在体和离体荧光生物分子成像系统的研制

发布时间：2017-05-19 04:02

  本文关键词：在体和离体荧光生物分子成像系统的研制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在医学成像领域,光子学在提供结构和分子信息方面起着越来越重要的作用,为疾病的诊断和治疗提供了重要的工具,并开辟了全新的视野。具有无害、非侵入、高灵敏和可进行多目标成像等优点。本文切合医学成像领域的发展前沿,自主研制了基于双目立体视觉的近红外荧光三维定位体内成像系统和用于现场检测的核酸定量检测系统。传统的体内荧光成像设备只能提供单角度的两维图像信息,无法满足最新科学研究对目标精确定位的要求。本文中设计搭建的基于双目立体视觉技术的近红外荧光三维定位体内成像系统具有靶点目标三维定位和深源探测能力,建立了一个基于光谱分离的前处理算法的双目立体视觉技术,提供了一种在荧光发射光谱混叠和生物组织内光散射条件下进行三维坐标计算的方法。算法可以从多光谱图像中有效的提取靶点目标并确定分离后的靶点中心坐标。选用近红外量子点作为荧光标记物标记靶点,进一步的实验显示该方法可以对小动物体内的荧光靶点进行三维定位。实验还显示结合大功率激光器和深度制冷光电耦合器件对深源的荧光探测提供了很好的研究前景。现场检测是实验室医学的最新概念,可以在病人旁边完成检测并快速得到检测结果,可以消除因临床样本的运输和准备所造成的延误,减少临床决策的时间。在发展中国家,超过一半的死亡率都是因为传染性疾病造成的。考虑到全世界范围内高风险病原体患病率的迅速增加,快速的传染病检测是至关重要的。核酸检测是非常具有前景的现场检测方法,本文设计搭建的用于现场检测诊断的核酸定量系统可以低成本、便携、自动化的完成核酸绝对定量,现场检测,快速分析和实时获取反应结果。系统由一个可更换的脱气驱动的微流控芯片,低成本的电池供电的温度控制单元和成像单元,一个有高分辨率成像模块的移动设备,和运行于移动设备的定制软件组成。微流控芯片包含1024个2纳升的小室进行等温数字核酸扩增反应。实验数据显示了该系统准确的核酸定量能力。该系统对于传染病的现场检测具有重要的价值。综上,本文设计搭建的系统采用医学成像相关技术,切合生物医学应用的紧迫需求,为生命科学的研究和疾病的诊断治疗开辟了新方法,具有十分重要的意义。
【关键词】：生物医学成像 体内光学成像 三维定位 双目立体视觉 数字核酸扩增 现场检测 移动医疗
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 绪论13-83
• 1.2 荧光13-14
• 1.2.1 斯托克位移14
• 1.3 体内光学成像14-30
• 1.3.1 荧光成像技术15-17
• 1.3.2 光谱成像17-21
• 1.3.2.1 基本原理和分类17-18
• 1.3.2.2 光谱成像仪18-20
• 1.3.2.3 近红外光谱分析技术20-21
• 1.3.3 光谱分离21-24
• 1.3.3.1 基本原理和分类21-22
• 1.3.3.2 光谱分离模型22-24
• 1.3.4 光在生物组织中的传播和成像24-29
• 1.3.4.1 光学参数25-28
• 1.3.4.2 传输方程28
• 1.3.4.3 生物组织中的近红外吸收基团28
• 1.3.4.4 漫射理论28-29
• 1.3.5 体内成像所用荧光材料29-30
• 1.4 体外实验30-47
• 1.4.1 体外试验30-31
• 1.4.2 体外试验的优势31
• 1.4.3 核酸检测31-41
• 1.4.3.1 核酸检测形式33-34
• 1.4.3.2 即时(Point-of-care)核酸扩增34-35
• 1.4.3.3 等温扩增技术作为即时检测方法的考虑35-36
• 1.4.3.4 等温扩增技术36-41
• 1.4.4 数字核酸扩增41-47
• 1.4.4.1 芯片式数字PCR43-44
• 1.4.4.2 液滴数字PCR44-45
• 1.4.4.3 存在的问题45-46
• 1.4.4.4 应用于即时检测的数字核酸扩增46-47
• 1.5 研究现状47-54
• 1.5.1 成像系统的发展47-51
• 1.5.1.1 相机成像原理48-49
• 1.5.1.2 电荷耦合器件/互补金属氧化半导体49-50
• 1.5.1.3 光电倍增管50-51
• 1.5.2 体内成像技术研究现状51-52
• 1.5.3 体外成像技术研究现状52-54
• 1.6 双目立体视基本原理54-63
