生物发光断层成像的系统设计与算法研究

论文摘要

分子影像是继结构成像和功能成像后的新一代医学影像技术,涉及生物、医药、物理、化学、材料、信息等多个学科,能够在细胞和分子水平观测生物的生理变化过程,为定性或定量研究基因功能、新陈代谢、发病机理、疗效评估等提供信息获取与分析处理的新方法,将积极推动疾病的早期预警和靶向治疗,提高现有医疗卫生水平。分子影像的主要成像方式包括核素成像、磁共振成像和光学成像等。其中,三维光学断层成像由于在特异性、灵敏度、安全性和成本等方面的优势而成为目前的研究热点。本文的研究工作围绕生物发光断层成像而展开,集中在成像系统设计、数据采集与预处理、光源重建三个方面。通过发展多模态的成像方式,改善原始图像的信噪比,增加测量到的先验信息,开发新的生物发光断层成像重建算法,提高现有BLT问题的求解精度和计算效率。主要的工作内容包括:1.研究小动物micro-CT/BLT成像系统。设计并构建了一套用于小鼠成像的micro-CT/BLT的双模态成像原型系统,实现了结构成像和光学成像的同时进行。Micro-CT的空间分辨率很高,但目前不具备特异性;BLT的检测灵敏度高,但空间分辨率较低。两种成像模态具有良好的互补性,而且在成像结构上也便于集成。根据micro-CT和BLT的成像特点,制定了一套数据采集、图像处理和可视化操作流程,提高了原始图像的信噪比。2.提出一种基于高阶FEM的BLT正问题求解方法。BLT正问题的本质就是建立与求解生物组织中的光传输数学模型。该模型可以表示为稳态的漫射方程。h-FEM是最常见自适应有限元方法,通过减小网格尺寸以提高求解精度;p-FEM是另外一种自适应有限元方法,通过提高插值基函数的阶次来改善求解精度。本文提出了BLT正问题的hp-FEM求解方法,并通过数值实验探讨了p的最佳取值。此外,对于多光谱BLT正问题,提出一种基于光源加权的光学参数等效方法,将多光谱系统方程进行了降维处理,大幅减小了多光谱BLT正问题的计算量。3.提出一种两级hybrid-FEM光源重建算法。该算法是在本实验室现有的多层自适应hp-FEM光源重建算法基础上推导得出的。与多层自适应h-和hp-FEM重建算法相比,两级hybrid-FEM光源重建算法充分利用了线性Lagrange有限元的计算效率和二阶Lagrange有限元的求解精度,在第一级的线性网格上,保持网格结构不变,根据重建结果不断缩小初始的光源可行区;当光源可行区不再发生变化时,在缩小后的光源可行区内,对各单元改用二阶Lagrange插值基函数,以提高求解的精度和收敛速度。从而在最小限度改变初始网格的情况下,获得更加理想的求解结果和计算效率。4.实验验证了micro-CT/BLT成像系统和光源重建新算法。为了测试本文设计的原型系统和光源重建算法,以形状复杂的非匀质小鼠作为实验对象,经过事先标定过的光源采用人工植入的方式固定在小鼠体内,精确的位置可以通过micro-CT获取。通过BLT系统拍摄自发光光源的光学图像,micro-CT负责获取小鼠的解剖结构信息,采用两级hybrid-FEM光源重建算法反演出内部的光源分布。实验结果表明:原型系统可以满足双模态数据采集的需要,光源重建算法也能够获得较为理想的求解结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.1.1 分子影像的研究现状
• 1.1.2 分子影像的应用价值
• 1.2 分子影像研究内容
• 1.2.1 分子探针技术
• 1.2.2 分子成像方式
• 1.2.3 光学断层成像
• 1.3 本文主要研究工作
• 第二章 光学断层成像技术
• 2.1 引言
• 2.2 激发荧光断层成像
• 2.2.1 激发荧光的产生
• 2.2.2 FMT 成像系统
• 2.3 生物发光断层成像
• 2.3.1 生物发光的产生
• 2.3.2 BLT 成像系统
• 2.3.3 BLT 重建算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 Micro-CT/BLT 小动物成像系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 锥束平板micro-CT 系统的设计
• 3.2.1 X 光成像原理与CT 重建算法
• 3.2.2 Micro-CT 系统的硬件组成
• 3.2.3 二维图像预处理与三维重建
• 3.3 Micro-CT 系统的性能测试
• 3.3.1 空间分辨率
• 3.3.2 对比度分辨率
• 3.3.3 锥束重建伪影
• 3.4 BLT 成像系统的设计
• 3.4.1 BLT 系统的硬件组成
• 3.4.2 BLT 系统的数据采集
• 3.4.3 提高原始图像信噪比
• 3.4.4 BLT 图像预处理
• 3.5 生物发光成像在体实验
• 3.5.1 裸鼠皮下肿瘤实验
• 3.5.2 BLT 图像预处理
• 3.5.3 生物发光与白光图像融合
• 3.6 本章小结
• 第四章 BLT 正问题的建模与求解
• 4.1 引言
• 4.2 生物组织中的光传输理论
• 4.2.1 辐射传输方程
• 4.2.2 漫射近似理论
• 4.2.3 随机统计方法
• 4.3 漫射方程的求解
• 4.3.1 边界条件
• 4.3.2 解析解
• 4.3.3 数值解
• 4.4 BLT 正问题的FEM 数值解
• 4.4.1 有限元求解步骤
• 4.4.2 漫射方程数值解
• 4.4.3 Lagrange 插值基函数
• 4.5 BLT 正问题的求解结果
• 4.5.1 FEM 解与解析解的比较
• 4.5.2 高低阶FEM 解的收敛性
• 4.5.3 FEM 解与MC 解的比较
• 4.5.4 FEM 解与测量值的比较
• 4.6 多光谱系统方程的简化
• 4.6.1 算术平均法
• 4.6.2 光源加权法
• 4.6.3 仿真实验与结果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 BLT 的有限元光源重建算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 BLT 逆问题的理论模型
• 5.2.1 BLT 成像的逆源问题
• 5.2.2 BLT 逆问题数学模型
• 5.3 自适应有限元光源重建算法
• 5.3.1 求解目标函数
• 5.3.2 网格细分策略
• 5.3.3 收敛性分析
• 5.4 混合有限元光源重建算法
• 5.4.1 两级混合FEM 光源重建
• 5.4.2 混合FEM 算法的准确性
• 5.4.3 混合FEM 算法的鲁棒性
• 5.5 本章小结
• 第六章 生物发光断层成像的实验验证
• 6.1 引言
• 6.2 实验数据的采集
• 6.2.1 发光光源的选择
• 6.2.2 活体小鼠的植入光源实验
• 6.3 实验数据的处理
• 6.3.1 小鼠CT 体数据分割
• 6.3.2 四面体网格剖分
• 6.3.3 空间坐标变换
• 6.3.4 表面光强映射
• 6.4 单光源的重建结果
• 6.4.1 小鼠表面光强映射
• 6.4.2 小鼠组织光学参数
• 6.4.3 小鼠实验重建结果
• 6.5 双光源的重建结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果