时域光学拓扑成像方法的模拟与实验研究

发布时间：2017-04-30 01:02

  本文关键词：时域光学拓扑成像方法的模拟与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前对脑功能进行成像的方法主要有正电子发射层析成像（Positron EmissionTomography，PET）和磁共振功能成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）。前者对诊断脑部疾病有独特的作用，但其使用的同位素对人体损伤极大；后者只能间接测量总的血红蛋白浓度的变化，，有禁忌症。近红外光学成像方法（Near-infrared Spectroscopy，NIRS）以其安全无损、非侵入、非电离辐射等优点而在医学界得到广泛关注。选择近红外“治疗窗口”范围内的波长，不仅可以实现对活体组织的无损伤及实时的探测和成像，还可以直接同时提供氧合血红蛋白浓度和还原血红蛋白的浓度变化信息。由于近红外光在脑部组织穿透深度的限制，一般采用拓扑的方式研究大脑皮层的应激反应过程。 本论文设计了一种结合近红外光成像方式和时间相关单光子计数（Time-correlated Single Photon Counting，TCSPC）技术的时域光学拓扑成像方法，利用时域扩散方程解析解的最小二乘拟合算法和基于计算值光程的修正的Lambert-Beer定律方法计算相邻的源点与探测点之间的待测组织吸收系数变化量，并将其和基于经验值光程的修正的Lambert-Beer定律方法进行了对比和分析。本文进行了一系列的模拟实验验证算法的可行性和有效性，并以基于TCSPC的多通道时间分辨测量系统为平台进行了实验验证。 模拟和实验结果表明，当异质体尺寸大于源和探测器距离时，基于经验值光程的修正的Lambert-Beer方法在量化度上会出现过估计问题，且对于目标体的重建形状会出现中间区域估计值过高，边缘估计过低的成像区域不均匀现象，此时时域测量方法对异质体的重建值和重建形状更为理想。该时域光学拓扑成像方法不仅可以灵活设计源探测阵列排布，亦可采取多波长测量模式，获取生物组织更多组分信息，因而有望成为现有脑功能成像方法的有益补充。
【关键词】：扩散方程 飞行时间 TCSPC 光学拓扑 脑功能成像
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.51
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-14
• 1.1 本课题研究背景7-9
• 1.2 本课题研究意义9
• 1.3 近红外光学拓扑成像9-12
• 1.3.1 近红外无创检测方法9-10
• 1.3.2 光学拓扑成像10-11
• 1.3.3 光学拓扑成像展望11-12
• 1.4 主要研究内容12-14
• 第二章 时域光学拓扑成像的理论基础14-26
• 2.1 光与组织体的相互作用14-18
• 2.1.1 组织体的吸收效应15-17
• 2.1.2 组织体的散射效应17-18
• 2.2 近红外光学测量模式18-21
• 2.2.1 连续光测量法18-19
• 2.2.2 频域测量方法19-20
• 2.2.3 时域测量方法20-21
• 2.3 光在组织中传播的数学模型21-25
• 2.3.1 扩散方程21-22
• 2.3.2 时域解析解22-25
• 2.3.3 蒙特卡洛模拟25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 近红外时域光学拓扑成像方法26-35
• 3.1 基于时域扩散方程解析解的最小二乘拟合算法26-28
• 3.2 基于计算值光程的修正的 Lambert-Beer 方法28-32
• 3.3 血红蛋白浓度确定32-33
• 3.4 本章小结33-35
• 第四章 近红外光学拓扑成像方法模拟验证35-48
• 4.1 源-探测阵列排布35-37
• 4.2 模拟验证37-47
• 4.2.1 单点验证38-43
• 4.2.2 成像验证43-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第五章 近红外光学拓扑方法实验验证48-56
• 5.1 时间相关单光子计数原理48-50
• 5.2 多通道时间分辨测量系统50-52
• 5.3 实验仿体52-53
• 5.4 实验结果53-55
• 5.5 本章小结55-56
• 第六章 总结和展望56-58
• 6.1 本文工作总结56-57
• 6.2 今后工作展望57-58
• 参考文献58-62
• 发表论文和参加科研情况说明62-63
• 致谢63

【参考文献】

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本文编号：335919