發(fā)布時間：2017-03-31 07:00

  本文關(guān)鍵詞：高精度錐束X射線發(fā)光斷層成像關(guān)鍵問題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光學(xué)分子成像(Optical molecular imaging,OMI)是分子影像學(xué)的一個重要的分支,它利用光學(xué)探針標(biāo)記生物體內(nèi)的特定分子,通過體外的成像系統(tǒng)檢測分子探針的分布和變化,實現(xiàn)在細(xì)胞和分子水平對生物體進(jìn)行在體成像觀察和定量分析。近年來,隨著納米熒光粉研究和光學(xué)分子影像學(xué)研究的深入,一種將具有高度特異性的光學(xué)分子影像和高分辨率的CT成像結(jié)合的雙模態(tài)成像技術(shù)—X射線發(fā)光斷層成像(X-ray luminescence computed tomography,XLCT)引起了廣泛關(guān)注。XLCT利用X射線激發(fā)成像物體內(nèi)部的納米熒光粉使之發(fā)光,光子到達(dá)成像物體表面被光學(xué)相機(jī)探測進(jìn)而重建得到光學(xué)斷層圖像,穿過物體的X射線被探測并重建得到CT斷層圖像,將兩種模態(tài)圖像融合得到XLCT斷層成像。與傳統(tǒng)的光學(xué)分子成像技術(shù)相比,XLCT在以下方面具有優(yōu)勢,一是X射線良好的穿透性和選擇性激發(fā),使得XLCT具有更深的成像深度和較高的成像分辨率;二是使用X射線激發(fā),消除了熒光分子成像中的自體熒光以及背景熒光的干擾,有助于提高成像的對比度和分辨率;三是XLCT成像能在得到高分辨率的解剖圖像的同時得到功能方面的分子影像信息。此外,納米發(fā)光材料近年來的快速的發(fā)展也使得XLCT在小動物分子成像等領(lǐng)域有著廣泛前景和巨大潛力。錐束xlct因其成像高效和相對易實現(xiàn),自2013年提出以來發(fā)展迅速,逐漸成為目前xlct研究的主流,系統(tǒng)主要由x射線源,x射線探測器,旋轉(zhuǎn)臺,光學(xué)相機(jī)等部分組成。目前相關(guān)研究已經(jīng)基本建立了錐束xlct的成像模型和重建框架,并且在仿真和單目標(biāo)仿體成像上取得了一定進(jìn)展,實現(xiàn)了高效率成像。但是錐束xlct存在成像精度低的問題。針對這一問題,本文搭建了錐束xlct系統(tǒng)并展開了相應(yīng)的高精度成像研究,主要工作如下:(1)錐束xlct成像系統(tǒng)搭建為深入研究錐束xlct的重建算法,提高其成像精度,本文首先實現(xiàn)了錐束xlct系統(tǒng)的搭建。該系統(tǒng)由錐束micro-ct系統(tǒng)和光學(xué)成像系統(tǒng)組成。為了克服錐束xlct系統(tǒng)幾何位置不準(zhǔn)確對其成像精度的影響,本文對其進(jìn)行了幾何校正,確定了各個組件的幾何位置和準(zhǔn)確的幾何參數(shù),并對ct/光學(xué)雙模態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了配準(zhǔn),實現(xiàn)了錐束xlct系統(tǒng)的搭建;最后,針對xlct系統(tǒng)開發(fā)了一個數(shù)據(jù)采集、投影仿真和數(shù)據(jù)重建一體化的軟件平臺。(2)錐束xlct成像模型求解根據(jù)錐束xlct的成像模型,本文建立了基于有限元方法的錐束xlct正問題仿真數(shù)學(xué)模型和基于最優(yōu)化方法和tikhonov正則化的逆問題重建算法。數(shù)值仿真和重建結(jié)果證明了該方法的有效性。(3)錐束xlct的散射校正x射線散射不僅給ct成像帶來偽影,而且會影響xlct的成像精度。本文通過蒙特卡洛仿真研究了勻質(zhì)仿體內(nèi)部散射存在時的x射線強(qiáng)度分布,提出了基于衰減板校正的錐束xlct散射校正方案。仿體實驗的重建結(jié)果表明,該方法有效降低了重建誤差。(4)基于主成分分析的雙目標(biāo)xlct成像解析藥物在不同器官中的聚集是光學(xué)分子影像的一個重要研究內(nèi)容。然而xlct重建存在的嚴(yán)重病態(tài)性以及光子傳播的高度散射和吸收等問題導(dǎo)致錐束xlct成像分辨率低。針對在體成像中相鄰器官往往會累積不同濃度藥物的特點,本文利用不同濃度的納米熒光粉在不同電壓激發(fā)下發(fā)光效率不同的性質(zhì),將主成分分析方法引入分析xlct的重建數(shù)據(jù),實現(xiàn)了近距離下不同濃度納米熒光粉分布的空間解析,提高了錐束XLCT的成像精度。綜上所述,本文基于自主搭建的錐束XLCT成像系統(tǒng)和仿真系統(tǒng),建立了錐束XLCT系統(tǒng)的正向投影和逆向求解模型,并通過仿真實驗和仿體實驗證明了成像模型的有效性;針對X射線散射對XLCT精度的影響,提出抑制散射的方法,提高了成像的定位精度;同時利用主成分分析方法提高了錐束XLCT成像的分辨率;以上方法的實施提高了錐束XLCT的成像精度。
【關(guān)鍵詞】：X射線 斷層成像 光學(xué)成像 高精度 重建 散射 主成分分析
【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41;O434.1
【目錄】：

• 縮略語表4-6
• 中文摘要6-9
• Abstract9-12
• 前言12-15
• 文獻(xiàn)回顧15-23
• 1 XLCT成像原理15-16
• 2 XLCT發(fā)展現(xiàn)狀16-21
• 2.1 XLCT系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀16-20
• 2.2 XLCT成像算法的研究進(jìn)展20-21
• 2.3 小結(jié)21
• 3 目前XLCT研究存在的問題21-22
• 4 論文的研究目標(biāo)22-23
• 第一部分 錐束XLCT成像系統(tǒng)搭建23-38
• 1.1 引言23
• 1.2 XLCT系統(tǒng)幾何校正23-31
• 1.3 CT/光學(xué)雙模系統(tǒng)配準(zhǔn)31-32
• 1.4 XLCT數(shù)據(jù)采集重建一體化軟件平臺開發(fā)32-35
• 1.5 小結(jié)與討論35-38
• 第二部分 錐束XLCT成像模型及求解38-47
• 2.1 引言38
• 2.2 錐束XLCT的正問題38-42
• 2.3 錐束XLCT的逆問題42-45
• 2.4 小結(jié)與討論45-47
• 第三部分 錐束XLCT的散射校正47-52
• 3.1 引言47
• 3.2 勻質(zhì)仿體中X射線強(qiáng)度分布仿真47-49
• 3.3 錐束XLCT散射校正實驗49-51
• 3.4 小結(jié)與討論51-52
• 第四部分 基于主成分分析的XLCT成像52-59
• 4.1 引言52-53
• 4.2 不同濃度的納米熒光粉的XLCT成像實驗53-58
• 4.3 小結(jié)與討論58-59
• 總結(jié)與討論59-61
• 參考文獻(xiàn)61-68
• 個人簡歷和研究成果68-69
• 致謝69

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