【正文】 項(xiàng)目名稱： 多模態(tài)分子影像關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究 首席科學(xué)家： 田捷 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 起止年限： 至 依托部門(mén)： 中國(guó)科學(xué)院 二、預(yù)期目標(biāo) (一 ) 項(xiàng)目總體目標(biāo) 基于前一 973 項(xiàng)目的研究成果 ， 圍繞多模態(tài)分子影像研究中的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)五年的努力，本項(xiàng)目 將實(shí)現(xiàn) 更完整獲取生物體 細(xì)胞分子水平、功能代謝水平和解剖結(jié)構(gòu)水平等 生理病理信息 的研究目標(biāo)。具體來(lái)說(shuō)，本項(xiàng)目 擬達(dá)到如下的總體目標(biāo)： 創(chuàng)建 一套多模成像理論： 基于組織特異性的動(dòng)態(tài)多模態(tài)分子影像成像理論、數(shù)學(xué)模型和高維重建方法； 研發(fā) 一個(gè)多源計(jì)算平臺(tái)： 多源影像信息融合與計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) 高維 多模態(tài)影像數(shù)據(jù)的分割、配準(zhǔn)、可視化和融合； 構(gòu)建 一批多重分子探針： 設(shè)計(jì)、構(gòu)建并評(píng)價(jià)適用于多模態(tài)分子影像的多功能、多靶點(diǎn)、高特異性分子探針； 研 制 一組融合成像系統(tǒng)： 在體多模態(tài)分子影像成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能和分子等多角度影像信息的獲??； 促成一些生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用： 多模態(tài)分子影像在乳腺癌發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移與誘導(dǎo)凋亡過(guò)程中的在體、非侵襲性、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)研 究，用于乳腺癌早期精確診斷及抗腫瘤藥物療效評(píng)價(jià)； 建設(shè)一支優(yōu)秀研究隊(duì)伍： 培養(yǎng)一批高素質(zhì)、高層次 、 多學(xué)科交叉的綜合研究人才，建立起一支高水平的多模態(tài)分子影像研究隊(duì)伍。 (二 ) 項(xiàng)目 五年預(yù)期目標(biāo) 本項(xiàng)目將通過(guò)多模態(tài)分子影像的 研究， 提出創(chuàng)新的理論和方法 ， 研發(fā)新穎的技術(shù)和平臺(tái) ， 實(shí)現(xiàn)有效的系統(tǒng)和應(yīng)用 。具體來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目五年 預(yù)期目標(biāo)如下： ? 本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)多模態(tài)分子影像成像理論及方法的創(chuàng)新性基礎(chǔ)研究，發(fā)展出基于生物組織復(fù)雜特異性的高階近似數(shù)學(xué)模型和高維 動(dòng)態(tài)重 建算法，并建立較為完整的、系統(tǒng)的多模態(tài)分子影像數(shù)據(jù)融合理論體系與方 法框架； ? 本項(xiàng)目研發(fā)出具有原始創(chuàng)新和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多模態(tài)分子影像 成像 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能影像數(shù)據(jù)的多角度、 高通量和動(dòng)態(tài)連續(xù) 獲??；在實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)補(bǔ)償校正、快速分割、精確配準(zhǔn)、 高質(zhì)量 可視化等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出多模態(tài)分子影像信息融合與計(jì)算平臺(tái)，完成多角度信息融合，實(shí)現(xiàn)定性、定位和定量分析功能； ? 本項(xiàng)目將確定與乳腺癌發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移、誘導(dǎo)凋亡相關(guān)的生物分子靶點(diǎn)，針對(duì)上述靶點(diǎn)進(jìn)行多功能、多靶點(diǎn)分子探針的設(shè)計(jì)、制備和篩選，并對(duì)其完成 在 分子、細(xì)胞、組織、活體 水平的 多尺度評(píng)價(jià)； ? 