生物组织中混合光传输模型及其光学三维成像方法

发布时间：2017-09-04 20:49

  本文关键词：生物组织中混合光传输模型及其光学三维成像方法

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【摘要】：作为一种新兴的分子影像技术,光学分子成像由于具有高灵敏度、高特异性、低成本、简单易操作等优点,已经在基因表达、肿瘤检测以及药物研发等领域获得了广泛的应用。作为一种在分子或者细胞水平上的成像技术,三维光学分子成像不仅能看到肿瘤在体内的位置,还能够直观地再现特定细胞、分子的表达和活性,以及与肿瘤生物学行为相关的生理过程。因此,三维光学分子成像技术在胃癌早期检测与诊断中将有着非常大的应用潜力与前景。然而,在胃癌的三维光学分子成像过程中,胃空腔特性将会带来很大的影响,导致胃癌三维光学分子成像的定位和定量分析不准确；同时,生物体体表测量到的光学信号的严重不充足,将会为胃癌这类深层病变的三维光学分子成像带来重建问题的严重病态性,从而影响三维成像定位和定量精度。本文以原位胃癌的快速准确三维成像为特定目标,针对胃癌三维光学分子成像面临的挑战性问题：空腔以及复杂结构和测量数据不充足带来的三维成像精度差问题,主要开展高效、准确的生物组织光传输模型及其三维光学成像重建方法研究。准确高效的三维光学分子成像严重依赖于生物组织中光传输模型的准确性。因此,如何建立准确、高效的光传输模型是构建准确、快速的三维光学分子成像方法与技术的核心任务和首要前提,因此,本文的主要工作如下：1.针对已有生物组织光学特性参数分类标准的模糊性以及无法准确对扩散方程(Diffusion approximation, DA)和简化球谐波方程(Simplified spherical harmonics approximation, SPN)方程的性能进行有效评价的问题,提出了一种新的生物组织光学特性参数的分类标准,并基于该分类标准对SP3和DA方程进行了系统性的性能评价。在新的分类标准中,根据生物组织吸收参数和约化散射系数的绝对值进行分类,能够准确直观的描述生物组织所具有的吸收特性和散射特性的双重属性。根据新的标准,生物组织被分成高散射-高吸收、高散射-低吸收、低散射-高吸收、低散射-低吸收四大类(分类中不包含空腔区域)。基于新的分类标准,对SP3和DA方程的适用性能进行了系统的研究和评价。通过大量的仿真数据分析,并与传统的分类标准进行对比,证明了新的分类标准能够更准确的对SP3和DA方程的适用范围和性能进行评价。2.针对原位胃癌三维光学分子成像的空腔问题,基于扩散近似-辐射度理论混合光传输模型(Hybrid radiosity-diffusion method, HRDM),系统定量地探讨了空腔对光传输模型的影响。同时将HRDM模型首次推广到复杂的数字鼠模型上进行应用。实验结果表明：当空腔的尺寸超过某个范围时(1-2个自由程),空腔的存在对光传输模型的影响不可忽略。最后,通过三维光学三维成像实验证明了基于HRDM模型的三维光学重建算法相比于基于DA的三维光学重建算法,重建精度了得到了很大的改善。3.针对DA方程在描述复杂生物组织中光传输过程的局限性,即HRDM模型仅适用于高散射-空腔组成的浑浊介质,利用更高阶的SPN方程代替DA方程,构建了适用范围更广的简化球谐波近似-辐射度理论混合光传输(Hybrid SPN-radiosity method, HSRM)模型及其相应的三维光学分子成像方法。在HSRM模型中,SPN方程用来描述光在散射介质中的传输过程,而辐射度理论用来描述光在空腔内的直线传输过程；通过在散射组织和空腔区域的边界上构造边界条件将这两种不同的光传输方程耦合,形成混合光传输模型。通过大量的仿真实验和真实仿体实验,验证了HSRM模型的准确性和有效性,实验结果表明HSRM模型比HRDM模型具有更广的适用范围和更高的精度。最后,通过实验验证了基于HSRM模型的三维光学分子成像方法能够在定位和定量上都有很大的改善。4.针对HSRM模型计算效率相对较低的问题和HRDM模型适用范围局限性问题,提出了一种兼顾两者优点的自适应混合光传输模型及其相应的光学三维成像方法。所谓的自适应是指根据生物组织的结构异质性和光学参数特异性,选择最合适的光传输模型描述光在这类组织中的传输过程。在自适应混合光传输模型中,首先根据生物组织的光学特性和结构异质性将生物组织分成不同的类型；其次,对不同类型的生物组织选取合适的光传输近似模型,例如在高散射组织中采用DA方程,在低散射(高吸收)介质中采用SPN方程,在空腔区域中采用辐射度理论方程；第三,在不同类型的组织边界上构造相应的边界条件将不同的光传输方程耦合形成统一的自适应混合光传输模型。大量的仿真实验结果证明了该自适应混合光传输模型不仅能够保证准确性,而且还能够提高计算效率。原位胃癌的在体连续定量观测实验证明了基于自适应混合光传输模型的三维光学分子成像方法能够对原位胃癌进行快速准确的定位与定量成像,同时证明了该方法在原位胃癌三维成像方面的较大应用潜力和前景。
