在體小動(dòng)物切倫科夫發(fā)光斷層成像研究.pdf

1、近年來(lái)，切倫科夫發(fā)光斷層成像（Cerenkov Luminescence Tomography，CLT）由于能反映小動(dòng)物體內(nèi)靶分子的三維空間位置信息，也可以準(zhǔn)確地對(duì)靶分子進(jìn)行定量觀察，且空間分辨率較高受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。切倫科夫發(fā)光斷層成像具有成像時(shí)間短、靈敏度好、性價(jià)比高、基于同一分子探針的光學(xué)與核素多模態(tài)顯像等諸多優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)成像中具有良好的應(yīng)用前景。切倫科夫發(fā)光斷層成像可利用現(xiàn)有核素標(biāo)記探針進(jìn)行臨床光學(xué)顯像，克服光學(xué)分子探針

2、毒性較大難以用于臨床的不足。因而可以設(shè)想單一核素標(biāo)記的分子探針可用于腫瘤患者的診斷、分期、指導(dǎo)治療、手術(shù)導(dǎo)向切除、療效監(jiān)測(cè)與評(píng)估等腫瘤診治的各個(gè)環(huán)節(jié)。本文主要對(duì)在體小動(dòng)物切倫科夫發(fā)光斷層成像的重建方法及其在體生物學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，所取得的主要研究成果為：
　　1.對(duì)切倫科夫光的性質(zhì)進(jìn)行了研究。通過(guò)不同放射性活度的Na131I的體外切倫科夫光學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究了Na131I光學(xué)信號(hào)的強(qiáng)度與放射性活度的關(guān)系；對(duì)不同放射性活度的Na13

3、1I進(jìn)行γ顯像，研究了核素信號(hào)與切倫科夫光學(xué)信號(hào)的關(guān)系；使用不同中心波長(zhǎng)的一組濾波片，采集Na131I產(chǎn)生的切倫科夫光學(xué)信號(hào)，研究了切倫科夫光譜的性質(zhì)；使用模擬生物組織的仿體和多種豬肉組織研究了切倫科夫光的穿透性及其影響因素。
　　2.進(jìn)行了非勻質(zhì)裸鼠模型的切倫科夫發(fā)光斷層成像，并提出了單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）驗(yàn)證策略。使用濾波片采

4、集植入Na131I放射性光源的裸鼠腹部的四幅熒光圖像，根據(jù)重建的計(jì)算機(jī)斷層成像（Computed Tomography，CT）圖像分割小鼠器官，建立非勻質(zhì)裸鼠模型，然后基于漫射方程的自適應(yīng)hp有限元方法（adaptive hp-finite element method，hp-FEM），重建裸鼠體內(nèi)植入的Na131I放射性光源的三維分布，并與CT圖像獲取的真實(shí)光源位置進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于非勻質(zhì)裸鼠模型的重建結(jié)果在定位精度上要優(yōu)于勻

5、質(zhì)模型的重建結(jié)果。而且本文提出了SPECT驗(yàn)證策略，把植入的不同放射性活度的Na131I放射性光源的CLT的重建結(jié)果與SPECT的重建結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明CLT在重建非勻質(zhì)裸鼠模型放射性藥物分布的能力以及SPECT成像驗(yàn)證光學(xué)分子斷層成像的潛力。
　　3.之前的重建方法是根據(jù)裸鼠表面切倫科夫光流量分布設(shè)定可行區(qū)，針對(duì)該重建方法的局限性，本文提出了一種基于SPECT成像結(jié)果作為可行區(qū)的SPECT導(dǎo)向切倫科夫光源重建方法。首先

6、，本文構(gòu)建了植入Na131I放射性光源的裸鼠模型和尾靜脈注射Na131I構(gòu)建的生理裸鼠模型，在此基礎(chǔ)上，用這兩個(gè)模型驗(yàn)證了本文提出的重建方法。然后使用類似組織的仿體材料，研究了SPECT導(dǎo)向切倫科夫光源重建方法分辨雙放射性光源的能力。通過(guò)與之前的基于裸鼠表面切倫科夫光流量分布的光源重建方法相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SPECT導(dǎo)向切倫科夫光源重建方法可以有效地提高重建光源的位置精度，有效地改善CLT的空間分辨率，而且可以避免繁重的裸鼠內(nèi)部器官的分

7、割工作。
　　4.為了更有效地進(jìn)行放射性藥物在體分布的重建，本文提出了基于切倫科夫光譜特點(diǎn)的半定量混合譜切倫科夫發(fā)光斷層成像。利用體外實(shí)驗(yàn)得到的切倫科夫光在不同波長(zhǎng)上的能量分布特點(diǎn)，重新計(jì)算裸鼠各個(gè)器官組織的混合光學(xué)參數(shù)。將非勻質(zhì)裸鼠模型中器官組織的混合光參代入光源分布與物體表面節(jié)點(diǎn)的輻射流密度的線性方程中的系統(tǒng)矩陣中。不需要使用任何濾波片采集單幅熒光圖象，基于自適應(yīng)hp策略重建了植入的Na131I放射性光源在裸鼠體內(nèi)的三維分布和

8、膀胱攝取碘131（131I）的生物分布，并且基于重建的能量與放射性活度的線性關(guān)系，計(jì)算出了切倫科夫光源的放射性活度。在重建結(jié)果、圖像采集時(shí)間、放射性藥物分布的重建時(shí)間三個(gè)方面，與單光譜和多光譜切倫科夫光源重建方法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明混合譜CLT可以較好地兼顧重建精度與計(jì)算效率，是一種較好的切倫科夫光源重建方法，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　5.采用混合譜切倫科夫發(fā)光斷層成像對(duì)裸鼠甲狀腺攝取131I進(jìn)行了三維無(wú)創(chuàng)連續(xù)觀測(cè)和定量研究。

9、連續(xù)觀測(cè)三維可視化重建結(jié)果表明甲狀腺攝取的131I隨著時(shí)間的增長(zhǎng)劑量越多。重建的131I能量與γ射線的平均計(jì)數(shù)具有較好的一致性。藥物分布學(xué)實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了甲狀腺攝取131I的混合譜切倫科夫發(fā)光斷層成像的重建結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混合譜切倫科夫發(fā)光斷層成像可以用于裸鼠甲狀腺成像、評(píng)估甲狀腺功能以及監(jiān)測(cè)甲癌的治療的潛力。
　　6.采用切倫科夫發(fā)光斷層成像對(duì)人體纖維肉瘤HT1080荷瘤裸鼠模型的氨基肽酶N(APN/CD13)表達(dá)進(jìn)行了成像

10、和定量。首先，把131I標(biāo)記在與APN/CD13靶向的NGR縮氨酸上。然后，通過(guò)細(xì)胞攝取131I-NGR的體外實(shí)驗(yàn)，研究了細(xì)胞產(chǎn)生的切倫科夫光學(xué)信號(hào)強(qiáng)度與細(xì)胞數(shù)目以及探針的放射性活度兩者的關(guān)系。最后，構(gòu)建HT1080荷瘤裸鼠模型，通過(guò)尾靜脈注射131I-NGR，進(jìn)行荷瘤裸鼠的平面二維切倫科夫發(fā)光成像和三維混合譜切倫科夫發(fā)光斷層成像。三維可視化的CLT結(jié)果清析地表明了131I-NGR在腫瘤組織的攝取，這表示了APN/CD13受體的高表達(dá)。