【摘要】：光學分子影像是一種新興的在體無創(chuàng)檢測技術,可以在細胞分子水平上實現(xiàn)生物體生理及病理活動的在體動態(tài)檢測。相比于傳統(tǒng)的成像模態(tài),光學分子影像技術由于具有無輻射、高靈敏度、高特異性、低成本等特點,目前已廣泛應用于早期疾病診斷、腫瘤檢測及藥物研發(fā)等領域。三維光學分子影像技術由于具備對靶標進行定位和定量分析的能力,已成為光學分子影像技術研究的熱點問題之一。但是,由于光子在生物體內(nèi)傳輸過程的復雜性,以及光學測量信息的不完整性,導致三維光學重建是一個嚴重的病態(tài)逆問題。如何建立準確適當?shù)那跋蚬鈧鬏斈Ｐ筒@取準確的重建結果是三維光學分子影像技術的核心問題。本文三維光學重建問題展開研究,主要研究工作如下：針對擴散近似模型及其有限元求解方法存在的局限性,采用擴展有限元方法求解簡化球諧波近似(Simplified spherical harmonics equations, SPN)方程,避免了內(nèi)部網(wǎng)格的生成過程,有效的提高了計算的效率。在此方法中,通過符號距離函數(shù)來反映靠近邊界的四面體節(jié)點與邊界的距離關系,利用符號距離函數(shù)構成擴展有限元的富集基函數(shù)；將富集函數(shù)加入到標準有限元的基函數(shù)當中,因而被邊界切割的四面體被“富集”,生物組織的內(nèi)部邊界信息也被富集函數(shù)所表達；最后采用高斯積分計算SPN方程的弱形式,建立系統(tǒng)方程。由于在整個過程中有效的避免了內(nèi)部網(wǎng)格生成過程,此方法可有效提高計算效率。仿體和數(shù)字鼠實驗結果驗證了擴展有限元方法的高效性。針對自適應有限元計算中誤差估計不足的問題,提出了基于雙網(wǎng)格自適應有限元的生物發(fā)光斷層成像(Bioluminescence Tomography, BLT)算法�；跀U散近似模型的BLT算法多采用有限元方法進行求解,其中,有限元網(wǎng)格的精細程度和插值基函數(shù)的階次決定了有限元方法的精度,但過細的網(wǎng)格和過高階次插值會增加系統(tǒng)方程未知量的個數(shù),反而加重BLT重建的病態(tài)性。自適應求解方法在誤差較大的區(qū)域增加網(wǎng)格或基函數(shù)階次,在誤差較低的區(qū)域使用粗網(wǎng)格,能夠在保證計算精度的同時提高計算效率。誤差估計是自適應求解方法的核心,本文綜合使用了最大值選取方法和Kelly的誤差估計方法作為指示器,有效的避免了單一誤差估計方法的不足；同時,網(wǎng)格的細分也根據(jù)指示器在兩個網(wǎng)格上交替執(zhí)行,有效的避免了在同一網(wǎng)格上的過度細分。網(wǎng)格細分后,再結合智能的光源可行區(qū)減小策略,最終獲取較準確和穩(wěn)定的結果。本文通過數(shù)值實驗和真實小鼠實驗驗證了該算法的優(yōu)越性。針對傳統(tǒng)擴散近似模型與Tikhonov正則化方法的局限性,提出了一種基于簡化球諧波近似與Laplace正則化的熒光分子斷層成像(Fluorescence Molecular Tomography, FMT)方法。根據(jù)SPN近似模型,推導得出了表面熒光數(shù)據(jù)與內(nèi)部未知熒光光源的線性關系,同時在圖像重建過程中引入結構先驗信息,有效的降低了問題的不適定性,最后利用最小二乘QR分解(Least Square QR decomposition, LSQR)方法求解。相比于傳統(tǒng)的Tikhonov正則化方法,該方法能夠充分利用結構先驗信息,得到更加準確可靠的定量定位重建結果,提高了圖像的分辨率。數(shù)值實驗結果證明了該方法的魯棒性和準確性。BLT重建方法多采用基于易的正則化方法,但該類方法的重建結果分布范圍較大,能量重建平滑,不適應BLT重建目標稀疏的特點。本文基于壓縮感知理論,利用生物發(fā)光光源的稀疏分布特性,研究了基于l1正則化的重建方法。論文研究了五種l1正則化方法,分別為同倫方法、正交匹配追蹤方法、初始對偶內(nèi)點法、迭代收縮閾值法和截斷牛頓內(nèi)點法。在基于數(shù)字鼠的仿真實驗中,測試了五種方法對不同水平程度的噪聲和正則化參數(shù)的魯棒性。結果表明,同倫方法和迭代收縮閾值方法的綜合性能要高于其他三種l1正則化方法。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【圖文】：

接著利用重建算法對靴向分子進行定量與定位重建并獲取分子探針的信息，逡逑因而能夠在分子或細胞水平上反映特異性分子的活動。逡逑在對疾病的起因，產(chǎn)生，發(fā)展等一系列特征進行生理和病理學研究時，分子逡逑影像可Ｗ提供分子或細胞水平的觀測，不僅如此，分子影像還具有無創(chuàng)，實時，逡逑在體，可重復等優(yōu)點。這些為研究生物生長，基因功能，疾病發(fā)展，藥物療效及逡逑動力學變化提供了新的信息獲取方式和分析手段，這對于藥物研發(fā)，療效評估和逡逑疾病監(jiān)測是一種新的途徑。逡逑根據(jù)Ｗｅｉｓｓｌｅｄｅｒ提出的分子影像的概念，凡是能夠在分子或細胞水平上對生物逡逑學過程進行探測研究的醫(yī)學成像技術都屬于分子影像的范疇�，F(xiàn)有的分子影像技逡逑術主要包括核素成像（單光子發(fā)射計算機斷層成像，正電子發(fā)射斷層成像），核x镥義瞎艙癯上瘢上竦鵲�。每种成细]際踉誄上穹直媛剩上襠疃齲璞賦殺荊義狹槊舳齲匾煨�，对成像体的危害荡_矯婢興煌哂懈髯緣奶氐�。光学钒櫫x獻映上褚蚱涑上窳槊舳雀擼璞賦殺鏡停閃鄄�，诧喛方法简单，无福蓽Z儒義戲矯嫻撓攀貧竦霉惴旱墓刈ⅲ簦鰲澹�，并哉熱熷小动物成像烦C婢哂兄匾壑擔蒎義銜蒲В窖а芯�，药物疗效茢r賴忍峁┝擻行У難芯抗ぞ�。辶x锨桑藻危校疲裕茫蟈義

本文編號：2765496