基于组稀疏先验知识的激发荧光断层成像方法研究

发布时间：2020-04-06 04:21

【摘要】：分子影像(Molecular Imaging,MI)是一种新兴的特异性成像技术。相比于传统的医学影像技术,分子影像结合了现代分子生物学技术,能够在细胞分子层面上对成像对象进行无侵入式的连续动态观测,目前已经广泛的应用于疾病诊疗、药物研发以及手术导航等多个领域。其中,以光作为成像媒介的光学分子影像技术由于其安全无辐射,成本低,灵敏度高等优点在过去十几年中取得了飞速的发展。作为光学分子影像的重要组成部分,激发荧光断层成像(Fluorescence Molecular Tomography,FMT)能够对生物体内特定的细胞分子进行三维空间观测。近年来,虽然FMT从算法到应用都获得了快速的发展,但由于重建模型及生物组织复杂性等原因,FMT的重建性能仍有待提高。本文针对如何提高FMT的成像效果及如何实现荧光光源形态学重建进行了研究,提出了基于组稀疏(Group Sparsity)先验知识的激发荧光断层成像重建模型,并根据该模型提出了基于L2,1范数正则化的组稀疏重建方法和基于融合LASSO的组稀疏重建方法。另一方面,为进一步验证组稀疏模型相对于传统稀疏模型的优势,本文提出了基于主加速近端梯度的稀疏重建方法,进一步提高了基于L1范数的激发荧光断层成像方法的重建精度及鲁棒性,并将该方法与基于L2,1范数正则化的组稀疏重建方法进行比较,更进一步的验证组稀疏先验知识在FMT重建中的效果。本文主要研究内容包含以下几点:1.提出了基于组稀疏(Group Sparsity)先验知识的激发荧光断层成像重建模型。在FMT重建中,荧光光源具有特殊结构特性,具体表现为:1.荧光光源相对于整个重建区域来说是稀疏的;2.荧光光源内部是紧密耦合在一起并具有相同的光强值。因此,我们认为荧光光源区域可以作为一个整体参与模型的构建,因此具有组稀疏特性。利用组稀疏先验知识,既保证了重建结果的稀疏性,能够精确地定位肿瘤,提高重建效率,又使重建结果具有分段常数的特性,从而可以更加准确地重建出肿瘤的形态。2.提出基于L2,1范数正则化的组稀疏重建方法,该方法通过在目标函数中引入L2,1范数正则化项,能够实现目标变量的组选择能力,使重建结果不至于过度收敛,保证重建区域的边界信息,从而实现FMT的形态学重建。数值仿真以及在体实验表明基于L2,1范数的FMT重建方法较传统的基于L2范数、L1范数方法可以有效提高定位精度和鲁棒性,并且在荧光光源形态学重建上有较大提升。3.提出了基于融合拉索(Fused LASSO Method,FLM)的组稀疏重建方法,该方法在目标函数中加入融合LASSO惩罚项,既保证了重建结果的稀疏性,能够精确地定位肿瘤,又使重建结果具有分段常数的特性,从而可以更加准确地重建出肿瘤的形态。数值仿真和肝原位瘤在体实验证明该方法较传统Tikhonov正则化方法和迭代收缩方法具有较好的重建精度和较高的重建效率,并且在肿瘤形态学重建上较传统算法有较大优势。4.提出了一种基于主加速近端梯度的稀疏重建方法。该方法对L1范数正则化问题进行求解,利用当前及前一次的迭代结果得到搜索点s,然后利用L1正则化映射得到最优解,从而更加快速、准确的得到最优解,增强了重建结果的鲁棒性,提高了重建精度,并将该方法与基于L2,1范数正则化的组稀疏重建方法进行比较,更进一步的验证组稀疏先验知识在FMT重建中的效果。
【图文】：

吸收谱线,脱氧血红蛋白,氧合血红蛋白,吸收谱线

波长在６５０ｎｍ－９００ｎｍ邋（即近红外波段）时，生物组织中的血红蛋白对光的吸收较逡逑弱，因此，处于这一波段的光在生物组织中的穿透能力变强，我们称这一波段为逡逑生物组织光学窗［１３］，如图１－１所示［１４］。近红外波段光学分子影像克服了光在生物逡逑组织中穿透力较弱的缺点，为研究生物组织内部信息提供了条件。除吸收作用外，逡逑光在生物组织的传播还会产生较严重的散射效应，当体内很小的一个光源发出的逡逑光到达物体表面时都会形成一个比光源大得多的光斑［１５］。因此，在光学分子影像逡逑的研究中，需要重点考虑光在生物组织内的吸收和散射作用。逡逑相比较于其他医学成像模态，光学分子影像具有显著优势，首先，与Ｘ射线逡逑成像、ＣＴ和核素成像相比，光学分子影像是一种无辐射的成像技术，不会对生物逡逑体造成额外损伤；其次，光学分子影像灵敏度高，可以实现疾病的早期检测；第逡逑三

示意图,激发荧光,成像,示意图

这类系统的特点是存在成像，成内才能进行成像。匹配液的光学特性参数要求与成像对象的光学特性参数相接近。逡逑这样就避免了光从生物组织达到表面后发生严重的折射现象。通过加入匹配液，逡逑最终的成像对象就由原来的成像物体变为了成像物体与匹配液整体，即整个成像逡逑腔。然后，通过光纤将激发光导入到成像腔内，并且将成像过程中的发射光也通逡逑过光纤导入到成像平板上，最后利用ＣＣＤ相机对成像平板进行成像。为了能够增逡逑加己知数据量，降低重建误差，通常需要在多个不同的位置激发成像物体，并采逡逑集对应的荧光测量数据。因此光控开关用于将激光导入不同的光纤，从而使激光逡逑导向不同的激发位置，每次成像只有一路光纤内包含激光。为了最大限度的避免逡逑激发光的千扰，，需要在成像时使用对应荧光探针发射波长的滤光片，从而增强荧逡逑光测量数据的信噪比。接触式成像系统的优点是通过成像腔及匹配液将成像对象逡逑的不规则表面规则化，降低了重建的复杂度。缺点是由于发射光本身是非常微弱逡逑的，匹配液的存在进一步削弱了荧光强度，从而降低激发荧光断层成像的重建精逡逑度，而且匹配液的存在也增加了生物体活体成像的难度。其次，接触式系统光纤逡逑数量有限，因此采集的到荧光测量数据有限，也为后续的断层成像带来了困难。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;Q-334

【参考文献】