快速估计荧光分子断层成像中单个荧光物的深度
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收低 散 射 特 性 ，而 在 近 红 外 波 段 （＞ ６ ０ｎ ，呈 现 低 吸 收 Ａ ０ ｍ）
与 ＭＲ 等提供结构信 息一 样 ， 过反射 仪测得 组织 光学参 Ｉ 通
数的方法使得估计 ｄ的过程复杂 。 ａ 将生物体的光学特 Ｏｋｗａ
性作 为已知，网格剖分后 用空间滤波法求解 逆 问题 ，从而得 到荧 光物 的深度 “ 。进行网格剖分是 在获得生物体边界轮 ］
收 稿 日期 ： ０ ９０ —８ 修 订 Ｅ期 ： ０ ９０—２ ２ ０—６１ ， ｔ ２ ０ —９２
的荧光强度 Ｐ有关 。 Ｐ与荧光物所在处激发光 的强度、荧光
物的量子效率等有关 。Ｒ ｔ ａｉ Ｐ 的确定 比较麻烦＿ ｏ和 １ 。Ｍｉ ｌ — ｓｅ ｔｉ ｎ将激发光波段 和荧 光波段 内生 物体 的光学 特性作 为相
出单个类似于球体的荧光物的深度 。
关键词 荧光分子断层成像 ； 深度估计 ； 外推边界 ； 荧光扩散光层析成像 ； 扩散光层析成像
中 图分 类 号 ： ＴＮ２ ；Ｒ １． １ １ ３ ８ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６／． ｓ ．０ ００ ９ （０ ０ ０—５ ６０ Ｏ ：１ ．９ ４ ｊｉ ｎ １ ０—５ ３ ２ １ ） ６１ １—４ ｓ
分子水平 的变化 。 ＭＴ通过图像重建 ， Ｆ 为研究荧光标记物在
结构等先验信息 ， ＭＴ重建 中整合这些先验信息 ， Ｆ 能引导重
建， 加速重建 ，提高 重建质 量 ，但是 成像 过程 也变 得 复杂 。
生 物 组织 的光 学 特 性 值 大 致 范 围 已知 ，对 于 个 体 的确 切 特 性 可 用 反 射 仪 测 得 ，在 部 分 研 究 中作 为 已 知 量 处 理 【 １ 。
基 金 项 目：国 家 自然 科 学 基 金 项 目 （０ ７ ５ ７ ０ ３ ０ ３ ，清 华 一裕 元 基 金 项 目 ，国家 （７ ３ ６ ０ ７ ，６ ８ １ ０ ） ９ ３计 划 ） 目 （０ ６ Ｂ ０ ７ ０ ，国 家 （６ 项 ２０ Ｃ ７ ５ ０ ） ８ ３计 划 ） 项
光物和背景中不同区域 的边界属于结构性先验 信息 ， 功能性
先验信息则包 括组 织的吸 收、散 射系数 等¨ 。解 剖学成像 ３ ］ 如 ＭＲＩ 引、 ｃｏ Ｔｃ 和 超声［ 等 提供 高精度 的小 动物 ｃ ｌ ｍｉ Ｃ ” ｒ
标记 的特定分子或细胞作为成像 源 ， 在体观测它们 在细胞与
第３卷， ６ ０ 第 期
２０ １０年 ６月
光 谱
学
与
光
谱
分wk.baidu.com
析
Ｖ １ ０Ｎ ． ，ｐ５６１１ ｏ ３ ， ｏ ６ｐ１ １—５ ９ ．
Ｊ ｎ ，２ １ ｕ ｅ ００
Ｓ ｅｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒｌＡｎ ｌｓｓ ｐ ｃｒ ｓ ｏ ｙａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
