基于混合SP3-DE模型的多光谱契伦科夫荧光断层成像方法研究

论文摘要

契伦科夫荧光断层成像（Cerenkov Luminescence Tomography,CLT）技术是基于契伦科夫效应的新型光学分子影像技术,由于有大量的可用于临床的放射性核素探针作为光源,为光学分子影像技术的临床转化提供了新的思路,近些年得到了大量研究人员的关注。但由于契伦科夫荧光本身十分微弱,又存在采集表面光信号匮乏、光传输模型不匹配、重建算法性能差等问题,导致CLT重建问题有着严重的病态性。本文以光传输理论和生物组织光学为理论基础,着重研究生物组织中的光传输模型和多光谱应用技术,通过构建基于混合简化球谐函数近似（Simplified Spherical Harmonics Approximation,SPN）-扩散方程（Diffusion Equation,DE）模型的多光谱契伦科夫荧光断层成像方法改善三维重建过程中光传输模型不匹配和表面光信号匮乏的问题,以此来提升CLT成像的精度和效率。本文的研究工作可概括如下:（1）混合SP3-DE模型在多光谱契伦科夫荧光断层成像前向问题中的应用研究。契伦科夫荧光的宽谱特性带来的组织光学特性差异导致传统的SPN和DE模型无法满足光传输的特异性,为了解决该问题,采用自适应混合SPN-DE（Adaptive Hybrid SPN-DE,AHSD）模型作为多光谱契伦科夫荧光断层成像的前向模型。该模型利用组织光学特性参数自适应地选择合适的方程描述光在生物组织中的传输,可以发挥传统光传输模型的优势。此外,本文通过简单规则几何实验和数字鼠实验验证所提出模型在多光谱条件下的准确性和高效性。实验结果表明,AHSD模型与SP3模型相比具有相同的准确度和更少的计算时间,与DE模型相比具有更高的准确度,与SP3和DE的简单组合模型相比具有更好的自适应能力,其适合作为多光谱CLT的前向光传输模型,可以实现准确性和效率之间的平衡。（2）基于混合SP3-DE模型的多光谱契伦科夫荧光断层成像方法。为进一步综合利用混合模型策略和多光谱策略的优势,本部分建立完整的基于混合SP3-DE模型的多光谱CLT成像方法,将AHSD模型延伸为反演过程的模型,同时将采集的多光谱表面荧光数据用于体内病灶的三维重建。简单规则几何实验和数字鼠实验的结果表明,与DE、SP3以及二者的简单组合模型相比,AHSD在精度和效率上取得了更好的平衡,基于AHSD模型的多光谱CLT成像方法可以高效的得到精确重建结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 光在生物组织中的传输特性
•   1.3 契伦科夫荧光成像
•     1.3.1 契伦科夫效应
•     1.3.2 契伦科夫荧光成像技术的研究进展
•   1.4 本文工作与章节安排
• 第二章 契伦科夫荧光断层成像的光传输模型与求解方法
•   2.1 引言
•   2.2 光传输模型
•     2.2.1 辐射传输方程
•     2.2.2 扩散方程
•     2.2.3 简化球谐波近似方程
•   2.3 光传输模型的求解方法
•     2.3.1 MC方法
•     2.3.2 有限元法
•   2.4 本章小结
• 3-DE模型在多光谱契伦科夫荧光断层成像前向问题中的应用研究'>第三章 混合SP₃-DE模型在多光谱契伦科夫荧光断层成像前向问题中的应用研究
•   3.1 引言
• 3-DE模型及其多光谱扩展'>  3.2 混合SP₃-DE模型及其多光谱扩展
•     3.2.1 混合模型的构建
•     3.2.2 混合模型的有限元离散
•     3.2.3 线性关系的多光谱扩展
•   3.3 简单规则几何模型实验
•     3.3.1 实验设置
•     3.3.2 实验结果与分析
•   3.4 数字鼠模型实验
•     3.4.1 实验设置
•     3.4.2 实验结果与分析
•   3.5 本章小结
• 3-DE模型的多光谱契伦科夫荧光断层成像方法'>第四章 基于混合SP₃-DE模型的多光谱契伦科夫荧光断层成像方法
•   4.1 引言
•   4.2 基于有限元法和半阈值追踪算法的逆向重建
•   4.3 简单规则几何模型实验
•     4.3.1 实验设置
•     4.3.2 实验结果与分析
•   4.4 数字鼠模型实验
•     4.4.1 实验设置
•     4.4.2 实验结果与分析
•   4.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士/硕士学位期间取得的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任青云

导师: 侯榆青

关键词: 契伦科夫荧光断层成像,混合光传输模型,多光谱,组织光学,自适应

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,生物学

单位: 西北大学

分类号: O439;Q-334

总页数: 71

文件大小: 3436K

下载量: 28