本項(xiàng)目將利用多模態(tài)分子影像技術(shù)， 展開(kāi) 乳 腺癌發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移和誘導(dǎo)凋亡的機(jī)制以及抗腫瘤藥物藥效和藥代動(dòng)力學(xué)的 系統(tǒng) 研究，闡述 在 分子、細(xì)胞、組織和器官 水平 的多尺度生物體特性，輔助乳腺癌早期精確診斷、臨床決策及臨床個(gè)體化治療方案的選擇； ? 本項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，將培養(yǎng)出一批學(xué)術(shù)水平高、研究 能力 強(qiáng)的學(xué)術(shù)帶頭人與中青年學(xué)術(shù)骨干， 培養(yǎng)博士研究生 100 名左右，培養(yǎng)碩士研究生 150 名左右， 形成一支專(zhuān)門(mén)從事多模態(tài)分子影像研究和應(yīng)用的綜合交叉人才隊(duì)伍，使我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域能更快更好地發(fā)展； ? 通過(guò)本項(xiàng)目的研究，將建立一個(gè) “多模態(tài)分子影像研究與應(yīng)用平臺(tái) ”，促進(jìn)國(guó)內(nèi)外高等學(xué) 校、科研院所、臨床醫(yī)院與相關(guān)產(chǎn)業(yè)之間的長(zhǎng)期穩(wěn)定合作，提升我國(guó)分子影像研究在國(guó)際上的戰(zhàn)略地位； ? 本項(xiàng)目研究成果體現(xiàn)為： 發(fā)表 SCI 檢索國(guó)際雜志論文 160 篇以上，發(fā)表 EI檢索學(xué)術(shù)論文 140 篇以上，共計(jì) 發(fā)表 300 篇以上的高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文 ， 申報(bào)發(fā)明專(zhuān)利 30 項(xiàng) 以上 ，申請(qǐng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán) 40 項(xiàng) 以上 ， 出版 4 部 以上的 專(zhuān)著。 三、研究方案 (一 ) 項(xiàng)目總體 研究思路與技術(shù)路線 本項(xiàng)目旨在全面系統(tǒng)地研究多模態(tài)分子影像的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、成像系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用，為乳腺癌早期精確診斷和抗腫瘤藥物療效評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)并提供 有效 支持 。具體來(lái) 說(shuō)，本項(xiàng)目將 以提高成像分辨率、靈敏度、深度和速度為目的，提出 基于組織特異性的多模態(tài)分子影像成像理論， 研究 高維 動(dòng)態(tài) 的多模態(tài)在體成像方法， 構(gòu)建 多源影像信息融合與計(jì)算平臺(tái)， 合成 多功能多靶點(diǎn)分子探針， 研制多模態(tài)融合成像系統(tǒng)， 建立 多模態(tài)分子影像系統(tǒng)和方法的生物 醫(yī) 學(xué)驗(yàn)證評(píng)價(jià)體系， 開(kāi)展 乳腺癌早期精確診斷及抗腫瘤藥物療效評(píng)價(jià)的在體應(yīng)用研究。 為了實(shí)現(xiàn)上述預(yù)期目標(biāo)，本項(xiàng)目在五年執(zhí)行期內(nèi)將采取如下的總體研究 思路： ? 以 上一 973 項(xiàng)目針對(duì)光學(xué)、核素等單模態(tài)成像研究的理論、算法、系統(tǒng)和應(yīng)用為基礎(chǔ)，進(jìn)一步深入研究多模態(tài)分子影像及其在生物 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用； ? 以本項(xiàng)目組先行 成像 理論研究為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究多模態(tài)分子影像成像理論，建立基于組織特異性的數(shù)學(xué)模型，如輻射傳輸方程高階近似模型 ，并 進(jìn)行存在性分析、唯一性探討和穩(wěn)定性證明，為多模態(tài)逆向問(wèn)題 重建方法、多源影像信息融合與計(jì)算平臺(tái)、多模態(tài)融合成像系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 的 解決作基礎(chǔ)理論準(zhǔn)備； ? 