Rapport de recherche sur l’imagerie tomographique moléculaire par fluorescence basée sur une priorité de la parcimonie en groupe pour la reconstruction morphologique de gliome

I. Contexte académique et motivation de la recherche

L’imagerie tomographique moléculaire par fluorescence (Fluorescence Molecular Tomography, FMT) est un outil important des sciences de la vie qui permet la visualisation en temps réel et en trois dimensions (3D) non invasive de la position d’une source de fluorescence. En raison de sa haute sensibilité et de son faible coût, la FMT est largement utilisée dans la recherche sur les tumeurs. Cependant, le processus de reconstruction du FMT est complexe et difficile. Bien que les méthodes de reconstruction du FMT aient considérablement progressé ces dernières années, la reconstruction morphologique reste un défi. Par conséquent, l’objectif de cette étude est d’accomplir la performance de reconstruction morphologique du FMT dans la recherche sur le gliome.

II. Source de l’article et informations sur les auteurs

Cet article a été publié dans le journal IEEE Transactions on Biomedical Engineering en mai 2020, volume 67, numéro 5, intitulé “Fluorescence Molecular Tomography Based on Group Sparsity Priori for Morphological Reconstruction of Glioma”. Les auteurs de l’article incluent Shixin Jiang, Jie Liu, Yu An, Yuan Gao, Hui Meng, Kun Wang et Jie Tian. La recherche a été soutenue par le Plan national clé de recherche et de développement de la Chine, la Fondation nationale des sciences naturelles et la Fondation des sciences naturelles de Pékin.

III. Introduction détaillée au processus de recherche

a) Processus de recherche

1. Modèle de propagation des photons

L’étude commence par décrire les caractéristiques de propagation des photons dans la bande spectralement proche infrarouge à l’intérieur des organismes biologiques. La FMT en régime permanent utilise l’équation de diffusion (Diffusion Equation, DE) pour décrire la propagation des photons dans un milieu fortement diffus. Cela comprend le processus de transport des photons aux étapes d’excitation et d’émission, ainsi que les grandes variations à la surface de l’objet image.

\begin{cases}
-\nabla [d_x (r) \nabla \phi_x (r)] + \mu_{ax} (r) \phi_x (r) = \theta \delta (r - r_l) (r \in \omega) \\
-\nabla [d_m (r) \nabla \phi_m (r)] + \mu_{am} (r) \phi_m (r) = \phi_x (r) \eta \mu_{af} (r) (r \in \omega)
\end{cases}

La recherche utilise la méthode des éléments finis pour simplifier l’équation de diffusion. Pour décrire avec précision le transfert de photons à la frontière, une condition limite de Robin a été utilisée.

2. Reconstruction du problème FMT

Le FMT étant de nature mal posée, une contrainte de régularisation a été utilisée pour obtenir un résultat de reconstruction satisfaisant. L’étude commence par introduire la méthode traditionnelle de régularisation de Tikhonov (impliquant la contrainte de norme L2), puis présente la méthode de reconstruction parcimonieuse plus commune (impliquant la contrainte de norme L1).

\min_x e(x) = \frac{1}{2} \|Ax - \phi\|_2^2 + \lambda \|x\|_1

Pour résoudre le problème que les méthodes traditionnelles ignorent l’information morphologique de la source de fluorescence, une méthode de reconstruction basée sur une priorité de la parcimonie en groupe a été proposée. La méthode de la parcimonie en groupe utilise la parcimonie et les caractéristiques de groupe des sources de fluorescence, et le modèle utilise la méthode du lasso fusionné (Fused Lasso Method, FLM).

\min_x e(x) = \frac{1}{2} \|Ax - \phi\|_2^2 + \gamma (x)

Où, γ(x) = λ1 Σ |xi| + λ2 Σ |xi - xi-1| est le terme de pénalité du lasso fusionné.

b) Description détaillée des résultats expérimentaux

Expériences de simulation numérique

L’étude a utilisé un modèle de souris numérique pour simuler un gliome. Pour simplifier le jeu de données, seule la tête de la souris a été coupée, incluant principalement le muscle, le crâne et le cerveau, avec une source de fluorescence cylindrique de 2 mm de haut et de 2 mm de diamètre positionnée dans le cerveau. Dans les expériences numériques, le logiciel Amira 5.4 a été utilisé pour diviser le modèle en maillages, et les paramètres optiques sont présentés dans le tableau.

Les résultats expérimentaux montrent que la région reconstruite par le NFLM est plus proche de la région réelle, tandis que la méthode IS-L1, en raison de sa parcimonie, n’a pas pu reconstruire la zone de fluorescence; les résultats de la reconstruction basés sur la méthode de Tikhonov ont tendance à être excessivement lissés aux frontières de la source. Comparé au FLM, le NFLM a montré une meilleure performance en reconstruction morphologique, confirmant ainsi l’efficacité du NFLM.

Expériences in vivo

L’expérience a établi un modèle de gliome chez la souris nue Balb/c, et a recueilli des données de fluorescence en utilisant un laser à onde continue en combinaison avec des filtres spécifiques de bande et une caméra CCD ultra-sensible. L’expérience a analysé les résultats des expérimentations in vivo à l’aide d’une méthode en trois étapes de collecte de données, traitement des données et reconstruction des données.

Les résultats montrent que le NFML a le mieux performé en termes de morphologie et de localisation chez les trois souris, et une analyse comparative a été effectuée avec des images par IRM, aboutissant à des valeurs de Dice plus élevées et une erreur de position (PE) plus faible, prouvant l’avantage significatif du NFLM dans la reconstruction FMT.

IV. Conclusions de la recherche, valeur et points forts

1. Conclusions de la recherche

La méthode NFLM basée sur une priorité de parcimonie en groupe peut efficacement préserver les informations morphologiques de la source de fluorescence, améliorant considérablement la précision et la résolution spatiale de la reconstruction FMT. Les résultats de la recherche confirment la faisabilité et le potentiel des méthodes basées sur la parcimonie de groupe dans la reconstruction FMT.

2. Valeur de la recherche

Cette étude montre le potentiel d’application considérable de la reconstruction morphologique basée sur la parcimonie en groupe dans la recherche sur les tumeurs, surtout dans la recherche sur le gliome, où la méthode NFLM a un avantage significatif dans la résolution des problèmes de précision de reconstruction des tumeurs profondes.

3. Points forts de la recherche

L’étude propose pour la première fois d’utiliser des informations de parcimonie en groupe pour la reconstruction morphologique du gliome, en utilisant une méthode FLM améliorée, qui, en normalisant les colonnes de la matrice système, améliore l’effet de compensation de l’intensité lumineuse postale. Comparé aux méthodes traditionnelles de Tikhonov et de régularisation L1, la méthode NFLM a montré un avantage significatif en termes de précision de reconstruction et de conservation de la forme.

La méthode d’imagerie tomographique moléculaire par fluorescence basée sur la prévoyance en groupe présente des avantages et des perspectives d’application significatifs dans la recherche sur les tumeurs, ce qui a un impact important sur les futures recherches cliniques et sur les petits animaux.