生物發(fā)光斷層成像的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法研究.pdf

1、分子影像是繼結(jié)構(gòu)成像和功能成像后的新一代醫(yī)學(xué)影像技術(shù),涉及生物、醫(yī)藥、物理、化學(xué)、材料、信息等多個(gè)學(xué)科,能夠在細(xì)胞和分子水平觀測(cè)生物的生理變化過(guò)程,為定性或定量研究基因功能、新陳代謝、發(fā)病機(jī)理、療效評(píng)估等提供信息獲取與分析處理的新方法,將積極推動(dòng)疾病的早期預(yù)警和靶向治療,提高現(xiàn)有醫(yī)療衛(wèi)生水平。分子影像的主要成像方式包括核素成像、磁共振成像和光學(xué)成像等。其中,三維光學(xué)斷層成像由于在特異性、靈敏度、安全性和成本等方面的優(yōu)勢(shì)而成為目前的研究熱

2、點(diǎn)。
　　 本文的研究工作圍繞生物發(fā)光斷層成像而展開(kāi),集中在成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、光源重建三個(gè)方面。通過(guò)發(fā)展多模態(tài)的成像方式,改善原始圖像的信噪比,增加測(cè)量到的先驗(yàn)信息,開(kāi)發(fā)新的生物發(fā)光斷層成像重建算法,提高現(xiàn)有BLT問(wèn)題的求解精度和計(jì)算效率。主要的工作內(nèi)容包括:
　　 1.研究小動(dòng)物micro-CT/BLT成像系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套用于小鼠成像的micro-CT/BLT的雙模態(tài)成像原型系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)成像和光

3、學(xué)成像的同時(shí)進(jìn)行。Micro-CT的空間分辨率很高,但目前不具備特異性；BLT的檢測(cè)靈敏度高,但空間分辨率較低。兩種成像模態(tài)具有良好的互補(bǔ)性,而且在成像結(jié)構(gòu)上也便于集成。根據(jù)micro-CT和BLT的成像特點(diǎn),制定了一套數(shù)據(jù)采集、圖像處理和可視化操作流程,提高了原始圖像的信噪比。
　　 2.提出一種基于高階FEM的BLT正問(wèn)題求解方法。BLT正問(wèn)題的本質(zhì)就是建立與求解生物組織中的光傳輸數(shù)學(xué)模型。該模型可以表示為穩(wěn)態(tài)的漫射方程。h

4、-FEM是最常見(jiàn)自適應(yīng)有限元方法,通過(guò)減小網(wǎng)格尺寸以提高求解精度；p-FEM是另外一種自適應(yīng)有限元方法,通過(guò)提高插值基函數(shù)的階次來(lái)改善求解精度。本文提出了BLT正問(wèn)題的hp-FEM求解方法,并通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)探討了p的最佳取值。此外,對(duì)于多光譜BLT正問(wèn)題,提出一種基于光源加權(quán)的光學(xué)參數(shù)等效方法,將多光譜系統(tǒng)方程進(jìn)行了降維處理,大幅減小了多光譜BLT正問(wèn)題的計(jì)算量。
　　 3.提出一種兩級(jí)hybrid-FEM光源重建算法。該算法是在

5、本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的多層自適應(yīng)hp-FEM光源重建算法基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出的。與多層自適應(yīng)h-和hp-FEM重建算法相比,兩級(jí)hybrid-FEM光源重建算法充分利用了線性Lagrange有限元的計(jì)算效率和二階Lagrange有限元的求解精度,在第一級(jí)的線性網(wǎng)格上,保持網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不變,根據(jù)重建結(jié)果不斷縮小初始的光源可行區(qū)；當(dāng)光源可行區(qū)不再發(fā)生變化時(shí),在縮小后的光源可行區(qū)內(nèi),對(duì)各單元改用二階Lagrange插值基函數(shù),以提高求解的精度和收斂速度。從而在

6、最小限度改變初始網(wǎng)格的情況下,獲得更加理想的求解結(jié)果和計(jì)算效率。
　　 4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了micro-CT/BLT成像系統(tǒng)和光源重建新算法。為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)和光源重建算法,以形狀復(fù)雜的非勻質(zhì)小鼠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,經(jīng)過(guò)事先標(biāo)定過(guò)的光源采用人工植入的方式固定在小鼠體內(nèi),精確的位置可以通過(guò)micro-CT獲取。通過(guò)BLT系統(tǒng)拍攝自發(fā)光光源的光學(xué)圖像,micro-CT負(fù)責(zé)獲取小鼠的解剖結(jié)構(gòu)信息,采用兩級(jí)hybrid-FEM光源重建算法