以本項(xiàng)目組先行 重建算法 研究為基礎(chǔ) ， 在多模態(tài)分子影像成像理論和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究多種逆向問(wèn)題重建方法，包括快速重建、高維重建、全域重建 和動(dòng)態(tài)重建 ，實(shí)現(xiàn)靶點(diǎn)反演的定性、定位和定量分析，并進(jìn)行仿真模擬和仿體驗(yàn)證，同時(shí)探 討分析重建方法的收斂性、精確性和魯棒性。針對(duì)多模態(tài)成像系統(tǒng)，研究大數(shù)據(jù)量而快速和小數(shù)據(jù)量而準(zhǔn)確的重建方法，以提高成像系統(tǒng)的實(shí)用性。此外，多模態(tài)逆向問(wèn)題重建方法的研究也將驗(yàn)證成像理論和數(shù)學(xué)模型的正確性； ? 以本項(xiàng)目組先行分子探針研究為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)、制備多功能分子探針，選擇與乳腺癌發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移、誘導(dǎo)凋亡相關(guān)的生物分子靶點(diǎn)，在合成的探針上同時(shí)偶聯(lián)針對(duì)這些靶點(diǎn)的靶向分子，實(shí)現(xiàn)多個(gè)靶點(diǎn)的同時(shí)識(shí)別，并從分子、細(xì)胞、組織以及活體水平對(duì)其進(jìn)行性能驗(yàn)證和評(píng)價(jià)； ? 以本項(xiàng)目組先行在體斷層分子成像系統(tǒng)研究為基礎(chǔ) ， 在多模態(tài)成像方法和 多功能分子探針的基礎(chǔ)上，研制高精度、高分辨率、高探測(cè)深度的多模態(tài)成像系統(tǒng)，能夠獲取生物體的結(jié)構(gòu)和功能信息，實(shí)現(xiàn)多角度、 高通量和 動(dòng)態(tài) 連續(xù) 成像，不僅能夠?qū)碚撍惴ê头肿犹结樳M(jìn)行在體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)也能夠帶動(dòng)相關(guān)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的研發(fā)； ? 以本項(xiàng)目組先行 算法平臺(tái) 研究為基礎(chǔ)， 進(jìn)一步 完善統(tǒng)一 計(jì)算框架，在多模態(tài)成像理論方法研究，以及利用多功能分子探針和多模態(tài)成像系統(tǒng)獲取 多源 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究多源信息融合理論和影像數(shù)據(jù)集的分析處理方法，實(shí)現(xiàn) 高維 海量影像數(shù)據(jù)的分析、建模、分割、配準(zhǔn)和可視化，以及多角度信息的融合，構(gòu)建多模態(tài)影像融合 與計(jì)算平臺(tái)，為生物醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用提供更可靠、更全面、更準(zhǔn)確的依據(jù)和知識(shí)； ? 以本項(xiàng)目組先行 單模態(tài) 成像在體驗(yàn)證 為基礎(chǔ) ， 在多源影像信息融合與計(jì)算平臺(tái)、多模態(tài)成像系統(tǒng)及多功能分子探針的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適合多模態(tài)分子成像的細(xì)胞模型、轉(zhuǎn)基因鼠模型和大動(dòng)物模型；利用細(xì)胞分子生物學(xué)技術(shù)和多種成熟的單模態(tài)成像技術(shù)，從生物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等多方面，在器官、組織、細(xì)胞和分子等多 尺度 ，定性定量評(píng)估多模態(tài)分子影像平臺(tái)和成像系統(tǒng)的特異性、一致性、穩(wěn)定性；在動(dòng)物毒理方面評(píng)價(jià)多功能多靶點(diǎn)分子探針的適用性和安全性；進(jìn)而系統(tǒng) 地 評(píng)估多源影像信息融 合與計(jì)算平臺(tái)、多模態(tài)成像系統(tǒng)的技術(shù)特征； ? 以本項(xiàng)目組先行生物應(yīng)用研究為基礎(chǔ)，在多模態(tài)分子影像理論、方法、探針、系統(tǒng)及相關(guān)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，研究乳腺癌腫瘤 細(xì)胞分子 發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移與誘導(dǎo)凋亡機(jī)理，示蹤乳腺癌生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移路徑，揭示相關(guān)分子在乳