• 1.6.1 目标三维定位的常用方法56-57
• 1.6.2 双目立体视觉基本模型57-59
• 1.6.2.1 平行式立体视觉模型57-58
• 1.6.2.2 汇聚式立体视觉模型58-59
• 1.6.3 双目立体视觉标定技术59-63
• 1.6.3.1 相机标定坐标系59-60
• 1.6.3.2 相机参数60
• 1.6.3.3 相机模型60-62
• 1.6.3.4 相机标定方法62-63
• 1.7 移动医疗平台63-71
• 1.7.1 基于智能手机的医疗平台63-64
• 1.7.2 挑战与发展64-67
• 1.7.3 地理信息系统在医疗卫生领域的应用67-69
• 1.7.3.1 GIS的功能与特点68
• 1.7.3.2 对传染病的监测、分析与控制68-69
• 1.7.3.3 病原跟踪69
• 1.7.3.4 医疗资源调度69
• 1.7.4 移动医疗在我国的发展69-71
• 1.8 本文创新点71
• 1.9 本文的研究思路与主要内容71-74
• 1.10 参考文献74-83
• 2 近红外在体荧光三维定位成像系统83-121
• 2.1 前言83-85
• 2.2 成像系统设计搭建85-94
• 2.2.1 成像暗室89
• 2.2.2 光照模块89-91
• 2.2.3 成像光路模块91-93
• 2.2.4 旋转台模块93
• 2.2.5 系统工作流程93-94
• 2.3 相机标定研究94-97
• 2.3.1 相机参数确定94
• 2.3.2 相机模型94-96
• 2.3.3 单相机标定96-97
• 2.4 多相机的立体标定97-105
• 2.4.1 对极几何98
• 2.4.2 本征矩阵和基础矩阵98-100
• 2.4.3 相机立体标定100-101
• 2.4.4 立体校正与立体标定101-105
• 2.5 近红外荧光成像实验研究105-115
• 2.5.1 实验材料105
• 2.5.2 靶点小鼠多光谱成像105-107
• 2.5.3 目标靶点提取107-111
• 2.5.3.1 光斑图像的数学模型107-110
• 2.5.3.2 光谱分离110-111
• 2.5.3.3 中心坐标提取111
• 2.5.4 组织等效材料的定量分析111-113
• 2.5.5 三维定位113
• 2.5.6 系统的深源检测能力的验证及与同类仪器的比较113-115
• 2.6 本章总结与展望115-117
• 2.7 参考文献117-121
• 3 现场检测核酸绝对定量系统121-153
• 3.1 前言121-122
• 3.2 装置硬件设计搭建122-128
• 3.2.1 移动操作系统与无线通信技术125-127
• 3.2.1.1 移动操作系统125
• 3.2.1.2 局域网无线通讯技术125-126
• 3.2.1.3 广域网无线通信技术126-127
• 3.2.2 微处理器127-128
• 3.3 软件设计128-129
• 3.4 数字图像处理算法研究129-138
• 3.4.1 运行于智能手机的快速算法129-130
• 3.4.2 基于手动选取控制点的图像处理算法130-131
• 3.4.3 针对污染模糊的形态学算法131-133
• 3.4.4 增强阳性小室强度的滤波算法133-134
• 3.4.5 分水岭算法134
• 3.4.6 低品质不易辨识图像处理算法研究134-138
• 3.5 材料与实验138-145
• 3.5.1 实验材料138-139
• 3.5.2 现场检测用自吸微流控芯片设计139-140
• 3.5.3 芯片模具制作140-141
• 3.5.4 芯片制备141-142
• 3.5.5 准备样本试剂142-143
• 3.5.6 系统成像与图像处理模块评估143
• 3.5.7 系统温控模块评估143-144
• 3.5.8 系统对DNA分子的绝对定量144-145
• 3.6 系统分析145-148
• 3.6.1 数字核酸扩增阈值设定145-146
• 3.6.2 核酸分子在数字阵列中的空间分布146
• 3.6.3 样本浓度推导146-147
• 3.6.4 样本中分子数与小室阳性比率的关系147
• 3.6.5 测试不确定度推导147-148
• 3.7 本章总结与展望148-150
• 3.8 参考文献150-153
• 作者在攻读博士学位期间的研究成果153-154
• 致谢154

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