面向活体小动物模型的非接触式荧光扩散层析成像研究

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1、面向活体小动物模型的非接触式荧光扩散层析成像研究Free-spaceFluorescenceDiffuseOpticalTomographyforin-vivoSmallAnimalImaging学科专业：生物医学工程研究生：王倩指导教师：赵会娟教授天津大学精密仪器及光电子工程学院2014年12月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，除了文中特别加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，也不包含为获得天津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已在论文中作了明

2、确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津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：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要荧光扩散层析成像（FluorescenceDiffuseOpticalTomography,FDOT）技术是将荧光分子探针和扩散光学层析成像技术相结合，从而实现

3、对特异性生物大分子的在体跟踪和检测。该技术的高特异性和高灵敏度等特性使其逐渐成为光学成像领域的研究热点，并在小动物分子成像领域中具有极大的实际应用价值。活体小动物成像可有效地探究组织体生理病理发生和发展机制，为人类疾病的早期诊断和治疗提供重要依据。本文提出的基于EMCCD平板探测器的空间光FDOT成像方法能够避免光纤的耦合误差，并有效利用空间光源扫描获得的大量测量数据，在面向活体小动物成像应用中具有明显优势。本文发展了面向活体小动物成像应用的基于EMCCD（Electron-MultiplyingCCD）空间光测量的非接触式稳态FDOT系统。在此基础上，针对小动物FDOT成像实

4、验中通常采用的圆柱模型，提出了一种新的EMCCD信息提取及扩展方法。该方法只提取图像中央部分像素作为检测信息，成功地避免了复杂的焦点校正计算，有效地降低了求逆问题的病态性。通过大量的固态仿体FDOT实验验证了该方法的有效性，并且证明了当提取的信息区域对应于圆柱域投影的1/2、并分解为3个提取信息子域时重建可获得最佳成像结果。进一步地，为验证发展的FDOT成像方法的空间分辨率、灵敏度及成像深度等性能，开展了仿小鼠光学模型的液态仿体成像实验。实验证明，结合优选的重建参数，利用Cy5.5荧光探针，所发展的FDOT成像方法可探测的最小荧光浓度可达240nM，最大成像深度为6.5mm。同

5、时通过双荧光异质体实验，验证了可以分辨的双异质体最小中心间距为4.5mm。最终，采用了植入式荧光异质体来模拟肿瘤模型，用来验证所发展的FDOT成像方法在活体小动物成像中的应用可行性。根据优选的实验方案进行了活体小鼠FDOT成像实验，实验结果与X-CT成像结果进行了对比验证，从而证明所发展的FDOT成像方法能够准确地锁定活体内荧光异质体的位置，并可实现不同浓度的双荧光异质体的相对定量重建，即具有对探测目标定位的精确性和相对荧光产率定量的准确性，有望应用于面向活体小动物模型的肿瘤早期诊断中。关键词：荧光扩散层析成像；活体小动物成像；空间光；信息提取及扩展方法ABSTRACTFluo

6、rescencediffuseopticaltomography(FDOT)isatechnologycombiningfluorescenceprobewithdiffuseopticaltomography(DOT)torealizein-vivotrackingandmeasurementforthespecificbiomacromolecule.FDOTbecomesahotspotintheresearchofopticalimagingwiththeadvantageofhighspecificityandsensitivity,andhasagreatpract

7、icalapplicationvalueinthefieldsofsmallanimalmolecularimaging.In-vivoimagingofsmallanimalscanexploreoriginandlawsofdevelopmentofthelivingpathology,andprovideimportantbasisfortheearlydiagnosisandtreatmentofhumandisease.Thefree-spaceFDOTsystembasedonC