本文關(guān)鍵詞：生物組織中混合光傳輸模型及其光學(xué)三維成像方法

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【摘要】：作為一種新興的分子影像技術(shù),光學(xué)分子成像由于具有高靈敏度、高特異性、低成本、簡單易操作等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在基因表達(dá)、腫瘤檢測以及藥物研發(fā)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。作為一種在分子或者細(xì)胞水平上的成像技術(shù),三維光學(xué)分子成像不僅能看到腫瘤在體內(nèi)的位置,還能夠直觀地再現(xiàn)特定細(xì)胞、分子的表達(dá)和活性,以及與腫瘤生物學(xué)行為相關(guān)的生理過程。因此,三維光學(xué)分子成像技術(shù)在胃癌早期檢測與診斷中將有著非常大的應(yīng)用潛力與前景。然而,在胃癌的三維光學(xué)分子成像過程中,胃空腔特性將會帶來很大的影響,導(dǎo)致胃癌三維光學(xué)分子成像的定位和定量分析不準(zhǔn)確；同時,生物體體表測量到的光學(xué)信號的嚴(yán)重不充足,將會為胃癌這類深層病變的三維光學(xué)分子成像帶來重建問題的嚴(yán)重病態(tài)性,從而影響三維成像定位和定量精度。本文以原位胃癌的快速準(zhǔn)確三維成像為特定目標(biāo),針對胃癌三維光學(xué)分子成像面臨的挑戰(zhàn)性問題：空腔以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)和測量數(shù)據(jù)不充足帶來的三維成像精度差問題,主要開展高效、準(zhǔn)確的生物組織光傳輸模型及其三維光學(xué)成像重建方法研究。準(zhǔn)確高效的三維光學(xué)分子成像嚴(yán)重依賴于生物組織中光傳輸模型的準(zhǔn)確性。因此,如何建立準(zhǔn)確、高效的光傳輸模型是構(gòu)建準(zhǔn)確、快速的三維光學(xué)分子成像方法與技術(shù)的核心任務(wù)和首要前提,因此,本文的主要工作如下：1.針對已有生物組織光學(xué)特性參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)的模糊性以及無法準(zhǔn)確對擴(kuò)散方程(Diffusion approximation, DA)和簡化球諧波方程(Simplified spherical harmonics approximation, SPN)方程的性能進(jìn)行有效評價的問題,提出了一種新的生物組織光學(xué)特性參數(shù)的分類標(biāo)準(zhǔn),并基于該分類標(biāo)準(zhǔn)對SP3和DA方程進(jìn)行了系統(tǒng)性的性能評價。在新的分類標(biāo)準(zhǔn)中,根據(jù)生物組織吸收參數(shù)和約化散射系數(shù)的絕對值進(jìn)行分類,能夠準(zhǔn)確直觀的描述生物組織所具有的吸收特性和散射特性的雙重屬性。根據(jù)新的標(biāo)準(zhǔn),生物組織被分成高散射-高吸收、高散射-低吸收、低散射-高吸收、低散射-低吸收四大類(分類中不包含空腔區(qū)域)�；谛碌姆诸悩�(biāo)準(zhǔn),對SP3和DA方程的適用性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和評價。通過大量的仿真數(shù)據(jù)分析,并與傳統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,證明了新的分類標(biāo)準(zhǔn)能夠更準(zhǔn)確的對SP3和DA方程的適用范圍和性能進(jìn)行評價。2.針對原位胃癌三維光學(xué)分子成像的空腔問題,基于擴(kuò)散近似-輻射度理論混合光傳輸模型(Hybrid radiosity-diffusion method, HRDM),系統(tǒng)定量地探討了空腔對光傳輸模型的影響。同時將HRDM模型首次推廣到復(fù)雜的數(shù)字鼠模型上進(jìn)行應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)空腔的尺寸超過某個范圍時(1-2個自由程),空腔的存在對光傳輸模型的影響不可忽略。最后,通過三維光學(xué)三維成像實(shí)驗(yàn)證明了基于HRDM模型的三維光學(xué)重建算法相比于基于DA的三維光學(xué)重建算法,重建精度了得到了很大的改善。3.針對DA方程在描述復(fù)雜生物組織中光傳輸過程的局限性,即HRDM模型僅適用于高散射-空腔組成的渾濁介質(zhì),利用更高階的SPN方程代替DA方程,構(gòu)建了適用范圍更廣的簡化球諧波近似-輻射度理論混合光傳輸(Hybrid SPN-radiosity method, HSRM)模型及其相應(yīng)的三維光學(xué)分子成像方法。在HSRM模型中,SPN方程用來描述光在散射介質(zhì)中的傳輸過程,而輻射度理論用來描述光在空腔內(nèi)的直線傳輸過程；通過在散射組織和空腔區(qū)域的邊界上構(gòu)造邊界條件將這兩種不同的光傳輸方程耦合,形成混合光傳輸模型。通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)仿體實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了HSRM模型的準(zhǔn)確性和有效性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HSRM模型比HRDM模型具有更廣的適用范圍和更高的精度。最后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于HSRM模型的三維光學(xué)分子成像方法能夠在定位和定量上都有很大的改善。4.針對HSRM模型計(jì)算效率相對較低的問題和HRDM模型適用范圍局限性問題,提出了一種兼顧兩者優(yōu)點(diǎn)的自適應(yīng)混合光傳輸模型及其相應(yīng)的光學(xué)三維成像方法。所謂的自適應(yīng)是指根據(jù)生物組織的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和光學(xué)參數(shù)特異性,選擇最合適的光傳輸模型描述光在這類組織中的傳輸過程。