介观荧光分子层析成像的理论模型及系统研究
发布时间：2020-10-09 10:54
介观荧光分子层析成像是一种新兴的光学分子成像技术,它填补了显微荧光分子成像技术和宏观荧光分子成像技术之间的空白。相对于宏观荧光分子成像技术,介观荧光分子层析成像技术能提供更高的分辨率,相对于显微荧光分子成像技术,介观荧光分子层析成像技术的成像深度更深。为了使介观荧光分子层析成像技术更好的应用于脑功能成像,肿瘤早期检测和药物研发等生物医学研究中,目前亟待建立一个高精度和高效率的介观荧光分子层析成像理论模型和高性能的介观荧光分子层析成像系统。本文主要围绕上述两个方面展开研究。首先,对可运用于荧光分子层析成像的蒙特卡罗模型展开了研究。基于辐射传输理论,对不同的蒙特卡罗模型进行了推导,着重对基于历史路径的荧光蒙特卡罗模型在荧光分子层析成像中的适用性进行评估。研究结果表明稳态下荧光区域的背景介质吸收系数可忽略时三种微扰荧光蒙特卡罗模型等效,解耦合荧光蒙特卡罗模型是最适用于荧光分子层析成像的模型。为了得到高精度的介观荧光分子层析成像结果,提出了基于解耦合荧光蒙特卡罗模型的介观荧光分子层析成像方法。首次将解耦合荧光蒙特卡罗模型用于介观荧光分子成像的前向模拟和图像重建。模拟结果表明基于解耦合荧光蒙特卡罗模型的介观荧光分子层析成像方法能得到高精度的前向模拟和图像重建结果。为了提高介观荧光分子层析成像的图像重建效率,开发了三级并行架构,并提出了基于三级并行架构的数据存储,读写,传递优化处理方法以提高数据处理效率。同时,为了解决介观荧光分子层析成像图像重建过程中数据量巨大的问题,提出了历史路径预处理方法以压缩数据量。模拟结果验证了上述方法对减少介观荧光分子层析成像图像重建时间的有效性。最后,设计并研制了一套介观荧光分子层析成像系统。该成像系统使用半导体激光器作为光源,使用EMCCD相机作为探测器,使用双轴振扫描光源,以实现快速、大视场、高灵敏度数据采集。同时为了将Micro-CT系统获取的结构先验信息引入到介观荧光分子层析成像的图像重建中,提出了一种适用于介观荧光分子层析成像系统和Micro-CT系统组成的双模式成像系统的几何校共准方法。实验结果表明介观荧光分子层析成像系统在1-3mm成像深度达到100-300μm横向和轴向的分辨率,且能精确的定位荧光目标物位置,定量荧光目标物浓度。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;O439
【部分图文】：
图 2.1 光与生物组织的相互作用[16]Figure 2.1 Interaction between light and biological tissue.组织对光的吸收效应的吸收是指光在通过生物组织时，其中部分光能转化为热运动或分子导致光的强度衰减。吸收系数定义为介质中每单位路径长度上光子吸是 mm-1或 cm-1。于单个吸收体，还可以用吸收截面a 代表吸收能力。单个吸收体的吸面积g 和吸收效率因子aQ 的关系为a a g Q 。而对于含多个吸收体的介质，吸收系数与吸收截面的关系为a a a N 。光在吸收介质中以用下式描述adIdxI
中我们列出了各组织光学参数的固定值，其余光学参数如 g设为 0.9，折射率设为 1.37，均为近红外光谱下生物组织光学参数的典型值。图2.2 由骨骼（黄色），肺（蓝色），心脏（红色）和肌肉（绿色）组成的仿体模型。荧光团位于肺部。Figure 2.2 The phantom composed of bone (yellow), lungs (blue), heart (red) and muscle (green). Thefluorophore is located at the lungs.表 2.1 组织光学参数的固定值。Table 2.1 The fixed value of the tissue optical parameters.区域激发光波段 荧光波段1( )exa cm 1( )exs cm 1( )ema cm 1( )ems cm 肌肉 0.18 100 0.18 100肺 0.33 200 0.33 200心脏 0.19 76 0.19 76骨骼 0.02 180 0.02 180（3）计算效率比较
