介觀熒光分子層析成像是一種新興的光學(xué)分子成像技術(shù),它填補(bǔ)了顯微熒光分子成像技術(shù)和宏觀熒光分子成像技術(shù)之間的空白。相對(duì)于宏觀熒光分子成像技術(shù),介觀熒光分子層析成像技術(shù)能提供更高的分辨率,相對(duì)于顯微熒光分子成像技術(shù),介觀熒光分子層析成像技術(shù)的成像深度更深。為了使介觀熒光分子層析成像技術(shù)更好的應(yīng)用于腦功能成像,腫瘤早期檢測(cè)和藥物研發(fā)等生物醫(yī)學(xué)研究中,目前亟待建立一個(gè)高精度和高效率的介觀熒光分子層析成像理論模型和高性能的介觀熒光分子層析成像系統(tǒng)。本文主要圍繞上述兩個(gè)方面展開研究。首先,對(duì)可運(yùn)用于熒光分子層析成像的蒙特卡羅模型展開了研究�；谳椛鋫鬏斃碚�,對(duì)不同的蒙特卡羅模型進(jìn)行了推導(dǎo),著重對(duì)基于歷史路徑的熒光蒙特卡羅模型在熒光分子層析成像中的適用性進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明穩(wěn)態(tài)下熒光區(qū)域的背景介質(zhì)吸收系數(shù)可忽略時(shí)三種微擾熒光蒙特卡羅模型等效,解耦合熒光蒙特卡羅模型是最適用于熒光分子層析成像的模型。為了得到高精度的介觀熒光分子層析成像結(jié)果,提出了基于解耦合熒光蒙特卡羅模型的介觀熒光分子層析成像方法。首次將解耦合熒光蒙特卡羅模型用于介觀熒光分子成像的前向模擬和圖像重建。模擬結(jié)果表明基于解耦合熒光蒙特卡羅模型的介觀熒光分子層析成像方法能得到高精度的前向模擬和圖像重建結(jié)果。為了提高介觀熒光分子層析成像的圖像重建效率,開發(fā)了三級(jí)并行架構(gòu),并提出了基于三級(jí)并行架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),讀寫,傳遞優(yōu)化處理方法以提高數(shù)據(jù)處理效率。同時(shí),為了解決介觀熒光分子層析成像圖像重建過(guò)程中數(shù)據(jù)量巨大的問題,提出了歷史路徑預(yù)處理方法以壓縮數(shù)據(jù)量。模擬結(jié)果驗(yàn)證了上述方法對(duì)減少介觀熒光分子層析成像圖像重建時(shí)間的有效性。最后,設(shè)計(jì)并研制了一套介觀熒光分子層析成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)使用半導(dǎo)體激光器作為光源,使用EMCCD相機(jī)作為探測(cè)器,使用雙軸振掃描光源,以實(shí)現(xiàn)快速、大視場(chǎng)、高靈敏度數(shù)據(jù)采集。同時(shí)為了將Micro-CT系統(tǒng)獲取的結(jié)構(gòu)先驗(yàn)信息引入到介觀熒光分子層析成像的圖像重建中,提出了一種適用于介觀熒光分子層析成像系統(tǒng)和Micro-CT系統(tǒng)組成的雙模式成像系統(tǒng)的幾何校共準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明介觀熒光分子層析成像系統(tǒng)在1-3mm成像深度達(dá)到100-300μm橫向和軸向的分辨率,且能精確的定位熒光目標(biāo)物位置,定量熒光目標(biāo)物濃度。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP391.41;O439
【部分圖文】：

圖 2.1 光與生物組織的相互作用[16]Figure 2.1 Interaction between light and biological tissue.組織對(duì)光的吸收效應(yīng)的吸收是指光在通過(guò)生物組織時(shí)，其中部分光能轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)或分子導(dǎo)致光的強(qiáng)度衰減。吸收系數(shù)定義為介質(zhì)中每單位路徑長(zhǎng)度上光子吸是 mm-1或 cm-1。于單個(gè)吸收體，還可以用吸收截面a 代表吸收能力。單個(gè)吸收體的吸面積g 和吸收效率因子aQ 的關(guān)系為a a g Q 。而對(duì)于含多個(gè)吸收體的介質(zhì)，吸收系數(shù)與吸收截面的關(guān)系為a a a N 。光在吸收介質(zhì)中以用下式描述adIdxI

中我們列出了各組織光學(xué)參數(shù)的固定值，其余光學(xué)參數(shù)如 g設(shè)為 0.9，折射率設(shè)為 1.37，均為近紅外光譜下生物組織光學(xué)參數(shù)的典型值。圖2.2 由骨骼（黃色），肺（藍(lán)色），心臟（紅色）和肌肉（綠色）組成的仿體模型。熒光團(tuán)位于肺部。Figure 2.2 The phantom composed of bone (yellow), lungs (blue), heart (red) and muscle (green). Thefluorophore is located at the lungs.表 2.1 組織光學(xué)參數(shù)的固定值。Table 2.1 The fixed value of the tissue optical parameters.區(qū)域激發(fā)光波段 熒光波段1( )exa cm 1( )exs cm 1( )ema cm 1( )ems cm 肌肉 0.18 100 0.18 100肺 0.33 200 0.33 200心臟 0.19 76 0.19 76骨骼 0.02 180 0.02 180（3）計(jì)算效率比較

810 個(gè)光子數(shù)進(jìn)行模擬。圖2.3 微擾熒光蒙特卡羅模型和解耦合熒光蒙特卡羅模型中不同光子數(shù)下的探測(cè)器平均誤差。Figure 2.3 Mean error at the detectors versus number of photons for pfMC and dfMC models.（4）計(jì)算精度比較熒光團(tuán)的吸收系數(shù)增加，會(huì)提高熒光的激發(fā)效率，使得探測(cè)器所探測(cè)的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)基于歷史路徑信息的熒光蒙特卡羅模型的計(jì)算精度會(huì)造成影響。我們改變熒光團(tuán)的吸收系數(shù)，結(jié)果如圖 2.4 所示。隨著熒光團(tuán)的吸收系數(shù)增加，微擾熒光蒙特卡羅模型的平均誤差e 逐漸減小，解耦合熒光蒙特卡羅模型的平均誤差e 變化較小，趨于平穩(wěn)。整體來(lái)說(shuō)，熒光團(tuán)的吸收系數(shù)的越大，微擾熒光蒙特卡羅模型計(jì)算精度越高，而解耦合熒光蒙特卡羅法對(duì)熒光團(tuán)的吸收系數(shù)變化不敏感。

【參考文獻(xiàn)】

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1 賈夢(mèng)宇;崔姍姍;陳雪影;劉明;周曉青;趙會(huì)娟;高峰;;Image reconstruction method for laminar optical tomography with only a single Monte-Carlo simulation[J];Chinese Optics Letters;2014年03期

2 王德,李學(xué)千;半導(dǎo)體激光器的最新進(jìn)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J];光學(xué)精密工程;2001年03期

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1 李海龍;雙振鏡激光3D圖像傳感器空間信息提取與校正技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

2 崔姍姍;面向早期宮頸癌檢測(cè)的薄層光學(xué)層析成像技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2014年

3 李洋;大功率半導(dǎo)體激光器調(diào)制技術(shù)研究[D];長(zhǎng)春理工大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2833598