理论知识
活体动物体内光学成像技术三维成像技术介绍
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时间:2012-04-10 14:31:57

  目前,活体动物体内光学成像技术主要停留在二维成像基础上,在实际应用中面临许多新的挑战,例如,仅能确定发光信号在体内的二维平面信息,无法确定发光信号位于体内的深度,无法准确定位发光信号与动物器官的直接关系,即无法实现三维成像。光子在组织内被吸收和分散;CCD 镜头采集到的信号强弱有赖于信号源的深度;仅仅凭借光的强度和其表面图像无法判断标记物的绝对数量和其深度,因而出现使用二维成像技术所获得的图像中,动物背侧和腹侧成像得到的结果有很大区别。最近一年来,这个技术最令人瞩目的一项进展就是从二维成像拓展到三维成像。

  1 概述

  三维成像对于二维成像技术的优势自然不必多说,一个非常接近的例子就是CT 与X-Ray 成像的区别。尤其当利用可见光成像时,因为可见光穿透性的限制,透过动物体内时,又有不可避免的折射和散射,即使对同一只老鼠成像时,在腹部和背部成像的结果可能有很大的区别。没有三维成像技术,很难对结果做出满意的解释。

  层析成像技术(diffuse luminescent image tomography,DLIT)和透视成像技术(fluorescence luminescent image tomography,FLIT )。前者应用于生物发光的三维成像;后者应用于荧光的三维成像。

  1.1 多角度扫描技术 多角度扫描技术是比较传统的三维成像技术, 也是研究人员比较熟悉的一个技术。该技术的原理与CT 及PET 等其他三维成像技术很类似。它对小鼠不同的角度进行二维成像,然后将这些不同角度的二维图像用软件合成构建成三维图像。

  因为生物发光成像的检测需要很灵敏的CCD镜头,其对环境温度要求达到-90℃。利用这个原理的仪器往往CCD镜头是固定的,而将小动物平台环绕检测镜头一周成像。 这种技术的优势是分辨率相对较高,原理简单,容易理解。但是这种成像的时间要求较长,需要20 - 30min。 并且,每次只能成像一只小鼠,在通量上有一定局限性。 这种技术在可见光成像中的应用并不普遍,往往只是在利用其他高通量检测技术发现到一个特别感兴趣的小鼠后,需要详细研究时, 才采取这个技术。XENOGEN公司的IVIS 3D即采用此种技术进行生物发光的三维成像。

  1.2 单角度三维成像技术 单角度三维成像技术是相对于多角度扫描技术而命名的,是利用不同波长的光对动物组织的穿透性不同这一特性(例如红光在体内的穿透性远远大于绿光)。采用不同的滤光片在560 - 660nm获得多个(至少二个)波长的图像信息。举个例子:绿光波长较红光波长短,相对更难穿透组织。假设可见光标记的靶点在体外发出的光中,绿光与红光的强度是1:1,若得到的图像中,绿光与红光得到的信号强度接近1:1,则发光信号在体内的位置很浅。但是若得到的图像中,绿光与红光得到的信号强度为1:4 时,则证实发光信号在组织中所处的位置较深,这是因为绿光的衰减远远大于红光。通过这种原理,在获取这些信息后采用专门的重建算法,估算出靶点的深度,模拟出的三维图像。此技术的关键点是重建算法,常用的重建算法早已应用在地球物理领域,用于地震检测。尽管是通过算法重建估算出靶点深度,但所得数据仍是十分可靠的,其误差可以控制在10% 以内。体内可见光层析成像技术,是由XENOGEN公司自主设计开发的,用于生物发光标记的动物,特别适合动物组织的光学特性。

  模拟程度和真实解剖

  目前,对于动物体内可见光三维成像技术有两个方向已经得到实施,它们分别是多角度扫描技术和单角度三维成像技术。单角度三维成像技术又分获得的数值十分接近,在动物成像领域属于领先地位,暂时无其他方法可达到此水平。测试时其首先使用结构光源(structured light)获得动物表面拓扑图像,得到动物外表的三维成像。之后使用软件控制滤镜组的转动,在560 - 660nm 之间获得不同波长下的图像,560nm时信号较弱;580nm时有所增加;600nm时信号最强,这是因为较长波长的光在动物体内的穿透性较强。标记的靶点在体内越深,短波长的信号衰减越多,长波长的信号相对衰减较小。两者强度的比例变化同标记靶点在体内的深度直接相关。根据不同波长的光衰减的不同,通过软件计算出靶点信号的深度,再结合表面拓扑图像得到的小动物形状,构建出小动物体内的三维图像。拥有了靶点在动物体内的深度信息,就可以计算出信号在体内的衰减。所以,这种方法得到的图像不仅可以测量图像中任意两点之间的距离,还很好地解决了信号源深度的绝对定量问题。这种技术的优势在于可以快速、高通量地进行三维成像,是目前主要的可见光三维成像技术。

  荧光透视成像技术(fluorescence luminescent image tomography,FLIT ) 又称为穿透性荧光三维成像技术,采用激发光从小动物底部激发,穿透小动物后,使用不同波长的滤光镜从小动物的上部进行光谱采集。这一方式不仅有效地避免了动物皮毛和其他一般组织所产生的非特异性背景荧光对结果的干扰,并且能够得到荧光标记靶点的体内深度信息。进行测量时首先还是利用结构光源(structured light)获得动物拓扑表面图像,之后利用软件选择动物底部的几个特定点作为穿透性激发光源,使用不同波长的滤光片进行发射光信号的采集。根据不同激发光源位置所得的光谱不同,扩散的大小和方位,以及光强的变化,利用计算机软件对动物模型 的模拟结果,确定出信号源在动物体内的深度信息。结合拓扑表面图像,利用软件模拟出小动物体内荧光标记物的三维成像图。

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