生物發(fā)光斷層成像的系統(tǒng)設計與算法研究.pdf

1、分子影像是繼結構成像和功能成像后的新一代醫(yī)學影像技術,涉及生物、醫(yī)藥、物理、化學、材料、信息等多個學科,能夠在細胞和分子水平觀測生物的生理變化過程,為定性或定量研究基因功能、新陳代謝、發(fā)病機理、療效評估等提供信息獲取與分析處理的新方法,將積極推動疾病的早期預警和靶向治療,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、磁共振成像和光學成像等。其中,三維光學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)勢而成為目前的研究熱

2、點。
　　 本文的研究工作圍繞生物發(fā)光斷層成像而展開,集中在成像系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)采集與預處理、光源重建三個方面。通過發(fā)展多模態(tài)的成像方式,改善原始圖像的信噪比,增加測量到的先驗信息,開發(fā)新的生物發(fā)光斷層成像重建算法,提高現(xiàn)有BLT問題的求解精度和計算效率。主要的工作內容包括:
　　 1.研究小動物micro-CT/BLT成像系統(tǒng)。設計并構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),實現(xiàn)了結構成像和光

3、學成像的同時進行。Micro-CT的空間分辨率很高,但目前不具備特異性；BLT的檢測靈敏度高,但空間分辨率較低。兩種成像模態(tài)具有良好的互補性,而且在成像結構上也便于集成。根據(jù)micro-CT和BLT的成像特點,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正問題求解方法。BLT正問題的本質就是建立與求解生物組織中的光傳輸數(shù)學模型。該模型可以表示為穩(wěn)態(tài)的漫射方程。h

4、-FEM是最常見自適應有限元方法,通過減小網格尺寸以提高求解精度；p-FEM是另外一種自適應有限元方法,通過提高插值基函數(shù)的階次來改善求解精度。本文提出了BLT正問題的hp-FEM求解方法,并通過數(shù)值實驗探討了p的最佳取值。此外,對于多光譜BLT正問題,提出一種基于光源加權的光學參數(shù)等效方法,將多光譜系統(tǒng)方程進行了降維處理,大幅減小了多光譜BLT正問題的計算量。
　　 3.提出一種兩級hybrid-FEM光源重建算法。該算法是在

5、本實驗室現(xiàn)有的多層自適應hp-FEM光源重建算法基礎上推導得出的。與多層自適應h-和hp-FEM重建算法相比,兩級hybrid-FEM光源重建算法充分利用了線性Lagrange有限元的計算效率和二階Lagrange有限元的求解精度,在第一級的線性網格上,保持網格結構不變,根據(jù)重建結果不斷縮小初始的光源可行區(qū)；當光源可行區(qū)不再發(fā)生變化時,在縮小后的光源可行區(qū)內,對各單元改用二階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格的情況下,獲得更加理想的求解結果和計算效率。
　　 4.實驗驗證了micro-CT/BLT成像系統(tǒng)和光源重建新算法。為了測試本文設計的原型系統(tǒng)和光源重建算法,以形狀復雜的非勻質小鼠作為實驗對象,經過事先標定過的光源采用人工植入的方式固定在小鼠體內,精確的位置可以通過micro-CT獲取。通過BLT系統(tǒng)拍攝自發(fā)光光源的光學圖像,micro-CT負責獲取小鼠的解剖結構信息,采用兩級hybrid-FEM光源重建算法