光学精密工程·封面 | 多光谱差分：肿瘤早期精准检测

近年来，生物医学成像技术在许多预临床或临床应用方面取得了重大突破，推动了生命科学领域的发展和创新。与传统成像技术相比，分子成像借助分子探针可以直接、灵敏、特异地成像生物体内特定的靶标和路径。在众多分子成像模式中，光学成像，特别是生物发光成像以其操作方便、高成本效益的特点，在肿瘤发生、癌症诊断、转移检测、药物研发、基因治疗等领域得到了广泛的应用。

光学分子断层成像是一种新型成像方式，凭借特异性靶向探针，结合生物组织解剖结构信息、光传输模型和光源重建算法及策略，能够获取靶向目标的三维空间分布和准确定量信息，在肿瘤早期诊断中具有巨大的应用潜力。然而，光学分子断层成像技术还面临着一些亟需解决的问题，如光在结构复杂、各向异性生物组织中的传输建模、不完整表面测量数据下的光源三维重建、重建精度受成像系统测量噪声影响等问题。

针对上述问题，近期，西北大学 贺小伟 教授团队在《光学 精密工程》（EI、Scopus收录，中文核心期刊，2021中国国际影响力优秀学术期刊）2022年第18期发表题为“光谱差分策略在扩散近似模型和简化球谐近似模型中的应用”的文章，并被选为当期的封面文章。

图1：《光学 精密工程》2022年第30卷第18期

多光谱差分介绍

针对光学分子成像中光源重建的准确性受到光传输模型误差、测量噪声和病态性影响的问题，基于光谱差分理论，结合多光谱混合方法，构建了多光谱差分策略。不同于多光谱混合方法是直接使用每个给定波长的测量数据，多光谱差分是利用每个测量波长之间的数据差异。假设在相同的光传输近似模型中，光在相近的波长处遇到接近相同的系统响应，相邻光谱的误差相似，以此来消除光传输模型和成像系统的误差。并且在光源重建过程中，通过增加已知数据量，缓解重建问题的不适应性。

多光谱差分策略的应用及结果分析

结合团队的研究基础，将光谱差分策略分别应用到基于扩散近似方程（Diffusion approximation Equation，DE）和三阶简化球谐近似方程（3rd Simplified Spherical Harmonic Approximation equation，SP₃）建立的光传输模型。对这两种辐射传输方程近似产生的误差进行分析，对比了光谱差分策略对两种光传输模型误差的衰减作用。

结果表明光谱差分策略能有效地减少两种模型误差，如图1所示，相比图1（a）、（c），图1（b）、（d）中的能量误差相对减小。图2（a）、（b）中的平均误差和余弦相似度指标进一步表明，对低阶的扩散近似模型采用光谱差分，能够获得接近三阶简化球谐近似模型的传输精度，并且降低高阶近似对运算时间和存储空间的高要求。

在此基础上，将光谱差分策略分别应用到扩散近似和三阶简化球谐近似光传输模型进行光源重建。结果如图3所示，结合多光谱差分的方法（DE-spectral differential和SP₃-spectral differential）都能够较为准确地定位真实光源，而且SP₃-spectral differential方法的重建光源与真实光源有着更好的重叠。表明光谱差分策略在提高两种光传输模型精度的同时，缓解了生物发光断层成像中逆问题的病态性，使光源重建在目标定位、形状恢复和图像对比度等方面具有更准确的效果。结合对时间消耗的定量评价，表明扩散近似模型结合光谱差分策略，在重建精度和速率上达到了较好的平衡。

图1：前向仿真的能量误差。（a）（c）特定光谱对应的DE和SP₃模型的能量误差及其平均值；（b）（d）光谱差分后DE和SP₃模型对应的能量误差及其平均值

图2：（a）同一波长下MC和DE（SP₃）获得的表面光能量的平均误差，以及MC和DE（SP₃）获得的表面光能量通过光谱差分后的平均误差（b）同一波长下MC和DE（SP₃）获得的表面光能量的余弦相似度，以及通过MC与DE（SP₃）获得的各波长的能量差计算的余弦相似度

图3：光源重建实验结果

应用前景

该研究能够为光学分子成像的预临床转化研究提供理论基础，为肿瘤早期检测、精准放疗引导等预临床研究提供新的影像学技术手段，为光学分子断层成像技术在肿瘤早期诊断等领域的应用奠定基础。

| 论文信息 |

刘艳秋，胡先功，张衡，郭红波，贺小伟，光谱差分策略在扩散近似模型和简化球谐近似模型中的应用[J].光学精密工程,2022,30(18):2167-2177.

https://ope.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20223018.2167

| 团队负责人简介 | 

贺小伟，教授，西安市影像组学与智能感知重点实验室主任，西北大学信息化建设与管理处处长、网络和数据中心主任，陕西省教育信息化发展研究中心副主任，陕西省青年科技新星、博士生导师。任中国图像图形学学会理事，陕西省图像图形学学会常务理事，陕西省信号处理学会、生物医学工程学会、计算机教育学会、计算机学会理事，图学学报编委。迄今以第一作者或通讯作者身份在分子影像领域发表高水平刊物数十篇，包括 IEEE Trans. on Med. Imaging、IEEE Trans. on Biomed. Engineering、Optics Express、J. of Biophotonics（封面文章），被引用400余次；主持国家科技部重点研发计划课题1项；主持国家自然科学基金面上项目3项。
团队研究包括：
光学分子影像技术、影像组学分析等智能感知领域、以预临床/临床疾病为导向的信息工程理论与新技术。

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