快 速估 计荧 光分 子 断层成 像 中单个 荧光 物 的深 度
廓信息的基础 上进行 的，获取边 界轮廓 和网格剖分是 比较 复 杂的过程 ，虽然有 Ｃ ｍｓｌ 网格剖分工 具软件 ＿ ｏ ｏ等 】 。探测器
测得荧光信号强度 （ 度值 ） ａ 生物体边 界上 的荧光信 灰 Ｇｒｙ与
号 强 度 Ｌ 之 间 有一 缩 放 比例 关 系 ， ｒｙ Ｇ ａ ＝Ｌ＊Ｒ ｔ ＿ ａｉ １ ｏ 。Ｌ除 了 与组织 的光 学 特 性 、 度 ｄ有 关 外 ， 与 荧 光 物 受 激 发 出 深 还
生物组织 内的活性提供标记物的生物 分布等三维信息 ，克服 了平 面成像 的局限性 ， 有助 于疾病的早期诊断 与生命 机理的
分析 ， 促进药物研 制。与其他分子影像 方法如 Ｐ Ｔ（ｏ ｉｏ Ｅ ｐ ｓ ｒｎ ｔ ｅ ｓｉｎｔｍ ｇａｈ ，Ｐ Ｔ） 比，Ｆ ｍｉｓ ｏ ｒｐ ｙ Ｅ 相 ｏ ｏ ＭＴ 灵敏 度较 高 、快 捷 简便 、费用低 、相对高通量 ，支持在体 无创地研 究长时 间跨 度的分子事件 ， 满足 ２ １世纪系统化地观测 生命过程 的要求 。 近几 年它发展迅速 ， 为生物 医学光 学的一个 研究热点 ，为 成 医学 、生物学 、 药学 、 工程等领域专家所关注｜ ］ １。 生物组织在可见光的短波长波段 （ ＜６ ０ｎ 呈现 高吸 Ａ ０ ｍ）
量 。 Ｆ ］ 在 ＭＴ中有两类 先验信息 可用 ：（ ） 光物 的深度 、 １荧
引 言
荧光分 子断层成像 （ｌｏｅｃｎｅｍｏｅｕａ ｍｏ ｒｐ ｙ ｆ ｒｓｅｃ ｌ ｌｒｔ ｇａ ｈ ， ｕ ｃ ｏ Ｆ ＭＴ） 利用特异性 的荧光 分子探针标 记分子或 细胞 ，以这些
位置信息 ；（） ２ 其他成像 方法提 供 的组织光 学特性 与组织 内 部的结构信息 ｌ 。先验信息对于高精度 的重建极其 重要 。 ８ ］ 荧
高散射特性 。 为了能探测到位于较深处 的荧光物 ， ＭＴ 中常 Ｆ 采用 近红外荧光探针 ， 在近红外波段 进行光学 成像 ， 一种 是 扩散 光断层 成 像 （ ｉ ｕｅｏ ｔ ａ ｔｍｏ ｒｐ ｙ （Ｔ） ＭＴ ｄ ｆｓ ｐｉ ｌ ｏ ｇａ ｈ ，Ｄ ） 。Ｆ ｆ ｃ 和 Ｄ Ｔ 的重建是 一个 非线性 、不 适定 和病 态的逆 问题 。 Ｏ ｊ Ｉ Ｔ重建中可融合先验信 息以提高重建 速度与／ Ｘ） 或结果 的质
陈延平 ，白 净
清华大学生物医学工程 系，北京 １０ ８ ００４
摘
要
荧光分子断层成像支持在体无创研究长时问跨度的分子事件 ， 满足 ２ 世纪 系统化地观测 生命 过程 １
的要求 。在其复杂且耗时 的重建 中， 先验信息有助于加快重建速度 ， 提高重建图像的质量。文章将 求解 荧光 物 的深度作为待优化问题 ，由单幅荧光图像 直接快速地估 计深度信 息 。首先根据 生物组织 内的扩散模 型和 外推边界条件 ， 推导 出生物体边界上两点处荧光 强度 的比值 风 。然后用粒 子群优化算 法 ， 吸收 系数 和散 在 射 系数 的估计 区间 内，由最小化生物体边界上两点处模型值 Ｒ 与测量值 Ｒ７之 间的差 ，估计 出荧 光物的深 度 。不同尺寸荧 光物 的两个仿体实验的结果表明 ， 所提 出的方法不需要 网格剖分和重建 ，能快 速简单地估计‘
