分子影像学与分子影像技术第一讲小动物在体成像与分子影像

分子影像学与分子影像技术 第一讲 小动物在体成像与分子影像中科院自动化所医学影像研究室主要内容 一、医学影像技术与分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台 四、总结医学影像技术的发展 „ 结构成像„ X-ray „ CT 成像 „ MRI成像 „ 超声成像„ 功能成像„ fMRI 功能核磁共振成像 „ PET正电子断层成像 „ SPECT单光子发射断层成像„ 分子影像„ 光学成像 „ 磁共振波谱成像 „ 核素成像19--20世纪 看到病变■ 结构成像 ▪ X-ray ▪ MRI成像 ▪ CT 成像 ▪ 超声成像20世纪90年代 看到功能■ 功能成像 ▪ fMRI 功能核磁共振成像 ▪ PET正电子断层成像 ▪ SPECT单光子发射断层成像121世纪以来 看到细胞、分子水平的变化■ 分子成像 ▪ 光学成像 ▪ 核磁共振成像 ▪ 核素成像实时、在体 特异性医学影像技术 信息技术分子影像学分子影像技术可以在 细胞、基因和分子水 平上实现生物体内部 生理或病理过程的无 创实时动态在体成像 ，从而为疾病病程的 在体监测、基因治疗 的在体示踪、药物在 体疗效评测、功能分 子的在体活动规律研 究提供了新的技术平 台。

分子生物学分子影像学临床医学化学物理学新兴交叉学科国内外研究现状和发展趋势„分子影像学面临的挑战性问题„ „ „„ „ „„2002年，Science的十大突破之一：基于成像测量（包括 光学成像）的分子与细胞事件动力学过程的可视化研究 近年来，Nature杂志刊载了分子影像学方面的系列文章 2002年，美国国立卫生研究院路线图NIH Roadmap 2000-2002年，美国国家科学基金委NSF发布了四次 Biophotonics Partnership Initiative （生物光子学合作伙伴 计划）招标指南 2002年10月我国召开了以分子影像为议题的香山会议分子探针技术 成像技术 数据分析与处理（信息技术）分子探针技术 数据分析与处理 成像技术分子探针和靶分子分子探针 从体外注入到体内的分子参与体内生理活 动，并且探查人体内部的某种特定分子，因 此称为分子探针。

生物大分子 „ 靶分子 体内某种特定的分子，是需要探查和成像 的分子，称为靶分子。

„ „分子探针的特点纯度高，不含杂质； „ 对人体无害，没有副作用； „ 具有良好的生理功能，能参与人体正常的 生理活动； „ 能够克服人体内部的“生理屏障”，顺利到达 靶分子所在的器官； „ 示踪剂、分子探针和靶分子应该紧密结 合，不能脱落。

2标记分子（示踪剂）的特点示踪剂的类型 根据探测装置的不同可分为：放射性核素 标记和光学标记等。

„ 能够牢固标记在分子探针上； „ 发射出的射线应该具有合适的能量，被生 物组织外的探测器接收到； „ 示踪剂随生物体的生理活动而发生能量的 衰减，其周期要适于探测器的探测。

„分子影像设备按探测方式的不同，分子影像设备可以分为 以下三种： „ 核素成像 PET（正电子发射成像） SPECT（单光子发射断层成像） „ 光学成像 „ 磁共振波谱成像（功能性核磁共振成像）成像方法的对比使用方便 Easy to UseUltrasound Optical Imaging成像方法的对比CT ComplicatedMRIPET/SPET使用复杂 看到结构 Physical Structure 看到功能 看到分子水平的影像 Functional Imaging成像方法的对比(续)„光学成像技术的特点评价成像技术的重要参数¾对比度及其产生机制 ¾时间分辨率 ¾空间分辨率 ¾测量范围 ¾对被测对象的友好性与价格3光学成像技术的特点(续)„主要内容„ „ „ „在肿瘤和良性/正常疾患之间有高的软组织 对比度。

成像对比度直接与生物分子相 关，适于重要疾病的基因表达、生理过程 的在体成像 高时间/空间分辨率 对分子和细胞层次的在体成像有较大优势 价格适中 尽管其测量范围与测量深度有限，但适于 小鼠或其它小动物的整体在体成像一、分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台 四、总结小动物在体成像—简介MRI唯一能真正检测动物体内发光的方法波长10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 (m)频率1022 1021 1020 1019101810171016 101510141013101210111010109108 (hz)Autoradiography SPECT PETCT/X-RayBioluminescenceFluorescence小动物在体成像—简介（续）„„通常采用生物发光物质 如：萤火虫的荧光素酶或 荧光蛋白质等的细胞活体 成像技术，它可以很好地 实现生物体的活体研究及 基因表达 通过研究光在生物组织中 的传播模型证明：如果生 物体内发光细胞的数目有 几百个，便能探测到皮下 组织；如果有106个发光细 胞，就可以探测到2cm深度 的组织。

将发光基因转移到细胞染色体 内使发光酶能持续得到表达4小动物在体成像—简介（续）„小动物在体成像—系统模型y„通常用的光线探测装 Mirror 置是光电倍增器和 CCD（电荷耦合装 Projector 置）。

对小老鼠等实验小动 物进行发光细胞的追 Mirror 踪研究，在许多研究 领域，如：制药学、 转基因表达、传染病 的活体监测、肿瘤的 扩散与转移等，有重 Structured light 要的实践意义和应用 Projection cone 前景。

