FMT小动物活体荧光断层成像技术的特点及优势

FMT 小动物活体荧光断层成像技术的特点及优势

小动物活体光学成像技术已出现近10年时间，并已被应用于生物及医学研究的诸多领域。然而，随着各项研究的深入，传统的小动物活体成像系统已在诸多方面无法满足研究的需求，主要表现于：1、无法实现深层信号的观测；2、无法进行绝对精确定量；3、无法获取真实的3D 重建信息；4、无法与其它分子成像系统（如CT 、PET 、MRI 等）进行联合使用；5、无法应用于临床研究。Perkinelmer 公司全新推出的FMT （Fluorescence Molecular Tomography ）小动物活体荧光断层成像技术是小动物活体成像领域的新一代技术，该技术由哈佛大学医学院分子影像中心历经10年时间而研发成熟，是对现有活体光学成像技术的革新与完善，与现有技术相比，FMT 成像技术的主要特点及优势如下：

1. 真正的绝对精确定量

现有活体光学成像系统的技术瓶颈之一是定量问题，目前所有成像系统的定量方法都是基于对小动物体表发光强度的测定，以体表发光强度来量化研究对象（如左下图），然而，分子影像学中对于定量的详细定义为“Molecular imaging quantification is the determination of regional concentrations of molecular imaging agents and biological parameters.” (MICoE and SNM Boards, The Journal of Nuclear Medicine. V ol. 48, No. 6, June 2007)，因此给出标记探针在体内的浓度、体积等具体参数才是真正意义上的绝对定量。FMT 应用其专利的荧光分子断层技术对体内信号进行探测及定量分析，最终的定量结果以探针浓度表示，并可精确量化至皮摩尔级别（如右下图），因此是真正意义上的绝对精确定量。

另外，现有技术的定量算法均是基于小鼠体内组织为均质模型而建立。这一方面导致数据的非真实性，因为在真实小鼠体内各种组织并非均质，不同组织对于可见光的发散和吸收程度均不相同（如左下图），在定量运算时，如果不考虑这些因素，则结果将于实际情况出现很大偏差；另一方面，如果不考虑以上因素，那么对于不同深度位置的信号定量将无法进行，因为对于同一深度的信号，小鼠体位摆放不同将导致不同的体表定量结果。而FMT

的

体表光强 浓度信息 传统技术采用体表光强作为定量单位，为相对定量；

荧光在体内的强度不随深度的加深而衰减 不同组织对可见光的发散程度不同 白光反射照明

定量运算充分考虑了光信号在体内传播过程中的复杂性（如组织异质性、不同组织对光信号的吸收及发散程度、轮廓边缘性等），因此保证了定量结果的真实性和可信度（如右下图）。

真实的绝对定量才能为研究者提供可靠的实验分析数据，而错误的定量结果则会导致错误的实验结论，在疾病的观测分析、药物筛选及药效分析方面，定量的真实可靠将直接影响最终的决定，因此，绝对定量将成为今后活体光学成像应用的基本要求。

2. 体内深层信号观测

目前，由于技术所限，绝大多数活体成像实验均是基于反射照明技术而进行的浅层（如皮下、腹腔等部位）信号观测，然而，随着科研水平的发展和深入，越来越多的实验开始要求进行体内深层（如肝、肺、心血管等部位）信号成像。现有成像技术大多采用白光光源（氙灯或卤素灯）及反射照明方式进行信号激发（如左下图），这种激发技术由于光源强度及照明方式的限制，因而无法有效地应用于深层信号的观测。FMT 成像系统采用固态激光器作为激发光源，并结合底透激发方式（如右下图），使在小鼠体内进行深层信号观测成为可能。这很大程度的扩展了活体光学成像技术在生物及医学研究中的应用范畴，如进行深层器官或组织原位肿瘤的相关研究、深层部位肿瘤转移的研究、深层部位炎症疾病的相关研究、心血管疾病的研究，神经系统疾病研究及深层部位药物分布、靶向性及药效评价研究等。

激光透射照明

激光透射照明

LED 反射照明通过反射激发成像无法呈现深度信号（左），而通过FMT 透射激发成像，能够清晰呈现肺部哮喘信号（右）

FMT 硬件结构示意图 FMT 三维成像结果

3. 3D 断层扫描及重建

随着研究水平的提高，传统基于二维体表成像的方式已不能满足科研的需要，因为所有生命现象均不是发生在二维水平，要获取完整丰富的生物学数据，必须在三维水平进行成像、观测及分析。

FMT 荧光3D 断层技术利用激光底透扫描以及超声探头深度定位的方式（左下图），获取10万级数量的不同断层深度荧光信息

（右下图），并结合独特的算法及强大的3D 重建和分析软件实现真实的三维断层信号扫描及重建，从而得到目的荧光的形态，浓度，体积等三维定量信息，实现了从二维水平研究向三维水平的突破。

而目前其他3D成像技术完全是对FMT技术的不成功模仿：从硬件角度来说，虽然也采用底部透射照明方式，但其光源仍为白光光源（左上图上），如上所述无法实现深层信号的有效激发，另外，其底部激发点的限定是通过一个多孔铁板（左上图下），由于小孔数量有限，因此无法得到数以万计的丰富数据，再者，其没有用于探测小鼠体位深度的探测器（如超声探头），因而无法给出不同深度的分层信息，导致其3D重建仍是基于体表光学信号的简单回归（右上图）；从软件及3D重建算法而言，FMT充分考虑了小鼠组织异质性、散射性、厚度不一致性等因素对于3D重建准确度的影响，因此保证了3D数据定量的准确度及真实性，而其它模仿技术均未考虑上述复杂因素，因此在真实性及准确度方面相去甚远，可以说这些模仿技术均是伪三维技术。

4.多通道探针同时成像

之前，应用可见光成像技术的研究大多局限于在一个实验中使用一种探针观测一种生物学现象。然而，生物体是由复杂的网络构成，任何一个生物学过程都不可能单独发生，因此，分子成像的目的是在整体水平研究疾病相关分子事件及其相互作用网络的动态变化。这就需要成像系统具备同时成像多种探针的能力。

FMT成像系统配备有多个通道的激光器（2个或4个），因此，研究人员可以同时利用不同波段的多个探针标记多种对象，从而在一个实验中观测相关的生物学过程，如利用肿瘤靶向探针反映肿瘤本身变化，同时利用新生血管标记探针揭示在肿瘤发展过程中其周边新生血管的生成。