【摘要】：分子影像(Molecular Imaging,MI)是一種新興的特異性成像技術。相比于傳統(tǒng)的醫(yī)學影像技術,分子影像結合了現(xiàn)代分子生物學技術,能夠在細胞分子層面上對成像對象進行無侵入式的連續(xù)動態(tài)觀測,目前已經廣泛的應用于疾病診療、藥物研發(fā)以及手術導航等多個領域。其中,以光作為成像媒介的光學分子影像技術由于其安全無輻射,成本低,靈敏度高等優(yōu)點在過去十幾年中取得了飛速的發(fā)展。作為光學分子影像的重要組成部分,激發(fā)熒光斷層成像(Fluorescence Molecular Tomography,FMT)能夠對生物體內特定的細胞分子進行三維空間觀測。近年來,雖然FMT從算法到應用都獲得了快速的發(fā)展,但由于重建模型及生物組織復雜性等原因,FMT的重建性能仍有待提高。本文針對如何提高FMT的成像效果及如何實現(xiàn)熒光光源形態(tài)學重建進行了研究,提出了基于組稀疏(Group Sparsity)先驗知識的激發(fā)熒光斷層成像重建模型,并根據(jù)該模型提出了基于L2,1范數(shù)正則化的組稀疏重建方法和基于融合LASSO的組稀疏重建方法。另一方面,為進一步驗證組稀疏模型相對于傳統(tǒng)稀疏模型的優(yōu)勢,本文提出了基于主加速近端梯度的稀疏重建方法,進一步提高了基于L1范數(shù)的激發(fā)熒光斷層成像方法的重建精度及魯棒性,并將該方法與基于L2,1范數(shù)正則化的組稀疏重建方法進行比較,更進一步的驗證組稀疏先驗知識在FMT重建中的效果。本文主要研究內容包含以下幾點:1.提出了基于組稀疏(Group Sparsity)先驗知識的激發(fā)熒光斷層成像重建模型。在FMT重建中,熒光光源具有特殊結構特性,具體表現(xiàn)為:1.熒光光源相對于整個重建區(qū)域來說是稀疏的;2.熒光光源內部是緊密耦合在一起并具有相同的光強值。因此,我們認為熒光光源區(qū)域可以作為一個整體參與模型的構建,因此具有組稀疏特性。利用組稀疏先驗知識,既保證了重建結果的稀疏性,能夠精確地定位腫瘤,提高重建效率,又使重建結果具有分段常數(shù)的特性,從而可以更加準確地重建出腫瘤的形態(tài)。2.提出基于L2,1范數(shù)正則化的組稀疏重建方法,該方法通過在目標函數(shù)中引入L2,1范數(shù)正則化項,能夠實現(xiàn)目標變量的組選擇能力,使重建結果不至于過度收斂,保證重建區(qū)域的邊界信息,從而實現(xiàn)FMT的形態(tài)學重建。數(shù)值仿真以及在體實驗表明基于L2,1范數(shù)的FMT重建方法較傳統(tǒng)的基于L2范數(shù)、L1范數(shù)方法可以有效提高定位精度和魯棒性,并且在熒光光源形態(tài)學重建上有較大提升。3.提出了基于融合拉索(Fused LASSO Method,FLM)的組稀疏重建方法,該方法在目標函數(shù)中加入融合LASSO懲罰項,既保證了重建結果的稀疏性,能夠精確地定位腫瘤,又使重建結果具有分段常數(shù)的特性,從而可以更加準確地重建出腫瘤的形態(tài)。數(shù)值仿真和肝原位瘤在體實驗證明該方法較傳統(tǒng)Tikhonov正則化方法和迭代收縮方法具有較好的重建精度和較高的重建效率,并且在腫瘤形態(tài)學重建上較傳統(tǒng)算法有較大優(yōu)勢。4.提出了一種基于主加速近端梯度的稀疏重建方法。該方法對L1范數(shù)正則化問題進行求解,利用當前及前一次的迭代結果得到搜索點s,然后利用L1正則化映射得到最優(yōu)解,從而更加快速、準確的得到最優(yōu)解,增強了重建結果的魯棒性,提高了重建精度,并將該方法與基于L2,1范數(shù)正則化的組稀疏重建方法進行比較,更進一步的驗證組稀疏先驗知識在FMT重建中的效果。
【圖文】：

