基于扩散近似理论的时域荧光层析成像方法研究

发布时间：2017-06-25 05:19

  本文关键词：基于扩散近似理论的时域荧光层析成像方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：半个多世纪以前,世界上第一台激光器诞生之后,关于激光的探索和研究取得了迅猛发展。激光技术被广泛地应用于信息通讯、测量、材料加工、生物医学、军事和科学技术等诸多领域。利用近红外光辐照介质探测介质内部信息的光学成像技术得到了快速发展,尤其是荧光扩散光学成像技术因其高对比度和强选择性等优点备受关注。荧光扩散光成像技术主要有稳态和瞬态(包括时域和频域)两种测量模式。相较于基于稳态和频域测量模式的荧光扩散光成像技术,时域荧光扩散光成像技术可以探测更多的介质内部信息,在数据完整性、灵活性及系统稳定性等方面都具有独特的优势,已经成为目前研究的热点方向。本课题的主要内容为基于耦合扩散方程的时域荧光扩散光学成像方法研究,具体包含如下的内容:1.建立了荧光扩散光成像技术的正向传输模型,解释并模拟了入射激光和受激荧光在介质内的传输过程,利用有限元法求解耦合扩散方程组,得到介质边缘指定位置的出射荧光信号。对正问题模型进行了正确性、网格无关性和时间独立性验证,细致地分析了入射激光脉冲宽度、背景介质光学参数、介质内含荧光体大小和位置、荧光体光学参数等因素对于介质边缘出射荧光信号的影响。2.基于时域耦合扩散方程组模拟了二维矩形非均匀介质在含有不同荧光体时的出射荧光信号,并利用共轭梯度法反演了含不同数目异质体时介质内部的荧光参数。为改善重建图像质量,在反演时引入最大后验概率估计方法。另外,分析了对比度和测量误差对于反演结果的影响。3.基于时域耦合扩散方程组对二维圆形非均匀介质出射荧光信号进行模拟,并利用共轭梯度法对含不同数目异质体的介质进行了单荧光参数和双荧光参数重建。为改善重建图像质量,在反演时引入最大后验概率估计方法。另外,分析了对比度和测量误差对于介质内含一个荧光异质体时荧光产率和荧光寿命同时反演的影响。
【关键词】：扩散近似方程 有限元法 时域测量 荧光信号 荧光参数重建
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249;O439
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题背景及意义10-14
• 1.2 国内外研究现状14-21
• 1.2.1 激光作用下参与性介质辐射传输理论研究15-18
• 1.2.2 荧光扩散光学成像技术研究18-21
• 1.3 本文的主要研究内容21-23
• 第2章 超短脉冲激光入射非均匀参与性介质的出射荧光信号模拟23-50
• 2.1 引言23
• 2.2 激光照射下荧光的产生机理及基本表征参量23-26
• 2.2.1 荧光的产生机理24-25
• 2.2.2 荧光的基本表征参量25-26
• 2.3 扩散近似方程26-28
• 2.3.1 控制方程26-27
• 2.3.2 定解条件27-28
• 2.4 扩散近似方程的求解方法28-35
• 2.4.1 扩散近似方程的解析解法—格林函数法28-30
• 2.4.2 扩散近似方程的数值解法30-35
• 2.5 时域耦合扩散方程组35
• 2.6 正确性和网格无关性以及时间独立性验证35-42
• 2.6.1 正确性验证36-38
• 2.6.2 网格无关性验证38-40
• 2.6.3 时间独立性验证40-42
• 2.7 其他因素对出射荧光信号的影响42-49
• 2.7.1 入射激光脉冲宽度的影响42-44
• 2.7.2 背景介质光学参数的影响44-45
• 2.7.3 介质内含荧光异质体大小的影响45-46
• 2.7.4 介质内含荧光异质体位置的影响46-47
• 2.7.5 介质内含异质体光学参数的影响47-49
• 2.8 本章小结49-50
• 第3章 基于瞬态耦合扩散方程组的二维矩形域荧光成像方法研究50-73
• 3.1 引言50
• 3.2 二维矩形介质中出射荧光信号的正向模拟50-55
• 3.2.1 含单个荧光体时出射荧光信号的模拟51-52
• 3.2.2 含两个荧光体时出射荧光信号的模拟52-53
• 3.2.3 含三个荧光体时出射荧光信号的模拟53-54
• 3.2.4 含四个荧光体时出射荧光信号的模拟54-55
• 3.3 二维矩形介质中荧光产率的重建研究55-63
• 3.3.1 逆向问题研究55-58
• 3.3.2 二维矩形介质中荧光产率的重建58-63
• 3.4 介质中含不同数目荧光体时荧光产率和荧光寿命的同时重建63-72
• 3.4.1 含单个荧光体时的同时重建研究63-69
• 3.4.2 含两个荧光体时的同时重建研究69-70
• 3.4.3 含三个荧光体时的同时重建研究70-72
• 3.5 本章小结72-73
• 第4章 基于瞬态耦合扩散方程组的二维圆形域荧光成像方法研究73-91
• 4.1 引言73
• 4.2 二维圆形介质中出射荧光信号的正向模拟研究73-78
• 4.2.1 含单个荧光体时出射荧光信号的模拟74-75
• 4.2.2 含两个荧光体时出射荧光信号的模拟75-76
• 4.2.3 含三个荧光体时出射荧光信号的模拟76-77
• 4.2.4 含四个荧光体时出射荧光信号的模拟77-78
• 4.3 二维圆形介质中荧光产率的重建研究78-81
• 4.3.1 含单个荧光体时的重建78-79
• 4.3.2 含两个荧光体时的重建79-80
• 4.3.3 含三个荧光体时的重建80-81
• 4.4 介质中含不同数目荧光体时荧光产率和荧光寿命的同时重建81-90
• 4.4.1 含单个荧光体时的同时重建研究81-87
• 4.4.2 含两个荧光体时的同时重建研究87-89
• 4.4.3 含三个荧光体时的同时重建研究89-90
• 4.5 本章小结90-91
• 结论91-92
• 参考文献92-98
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果98-100
• 致谢100

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