研究方向二：时间分辨模式荧光分子成像

在测量技术方面，基于多维高速TCSPC技术提出了小动物时间分辨模式（时域）荧光分子层析成像(FMT)实现方案并建立和自动化的原型系统(图1)。系统采用具有高成本效益的非接触仿CT测量模式，5通道TCSPC并行测量，可实现高密度的空间采样，进而为提高图像重建提供充分的信息。

图1 仿CT小动物时域TCSPC-DOT/DFT系统: (a)原理图；(b)实物图。

FMT成像方法的研究重点是发展组织体内精确、有效的光子传输模型及在其基础上的图像重建优化算法。目前我们建立了基于扩散近似和辐射传输方程高阶近似理论的时域FMT完整理论框架，并实现了相关研究的实验验证。其中包括：

1、基于广义脉冲谱技术(Generalized pulse spectrum technique ,GPST)的特征数据图像重建法。该方法利用Laplace变换技术将时间分辨测量信号转换到复频域，再进行逆问题求解，采用多个变换因子对，可实现毫米级分辨率的多组分（被寿命不同但荧光波长相近的分子探针分别标记的多个靶分子）、多参数（荧光产率和寿命）定量化层析功能。下图为实验室采用接触式多通道时间相关单光子计数系统对实验室自制仿体进行测量，基于发展的GPST特征数据图像重建方法，实验了荧光产率和寿命的同时重建。

图2 基于时间相关单光子计数测量系统实验（左）及仿体结构图（右）

图3 基于GPST 特征数据图像重建技术的荧光产率（左）和寿命（右）图像

2、基于锁相光子计数模式的非接触动态FMT系统新方案，实现了纳摩尔浓度量级Cy5.5荧光目标的高灵敏度断层成像，在此基础上发展了PH敏感差分FMT方法。

图4 仿体结构图及非接触测量系统下重建图像空间分辨率实验

图5 pH敏感性检测实验

3、 在时域荧光分子层析中，全时间分辨方法可以提供最完备的测量信息，从而在时域荧光分子层析参数的重建中可获得较高的图像分辨率和量化精度，因而对该方法的研究也具有重要意义。课题组研究了自归一化延迟门模式全时间分辨法，提高了计算效率。

图6 基于自归一化延迟门模式的荧光图像重建

4、提出了基于交叠-延迟时间门、仪器响应函数卷积校正和微扰MC正向计算的全时间分辨FMT图像重建策略。其中，交叠-延迟时间门策略在保持时间分辨测量信息丰富度的基础上可极大地改善测量数据的信噪比，仪器响应函数卷积校正可有效规避时间分辨测量方法特有的时间原点定位问题，微扰MC正向计算则使早期光输运模型更具物理符合性。

图7 全时间分辨荧光图像重建。左：交叠-延迟时间门技术示意；右：不同门宽(a-e分别为650 ps、900 ps、1150 ps、1400 ps和1650 ps)下的荧光图像重建效果。

承担课题：

1.  天津市自然科学基金青年项目，面向小动物生物学研究的时域荧光分子层析成像先进技术，14JCQNJC14400， 2014.4-2017.3。

2.  教育部高等学校博士学科点专项科研基金，面向肿瘤恶性生物学研究的小动物全身 DOT/FMT混合成像方法， 2013.1-2015.12

3.  国家自然科学基金，基于辐射传输方程高阶近似的时域荧光分子层析方法(61108081)，2012.01-2014.12。

4.  博士点新教师基金，活体小动物时域荧光分子层析方法研究，20110032120069， 2012.1-2014.12

5.  国家自然科学基金，多模态光学分子层析中目标体光学结构的在体获取方法研究(30970775)，2010.01-2012.12。

6.  国家自然科学基金，时间分辨荧光分子层析理论和技术基础研究(60678049)， 2007.01-2009.12。

7.  国家重点基础研究（973）计划，分子影像关键科学技术问题的研究 (2006CB705700)（子课题），2006.09-2011.08。

发表的主要论文：

1.  Jiao Li, Huijuan Zhao, and Feng Gao et al. Overlap time-gating approach for improving time-domain diffuse fluorescence tomography based on the IRF-calibrated Born normalization, 2013，Opt. Lett. 38(11): 1841-1843 .

2.  Feng Gao, Jiao Li, Limin Zhang et al. Simultaneous fluorescence yield and lifetime tomography from time-resolved transmittances of small-animal-sized phantom, Applied Optics, 2010, 49:3163-3172.

3.  Feng Gao, Limin Zhang, Jiao Li, Patrick Poulet, Huijuan Zhao, and Yukio Yamada. Simultaneous fluorescence yield and lifetime tomography from time-resolved transmittances of a small-animal stimulating phantom, Applied Optics, Vol. 49(16): 3163-3172, 2010.

4.  Zhang Limin, Gao Feng, He Huiyuan, Zhao Huijuan. Three-dimensional scheme for time-domain fluorescence molecular tomography based on Laplace transforms with noise-robust factors ，Optics Express, 2008，16(10)： 7214-7223.

5.  Feng Gao, Huijuan Zhao, and Yukio Yamada et al. A linear, featured-data scheme for image reconstruction in time-domain fluorescence molecular tomography, Opt. Express, 2006, 14(16).

发明专利：

1. 荧光-光学联合断层成像系统及测量方法，发明专利，201210408665.7，中国，2014.9.2

2. 重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法，发明专利，ZL200910069698.1, 中国，2011.12.14

3. 仿CT扫描模式多光谱时域荧光分子层析测量系统，发明专利，ZL201010167623.X，中国, 2011.06.22

4. 面向小动物分子成像的时域荧光扩散层析系统，发明专利，ZL200810052363.4，中国，2011.06.01