Key Words: animal imaging; in vivo optical imaging; 3-Dimentional bioluminescence; fluorescence; tumor
metastasis
活體動物體內光學成像(optical in vivo
imaging)主要采用生物發光(bioluminescence)與熒光(fluorescence)兩種技術標記細胞、蛋白質或DNA，利用一套非常靈敏的光學檢測儀器，直接監控活體生物體內的細胞活動、蛋白表達情況和基因行為。通過這個系統，可以觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發展過程、特定基因的表達等生物學過程。傳統的動物實驗方法需要在不同的時間點宰殺實驗動物以獲得數據,
得到多個時間點的實驗結果。相比之下，可見光體內成像通過對同一組實驗對象在不同時間點進行記錄，跟蹤同一觀察目標(標記細胞及基因)的移動及變化，所得的數據更加真實可信。另外,
這一技術最大的特點就是其極高的靈敏度，對腫瘤微小轉移灶的檢測靈敏度極高，可以檢測到體內幾百個標記的細胞。并且，這個技術不涉及放射性物質和方法,
非常安全。 因其操作極其簡單、所得結果直觀、靈敏度高等特點,
在剛剛發展起來的幾年時間內，已廣泛應用于生命科學、醫學研究及藥物開發等方面[1-4]。僅僅近兩年在Nature和Science
雜志上就有四十多篇的論文在各個領域及各種方式應用到了這個技術[5-8]，文獻[9,10]對該技術有詳細的介紹。
目前，活體動物體內光學成像技術主要停留在二維成像基礎上，在實際應用中面臨許多新的挑戰，例如，僅能確定發光信號在體內的二維平面信息，無法確定發光信號位于體內的深度，無法準確定位發光信號與動物器官的直接關系，即無法實現三維成像。光子在組織內被吸收和分散；CCD
鏡頭采集到的信號強弱有賴于信號源的深度；僅僅憑借光的強度和其表面圖像無法判斷標記物的絕對數量和其深度，因而出現使用二維成像技術所獲得的圖像中，動物背側和腹側成像得到的結果有很大區別。最近一年來，這個技術最令人矚目的一項進展就是從二維成像拓展到三維成像。本文就小動物體內可見光的三維成像技術的原理和應用進行詳細的分析。
1 概述
三維成像對于二維成像技術的優勢自然不必多說，一個非常接近的例子就是CT 與X-Ray
成像的區別。尤其當利用可見光成像時，因為可見光穿透性的限制，透過動物體內時，又有不可避免的折射和散射，即使對同一只老鼠成像時，在腹部和背部成像的結果可能有很大的區別。沒有三維成像技術，很難對結果做出滿意的解釋(圖1)。
目前，對于動物體內可見光三維成像技術有兩個方向已經得到實施，它們分別是多角度掃描技術和單角度三維成像技術。單角度三維成像技術又分為層析成像技術(diffuse
luminescent image tomography,DLIT)和透視成像技術(fluorescence luminescent
imagetomography，FLIT )。前者應用于生物發光的三維成像；后者應用于熒光的三維成像。
1.1 多角度掃描技術 多角度掃描技術是比較傳統的三維成像技術, 也是研究人員比較熟悉的一個技術。該技術的原理與CT 及PET 等其他三維成像技術很類似。它對小鼠不同的角度進行二維成像，然后將這些不同角度的二維圖像用軟件合成構建成三維圖像(圖2)。
因為生物發光成像的檢測需要很靈敏的CCD鏡頭，其對環境溫度要求達到-90℃。利用這個原理的儀器往往CCD鏡頭是固定的，而將小動物平臺環繞檢測鏡頭一周成像。
這種技術的優勢是分辨率相對較高，原理簡單，容易理解。 但是這種成像的時間要求較長，需要20 － 30min。
并且，每次只能成像一只小鼠，在通量上有一定局限性。
這種技術在可見光成像中的應用并不普遍，往往只是在利用其他高通量檢測技術發現到一個特別感興趣的小鼠后， 需要詳細研究時，
才采取這個技術。XENOGEN公司的IVIS 3D即采用此種技術進行生物發光的三維成像。
