分子影像

分子影像（molecular imaging）是運用影像學手段顯示組織水平、細胞和亞細胞水平的特定分子，反映活體狀態下分子水平變化，對其生物學行為在影像方面進行定性和定量研究的科學。分子影像技術是醫學影像技術和分子生物學、化學、物理學、放射醫學、核醫學以及計算機科學相結合的一門新的技術。它將遺傳基因信息、生物化學與新的成像探針進行綜合，由精密的成像技術來檢測，再通過一系列的圖像後處理技術，達到顯示活體組織在分子和細胞水平上的生物學過程的目的。

分子影像技術與經典的醫學影像技術相比，具有“看得早”的特點，經典的影像診斷（X線、CT、MRI、超聲等）主要顯示的是一些分子改變的終效應，即器官發生了器質性變化之後才能進行觀察，僅能用於具有解剖學改變的疾病檢測。而分子影像技術能夠探查疾病過程中細胞和分子水平的異常，在尚無解剖改變的疾病前檢出異常，為探索疾病的發生、發展和轉歸，評價藥物的療效中，起到連接分子生物學與臨牀醫學之間的橋樑作用。

分子影像技術除了在臨牀醫學上具有重大的應用價值之外，在基礎科學研究中也具有重大意義，能帶來前所未有的便捷。傳統的動物實驗方法需要在不同的時間點處死實驗動物以獲得相應數據, 得到卻是多個時間點因個體差異造成誤差的實驗結果。相比之下，採用分子影像方法通過對同一組實驗對象不同時間點進行跟蹤、記錄同一觀察目標（標記細胞及基因）的移動及變化，獲得的數據更為真實可信。而且節省了實驗時間和實驗經費。

分子影像研究組主要關注光學分子影像(Optical Molecular Imaging)的相關問題。光學分子影像是傳統醫學影像技術與現代分子生物學相結合的產物，具有傳統成像手段所沒有的無創傷、實時、活體、特異、精細顯像等優點；與其它分子影像技術相比，光學分子影像具有較高的時間/空間分辨率以及價格適中等特點。我們研究的目標是實現光學分子影像在理論上有創新、技術上有突破、應用上有典型。理論創新是指算法的創新，主要包括光學分子影像正向問題和逆向問題算法的開發與完善；技術突破是指技術平台的設計與開發，主要包括MOSE和光學分子影像設備控制及圖像處理軟件的開發與完善；應用典型是指多模融合的分子影像系統的搭建以及相關生物學實驗的開展，包括光學分子影像子系統和CT子系統的搭建以及小動物光學成像實驗的開展。 ^[1] 

根據光學分子影像的成像過程和成像目的，理論算法研究主要集中在兩個個方面：光學分子影像正向問題研究和光學分子影像逆向問題研究。光學分子影像正向問題從物理角度而言可以歸結為光子在生物組織中的傳輸問題，可以用輻射傳輸方程(RTE)精確地描述。然而，RTE是一個偏微分方程，數學上很難求得其精確解，一般採用數值解法，但是求解速度很低；在前期的研究中，我們利用RTE的漫射近似簡化形式，即漫射方程進行研究，但漫射方程僅適用於光子在高散射生物組織中的傳輸問題，對於光學特性參數差異很大的生物組織而言，漫射方程的求解精度不夠。因此，尋求其他的簡化形式或者快速求解RTE的算法就成為正向問題研究的主要方向。光學分子影像逆向問題是指根據生物體表面測量的光學分佈信息，重建體內生物組織的光學特性或病變區域。逆向問題是一個嚴重的病態問題，唯有結合大量合理的先驗知識，通過最優化技術獲得其相對合理的解（光源信息和組織光學特性），這在實際應用中精度和效率都不是很好。這樣，逆向問題就為多種優化和數值計算方法的研發提供了廣闊的空間。此外，在光學分子影像成像過程中，生物體表面的光信號都是採用非接觸CCD相機進行採集，因此還需要對光子在自由空間中的傳輸過程建模。而對於處於近紅外波段的生物發光光子而言，經過多次散射逃逸出生物體的漫射光子在自由空間中具有朗伯源特性，再加上成像過程中複雜光學系統的介入，使得自由空間中光的傳輸過程變得更為複雜。 ^[1] 

分子影像產品的研究與發展，是伴隨着分子影像成像理論和成像算法的發展而逐步發展的。在熒光標記的分子成像方面，目前世界上僅有少數實驗室研製成功可以對小動物進行跟蹤性在體熒光斷層分子影像的系統。

近年來，國外某些公司改進了現有的體外熒光成像技術，發展出適用於動物體內的成像系統。熒光發光是通過激發光激發熒光基團到達高能量狀態，而後產生髮射光。常用的有綠色熒光蛋白(GFP)、紅色熒光蛋白(DsRed)及其他熒光報告基團，標記方法與體外熒光成像相似。熒光成像具有費用低廉和操作簡單等優點。同生物發光在動物體內的穿透性相似，紅光的穿透性在體內比藍綠光的穿透性要好得多，近紅外熒光為觀測生理指標的最佳選擇。現有技術採用不同的原理，儘量降低背景信號，獲取機體中熒光的準確信息。

目前國外有相關產品的公司也僅僅幾家，而且在技術上也有很多需要改進的地方，比如説國外產品目前使用的算法還停留在勻質算法上，若體內有兩個光源信號，體外探測器探測到的將是兩個光源信號的疊加，從而導致重建光源位置與實際光源位置偏差較大；隨着體內光源位置深度的增加，重建光源誤差將隨之增大；光源重建過程中假定整個生物組織內部是均勻介質，不能很好的對光源進行成像，光源的位置以及大小誤差較大。

國外的產品還許多需要完善的，那麼國內的分子影像技術狀況又是怎樣的呢。是剛起步，還好已經有了自己的產品，是和國外的研究水平相去甚遠，還是齊頭並進？

2002年國內首次以“分子影像學”為主題舉行了香山科學會議第194次學術討論會，給國內分子影像界創造了一個溝通交流的平台。其中中科院自動化研究所的田捷教授是國內分子影像技術的領軍人物，是國內分子影像研究的第一人，他在08年就突破了國際難題“非勻質算法”，並將其運用到設備上，在國際上引起了極大的轟動。他突破了國外產品的“勻質算法”的侷限，大大提高了實驗的準確性。

目前國內已經出現了首家擁有分子影像自主知識產權的企業。這家企業是由中科院及一家高新技術公司共同成立的。而這家公司的首席科學家正是田捷教授。他們的產品是由田捷教授帶領着近50名不同專業領域的高技術人才組成的技術團隊共同研發的，代表着國內分子影像研究的最高技術。目前這家公司的小動物體內成像設備已經運用了最新一代的“非勻質算法”， 一舉解決了複雜生物組織中的非勻質問題，從而使光源重建精度大大提高。成功打破了國外產品在國內高端實驗設備的壟斷。

可以説國內的分子影像技術雖然起步晚於國外研究機構，但是經過眾多科學家的共同研究，國內分子影像技術的發展正在和國外的研究齊頭並進。