生物發光斷層成像的仿真研究

劉 勇，齊樹波，方勇軍，陳 鋒

0 引言

與傳統醫學成像模態，例如X線計算機斷層成像（X-ray computed tomography，XCT）不同，分子成像能在特異性分子探針的幫助下，在分子水平上反映生物體生理或病理變化，在分子生物學與臨床醫學之間架起了相互連接的橋梁[1]。根據成像原理不同，分子影像技術主要可分為單光子發射成像（single photon emission computed tomography，SPECT）、正電子發射成像（positron emission tomography，PET）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超聲成像（ultrasound）以及光學成像（optical imaging，OI）等。相對于其他分子成像技術，光學分子成像技術具有無電離輻射、對生物體無害、靈敏度高且其成本相對較低等優點[1]，目前已發展成為一種理想的成像方式。

作為光學分子成像的一個重要分支，近年來，生物發光斷層成像技術（bioluminescence tomography，BLT）得到了快速發展[2-5]。作為一種新的分子斷層成像模式，BLT能夠以非侵入的方式，在細胞和分子水平研究或監測生理和病理過程，因而有望為疾病早期診斷、基因治療和藥物研發等研究提供有力工具。然而，BLT作為一種基于擴散光的成像技術，對比XCT等傳統成像技術，具有較低的成像空間分辨率。主要原因為：由于光在生物組織中的強散射特性，一方面導致了光在生物組織傳播過程中的強烈衰減；另一方面，也導致了光在生物體內的傳播不是沿直線方向進行。上述2個原因致使BLT的求解極具病態性（ill-posed），進一步影響了其生物醫學應用。

在本文中，基于數值仿真實驗，我們驗證了BLT成像的可行性。同時，我們將稀疏理論應用于重建過程，以克服BLT成像的病態性。實驗結果表明，基于多……