分子光學成像平臺的FEM-MC理論研究與實現.pdf

1、隨著探針標記技術的發(fā)展，分子影像(MI)在生物醫(yī)學成像中已經成為一個重要的新領域。與傳統的醫(yī)學診斷成像手段相比較，分子影像可以提高人們對生物現象的理解，監(jiān)測基因表達和細胞變化以及提前發(fā)現疾病。在分子影像的研究中，生物自發(fā)光斷層成像(BLT)是當前醫(yī)學科學前沿領域內的一個熱門研究課題，它的研究對人類健康有著深遠的影響。 生物自發(fā)光斷層成像研究的問題分為前向問題和逆向問題。前向問題是指根據生物組織中自發(fā)光光源的相關信息和生物組織的光

2、學特性參數信息，獲取生物體表面的光強分布；而逆向問題是指已知生物體表面的光強分布信息和生物組織的光學特性參數信息，反演生物組織內自發(fā)光光源的相關信息。其中，前向問題是研究生物自發(fā)光斷層成像研究的基礎。前向問題主要研究的是光在生物組織中的傳輸問題，是典型的粒子輸運問題，數學上常用輻射傳輸方程和蒙特卡洛模型來描述。前向問題的求解方法主要有有限元方法、邊界元方法、差分方法、自適應有限元方法和蒙特卡洛方法等，其中蒙特卡洛方法具有精確的特性，因而

3、較多的被人們使用。 由于BLT逆向問題的研究需要獲取生物表面的光強數據(即前向問題的結果)作為原始數據，但通過真實實驗獲取這種數據代價高昂。為此，實驗室開發(fā)了一個基于蒙特卡洛算法的仿真軟件一分子光學仿真平臺(MOSE)來對光子包在生物組織中的傳輸過程進行模擬，它為BLT逆向問題的研究提供了一種廉價、方便但可靠的原始數據獲取方式。但這個軟件還存在一些缺陷：首先光子包在復雜組織內部運動的處理方式不夠完善，導致運行結果不夠精確；其次，

4、蒙特卡洛算法雖然比較精確，但時間代價過大，導致軟件仿真時間較長；此外，軟件的仿真核心算法過于單一，缺少有限元等數值解方法；最后軟件的使用界面不是很友好，功能也不是很完善。針對這些問題，本文主要做了以下幾點工作：(1)對原來的蒙特卡洛算法模塊改進了光子包在組織傳輸中的處理，使軟件的仿真結果更精確，運行更穩(wěn)定；大幅度的修改了軟件的結構以改善可擴展性，并開發(fā)了更友好的用戶界面。(2)從單層平板模型出發(fā)，提出了復雜生物組織模型的FEM-MC算法