与 ＭＲ 等提供结构信 息一 样 ， 过反射 仪测得 组织 光学参 Ｉ 通
数的方法使得估计 ｄ的过程复杂 。 ａ 将生物体的光学特 Ｏｋｗａ
性作 为已知，网格剖分后 用空间滤波法求解 逆 问题 ，从而得 到荧 光物 的深度 “ 。进行网格剖分是 在获得生物体边界轮 ］
收 稿 日期 ： ０ ９０ —８ 修 订 Ｅ期 ： ０ ９０—２ ２ ０—６１ ， ｔ ２ ０ —９２
的荧光强度 Ｐ有关 。 Ｐ与荧光物所在处激发光 的强度、荧光
物的量子效率等有关 。Ｒ ｔ ａｉ Ｐ 的确定 比较麻烦＿ ｏ和 １ 。Ｍｉ ｌ — ｓｅ ｔｉ ｎ将激发光波段 和荧 光波段 内生 物体 的光学 特性作 为相
出单个类似于球体的荧光物的深度 。
关键词 荧光分子断层成像 ； 深度估计 ； 外推边界 ； 荧光扩散光层析成像 ； 扩散光层析成像
中 图分 类 号 ： ＴＮ２ ；Ｒ １． １ １ ３ ８ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６／． ｓ ．０ ００ ９ （０ ０ ０—５ ６０ Ｏ ：１ ．９ ４ ｊｉ ｎ １ ０—５ ３ ２ １ ） ６１ １—４ ｓ
分子水平 的变化 。 ＭＴ通过图像重建 ， Ｆ 为研究荧光标记物在
结构等先验信息 ， ＭＴ重建 中整合这些先验信息 ， Ｆ 能引导重
建， 加速重建 ，提高 重建质 量 ，但是 成像 过程 也变 得 复杂 。
生 物 组织 的光 学 特 性 值 大 致 范 围 已知 ，对 于 个 体 的确 切 特 性 可 用 反 射 仪 测 得 ，在 部 分 研 究 中作 为 已 知 量 处 理 【 １ 。
基 金 项 目：国 家 自然 科 学 基 金 项 目 （０ ７ ５ ７ ０ ３ ０ ３ ，清 华 一裕 元 基 金 项 目 ，国家 （７ ３ ６ ０ ７ ，６ ８ １ ０ ） ９ ３计 划 ） 目 （０ ６ Ｂ ０ ７ ０ ，国 家 （６ 项 ２０ Ｃ ７ ５ ０ ） ８ ３计 划 ） 项
光物和背景中不同区域 的边界属于结构性先验 信息 ， 功能性
先验信息则包 括组 织的吸 收、散 射系数 等¨ 。解 剖学成像 ３ ］ 如 ＭＲＩ 引、 ｃｏ Ｔｃ 和 超声［ 等 提供 高精度 的小 动物 ｃ ｌ ｍｉ Ｃ ” ｒ
标记 的特定分子或细胞作为成像 源 ， 在体观测它们 在细胞与
第３卷， ６ ０ 第 期
２０ １０年 ６月
光 谱
学
与
光
谱
分wk.baidu.com
析
Ｖ １ ０Ｎ ． ，ｐ５６１１ ｏ ３ ， ｏ ６ｐ１ １—５ ９ ．
Ｊ ｎ ，２ １ ｕ ｅ ００
Ｓ ｅｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒｌＡｎ ｌｓｓ ｐ ｃｒ ｓ ｏ ｙａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
快 速估 计荧 光分 子 断层成 像 中单个 荧光 物 的深 度
