【摘要】：光學(xué)分子影像是一種新興的在體無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù),可以在細(xì)胞分子水平上實(shí)現(xiàn)生物體生理及病理活動(dòng)的在體動(dòng)態(tài)檢測(cè)。相比于傳統(tǒng)的成像模態(tài),光學(xué)分子影像技術(shù)由于具有無輻射、高靈敏度、高特異性、低成本等特點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于早期疾病診斷、腫瘤檢測(cè)及藥物研發(fā)等領(lǐng)域。三維光學(xué)分子影像技術(shù)由于具備對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行定位和定量分析的能力,已成為光學(xué)分子影像技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一。但是,由于光子在生物體內(nèi)傳輸過程的復(fù)雜性,以及光學(xué)測(cè)量信息的不完整性,導(dǎo)致三維光學(xué)重建是一個(gè)嚴(yán)重的病態(tài)逆問題。如何建立準(zhǔn)確適當(dāng)?shù)那跋蚬鈧鬏斈Ｐ筒@取準(zhǔn)確的重建結(jié)果是三維光學(xué)分子影像技術(shù)的核心問題。本文三維光學(xué)重建問題展開研究,主要研究工作如下：針對(duì)擴(kuò)散近似模型及其有限元求解方法存在的局限性,采用擴(kuò)展有限元方法求解簡(jiǎn)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(jì)算的效率。在此方法中,通過符號(hào)距離函數(shù)來反映靠近邊界的四面體節(jié)點(diǎn)與邊界的距離關(guān)系,利用符號(hào)距離函數(shù)構(gòu)成擴(kuò)展有限元的富集基函數(shù)；將富集函數(shù)加入到標(biāo)準(zhǔn)有限元的基函數(shù)當(dāng)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(dá)；最后采用高斯積分計(jì)算SPN方程的弱形式,建立系統(tǒng)方程。由于在整個(gè)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(jì)算效率。仿體和數(shù)字鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了擴(kuò)展有限元方法的高效性。針對(duì)自適應(yīng)有限元計(jì)算中誤差估計(jì)不足的問題,提出了基于雙網(wǎng)格自適應(yīng)有限元的生物發(fā)光斷層成像(Bioluminescence Tomography, BLT)算法�；跀U(kuò)散近似模型的BLT算法多采用有限元方法進(jìn)行求解,其中,有限元網(wǎng)格的精細(xì)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(xì)的網(wǎng)格和過高階次插值會(huì)增加系統(tǒng)方程未知量的個(gè)數(shù),反而加重BLT重建的病態(tài)性。自適應(yīng)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(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算效率。誤差估計(jì)是自適應(yīng)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(jì)方法作為指示器,有效的避免了單一誤差估計(jì)方法的不足；同時(shí),網(wǎng)格的細(xì)分也根據(jù)指示器在兩個(gè)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(xì)分。網(wǎng)格細(xì)分后,再結(jié)合智能的光源可行區(qū)減小策略,最終獲取較準(zhǔn)確和穩(wěn)定的結(jié)果。本文通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)和真實(shí)小鼠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的優(yōu)越性。針對(duì)傳統(tǒng)擴(kuò)散近似模型與Tikhonov正則化方法的局限性,提出了一種基于簡(jiǎn)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(dǎo)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(guān)系,同時(shí)在圖像重建過程中引入結(jié)構(gòu)先驗(yàn)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(jié)構(gòu)先驗(yàn)信息,得到更加準(zhǔn)確可靠的定量定位重建結(jié)果,提高了圖像的分辨率。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的魯棒性和準(zhǔn)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(jié)果分布范圍較大,能量重建平滑,不適應(yīng)BLT重建目標(biāo)稀疏的特點(diǎn)。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(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法、迭代收縮閾值法和截?cái)嗯ｎD內(nèi)點(diǎn)法。在基于數(shù)字鼠的仿真實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試了五種方法對(duì)不同水平程度的噪聲和正則化參數(shù)的魯棒性。結(jié)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(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP391.41
【圖文】：

接著利用重建算法對(duì)靴向分子進(jìn)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(xì)胞水平上反映特異性分子的活動(dòng)。逡逑在對(duì)疾病的起因，產(chǎn)生，發(fā)展等一系列特征進(jìn)行生理和病理學(xué)研究時(shí)，分子逡逑影像可Ｗ提供分子或細(xì)胞水平的觀測(cè)，不僅如此，分子影像還具有無創(chuàng)，實(shí)時(shí)，逡逑在體，可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。這些為研究生物生長(zhǎng)，基因功能，疾病發(fā)展，藥物療效及逡逑動(dòng)力學(xué)變化提供了新的信息獲取方式和分析手段，這對(duì)于藥物研發(fā)，療效評(píng)估和逡逑疾病監(jiān)測(cè)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(xì)胞水平上對(duì)生物逡逑學(xué)過程進(jìn)行探測(cè)研究的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)都屬于分子影像的范疇�，F(xiàn)有的分子影像技逡逑術(shù)主要包括核素成像（單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像，正電子發(fā)射斷層成像），核x镥義瞎艙癯上�，超声成像爹o�。每种成细]際踉誄上穹直媛�，成弦d疃齲璞賦殺荊義狹槊舳齲匾煨裕猿上裉宓奈：Φ確矯婢興煌�，具有各拙壞特点。光学钒櫫x獻(xiàn)映上褚蚱涑上窳槊舳雀擼璞賦殺鏡�，块W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(dān)蒎義銜蒲�，医学研究，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(hào)：2765496