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基于光片照明的三维光学血管造影方法及量化分析研究

批准号:
62075042
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王茗祎
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:
王茗祎

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
光片照明显微成像技术是近二十年发展起来的最具代表性的高质量生物成像技术之一。本项目针对现有光片照明显微成像技术需通过荧光标记进行成像这一问题,提出了基于光片照明的光学血管造影新方法,以光学造影替代荧光造影,实现了无标记的三维血管网络成像。具体研究内容包括:1)建立基于双侧光片照明的连续变焦图像采集系统,实现原始数据采集。2)建立基于时空分析的随机森林模型和U-Net网络模型,解决光片照明下非荧光标记的短时血流弱信号提取的难题;提出迭代反投影算法,建立二维血流投影图像与三维血管网络的映射关系,实现三维血管网络重建;提出血管量化参数提取算法,获得定量的血管形态参数和统计参数。3)结合仿体和在体实验,验证基于光片照明的光学血管造影及量化分析方法的有效性,并探索其适用范围。同时,研究血管形态和量化参数与肿瘤等疾病发展的关联性。本项目对发展前沿的无标记光片照明显微成像技术做出了积极地探索。
英文摘要
In recent 20 years, microscopic imaging with light-sheet illumination is one of the most representative high-quality bio-imaging technology. In this project, to solve the problem that the existing light-sheet microscopic imaging needs fluorescent markers, a new optical angiography method based on light-sheet illumination is proposed, in which fluorescent markers is instead of its optical characteristics and the label-free 3D vascular imaging is realized. This research contents include the fllowing sections. 1) a continuous zoom imaging acquisition system based on two-sided light-sheet illumination will be established to obtain raw data. 2) The random forest model and U-Net network model based on spatiotemporal analysis will be established to solve the problem of extracting the short-term weak blood flow signals without fluorescence markers under the illumination of light sheet; the iterative back projection algorithm will be proposed to establish the relationship between the two-dimensional blood flow projection image and the three-dimensional blood vessel network, so as to realize the three-dimensional reconstruction of the blood vessel network; the algorithm of extracting the quantitative parameters of blood vessels will be proposed to obtain the quantitative parameters of blood vessel morphology and statistical parameters. 3) innovatively proposing digital projection tomography, establishing relationship between 2D blood flow projection image and three-dimensional vascular network space; 3) Combined with the phantom and in vivo experiments, the validity of optical angiography based on light-sheet illumination and quantitative analysis will be verified, and its application scope will be explored. At the same time, the relationship between vascular morphology and quantitative parameter, and the development of tumor and other diseases will be studied. This project has made a positive exploration on the development of label-free microscopic imaging with light-sheet illumination.
光片照明显微成像技术是近二十年来发展起来的高分辨率生物成像领域中最具代表性的技术之一。然而,现有的光片照明显微成像技术需依赖荧光标记来实现成像。本项目针对该局限性,提出了一种基于光片照明的光学血管造影新方法,以光学造影替代荧光造影,实现了无标记的三维血管成像。这一方法着重解决了无标记、快速获取(低采集量)和大视场三大关键技术要求。.在成像装置方面,项目搭建了一种基于双侧倾斜光片照明的连续变焦显微成像系统,有效实现了大视场范围内的三维生物样品高质量成像。在成像算法方面,针对无荧光标记样品短时血流微弱信号提取的难题,开发了一种基于时空分析的U-Net网络模型;同时,提出了基于频域分析的景深调制三维血流动态提取方法,建立了二维投影图像与三维空间的映射关系,从而实现了在稀疏光片照明条件下的三维无标记血流成像。在功能实现上,根据不同血管级别中血流动力学的特性差异,提出了多级光学血管造影成像方法,能够实现从毛细血管到主血管的多级血管分类,并成功应用于光动力疗法疗效的评估;依据血流动态信息的周期性特征,完成了动静脉血管的分类;根据血细胞形态的细微差异,开发了基于D-YOLOv4的血细胞识别与分类模型,实现了在体血红细胞和血小板的实时分类、计数及速度测量。.该项目是光片照明显微成像技术在无标记成像领域的一次重要探索。尽管目前该技术在成像质量上仍略逊于传统荧光成像,但其不依赖荧光标记所带来的无毒性、无光漂白等优势,使其在活体生物样品的长时间血流监测实验中具有显著优势。这项研究为无标记成像技术的应用与发展提供了重要参考,同时在生物成像领域具有一定的创新性与实用价值。
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