a g 首次在小 动物体内检测到含l u x 操纵子的病原菌发出的可见光；1 9 9 7 年，他又首次观察到 表达f l u c 基因的转基因小鼠在注入荧光素酶底物后的生物发光现象；1 9 9 8 年与其 夫人成立美国精诺真公司( x e n o g e nc o r p ) ，成为世界首家生物发光成像( b l i ) 设 备生产商【2 1 ，2 2 ，2 3 】。自此，荧光素酶( 1 u c i f e r a s e ) 基因成为被广泛应用于小动物 成像技术的分子探针。2 0 0 2 年c h r i s t o p h e rh c o n t a g 、r a l p hw e i s s l e d e r 、t j u v a j e v 、 g a m b h i r 等各自分别在 n a t u r e ) ) 杂志发表多篇利用生物发光分子探针研究基因转 移与表达的文章。2 0 0 3 年k h a l i ds h a h 等在( ( o n c o g e n ) ) 杂志公布f l u e 和r l u c 生 物发光双分子探针在人脑神经胶质瘤细胞( g l i 3 6 ) 上对比成像应用报告【2 4 】，2 0 0 8 年其给出包括g l i 3 6 f l u c + 在内的多种生物发光分子探针特性对比报告【2 5 】。2 0 0 9 年 美国哈佛大学的k e n n e t hm k o z l o f f 等在 b o n e 杂志报道了f m t 成像模态中k - 组织蛋白酶调控的荧光分子探针在体研究成果 2 6 1 。另一个角度，分子影像技术月 益进步为生物分子探针技术的繁荣催生一个重要机遇。2 0 0 3 年美国n i h 将生物分 子探针研究列入三大科学路线图之中。2 0 0 8 年4 月美国n i h 制定的分子库与影像 学路线图( m o l e c u l a r l i b r a r i e sa n d i m a g i n g r o a d m a p p r o g r a m ) ，推出以发展分子探 针为目标的高通量筛选的检测发展计划( a s s a yd e v e l o p m e n tf o rh i g l l - t h r o u g h p u t s c r e e n i n g p r o g r a m ) 2 7 】。 二、分子影像技术的研究 发展到今天的分子影像技术已经进入多模态时代。各个成像模态在我们9 7 3 各个子课题组茁壮成长。 尊圈嚣蔷 图l 多模态小动物在怵成慷技术：( ) 注射f ”d g 后小鼠m i c m p e t 全身冠状母像； ( b ) 间歇性静脉注射造影剂后小鼠m i g t o c t 腹部冠状图像；( c ) 腹部与盆骨区域注射”n 亚甲基取磷酸盐后小鼠m i c r o s p e c t 冠状图象，显示示踪剂在骨组织积累量：( d ) 基于光反 射的小鼠荧光图像，g f p 荧光团位于肝、腹部、大脑、脊柱( 具备g f p 表达的肿癌细胞扩散 图) ；( e ) 小鼠脑部m i c r o m r i 冠状t 2 加权图像；( f ) 小鼠在体生物发光图像，在前肢左腿 区域海蜃荧光素酶基因成功表达，再在尾静脉注射腔肠豢后获得的图像。m u l t i p ki m a g i n g m o d a l i t i e sa na v a i l a b w f o rs m a l l - a n i m a l m o l e c u l a r i m p i n gs h o w na m v i e w s o f t y p i c a l i l l m l q u b c j l t s a v a i l 曲l ea n di l l u s t r a t i v ee x a m p l e so ft h ev a r i e t yo fi m a m sm a tc a l lb eo b t a i n e dw i t ht h e s e m o d a l i t i e s 【2 8 表l l 常见分子影像模态综合对比。