高精度锥束X射线发光断层成像关键问题研究

发布时间：2017-03-31 07:00

  本文关键词：高精度锥束X射线发光断层成像关键问题研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光学分子成像(Optical molecular imaging,OMI)是分子影像学的一个重要的分支,它利用光学探针标记生物体内的特定分子,通过体外的成像系统检测分子探针的分布和变化,实现在细胞和分子水平对生物体进行在体成像观察和定量分析。近年来,随着纳米荧光粉研究和光学分子影像学研究的深入,一种将具有高度特异性的光学分子影像和高分辨率的CT成像结合的双模态成像技术—X射线发光断层成像(X-ray luminescence computed tomography,XLCT)引起了广泛关注。XLCT利用X射线激发成像物体内部的纳米荧光粉使之发光,光子到达成像物体表面被光学相机探测进而重建得到光学断层图像,穿过物体的X射线被探测并重建得到CT断层图像,将两种模态图像融合得到XLCT断层成像。与传统的光学分子成像技术相比,XLCT在以下方面具有优势,一是X射线良好的穿透性和选择性激发,使得XLCT具有更深的成像深度和较高的成像分辨率;二是使用X射线激发,消除了荧光分子成像中的自体荧光以及背景荧光的干扰,有助于提高成像的对比度和分辨率;三是XLCT成像能在得到高分辨率的解剖图像的同时得到功能方面的分子影像信息。此外,纳米发光材料近年来的快速的发展也使得XLCT在小动物分子成像等领域有着广泛前景和巨大潜力。锥束xlct因其成像高效和相对易实现,自2013年提出以来发展迅速,逐渐成为目前xlct研究的主流,系统主要由x射线源,x射线探测器,旋转台,光学相机等部分组成。目前相关研究已经基本建立了锥束xlct的成像模型和重建框架,并且在仿真和单目标仿体成像上取得了一定进展,实现了高效率成像。但是锥束xlct存在成像精度低的问题。针对这一问题,本文搭建了锥束xlct系统并展开了相应的高精度成像研究,主要工作如下:(1)锥束xlct成像系统搭建为深入研究锥束xlct的重建算法,提高其成像精度,本文首先实现了锥束xlct系统的搭建。该系统由锥束micro-ct系统和光学成像系统组成。为了克服锥束xlct系统几何位置不准确对其成像精度的影响,本文对其进行了几何校正,确定了各个组件的几何位置和准确的几何参数,并对ct/光学双模态系统进行了配准,实现了锥束xlct系统的搭建;最后,针对xlct系统开发了一个数据采集、投影仿真和数据重建一体化的软件平台。(2)锥束xlct成像模型求解根据锥束xlct的成像模型,本文建立了基于有限元方法的锥束xlct正问题仿真数学模型和基于最优化方法和tikhonov正则化的逆问题重建算法。数值仿真和重建结果证明了该方法的有效性。(3)锥束xlct的散射校正x射线散射不仅给ct成像带来伪影,而且会影响xlct的成像精度。本文通过蒙特卡洛仿真研究了匀质仿体内部散射存在时的x射线强度分布,提出了基于衰减板校正的锥束xlct散射校正方案。仿体实验的重建结果表明,该方法有效降低了重建误差。(4)基于主成分分析的双目标xlct成像解析药物在不同器官中的聚集是光学分子影像的一个重要研究内容。然而xlct重建存在的严重病态性以及光子传播的高度散射和吸收等问题导致锥束xlct成像分辨率低。针对在体成像中相邻器官往往会累积不同浓度药物的特点,本文利用不同浓度的纳米荧光粉在不同电压激发下发光效率不同的性质,将主成分分析方法引入分析xlct的重建数据,实现了近距离下不同浓度纳米荧光粉分布的空间解析,提高了锥束XLCT的成像精度。综上所述,本文基于自主搭建的锥束XLCT成像系统和仿真系统,建立了锥束XLCT系统的正向投影和逆向求解模型,并通过仿真实验和仿体实验证明了成像模型的有效性;针对X射线散射对XLCT精度的影响,提出抑制散射的方法,提高了成像的定位精度;同时利用主成分分析方法提高了锥束XLCT成像的分辨率;以上方法的实施提高了锥束XLCT的成像精度。
【关键词】：X射线 断层成像 光学成像 高精度 重建 散射 主成分分析
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;O434.1
【目录】：

• 缩略语表4-6
• 中文摘要6-9
• Abstract9-12
• 前言12-15
• 文献回顾15-23
• 1 XLCT成像原理15-16
• 2 XLCT发展现状16-21
• 2.1 XLCT系统发展现状16-20
• 2.2 XLCT成像算法的研究进展20-21
• 2.3 小结21
• 3 目前XLCT研究存在的问题21-22
• 4 论文的研究目标22-23
• 第一部分 锥束XLCT成像系统搭建23-38
• 1.1 引言23
• 1.2 XLCT系统几何校正23-31
• 1.3 CT/光学双模系统配准31-32
• 1.4 XLCT数据采集重建一体化软件平台开发32-35
• 1.5 小结与讨论35-38
• 第二部分 锥束XLCT成像模型及求解38-47
• 2.1 引言38
• 2.2 锥束XLCT的正问题38-42
• 2.3 锥束XLCT的逆问题42-45
• 2.4 小结与讨论45-47
• 第三部分 锥束XLCT的散射校正47-52
• 3.1 引言47
• 3.2 匀质仿体中X射线强度分布仿真47-49
• 3.3 锥束XLCT散射校正实验49-51
• 3.4 小结与讨论51-52
• 第四部分 基于主成分分析的XLCT成像52-59
• 4.1 引言52-53
• 4.2 不同浓度的纳米荧光粉的XLCT成像实验53-58
• 4.3 小结与讨论58-59
• 总结与讨论59-61
• 参考文献61-68
• 个人简历和研究成果68-69
• 致谢69

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