课题基金 / 基金详情

采用单像素时间分辨测量的生物组织NIR-II宽场荧光断层成像

批准号:
62075156
项目类别:
面上项目
资助金额:
55.0 万元
负责人:
高峰
依托单位:
学科分类:
生物、医学光学与光子学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
高峰

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
生物组织对第二近红外窗口(NIR-II)光的低散射效应,可使光学成像深度和清晰度显著提升。随着NIR-II荧光材料的发展,NIR-II荧光成像受到了极大关注,目前主要使用昂贵的InGaAs相机进行平面摄影,无深度分辨和定量能力。实现高性价比的层析功能,对NIR-II荧光成像技术的发展大有裨益。.本项目以发展高性价比的NIR-II宽场荧光层析成像方法为宗旨,针对其理论、技术和应用上存在的关键科学问题开展深入研究: 1)建立具有高灵敏度大动态性能、能提供时空分辨信息的高性价比NIR-II宽场荧光断层成像系统; 2)发展能有效克服NIR-II区光子输运模型复杂性及其反演不适定性、并充分利用时空分辨信息的高稳健、高定量NIR-II荧光断层图像重建深度学习方法;3)探索计算高效的数据仿真技术和训练方法。该研究将不仅建立先进的活体荧光三维成像方法体系,还为新型NIR-II荧光团的发现提供定量评价工具。
英文摘要
It is acknowledged that in vivo fluorescence-based optical imaging in the second near-infrared window (NIR-II, wavelength range 1000-1700 nm) provides significantly improved image quanlity, owing to reduced photon scattering, deeper tissue penetration and lower autofluorescence interference. In recent years, this modality have been highlighted by the increasingly developing palette of biocompatible NIR-II fluorephores including short-wave carbon nanotubes、quantum dots, organic dyes, and rare-earth-doped nanoparticles etc. The state-of-the-art of NIR-II imaging is majorly implemented by planar photography using an expensive but sensitivity- and resolution-limited deeply cooling InGaAs camera, and also offers neither depth resolution nor quantitative ability that are the important requirements for preclinical studies and clinical applications. Therefore, an achievement of a cost-effecitve in vivo NIR-II fluorescence tomograpgy can be greatly beneficial to both technological promotion and application extension of the modality..The objective of this proposal is to develope a NIR-II wide-field fluorescence tomography methodology for in vivo applications, by studying in depth its relevant key scientific problems in theory, technology and application. Firstly, a cost-effective NIR-II wide-field fluorescence tomography system is established with high sensitivity and large dynamic performance, where a NIR-II single-pixel imaging (SPI) scheme is adopted within the framework of the spatial frequency domain (SFD) measurement to replace the expensive InGaAs camera and to favoriably enable the highly-sensitive, information-riched time-correlated single photon counting (TCSPC) detection. Secondly, a deep-learning algorithm for quantitative image reconstruction of NIR-II fluorescence tomography is explored with the physics-informed U-net structure that can make full use of the space-time resolved measurement providing by the SFD-TCSPC-SPI system to effectively mitigate the physical model complexity and inversion uncertainty incurred by NIR-II photon migration and wide field time-domain measurement. Finally, a data stimulator of high-fedality is adopted based on the computationally more efficient hybrid transport-diffusion model for reduction of the training burden. The success of the project not only provides an advanced methodology of three-dimensional fluorescence imaging modality for in vivo applications, but also a quantitative evaluation tool for discovery of novel NIR-II fluorophores.
生物组织在1000nm-1700nm的近红外二区(NIR-II)波段的光散射和自荧光效应会明显降低,使得基于此波段的光学成像的穿透深度和分辨率显著提高。近年来随着NIR-II区荧光造影剂技术的持续提高,NIR-II活体荧光成像技术获得了广泛的关注并成为活体生物成像的前沿领域。NIR-II活体荧光成像目前主要采用强制冷型InGaAs红外相机进行平面摄影,性价比低且不具有深度分辨和定量分析能力,使得其仅限于作为一个实验室定性研究工具。受生物医学科学研究和临床转化需求的双重因素驱动,本课题在NIR-II荧光断层成像方法和先进图像重建算法领域开展了深入系统的研究,建立了高性价比、具有较高实用性的跨NIR-I/II区时域-空间频域光学/荧光断层成像理论与技术体系,主要工作包括:.1).基于时间分辨单像素成像(SPI)技术,开展了跨NIR-I/II区时域(TD)-空间频率域(SFD)断层成像测量系统(TD-SFD-SPI);.2).针对NIR-II荧光断层成像图像反演建模对跨NIR-I/II区背景光学参数信息的需求,发展了两种先进的TD-SFD扩散光学层析成像(DOT)图像重建方法,包括组织吸收和约化散射系数分层重建的深度学习SFD-DOT方法和基于解析扩散模型的重叠时间门SFD-DOT高效线性方法;.3).为解决NIR-II时域荧光断层成像的模型适用性和计算效率问题,发展了基于δ-P1近似光子输运模型和广义脉冲谱技术(GPST)的时域-空间频域扩散荧光层析(DFT)算法(GPST-SFD-DFT);.4).为增强TD-SFD-SPI在实际应用中的动态测量能力,发展了基于扩展卡尔曼滤波增强的空间频域单像素成像(EKF-SFD-SPI) 动态测量方法;.5).系统开展了仿真、仿体和在体实验研究,充分验证了所发展的成像测量系统和成像算法的有效性。.本项目按计划规定执行并完成了任务并根据实际需要进行了适度拓展研究,所建立的测量技术和图像重建理论不但为NIR-II荧光成像提供了创新的实现模式和可扩展的应用潜能,也能为其它特种波长组织成像领域的发展提供有益的方法学参考。
人类复制起始点系统化特征提取及全基因组预测分析
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    高峰
  • 依托单位:
面向非黑色素瘤皮肤癌光动力治疗在体测评的动态SFD-DOT/FMT方法
  • 批准号:
    81871393
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    57.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    高峰
  • 依托单位:
面向视觉脑功能探测的高灵敏度与定量化近红外光谱成像关键方法
  • 批准号:
    61575140
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    高峰
  • 依托单位:
酿酒酵母全基因组复制起始点的系统化分析及识别
  • 批准号:
    31571358
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    57.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    高峰
  • 依托单位:
国内基金
海外基金