810 个光子数进行模拟。图2.3 微扰荧光蒙特卡罗模型和解耦合荧光蒙特卡罗模型中不同光子数下的探测器平均误差。Figure 2.3 Mean error at the detectors versus number of photons for pfMC and dfMC models.（4）计算精度比较荧光团的吸收系数增加，会提高荧光的激发效率，使得探测器所探测的荧光强度增强，对基于历史路径信息的荧光蒙特卡罗模型的计算精度会造成影响。我们改变荧光团的吸收系数，结果如图 2.4 所示。随着荧光团的吸收系数增加，微扰荧光蒙特卡罗模型的平均误差e 逐渐减小，解耦合荧光蒙特卡罗模型的平均误差e 变化较小，趋于平稳。整体来说，荧光团的吸收系数的越大，微扰荧光蒙特卡罗模型计算精度越高，而解耦合荧光蒙特卡罗法对荧光团的吸收系数变化不敏感。
本文编号：2833598
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;O439
【部分图文】：
图 2.1 光与生物组织的相互作用[16]Figure 2.1 Interaction between light and biological tissue.组织对光的吸收效应的吸收是指光在通过生物组织时，其中部分光能转化为热运动或分子导致光的强度衰减。吸收系数定义为介质中每单位路径长度上光子吸是 mm-1或 cm-1。于单个吸收体，还可以用吸收截面a 代表吸收能力。单个吸收体的吸面积g 和吸收效率因子aQ 的关系为a a g Q 。而对于含多个吸收体的介质，吸收系数与吸收截面的关系为a a a N 。光在吸收介质中以用下式描述adIdxI
中我们列出了各组织光学参数的固定值，其余光学参数如 g设为 0.9，折射率设为 1.37，均为近红外光谱下生物组织光学参数的典型值。图2.2 由骨骼（黄色），肺（蓝色），心脏（红色）和肌肉（绿色）组成的仿体模型。荧光团位于肺部。Figure 2.2 The phantom composed of bone (yellow), lungs (blue), heart (red) and muscle (green). Thefluorophore is located at the lungs.表 2.1 组织光学参数的固定值。Table 2.1 The fixed value of the tissue optical parameters.区域激发光波段 荧光波段1( )exa cm 1( )exs cm 1( )ema cm 1( )ems cm 肌肉 0.18 100 0.18 100肺 0.33 200 0.33 200心脏 0.19 76 0.19 76骨骼 0.02 180 0.02 180（3）计算效率比较
810 个光子数进行模拟。图2.3 微扰荧光蒙特卡罗模型和解耦合荧光蒙特卡罗模型中不同光子数下的探测器平均误差。Figure 2.3 Mean error at the detectors versus number of photons for pfMC and dfMC models.（4）计算精度比较荧光团的吸收系数增加，会提高荧光的激发效率，使得探测器所探测的荧光强度增强，对基于历史路径信息的荧光蒙特卡罗模型的计算精度会造成影响。我们改变荧光团的吸收系数，结果如图 2.4 所示。随着荧光团的吸收系数增加，微扰荧光蒙特卡罗模型的平均误差e 逐渐减小，解耦合荧光蒙特卡罗模型的平均误差e 变化较小，趋于平稳。整体来说，荧光团的吸收系数的越大，微扰荧光蒙特卡罗模型计算精度越高，而解耦合荧光蒙特卡罗法对荧光团的吸收系数变化不敏感。
【参考文献】
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1 贾梦宇;崔姗姗;陈雪影;刘明;周晓青;赵会娟;高峰;;Image reconstruction method for laminar optical tomography with only a single Monte-Carlo simulation[J];Chinese Optics Letters;2014年03期
2 王德,李学千;半导体激光器的最新进展及其应用现状[J];光学精密工程;2001年03期
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1 李海龙;双振镜激光3D图像传感器空间信息提取与校正技术研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
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3 李洋;大功率半导体激光器调制技术研究[D];长春理工大学;2013年
本文编号：2833598
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