内源性光学成像及其图像处理研究

论文摘要

脑内源信号光学成像是近十几年发展起来的研究大脑皮层神经群体活动的成像方法。该方法具有较高的空间分辨率,主要应用于大脑皮层功能构筑的研究。脑内源信号光学成像是一种二次成像技术,其信号非常微弱并带有皮层生理结构所决定的信号特征。有效的空间滤波方式能对图像噪声进行抑制,使微弱信号能得以增强。本文针对脑内源信号光学成像,对所采集的图像结果使用不同的线性与非线性空间滤波处理,对不同滤波方法的噪声抑制程度和图像细节保存度进行讨论。结果显示非线性中值空域滤波对内源性光学图像的去噪效果明显,并能保留清晰的信号细节特征,是适于脑内源性光学成像信号特点的图像增强技术。通过对脑内源性光学信号噪声来源和皮层功能柱生理结构特征的讨论,对标准化处理后的功能图像进行二阶统计量分析。根据信号的空间结构特性提出了自适应的滤波窗口设计,对含有不同特征的区域分别采用不同的滤波窗口进行中值空域滤波处理。获得的图像结果去除噪声效果良好,并充分的保留了图像功能信号的细节。内源性光学信号不仅微弱,而且在穿过皮层组织时会发生扩散,使得图像存在一定程度的退化。通过选取功能柱区域与非功能柱区域像素进行联合求解高斯函数方程,得到内源性光学信号的点扩展函数的估计,并对内源性光学信号图像进行恢复。恢复图像的二阶统计量的分布形式表明,图像中功能柱区域的范围较处理前更为集中。利用此结果,以恢复后图像的二阶统计量作为阈值划分标准,对图像准确的分割提取出功能柱区域。经过去噪和反卷积恢复的功能图像,通过选取激活区域和非激活区域的像素分别进行时间过程对比分析,在结果中观察到一种全新的快速功能成份。通过对内源信号成像过程的血氧动力学的讨论,该快速成份可能表征的是皮层间相互抑制作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 脑功能成像概述
• 1.2 内源性光学的技术发展
• 1.3 内源性光学成像的机制
• 1.3.1 内源信号来源
• 1.3.1.1 神经电生理基础
• 1.3.1.2 电生理活动的能量代谢
• 1.3.1.3 光学特性
• 1.3.2 内源信号特点
• 1.3.2.1 信号微弱
• 1.3.2.2 噪声干扰严重
• 1.3.2.4 区域扩散
• 1.3.2.5 时间延迟
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 内源性光学成像系统设计与信号采集
• 2.1 成像系统概述
• 2.2 硬件系统
• 2.2.1 成像系统
• 2.2.2 照明系统
• 2.2.3 支架系统
• 2.3 软件系统
• 2.3.1 数据采集部分
• 2.3.2 刺激发生部分
• 2.4 实验流程
• 2.4.1 动物手术流程
• 2.4.2 内源性光学信号记录流程
• 2.5 小结
• 第三章 内源性光学图像的空间去噪方法研究
• 3.1 原始数据及预处理
• 3.1.1 CCD 原始数据
• 3.1.2 标准化预处理
• 3.2 本底图像
• 3.2.1 空白本底
• 3.2.2 交混本底
• 3.2.3 空白本底与交混本底的差异
• 3.3 皮层功能结构图
• 3.3.1 单条件功能图
• 3.3.2 功能结构图的时间演化
• 3.3.3 伪彩功能图
• 3.4 空间滤波去噪
• 3.4.1 线性空间滤波
• 3.4.1.1 均值滤波
• 3.4.1.2 高斯滤波
• 3.4.1.3 自适应维纳滤波
• 3.4.2 非线性空间滤波
• 3.4.2.1 中值滤波
• 3.4.2.3 小波滤波
• 3.4.3 图像滤波结果对比
• 3.4.4 滤波结果的功能区域划分
• 3.4.5 空间滤波结果讨论
• 3.5 小结
• 第四章 基于邻域二阶统计量的自适应非线性滤波
• 4.1 数据噪声特性分析
• 4.1.1 采集系统内部噪声
• 4.1.2 生理活动噪声
• 4.1.3 线性平滑去噪的滤波窗口选择
• 4.2 邻域二阶统计量分析
• 4.2.1 功能图的二阶统计量变换
• 4.2.2 功能柱区域与非活动区域
• 4.2.3 弥散区域和强干扰区域
• 4.3 自适应非线性滤波
• 4.3.1 滤波窗口设计
• 4.3.2 基于中值滤波的算法实现
• 4.3.3 处理结果与讨论
• 4.4 小结
• 第五章 基于点扩展函数估计的内源性光学图像处理
• 5.1 图像退化模型
• 5.1.1 退化模型与点扩展函数
• 5.1.2 连续函数退化模型
• 5.1.3 离散函数退化模型
• 5.1.4 退化图像恢复的病态性
• 5.2 图像恢复方法
• 5.2.1 非约束还原
• 5.2.2 约束还原
• 5.2.3 点扩展函数的估计
• 5.3 内源性光学成像的点扩展函数估计
• 5.3.1 内源性光学信号的特性与二阶统计分析
• 5.3.2 点扩展函数与估计
• 5.3.3 点扩展函数估计结果与图像恢复
• 5.4 功能柱区域划分
• 5.4.1 图像恢复后内源性光学信号的二阶统计分析
• 5.4.2 功能柱区域的划分结果
• 5.5 小结
• 第六章 猫初级视觉皮层的快速功能成份讨论
• 6.1 内源性光学成像系统的时间分辨率
• 6.1.1 血氧动力学过程
• 6.1.2 内源性光学信号的采集条件
• 6.2 内源性光学信号的时间分析
• 6.2.1 实验设计与预处理
• 6.2.1.1 实验的刺激图像模式
• 6.2.1.2 实验的记录参数
• 6.2.1.3 实验的预处理结果
• 6.2.2 功能区域时域分析
• 6.2.2.1 功能区域选取
• 6.2.2.2 时域分析结果
• 6.2.3 快速功能成份
• 6.3 快速功能成像条件
• 6.4 小结
• 第七章 总结
• 7.1 论文总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士期间论文研究成果