基于Monte Carlo的激发荧光成像前向算法研究与实现

论文摘要

分子影像作为影像医学发展的最新阶段,因其能够探测疾病过程中细胞和分子水平的异常,为疾病在分子水平的治疗开启了一片崭新的天地。光学分子影像的优势使其在各种分子影像的模态中起着越来越重要的作用。激发荧光成像(Fluorescence Molecular Tomography, FMT)是光学分子影像中一个重要的分支,具有设备成本较低、染料稳定、无电离辐射等优点。该成像方法在临床应用上有很大的潜力,也是光学分子影像领域的一个研究热点。激发荧光成像的研究包括前向问题和逆向问题,本文对前向问题和逆向问题算法进行了简要描述,工作重点之一是基于Monte Carlo方法对前向问题进行研究和分析。在算法的仿真实验中,利用有限元方法与之进行对比,间接验证了算法的可行性和有效性。MOSE(Molecular Optical Simulation Environment)是我们研究小组开发的一款用于模拟生物光学分子成像过程的软件平台,目前平台主要适用的成像模态为生物发光断层成像,不支持激发荧光成像过程的模拟,限制了平台的应用范围。本文工作重点之二是对MOSE进行改进和扩展,包括交互界面的重新设计和实现,以及将基于Monte Carlo方法的FMT前向算法整合到核心算法模块中。有了平台的支持,FMT前向过程模拟就可以更直观的展现出来,算法的进一步改进也有了更便捷直接的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章绪论
• 1.1 背景及意义
• 1.2 荧光探针介绍
• 1.3 激发荧光成像的背景及发展概况
• 1.4 本文主要工作
• 第二章激发荧光成像原理及算法介绍
• 2.1 激发荧光成像概述
• 2.1.1 激发荧光成像原理
• 2.1.2 激发荧光成像系统
• 2.2 激发荧光成像算法
• 2.2.1 数学模型
• 2.2.2 前向问题算法
• 2.2.3 逆向问题算法
• 2.3 本章小结
• 第三章基于Monte Carlo方法的激发荧光成像前向问题研究
• 3.1 Monte Carlo方法基本思想
• 3.2 Monte Carlo方法在FMT前向问题中的应用
• 3.2.1 激发光光子包的出射.
• 3.2.2 荧光光子包的产生
• 3.2.3 光子包在生物组织中的传播
• 3.3 Monte Carlo算法的设计流程
• 3.4 实验结果与对比分析
• 3.4.1 实验结果
• 3.4.2 对比验证
• 3.5 本章小结
• 第四章激发荧光成像前向算法在仿真平台中的实现
• 4.1 生物光学成像仿真平台MOSE概述
• 4.2 MOSE总体框架和数据结构介绍
• 4.2.1 仿真环境的建立
• 4.2.2 数据的读入写出
• 4.2.3 仿真算法
• 4.2.4 可视化处理
• 4.2.5 程序框架和交互界面.
• 4.3 MOSE交互界面设计
• 4.3.1 界面外观设计
• 4.3.2 界面框架和数据结构
• 4.4 激发荧光成像前向算法在平台的扩展
• 4.4.1 数据结构设计和实现
• 4.4.2 仿真界面设计
• 4.5 本章小结
• 第五章总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读期间的研究成果