熒光分子斷層成像（Fluorescence Molecular Tomography, FMT）是一種靈敏度極高的三維光學(xué)成像技術(shù)，可以“無(wú)創(chuàng)”捕捉體內(nèi)靶向性熒光探針的分布，廣泛用于腫瘤檢測(cè)、藥物研發(fā)和腦科學(xué)研究。然而在真實(shí)生物組織中，探針的非特異性沉積和自發(fā)熒光的干擾，易產(chǎn)生強(qiáng)烈的背景噪聲掩蓋有效信號(hào)，導(dǎo)致成像的準(zhǔn)確性和可靠性大打折扣。為破解這一難題，上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院任無(wú)畏教授、數(shù)學(xué)科學(xué)研究所姜嘉驊教授以及物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院朱幸俊教授組成跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際光學(xué)重要期刊《激光與光子學(xué)評(píng)論》（Laser & Photonics Reviews）上合作發(fā)表了題為“High-Fidelity Solution Decomposition Fluorescence Tomography in the Presence of Background Interference”的研究論文，提出一種創(chuàng)新算法——解分解熒光分子斷層成像（Solution Decomposition FMT, SD-FMT），可顯著提升復(fù)雜背景下的成像精度與可靠性。

圖1 解分解熒光分子斷層成像（SD-FMT）的概念插圖

SD-FMT的獨(dú)特之處在于“拆解與融合”。它將熒光信號(hào)一分為二：既能捕捉平滑的背景，又能精準(zhǔn)鎖定腫瘤邊緣等尖銳特征；再結(jié)合貝葉斯反演與混合投影方法（Hybrid Projection Method, HPM），實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)優(yōu)化和高效計(jì)算，即使在復(fù)雜背景下也能保持清晰、穩(wěn)定的成像效果。相比傳統(tǒng)方法只能“顧此失彼”，SD-FMT同時(shí)引入高斯（平滑）與拉普拉斯（稀疏）先驗(yàn)，更貼近真實(shí)生物組織，并通過(guò)低維子空間運(yùn)算大幅提升效率，讓高精度與高穩(wěn)健性兼得。

圖2  體內(nèi)淋巴結(jié)成像驗(yàn)證

圖3  體內(nèi)腫瘤成像驗(yàn)證

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)值模擬、仿體和小鼠活體實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)驗(yàn)證了SD-FMT的優(yōu)越性能。結(jié)果顯示，即使在目標(biāo)背景比低至3.5、目標(biāo)體積比不足0.3的嚴(yán)苛條件下，SD-FMT仍能準(zhǔn)確還原腫瘤形態(tài)并有效抑制偽影；在淋巴結(jié)和腫瘤成像實(shí)驗(yàn)中，其重建結(jié)果與離體熒光圖像高度一致，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。SD-FMT為熒光成像開(kāi)辟了全新路徑，不僅助力腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)，更有望拓展至近紅外二區(qū)成像與多模態(tài)融合，推動(dòng)臨床轉(zhuǎn)化。近年來(lái)，信息學(xué)院任無(wú)畏教授課題組已在熒光成像的儀器、算法開(kāi)發(fā)以及生物應(yīng)用方面取得多項(xiàng)進(jìn)展，成果發(fā)表于Nature Communications，IEEE Transactions on Biomedical Engineering，Biomedical Optics Express等學(xué)術(shù)期刊。

上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士畢業(yè)生張柬如（目前為伯明翰大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院在讀博士生）為論文第一作者，上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院任無(wú)畏、數(shù)學(xué)科學(xué)研究所姜嘉驊以及物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院朱幸俊為論文共同通訊作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。本論文工作也得到了上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李劍峰教授以及上海交通大學(xué)李富友教授的大力支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202501013