深度学习增强的小鼠整体血管NIR-II体积成像技术

时间门控的光片体内成像系统。资料来源：《光电子学进展》（2022）。DOI: 10.29026/oea.2023.220105

体内小动物荧光成像因其具有对标记的动物组织或外源药物进行体内实时成像观察等优点，被广泛应用于肿瘤、药物、抗体、纳米材料、炎症、免疫疾病、基因治疗、细胞凋亡等研究领域。

该系统可以长期跟踪活体动物肿瘤的生长、转移和药物治疗过程，感染性疾病的发展过程，炎症和骨损伤的修复，特定基因的表达过程，以及纳米药物在机体内的代谢过程。该系统也是设计和优化各种荧光材料和生物探针的一个成像平台。

近红外II（NIR-II：1000-1700纳米）是一个比可见光和近红外I光波长更长的光子。它在生物组织中的散射较少，对生物组织自发荧光的背景干扰较低。

随着NIR-II光致发光探针和配套相机等设备的发展，NIR-II荧光在体内功能成像中的应用已成为一个研究热点。然而，目前的NIR-II体内成像系统仍然是基于工业镜头获得的平面成像，它可以获得毫米级深度的荧光成像，但不能反映三维深度信息。

此外，小鼠离镜头较远，成像分辨率低。组织散射的影响仍然存在。因此，开发深度、高分辨率、空间三维、高对比度的体内成像系统已成为小动物体内荧光成像的一个重要发展方向。

光片荧光成像是一种应用于细胞、器官和小胚胎的三维成像技术，可以对生物样品进行快速三维成像。为了实现近红外二代荧光的深层三维体内成像，提高成像分辨率，减少荧光散射和组织自发荧光的影响，南方科技大学金大勇院士领导的团队制备了一个带有稀土纳米粒子的近红外二代探针，以检测峰值约为1530纳米的荧光。

他们首次将光片成像引入成年全鼠体内成像领域。该团队使用时间门控技术来减少热效应和平均激光功率。他们还通过与双工业镜头耦合成像扩大了成像的数值孔径，并开发了基于深度学习的血管增强算法，以提高成像对比度。这些进展使得在近红外-II区的高分辨率全小鼠血管网络成像具有深层的三维体内成像。

这项研究通过协同使用时间门控成像、光片扫描和深度学习算法，实现了近红外二代人体成像对深层组织中血管的清晰解析。这些技术有效地减少了激光散射和焦外背景噪声的影响。

三维在体成像系统成功地重建了宏观上整个小鼠皮下2毫米深度范围内527.7毫米的血管全长。最小的可分辨血管直径达100微米，深度分辨率为100微米。这项技术填补了传统显微镜成像和宏观成像之间的空白，为三维全身病理模型研究提供了可能。

该系统能迅速获取海量信息，并能在完整的人体背景下分析宏观关注区域的微观细节，如癌细胞在血管中的运输过程。与目前用于避免散射效应的组织透明技术相比，新一代NIR-II三维体内深层高清成像具有显著的优势。

这项工作发表在《光电子学进展》杂志上。

更多信息。Sitong Wu等人，深度学习增强的小鼠整体血管的近红外-II体积成像，Opto-Electronic Advances (2022)。DOI: 10.29026/oea.2023.220105