基于改进的Split Bregman算法的荧光分子三维重构研究

论文摘要

荧光分子层析成像技术最近发展非常迅速,并且被广泛运用在医学成像领域。该技术通过给生物蛋白标记同位素产生荧光分子蛋白,然后将这种荧光分子蛋白喂入需要观察或者重构的生物体组织,然后通过使用文中三维重构算法对荧光蛋白分布进行模型重构,从细胞和分子水平上观察生物组织的生理变化,从而诊断疾病。这为生物细胞的病理变化和医学药物的发展提供了重要的参考价值。荧光分子重构技术和常见的医学成像技术相比,可以较早的发现病变组织。传统的医学影像诊断包括X射线、CT、MRI等,这些传统的医学影像处理技术本质上检测的是生物体组织器官在发生病变或者分子水平改变之后的效应。在还没有发生解剖学改变的疾病发生前,一种常见的实验方法是在不同的时间杀死动物,然后获取有关生物体的数据。这样的做法存在很多问题,不仅个体差异不同,而且采集数据各个时间点不同。与传统的方法比较,荧光分子层析成像技术通过对一组生物体进行跟踪、采集数据,得到了准确性很高的数据,这不仅提高了实验效率,而且减少了经费。本论文主要内容如下:(1)介绍了荧光分子成像技术和常见的三维重构算法的发展现状。针对荧光分子重构技术的三维重构算法介绍常用的数学模型。介绍凸优化问题的求解过程、下降方法及Bregman迭代。(2)首先研究分裂Bregman迭代算法,根据原Split Bregman算法,推导了一种基于l1正则化和总差降噪的求解方法。接着根据基于l1正则化的Split Bregman算法,结合总变差去噪方法,推导出文中改进的Split Bregman算法。最后介绍基于内点法的l1ls和投影梯度法稀疏重构(GPSR)两种常用的重构方法,用于对比研究。(3)研究l1ls和GPSR两种常见算法对文中血管仿体重构的实验性能,比较Split Bregman改进后的算法和这两种算法的重构效果。利用荧光分子三维重构的技术和数值仿真平台,进行模拟血管仿真实验和三维冷冻老鼠切片的重构实验。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 荧光分子重构（FMT）前向与逆向研究现状和意义
•     1.1.1 前向问题的研究现状
•     1.1.2 逆向问题的研究现状
•   1.2 荧光分子重构的研究现状
•   1.3 论文的框架
• 2 基于凸优化算法的荧光分子重构算法概述
•   2.1 凸优化重构算法简介
•     2.1.1 对偶问题理论
•     2.1.2 对偶问题的性质
•   2.2 Bregman迭代求解算法简介
•   2.3 本章小结
• 3 改进的Split Bregman算法的研究
•   3.1 使用Split Bregman求解约束优化问题
•   3.2 改进的Split Bregman算法
•     3.2.1 改进Split Bregman算法的推导
•     3.2.2 基于共轭梯度法的改进Split Bregman算法
•     3.2.3 基于高斯赛德尔的改进Split Bregman算法
•   3.3 在不同的迭代算法下的数值仿真实验
•     3.3.1 重构模型的介绍
•     3.3.2 基于两种不同迭代方式的改进的Split Bregman算法仿真实验
•   3.4 Split Bregman改进算法的重构性能分析
•     3.4.1 Split Bregman改进算法和原始算法的重构时间和性能比较
•     3.4.2 Split Bregman改进算法中的正则化参数对于重构效果的影响
•     3.4.3 Split Bregman改进算法对噪声的鲁棒性
•   3.5 常见的重构算法简单介绍
•     3.5.1 基于内点法的l1ls算法的介绍
•     3.5.2 GPSR算法的介绍
•   3.6 本章小结
• 4 重构算法的实验性能比较分析
•   4.1 重构算法的性能评价指标以及Jacobian矩阵A的产生
•     4.1.1 重构算法的性能评价指标
•     4.1.2 实验过程中Jacobian矩阵A的产生
•   4.2 常见重构算法的实验性能分析
•     4.2.1 基于内点法的l1ls算法的重构性能
•     4.2.2 GPSR重构算法的重构性能
•   4.3 模拟数据的仿真和结果分析
•     4.3.1 重构算法的收敛性能比较
•     4.3.2 重构算法鲁棒性比较
•     4.3.3 实验模型展示
•   4.4 数字老鼠模型重构的实验结果分析
•     4.4.1 重构算法的重构性能和鲁棒性比较
•     4.4.2 数字老鼠腹腔实验重构模型
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陆玉稳

导师: 杨福刚

关键词: 荧光分子重构,三维重构,冷冻切片

来源: 山东工商学院

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,计算机软件及计算机应用

单位: 山东工商学院

分类号: TP301.6;R318

总页数: 59

文件大小: 3622K

下载量: 51