c h a r a c t e r i s t i c so f m o l e c u l a ri m a g i n gm o d a l i t i e sa v a i l a b l e 分子或囊拄术正电子发射戚簟光子发射爵屡戚生物发光成像荧光成磁共摄成像计算机蠢层成像超声成 一电蕾一性矗麓，射线低能，射缝可见光可见光电磁波x 射线趋声波 空一分搴l 2 m ht 一2 3 、r 5 m 孵2 3 2 5 1 0 0 _ n驷2 ，m5 0 5 0 0 , u m 鼍蠢没有限嗣没有限捌l 一2 2 0 01 0 0 读出噪声( cr m s ) 2 , 8 ( 0 1 m h z ) ，8 0 m h z ) 25 ( 00 5 m h z ) ，8 ( 1 m h z ) ， 1 0 3 ( 25 m h z ) 帧转移速率( s ) 1 8 ( 01 m h z ) ，18 ( 1 m h z ) 25 ( 25 m h n 最大非线性度2 1 量子效应峰值 9 0 9 5 由英国安道尔公司采用半导体制冷技术组装而成的d u 9 3 4 n b v 微光成像仪 ( 图2 1 1 ) ，就避免了液氮制冷带来的一系列问题。它采用的是e e v1 0 2 4 x1 0 2 4 b v 型c c d 芯片。d u 9 3 4 n - b v 虽然直接利用市电、微型风扇及半导体，也能持续工 作在2 0 8 0 的超低温环境中。由于拥有像元尺寸和最大满阱电荷小、c c d 单 窗隔离技术、量子效应高等特点，d u 9 3 4 n b v 的灵敏度也很高。 至于上述两种成像硬件系统的差异，除了上文概述的主要区别外，其余指标 参数的对比如表2 1 所示。p 1 1 3 0 0 b 性能较d u 9 3 4 n b v 优良，成本翻倍。所以它 被保留在分子影像研究中心供实验使用，而d u 9 3 4 n b v 则成为技术转让商品。 2 2 2 液氮制冷成像系统控制与功能 液氮制冷成像系统在此特指p 1 13 0 0 b 微光成像仪。与之配套软件w i n m i 的目 标是成功驱动成像仪并完成单幅采集和连续采集两种模式的图像采集任务。它包 括暗场图像、平场图像、生物发光图像及与白光图像等四类图像采集过程的控制 与相应运算。在一次实验过程中并设置同一组硬件参数时，暗场图像是指成像仪 在快门闭合时c c d 所成图像：平场图像是指在均匀光源照射下，对c c d 获得的 原始图像进行补偿与校正处理后的像素强度值分布均一的图像；生物发光图像是 指在暗箱内部没有外界光源干扰时采集到的生物活体自发荧光的图像；白光图像 是指在外部光照情况下生物活体所成的像。上面所指的硬件参数具体是：c c d 工 作温度及感兴趣区域、曝光时间、快门状态、前置运算放大器增益、读出模式、 读出速度、噪声水平等。 对照上述软件开发的功能需求，首要任务是设计出图像采集的整体框架流程 图( 图2 1 2 ) ，将复杂问题细分为多个关联的简单模块。 参照图2 - 1 2 ，对w i n m i 系统初始化模块分析如下：主要是启动软件、p 1 1 3 0 0 b 系统接口函数初始化并在线检测硬件设备、硬件参数设置、开始c c d 温度实时监 测，最后环节才是激活w i n m i 界面图像采集功能模块的输入按键，允许用户进入 图像采集程序。软件系统初始化在软件调试阶段是指成功调用q t3 2 1 非商业版类 库、m y s q l5 1 类库、硬件接口函数类库及w i n m i 自身的子函数类库，在软件公 开安装版阶段则是指经过身份认证后成功登陆w i n m i 软件系统。在购买p 1 1 3 0 0 b 时，代理商提供面向各种型号普林斯顿微光成像仪的软件开发平台( p i s d k ) ，即 一个用c 语言编写的接口函数类库，内含成像仪控制器与计算机的标准u s b 2 0 接口通信协议。w i n m i 就是基于p i s d k 开发的一个高级应用软件。集成p i s d k 后，w i n m i 在初始化成功时会在计算机的操作系统安装目录路径下的系统文件夹 中生成一个p v c a m i n i 文件，记录已安装的成像仪硬件信息。探测器系统在线检测 2 7 w ；棚i 系统初始化w i n i l l 图像采集流程图 图2 1 2 实时在体生物发光成像软件平台p 1 1 3 0 0 b 图像采集流程图。i m a g ea c q u i s i t i o nf l o wc h a r t f o rr e a l - t i m ei nv i v ob i o l u m i n e s c e n c