用于小动物模型研究的扩散光学分子成像技术

论文摘要

进入21世纪,观测生命过程的主要目的变成探究生物体各组成部分如何协作形成复杂的系统。光学分子成像（Optical Molecular Imaging,OMI）是新兴的研究领域,目前公认的开展活体内分子事件研究的主流手段之一,在生命科学研究中具有重大应用前景。OMI有平面投影成像和层析成像。平面投影成像,如整体荧光光学成像（Whole-body Fluorescence Optical Imaging,WFOI）,因其实现相对简单,得到广泛应用。激发光源是WFOI的基本部件之一。通常采用激光器或大功率、宽谱光源作为WFOI的激发光源。这样的成像系统价格高昂、使用不便。本文用LED替代汞灯,研制了基于大功率LED的WFOI系统。光源替代时一般未考虑荧光物激发谱的影响,这使得替代前后系统获得的荧光的强度不同。因此基于光谱计算、分析,探讨在不同波段,与汞灯激发的荧光的强度相同时LED需要输出的光通量。以此分析为依据配置LED,构建了采用功率型LED的WFOI系统。用该系统在体监测GFP（Green Fluorescence Protein,GFP）标记的肿瘤在裸鼠体内生长和药物治疗的动态过程。WFOI中背景自发荧光使图像对比度下降。利用多谱成像提高图像对比度的方法增加了硬件成本和操作难度。为此对获得荧光图像,先根据背景自发荧光的色度对背景信号进行抑制,再通过图像融合来增强图像的对比度。实验表明基于功率型LED的WFOI系统成本低、操作简单。光源替代时,若两光源的光谱在选择的波段内分布不一样,则有必要考虑荧光物激发谱的影响。相当程度上,软件方法可替代多谱成像增强荧光图像的对比度。光学层析成像如扩散光层析成像（Diffuse Optical Tomography,DOT）的实现相对复杂,但其可提供3-D信息,是一研究热点。现有的DOT系统主要是基于光纤的,光源-探测器的几何结构基本上是平面的。采用光纤的系统结构复杂,光学探头的结构难于改变,不便于更改扫描精度,通用性较弱。具有平面的几何结构的DOT需挤压样品,将导致样品变形。因此本文接着讨论了一种无光纤的DOT系统。光源发出的光直接聚焦到样品表面,探测器在样品另一侧获取穿过样品的光子。未采用光纤使得系统对不同尺寸的样品具有较高适应性。采用旋转台带动光源和探测器部分绕样品从不同角度扫描成像,通过改变成像的角度间隔以改变扫描精度。研制的DOT系统在成像时无需挤压样品,通用性较高。图像重构是DOT技术必不可少的过程。本文探讨了智能计算技术之一的遗传算法（Genetic Algorithm,GA）在重构中的应用。标准GA的变异操作是无方向性的调整,对算法的收敛贡献有限。为此,在标准GA的基础上,先利用扩散光的投影信息初始化群体,而后再利用该信息直接调整个体以辅助变异。实验表明利用投影信息的直接调整方法在一定程度上可有效地提高算法的收敛速度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 分子成像及其在生命科学研究中的应用
• 1.2 光学分子成像及其分类
• 1.3 荧光光学分子成像
• 1.4 本文选题背景与研究内容
• 2 整体荧光光学成像
• 2.1 引言
• 2.2 基于功率型LED 的成像系统
• 2.3 整体荧光光学成像实验
• 2.4 光谱分离与图像增强
• 2.5 小结
• 3 扩散光层析成像原理
• 3.1 引言
• 3.2 生物组织中的光子传输
• 3.3 基于输运理论的光与生物组织相互作用理论模型
• 3.4 光子传输模型的扩散近似
• 3.5 扩散光层析成像的基本原理
• 3.6 小结
• 4 扩散光层析成像系统的研制
• 4.1 引言
• 4.2 系统的构成
• 4.3 传动与馈电部分
• 4.4 系统的部分性能分析
• 4.5 小结
• 5 扩散光层析成像重构算法
• 5.1 引言
• 5.2 偏微分方程的有限差分求解
• 5.3 遗传算法
• 5.4 直接调整型遗传算法
• 5.5 参数重构实验
• 5.6 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间公开发表、待发表论文及科研成果
• 附录2 相机的非线性光电响应示意图
• 附录3 桶形、枕型失真测试图
• 附录 4 Matlab 的 GA 工具包