在体光学成像系统可以探测动物体内部发射出的近红外光小动物在体成像—实例小动物在体成像—实例生物发光成像用于追踪肿瘤发育和转移性疾病的进行。

图为 乳腺癌细胞注射到小鼠尾静脉后14周后的图像。

肺和身体下 部器官发生了转移。

这些肿瘤很小，其他手段无法探测到。

a）在可见光范围内（400-600nm），荧光成像可探测到绿色荧光蛋白 GFP在右侧肿瘤有表达，在左侧肿瘤没有表达 b）用光子计数照相机，对荧光素腹膜内注射后双边胸腔肿瘤表达转基因 的荧光素酶进行成像。

左侧肿瘤相对于右侧表达的荧光素酶水平较高， 分别为红、蓝显示 c）近红外NIR荧光成像（700-900nm）可对更深的肿瘤进行成像。

双侧 植入乳腺癌细胞后，金属蛋白酶2的表达小动物在体成像—实例主要内容一、分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台A）白光图像 B）原始的近红外荧光图像，途中亮点为胸腔内的肿瘤 C）胸腔壁肿瘤2mm高分辨率的荧光图像 D）腿部肿瘤（<0.3mm）的高分辨率荧光图像四、总结5仿真平台—项目来源„ „ „ „仿真平台—项目来源和美国爱荷华大学的国际合作项目 美国NIH资助 项目负责人：王革教授 /ge/C TL.html仿真平台—项目来源仿真平台—项目组成最终目的：Development and Integration Bioluminescent CT正向问题„正向问题的三个方面„输入光源的位置、能量、性质 光源的密度分布函数 生物组织的光学特性参数 生物组织模型的建立（由building blocks组成的几何 仿真模型、真实生物组织环境的建立） – 探测器的参数 – – – –光子的产生– 光子的初始位置 – 光子的初始传输方向 – 光子的初始能量„光子在生物组织中的传输– – – – 光子传输步长 光子的散射、吸收 光子在生物组织边界上发生的光学行为 光子传输的终止„输出– 探测器的信号 – 其它的物理参量„光子被探测器接收6流程图Start Last Photon? N Photon Generation Y End光子输运问题的算法研究小动物在体荧光成像正向问题的数学模型是粒子的输运 方程，在强散射性的生物组织中可近似为漫射方程。

„漫射方程Select Step SizeMove Photon Y Internally Reflected? N N Photon In Tissue? Y Update Photon Weight Update Transmission Weight Too Small? Y Photon Intercepted by Camera Survive Roulette? N Change Photon Direction1 ∂Φ ( r , t ) + µ aΦ ( r, t ) − D∇ 2Φ ( r , t ) = S ( r , t ) c ∂tΦ ( r, t ) 是在点r处t时刻的平均漫射强度D= 1 3( µ a + (1 − g ) µ s )是与位置相关的光子扩散系数„解析解、数值解（MonteCarlo、有限差分、有限元）NY仿真平台—光子传输„random media (tissue)Monte Carlo 概率分布函数 (pdf)– 光子传输过程的数学描述„Absorption Incident light Diffuse reflectance “Snake” component Ballistic component Diffuse transmittance随机数产生器– 产生[0,1]间的随机数„ „ „随机采样的规则– 物理量的随机采样值结果的统计– 统计多个光子在组织中随机走动得到的结果误差分析 „ 减小方差技术随机采样的原理随机采样的原理∫ p( x )dx = ξaxξ ∈ (0,1)„„p(x)是随机变量x的概率密度分布函数，x的 取值范围为[a,b] x可以是光子在组织内部传输的步长；或光子 由于散射而产生的角度偏转等 ξ由计算机内部的伪随机数产生器生成，在 [0,1]服从均匀分布 阴影部分面积相同7光子传输步长− µ t ds I = I 0e ∫光子的吸收„ „„根据Beer’s Law和Monte Carlo方法，经直接抽 样可以得到光子在生物组织中的传输步长：∆s =− ln ξµt=− ln ξ µa + µs光子初始能量是已知的，为了方便，将光子的 初始能量用初始权重w=1； 光子在生物组织中每到达一个新位置，一部分 能量会被吸收，光子的权重会相应减少：fractionabsorbed = ∆w =„然后计算得到光子和生物组织下一个相互作用 点的位置：' ⎧ ⎪ x = x + µ x∆s ⎨ ' y ⎪ ⎩ = y + µ y ∆sµa + µsµa= 1−µa + µsµsalbedo= 1−αA _ xy (i x , i y ) = A _ xy (i x , i y ) + ∆ww ' = αw光子的散射„ „ „光子的散射„另一部分能量会被散射，使光子的传输方 向发生变化 光子的传输方向由方位角φ(0< φ<2π)和偏 转角θ(0<θ< π)来描述 方位角φ服从[0, 2π]的均匀分布，由Monte Carlo方法抽样得到：当散射是各向异性时，偏转角θ的余弦由 Henyey-Greenstein相位函数描述，经直接 抽样得到随机采样值：cos θ = ⎫ 1 ⎧ 1− g2 2 ]2 ⎬ ⎨1 + g − [ 2g ⎩ 1 − g + 2 gξ ⎭φ ＝ 2 πξ„当散射是各向同性时，偏转角θ的余弦服从 均匀分布，经直接抽样得到随机采样值：cos θ = 2 ξ − 1光子的边界效应„光子传输的终止„光子运行到组织边界时会发生多种光学行为： 内反射、透射、吸收等，根据光子入射角、边 界处的法线方向和相邻组织的光学特性参数， 可以计算光子发生了哪种光学行为。