波長在６５０ｎｍ－９００ｎｍ邋（即近紅外波段）時，生物組織中的血紅蛋白對光的吸收較逡逑弱，因此，處于這一波段的光在生物組織中的穿透能力變強，我們稱這一波段為逡逑生物組織光學窗［１３］，如圖１－１所示［１４］。近紅外波段光學分子影像克服了光在生物逡逑組織中穿透力較弱的缺點，為研究生物組織內部信息提供了條件。除吸收作用外，逡逑光在生物組織的傳播還會產生較嚴重的散射效應，當體內很小的一個光源發(fā)出的逡逑光到達物體表面時都會形成一個比光源大得多的光斑［１５］。因此，在光學分子影像逡逑的研究中，需要重點考慮光在生物組織內的吸收和散射作用。逡逑相比較于其他醫(yī)學成像模態(tài)，光學分子影像具有顯著優(yōu)勢，首先，與Ｘ射線逡逑成像、ＣＴ和核素成像相比，光學分子影像是一種無輻射的成像技術，不會對生物逡逑體造成額外損傷；其次，光學分子影像靈敏度高，可以實現(xiàn)疾病的早期檢測；第逡逑三

這類系統(tǒng)的特點是存在成像，成內才能進行成像。匹配液的光學特性參數(shù)要求與成像對象的光學特性參數(shù)相接近。逡逑這樣就避免了光從生物組織達到表面后發(fā)生嚴重的折射現(xiàn)象。通過加入匹配液，逡逑最終的成像對象就由原來的成像物體變?yōu)榱顺上裎矬w與匹配液整體，即整個成像逡逑腔。然后，通過光纖將激發(fā)光導入到成像腔內，并且將成像過程中的發(fā)射光也通逡逑過光纖導入到成像平板上，最后利用ＣＣＤ相機對成像平板進行成像。為了能夠增逡逑加己知數(shù)據(jù)量，降低重建誤差，通常需要在多個不同的位置激發(fā)成像物體，并采逡逑集對應的熒光測量數(shù)據(jù)。因此光控開關用于將激光導入不同的光纖，從而使激光逡逑導向不同的激發(fā)位置，每次成像只有一路光纖內包含激光。為了最大限度的避免逡逑激發(fā)光的千擾，，需要在成像時使用對應熒光探針發(fā)射波長的濾光片，從而增強熒逡逑光測量數(shù)據(jù)的信噪比。接觸式成像系統(tǒng)的優(yōu)點是通過成像腔及匹配液將成像對象逡逑的不規(guī)則表面規(guī)則化，降低了重建的復雜度。缺點是由于發(fā)射光本身是非常微弱逡逑的，匹配液的存在進一步削弱了熒光強度，從而降低激發(fā)熒光斷層成像的重建精逡逑度，而且匹配液的存在也增加了生物體活體成像的難度。其次，接觸式系統(tǒng)光纖逡逑數(shù)量有限，因此采集的到熒光測量數(shù)據(jù)有限，也為后續(xù)的斷層成像帶來了困難。逡逑
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;Q-334

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 劉建偉;崔立鵬;羅雄麟;;組稀疏模型及其算法綜述[J];電子學報;2015年04期

2 劉建偉;崔立鵬;劉澤宇;羅雄麟;;正則化稀疏模型[J];計算機學報;2015年07期

相關博士學位論文 前1條

1 安羽;無網格激發(fā)熒光斷層成像方法研究[D];北京交通大學;2017年

本文編號：2616000