廓信息的基础 上进行 的，获取边 界轮廓 和网格剖分是 比较 复 杂的过程 ，虽然有 Ｃ ｍｓｌ 网格剖分工 具软件 ＿ ｏ ｏ等 】 。探测器
测得荧光信号强度 （ 度值 ） ａ 生物体边 界上 的荧光信 灰 Ｇｒｙ与
号 强 度 Ｌ 之 间 有一 缩 放 比例 关 系 ， ｒｙ Ｇ ａ ＝Ｌ＊Ｒ ｔ ＿ ａｉ １ ｏ 。Ｌ除 了 与组织 的光 学 特 性 、 度 ｄ有 关 外 ， 与 荧 光 物 受 激 发 出 深 还
生物组织 内的活性提供标记物的生物 分布等三维信息 ，克服 了平 面成像 的局限性 ， 有助 于疾病的早期诊断 与生命 机理的
分析 ， 促进药物研 制。与其他分子影像 方法如 Ｐ Ｔ（ｏ ｉｏ Ｅ ｐ ｓ ｒｎ ｔ ｅ ｓｉｎｔｍ ｇａｈ ，Ｐ Ｔ） 比，Ｆ ｍｉｓ ｏ ｒｐ ｙ Ｅ 相 ｏ ｏ ＭＴ 灵敏 度较 高 、快 捷 简便 、费用低 、相对高通量 ，支持在体 无创地研 究长时 间跨 度的分子事件 ， 满足 ２ １世纪系统化地观测 生命过程 的要求 。 近几 年它发展迅速 ， 为生物 医学光 学的一个 研究热点 ，为 成 医学 、生物学 、 药学 、 工程等领域专家所关注｜ ］ １。 生物组织在可见光的短波长波段 （ ＜６ ０ｎ 呈现 高吸 Ａ ０ ｍ）
量 。 Ｆ ］ 在 ＭＴ中有两类 先验信息 可用 ：（ ） 光物 的深度 、 １荧
引 言
荧光分 子断层成像 （ｌｏｅｃｎｅｍｏｅｕａ ｍｏ ｒｐ ｙ ｆ ｒｓｅｃ ｌ ｌｒｔ ｇａ ｈ ， ｕ ｃ ｏ Ｆ ＭＴ） 利用特异性 的荧光 分子探针标 记分子或 细胞 ，以这些
位置信息 ；（） ２ 其他成像 方法提 供 的组织光 学特性 与组织 内 部的结构信息 ｌ 。先验信息对于高精度 的重建极其 重要 。 ８ ］ 荧
高散射特性 。 为了能探测到位于较深处 的荧光物 ， ＭＴ 中常 Ｆ 采用 近红外荧光探针 ， 在近红外波段 进行光学 成像 ， 一种 是 扩散 光断层 成 像 （ ｉ ｕｅｏ ｔ ａ ｔｍｏ ｒｐ ｙ （Ｔ） ＭＴ ｄ ｆｓ ｐｉ ｌ ｏ ｇａ ｈ ，Ｄ ） 。Ｆ ｆ ｃ 和 Ｄ Ｔ 的重建是 一个 非线性 、不 适定 和病 态的逆 问题 。 Ｏ ｊ Ｉ Ｔ重建中可融合先验信 息以提高重建 速度与／ Ｘ） 或结果 的质
陈延平 ，白 净
清华大学生物医学工程 系，北京 １０ ８ ００４
摘
要
荧光分子断层成像支持在体无创研究长时问跨度的分子事件 ， 满足 ２ 世纪 系统化地观测 生命 过程 １
的要求 。在其复杂且耗时 的重建 中， 先验信息有助于加快重建速度 ， 提高重建图像的质量。文章将 求解 荧光 物 的深度作为待优化问题 ，由单幅荧光图像 直接快速地估 计深度信 息 。首先根据 生物组织 内的扩散模 型和 外推边界条件 ， 推导 出生物体边界上两点处荧光 强度 的比值 风 。然后用粒 子群优化算 法 ， 吸收 系数 和散 在 射 系数 的估计 区间 内，由最小化生物体边界上两点处模型值 Ｒ 与测量值 Ｒ７之 间的差 ，估计 出荧 光物的深 度 。不同尺寸荧 光物 的两个仿体实验的结果表明 ， 所提 出的方法不需要 网格剖分和重建 ，能快 速简单地估计‘