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《西北大学》 2017年
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基于特性分析的光学分子断层成像光源重建方法研究

郭红波  
【摘要】:光学分子断层成像(Optical Molecular Tomography)作为一种新型的分子影像成像模式,由于特异性、灵敏度高,设备简单等优势,在预临床研究中得到了广泛的研究。然而光在生物组织中的高散射特性、生物体表面已知测量数据的有限性、以及生物过程的复杂性,导致光学分子断层成像是一个不适定性问题,其重建结果的准确性、稳定性、分辨率和智能分析仍然面临着巨大的挑战。本文基于光学分子断层成像的光源特性分析出发,在重建算法、重建策略、多光源重建与结果分析、小动物在体生物实验等方面展开研究。基于此,本文的研究内容及创新点如下:1.基于稀疏性的光源重建算法研究。光学分子断层成像逆向光源重建问题的不适定性,一般通过贪婪算法和凸优化重建算法进行求解。研究一方面在传统贪婪算法的基础上,根据重建光源的稀疏特性,结合压缩感知理论与组合求解的思想将压缩采样匹配追踪(CoSaMP)算法应用到光源重建问题。另一方面,在传统凸优化求解的基础上,提出了一种基于同伦算法(Homotopy)的L0.5范数光源重建算法。为了验证重建算法的有效性,基于数字鼠模型,通过单光源重建、双光源重建、鲁棒性验证实验,CoSaMP与其他3种贪婪算法相比重建精度更高,光源定量信息更加准确。L0.5范数的重建算法与其他5种迭代重建算法相比在重建质量、算法稳定性和稀疏性方面都有显著提高。2.基于病态性分析的光源重建策略研究。为了降低光源重建问题的病态不适定性通常采用多光谱重建策略、可行区域重建策略、优化有限元网策略。研究一方面在光传输问题研究的基础上,结合可行区域和优化有限元网格重建策略,提出了一种基于简化球谐近似(SP3)模型的hp自适应有限元重建策略。另一方面,在Cerenkov光谱和组织光学特性研究基础上,结合多光谱重建策略,提出一种加权多光谱的CLT重建策略。研究通过一系列实验比较了 SP3模型和其他光传输模型的准确性,比较了 h型和hp型自适应有限元策略的高效性,比较了加权多光谱重建策略,混合谱重建策略和多光谱重建策略重建结果。实验对比结果表明,提出的两种重建策略相比于对比重建策略显著提高了光源重建的定位精度和能量准确性。3.多光源分辨与聚类分析研究。在光学断层成像在体生物研究,由于生物过程的复杂性,肿瘤的浸润、转移使得多光源重建与分析更加重要。在多光源重建方面,基于压缩感知理论本文提出了一种非凸优化重建框架,对比实验结果表明:非凸优化重建框架可以显著降低光源重建伪影,相比于凸优化重建框架,非凸优化重建框架在空间分辨率,能量分辨率和尺寸分辨率方面都有显著的提高。在多光源分析方面,基于模式识别基本方法,本文在可行区域收缩重建结果基础上,提出了一种多光源的AP-Kmeans混合聚类分析方法。实验结果表明:AP-Kmeans混合聚类方法克服现有光源分析主观判断的局限性,可以自动的确定光源数目和各个光源区域,提供客观可靠的光源分析结果。4.光学分子断层成像的小动物在体验证。在体生物实验是光学分子断层成像方法的主要检验标准,也是光学分子断层成像研究的一个主要阶段。本文介绍了一般光学分子断层成像在体实验的基本流程和相关成像设备。最后针对于前面章节的成像算法,成像策略以及多光源重建方法,设计了相关的在体生物实验。实验涉及了 3种不同的断层成像模态,设计了匀质立方体验证实验,小鼠植入光源实验,健康小鼠的膀胱代谢实验,异种移植瘤小鼠的肿瘤3D成像实验,多光源在体分辨率实验,多光源聚类分析实验。相关的在体实验不仅验证了光学重建方法的有效性和可靠性,也为成像方法的转化和改进提供了新的思路。
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP391.41

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