在自適應(yīng)混合光傳輸模型中,首先根據(jù)生物組織的光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性將生物組織分成不同的類型；其次,對不同類型的生物組織選取合適的光傳輸近似模型,例如在高散射組織中采用DA方程,在低散射(高吸收)介質(zhì)中采用SPN方程,在空腔區(qū)域中采用輻射度理論方程；第三,在不同類型的組織邊界上構(gòu)造相應(yīng)的邊界條件將不同的光傳輸方程耦合形成統(tǒng)一的自適應(yīng)混合光傳輸模型。大量的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該自適應(yīng)混合光傳輸模型不僅能夠保證準(zhǔn)確性,而且還能夠提高計(jì)算效率。原位胃癌的在體連續(xù)定量觀測實(shí)驗(yàn)證明了基于自適應(yīng)混合光傳輸模型的三維光學(xué)分子成像方法能夠?qū)υ晃赴┻M(jìn)行快速準(zhǔn)確的定位與定量成像,同時證明了該方法在原位胃癌三維成像方面的較大應(yīng)用潛力和前景。
【關(guān)鍵詞】：混合光傳輸模型 空腔 輻射度理論 擴(kuò)散近似 簡化球諧波近似
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 縮略語對照表12-16
• 第一章 緒論16-24
• 1.1 選題背景及研究意義16-19
• 1.2 生物組織中光傳輸模型的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展19-21
• 1.3 本文的主要研究工作21-24
• 第二章 擴(kuò)散近似和簡化球諧波近似性能的評價24-40
• 2.1 引言24-25
• 2.2 擴(kuò)散近似和簡化球諧波近似25-28
• 2.2.1 擴(kuò)散近似25
• 2.2.2 簡化球諧波近似25-28
• 2.2.3 光傳輸模型的求解方法28
• 2.3 生物組織的光學(xué)特性參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)28-30
• 2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析30-38
• 2.4.1 光學(xué)特性分類30-31
• 2.4.2 SP_3方程和DA方程適用性的研究31-38
• 2.5 本章總結(jié)38-40
• 第三章 擴(kuò)散近似-輻射度理論混合光傳輸模型及其三維光學(xué)成像方法40-56
• 3.1 引言40-41
• 3.2 擴(kuò)散近似-輻射度理論混合光傳輸模型41-44
• 3.2.1 輻射度理論41-42
• 3.2.2 基于擴(kuò)散近似-輻射度理論的混合光傳輸模型42
• 3.2.3 擴(kuò)散近似-輻射度理論混合光傳輸模型的有限元求解42-44
• 3.2.4 基于擴(kuò)散近似-輻射度理論的三維光學(xué)重建方法44
• 3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析44-54
• 3.3.1 HRDM光傳輸模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證45-47
• 3.3.2 空腔大小對光傳輸模型的影響47-52
• 3.3.3 空腔對三維光學(xué)成像的影響52-54
• 3.4 總結(jié)與討論54-56
• 第四章 簡化球諧波近似-輻射度理論混合光傳輸模型及其三維光學(xué)成像方法56-74
• 4.1 引言56-57
• 4.2 簡化球諧波近似-輻射度理論混合光傳輸模型57-60
• 4.2.1 散射區(qū)域與空腔區(qū)域的邊界耦合條件57
• 4.2.2 簡化球諧波近似-輻射度理論的混合光傳輸模型57-58
• 4.2.3 簡化球諧波近似-輻射度理論混合光傳輸模型的有限元方法的數(shù)值求解58-59
• 4.2.4 基于簡化球諧波近似-輻射度理論混合光傳輸模型的三維光學(xué)重建方法59-60
• 4.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析60-72
• 4.3.1 HSRM方法準(zhǔn)確性的驗(yàn)證61-67
• 4.3.2 HSRM方法適用性的實(shí)驗(yàn)67-70
• 4.3.3 光源深度對光傳輸?shù)挠绊?/span>70-71
• 4.3.4 基于數(shù)字鼠仿體的三維光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)71-72
• 4.4 總結(jié)與討論72-74
• 第五章 自適應(yīng)混合光傳輸模型及其三維光學(xué)成像方法74-98
• 5.1 引言74-75
• 5.2 自適應(yīng)混合光傳輸模型及其三維光學(xué)成像方法75-83
• 5.2.1 自適應(yīng)混合光傳輸模型的概念75-76
• 5.2.2 生物組織的分類76-77
• 5.2.3 自適應(yīng)混合光傳輸模型77-80
• 5.2.4 基于自適應(yīng)混合光傳輸模型的有限元求解80-82
• 5.2.5 基于自適應(yīng)混合光傳輸模型的三維光學(xué)重建方法82-83
• 5.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析83-97
• 5.3.1 自適應(yīng)混合光傳輸模型及其三維光學(xué)成像方法的研究83-94
• 5.3.2 基于自適應(yīng)混合光傳輸模型的三維光學(xué)成像在胃癌的連續(xù)觀測中的應(yīng)用94-97
• 5.4 總結(jié)與討論97-98
• 第六章 總結(jié)與展望98-102
• 6.1 本文的工作總結(jié)98-99
• 6.2 未來工作展望99-102
• 參考文獻(xiàn)102-110
• 致謝110-112
• 作者簡介112-114

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 成麗君;張宇波;徐從富;;基于混合圖像分割與梯度算法的發(fā)光物體圖像重建技術(shù)研究[J];計(jì)算機(jī)科學(xué);2014年04期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 程t熜，

本文編號：793768