【关键词】：混合光传输模型 空腔 辐射度理论 扩散近似 简化球谐波近似
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 缩略语对照表12-16
• 第一章 绪论16-24
• 1.1 选题背景及研究意义16-19
• 1.2 生物组织中光传输模型的研究现状及进展19-21
• 1.3 本文的主要研究工作21-24
• 第二章 扩散近似和简化球谐波近似性能的评价24-40
• 2.1 引言24-25
• 2.2 扩散近似和简化球谐波近似25-28
• 2.2.1 扩散近似25
• 2.2.2 简化球谐波近似25-28
• 2.2.3 光传输模型的求解方法28
• 2.3 生物组织的光学特性参数分类标准28-30
• 2.4 实验验证及结果分析30-38
• 2.4.1 光学特性分类30-31
• 2.4.2 SP_3方程和DA方程适用性的研究31-38
• 2.5 本章总结38-40
• 第三章 扩散近似-辐射度理论混合光传输模型及其三维光学成像方法40-56
• 3.1 引言40-41
• 3.2 扩散近似-辐射度理论混合光传输模型41-44
• 3.2.1 辐射度理论41-42
• 3.2.2 基于扩散近似-辐射度理论的混合光传输模型42
• 3.2.3 扩散近似-辐射度理论混合光传输模型的有限元求解42-44
• 3.2.4 基于扩散近似-辐射度理论的三维光学重建方法44
• 3.3 实验设计与分析44-54
• 3.3.1 HRDM光传输模型准确性的验证45-47
• 3.3.2 空腔大小对光传输模型的影响47-52
• 3.3.3 空腔对三维光学成像的影响52-54
• 3.4 总结与讨论54-56
• 第四章 简化球谐波近似-辐射度理论混合光传输模型及其三维光学成像方法56-74
• 4.1 引言56-57
• 4.2 简化球谐波近似-辐射度理论混合光传输模型57-60
• 4.2.1 散射区域与空腔区域的边界耦合条件57
• 4.2.2 简化球谐波近似-辐射度理论的混合光传输模型57-58
• 4.2.3 简化球谐波近似-辐射度理论混合光传输模型的有限元方法的数值求解58-59
• 4.2.4 基于简化球谐波近似-辐射度理论混合光传输模型的三维光学重建方法59-60
• 4.3 实验设计与分析60-72
• 4.3.1 HSRM方法准确性的验证61-67
• 4.3.2 HSRM方法适用性的实验67-70
• 4.3.3 光源深度对光传输的影响70-71
• 4.3.4 基于数字鼠仿体的三维光学成像实验71-72
• 4.4 总结与讨论72-74
• 第五章 自适应混合光传输模型及其三维光学成像方法74-98
• 5.1 引言74-75
• 5.2 自适应混合光传输模型及其三维光学成像方法75-83
• 5.2.1 自适应混合光传输模型的概念75-76
• 5.2.2 生物组织的分类76-77
• 5.2.3 自适应混合光传输模型77-80
• 5.2.4 基于自适应混合光传输模型的有限元求解80-82
• 5.2.5 基于自适应混合光传输模型的三维光学重建方法82-83
• 5.3 实验设计和结果分析83-97
• 5.3.1 自适应混合光传输模型及其三维光学成像方法的研究83-94
• 5.3.2 基于自适应混合光传输模型的三维光学成像在胃癌的连续观测中的应用94-97
• 5.4 总结与讨论97-98
• 第六章 总结与展望98-102
• 6.1 本文的工作总结98-99
• 6.2 未来工作展望99-102
• 参考文献102-110
• 致谢110-112
• 作者简介112-114

【共引文献】

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1 成丽君;张宇波;徐从富;;基于混合图像分割与梯度算法的发光物体图像重建技术研究[J];计算机科学;2014年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 程t熜，

本文编号：793768