反射模式时域荧光分子层析原理的模拟和实验研究

论文摘要

荧光分子层析成像技术（Fluorescence molecular tomography,FMT）是基于荧光探针对在体特定细胞和亚细胞进行标定,从而通过成像组织荧光参数空间分布而获得特异生化分子表达方位、强度及其环境特征的一种新兴成像技术。本文的研究目标是发展一种基于广义脉冲谱技术的反射型时域荧光分子层析成像实验及其模拟与仿体验证技术。蒙特卡罗（Monte-Carlo, MC）模拟以其特有的灵活性和物理真实性,成为研究生物组织中光传输方面问题的一个较为理想的模型。模拟结果可用于验证荧光层析成像中图像重建方法的正确性及准确性。本文采用了模拟蒙特卡罗和方差减小蒙特卡罗模拟两种方法来对荧光在非均匀组织体中的传播过程进行模拟,并在传统模拟方法上进行了一些改进,缩短了计算时间。对于光学厚层介质,扩散方程（又称为漫射方程,Diffusion Equation,DE）被广泛地用来作为辐射传输方程的近似,因而本文采用扩散方程作为光在组织体中的传输模型。荧光检测量的数学表达式可由激发光和出射荧光之间耦合扩散方程得到。基于图像重建问题的优化,本文采用广义脉冲谱技术和归一化玻恩比。广义脉冲谱技术通过拉普拉斯变换将耦合扩散方程从时域转换到复频域,只需两个特定的频率,就不仅能重建荧光产率和荧光寿命,还能消除测量系统放大系数及时间原点不确定性的影响。而归一化玻恩比可以避免图像重建过程中测量量与计算量之间的标定。对于重建算法中的系数矩阵的计算,本文采用了外推边界条件下半无限空间的扩散方程解析解。由于求解荧光参数的线性方程是非适定的,本文采用了基于行操作的代数重建技术,其应用优势是在重建过程中的每次迭代仅需单行运算与存储,这有助于采用高密度空间剖分实现高分辨率的图像重建。其次本文对各种具有不同参数的单目标和两目标进行三维重建,并对其空间分辨率、抗噪声能力,背景不确定性以及不同源和探测器的个数对重建结果的影响进行了初步评估。最后在数值模拟的基础上,进行实验验证。针对时间相关单光子计数系统,对混浊介质光学参数测量方法进行了改进。最后在采用此方法对自行制作非均匀仿体进行背景光学参数测量的基础上,对此仿体进行图像重建,并对重建结果进行分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 描述光在组织体中传播的模型
• 1.2.2 组织体参数提取的方法与技术
• 1.2.3 荧光分子成像与层析技术
• 1.3 研究意义
• 1.4 本文的研究内容介绍与安排
• 第二章 光与生物组织体的相互作用及光在组织体中传播的数学模型
• 2.1 光与生物组织体的相互作用
• 2.1.1 组织体对光的吸收效应
• 2.1.2 组织体对光的散射效应
• 2.1.3 生物体受激发光
• 2.2 描述光在组织体中传播的数学模型
• 2.2.1 离散粒子统计模型：Monte-Carlo模拟
• 2.2.2 连续粒子统计模型：辐射传输方程
• 2.2.3 扩散方程及其解
• 第三章 多源多探测器非均匀组织体蒙特卡罗模拟器
• 3.1 蒙特卡罗模拟基本过程
• 3.2 荧光在非均匀组织体中传播过程模拟
• 3.2.1 基础设定
• 3.2.2 模拟过程
• 3.2.3 算法实现
• 3.2.4 算法的改进
• 3.2.5 结果及其分析
• 3.3 激发光在非均匀组织体中传播过程模拟
• 第四章 反射型时域荧光分子层析原理的模拟研究
• 4.1 逆向问题的定义及数学表达
• 4.2 时域荧光分子层析成像
• 4.2.1 广义脉冲谱技术
• 4.2.2 重建过程
• 4.2.3 重建过程框图
• 4.3 数值仿真模拟结果及讨论
• 4.3.1 单个非均匀目标的重建结果
• 4.3.2 两个非均匀目标体的重建结果
• 4.3.3 重建算法的空间分辨率测试
• 4.3.4 噪声对图像重建的影响
• 4.3.5 源与探测器的个数对重建图像的影响
• 4.3.6 背景光学参数对图像重建图像的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 反射型时域荧光分子层析成像的实验研究
• 5.1 生物组织体光学参数的测量方法
• 5.1.1 连续光（CW） 测量方法
• 5.1.2 频域（FD） 测量方法
• 5.1.3 时间分辨（TR） 测量方法
• 5.2 时间相关单光子计数技术
• 5.2.1 光子计数技术
• 5.2.2 时间相关的单光子计数
• 5.3 利用时间扩展曲线重构组织体光学参数
• 5.4 基于时间分辨反射测量技术的混浊介质光学参数重构方法
• 5.4.1 时间相关单光子计数测量系统
• 5.4.2 测量原理
• 5.4.3 方法验证
• 5.5 生物组织光学参数及荧光参数的模拟
• 5.5.1 模拟散射系数
• 5.5.2 模拟吸收系数
• 5.5.3 荧光染料
• 5.6 实验
• 5.6.1 实验仪器
• 5.6.2 实验1
• 5.6.3 实验2
• 5.7 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作的总结
• 6.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