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《中国科学技术大学》 2017年
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组织血氧血流监测和宫颈癌早期筛查中的多模态光学影像技术研究

任文奇  
【摘要】:生物医学光子学的发展为生物信息检测和疾病诊断提供了新的手段和方法。多模态的光学影像技术能够从不同的方面(结构、功能、分子)对生物组织进行准确、快速、无辐射和非侵入式的成像和检测,从而为临床中的诊断和治疗提供综合性的依据。但是,当前的影像系统多存在缺乏统一可溯源的标准,缺乏定量化,不同影像模态之间视场不统一,缺乏临床验证,成像速度慢、成本高等缺点,为多模态光学影像技术在临床上的实际应用带来了困难和不便。针对当前多模态影像技术存在的主要问题,本文分别面向皮肤组织血氧血流评估和宫颈癌早期病变筛查的临床需求,搭建了两套多模态影像系统,对系统中存在的硬件集成、软件控制、实验设计、数据分析等问题进行了系统的研究。两套系统既有区别也有联系,两者都实现了多种影像模态的有机整合,都利用了光学影像对浅表生物组织结构、功能、分子特性检测的特点,同时又针对各自的应用场合,采取了不同的成像方式和研究方法。本文为多模态生物医学影像技术在生物信息检测以及临床辅助诊断方面的应用提供了新的思路和参考,具有重要研究价值。论文的主要研究内容如下:(1)我们开发了一套用于皮肤组织血氧血流检测的多模态成像系统。该系统将多光谱成像和激光散斑成像技术集成在一起,实现了准同步的血氧血流测量。我们开发了准确的多光谱血氧重建算法和激光散斑衬比分析血流算法,并且通过血氧仿体实验和血流模拟实验对其测量精度进行了定量的标定。在实验测试方面,我们设计了宏观的和微观的聚二甲基硅氧烷硅胶(PDMS)组织仿体来模拟血氧和血流的改变,并进行多模态的影像采集。在实际应用方面,我们的影像系统被用来动态地测量人体手臂血流阻断后反应性充血实验(PORH)过程中的血氧血流变化。进一步地,我们建立了基于小鼠背部视窗的伤口模型,并且连续九天监测其愈合过程中的形态和功能性参数变化,验证了系统的有效性和临床价值。(2)我们开发了一套用于宫颈癌早期辅助筛查的多模态阴道镜系统。该系统将多光谱成像技术、组织自发荧光成像技术和RGB彩色成像技术融合到同一套装置中,其中多光谱成像可以反映宫颈组织的吸收系数以及血氧水平的变化,荧光成像体现了其中荧光介质和散射特性的变化,而RGB彩色成像则类似常规的阴道镜检查,提供宫颈组织的颜色和形态信息。我们首先从宫颈组织随病变演化的吸收散射特性改变和光学模型出发,进行有效的特征波长和荧光波段的筛选。然后我们设计并搭建了一套适用于临床测试的软硬件系统。基于此,我们开发了基于多模态数据的宫颈影像分类算法,算法可以有效地对宫颈正常区域和病灶进行分类。在临床测试中,我们的系统采集了一定数量的临床病例,并将影像的分类结果和病理检查结果相对比,统计结果证明了本系统的潜在临床价值,未来可以为医生提供快速、准确、低成本的疾病早期筛查和活检指导。
【关键词】:多模态光学影像 多光谱成像 激光散斑成像 荧光成像 RGB成像 仿体 血流 血氧 宫颈癌筛查
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R737.33;TP391.41
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-11
  • 第一章 绪论11-28
  • 1.1 研究背景及意义11-13
  • 1.2 国内外研究现状13-25
  • 1.2.1 主要的生物光学影像技术及其多模态融合13-17
  • 1.2.2 光学影像技术在皮肤血氧血流测量中的研究进展17-20
  • 1.2.3 光学影像技术在宫颈癌早期检测中的研究进展20-25
  • 1.3 目前研究存在的不足及关键问题25
  • 1.4 论文内容及组织结构25-28
  • 1.4.1 论文研究内容25-26
  • 1.4.2 论文组织结构26-28
  • 第二章 用于皮肤组织血氧血流检测的多模态成像系统28-52
  • 2.1 引言28
  • 2.2 皮肤组织血氧血流检测的理论基础28-36
  • 2.2.1 光在组织中的传输和相互作用28-33
  • 2.2.2 基于光谱二阶导数的血氧重建算法33-35
  • 2.2.3 激光散斑成像技术用于血流灌注测量35-36
  • 2.3 多模态影像系统的搭建和系统标定36-43
  • 2.3.1 多模态影像系统的软硬件集成36-39
  • 2.3.2 血氧重建的效果验证和标定39-41
  • 2.3.3 血流测量的效果验证和标定41-43
  • 2.4 血氧血流同步检测的实验研究43-51
  • 2.4.1 宏观的PDMS组织仿体实验43-45
  • 2.4.2 微观的PDMS组织仿体实验45-47
  • 2.4.3 人体手臂血流阻断再释放实验47-48
  • 2.4.4 基于小鼠视窗模型的伤口愈合动态监测48-51
  • 2.5 本章小节51-52
  • 第三章 用于宫颈癌早期辅助筛查的多模态阴道镜系统52-75
  • 3.1 引言52
  • 3.2 多模态影像技术用于宫颈癌早期辅助筛查的理论基础52-57
  • 3.2.1 宫颈组织的光学特性和光学模型52-55
  • 3.2.2 基于蒙特卡洛方法的宫颈反射光谱模拟和多光谱波长筛选55-57
  • 3.3 多模态阴道镜系统的搭建和实验方案设计57-61
  • 3.3.1 系统设计和软硬件集成57-58
  • 3.3.2 多光谱光源的照明模拟和均匀性验证58-60
  • 3.3.3 临床实验方案设计60-61
  • 3.4 宫颈影像分类算法和统计分析方法61-64
  • 3.4.1 图像预处理61-62
  • 3.4.2 基于多光谱和自发荧光图像的影像分类算法62-64
  • 3.4.3 统计性分析方法64
  • 3.5 实验结果和分类算法评估64-73
  • 3.5.1 一个典型的多模态影像数据集64-66
  • 3.5.2 醋酸反应过程中的宫颈组织光学特性变化66-67
  • 3.5.3 影像分割结果和讨论67-71
  • 3.5.4 统计分析结果和算法评估71-73
  • 3.6 本章小结73-75
  • 第四章 总结与展望75-78
  • 4.1 全文总结75-77
  • 4.1.1 论文的主要研究成果75-76
  • 4.1.2 论文的主要创新点76-77
  • 4.2 研究展望77-78
  • 参考文献78-87
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果87-89
  • 致谢89-90

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