双模式小动物成像系统关键技术研究

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随着疾病模型研究、新药研发等在小动物活体上观测分子功能的研究需求越来越迫切,各种模式的小动物在体成像系统在生物医学研究中地位越发重要。荧光分子层析成像由于可以在体定量测量荧光分子在活体小动物体内三维分布,因而近年来受到广泛关注。然而荧光分子层析成像无法提供小动物的结构影像信息,影响了其对荧光分子所在部位的判定。因此需要开展多模式的成像方法研究。本文提出并研制了一套适用于小动物研究的荧光分子层析成像(FMT)与微型CT的双模式成像系统,设计并实现了双模式系统中两种成像模式以正交方式耦合的结构以降低系统间相互干扰,提出一种非基于图像(non-image based)的双模式图像融合的方法。系统使用微焦点射线源和基于非晶硅的平板探测器实现了高分辨微型CT成像,使用半导体激光器和致冷CCD实现FMT成像,两种成像方式以正交方式安装在一起,双模式成像中微型CT采用圆扫描方式,FMT采用线扫描的成像方法,分时对活体小动物进行双模式成像。根据成像方式设计矩形的样品固定装置盛装样品,并置于系统中心位置。使用样品固定装置作为标志物,利用它在微型CT成像空间中的位置,匹配FMT的位于样品固定装置内部的成像空间,从而完成图像融合。本文对系统性能进行了理论分析和全面的试验评估。对系统的分辨率进行了理论分析和实验验证,测量微型CT成像和FMT的分辨率分别达到13 mm-1和3mm。对微型CT成像均匀性进行了实验测量和算法矫正,结果表明,直径45 mm的纯水样本微型CT成像结果在中间与边缘区域的CT值均值仅相差20 HU。对荧光成像的灵敏度、微型CT成像的对比度噪声比,线性度进行了评估,FMT对于荧光染料DiR-BOA成像灵敏度优于100nM,荧光分子浓度的测量误差小于5%,微型CT在剂量为185 mGy时对人体脂肪模体的成像对比度噪声比达到2.2,对不同浓度造影剂的测量线性相关性高达0.9997。最后对X射线对于小动物和实验人员的安全性进行了分析与评估,结果表明小动物吸收剂量远低于实验标准,操作人员的防护水平高于国家标准十倍。本文对FMT-CT的应用进行了初步的研究,将本系统应用于对使用荧光物质DiR-BOA标记的荷瘤鼠进行了肿瘤的在体三维定量测量,对离体兔股骨样本骨小梁骨密度的研究中。结果表明本系统适用于小动物活体成像,能够对各种荧光分子标记的小动物样本进行活体动态观测,达到同时实现分子信息与结构信息的双模式成像。
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