扩散光学层析成像系统优化及其与PET融合成像的研究

发布时间：2020-04-26 20:59

【摘要】：扩散光学层析成像(Diffuse Optical Tomography,DOT)以其成像特异性高、非侵入性及无电离辐射的特点,近年来成为检测和表征乳腺癌或其他软组织病变最具潜力的影像诊断技术之一。DOT属于功能分子成像技术,其根据肿瘤与正常组织血红蛋白含量的差异性所导致的光学特性的变化来检测组织病变。基于DOT成像原理实验室搭建了DOT系统,本文主要以DOT定量重建光学参数为核心,从系统性能优化、定量补偿、多光谱成像与多模融合展开了一系列研究,三方面内容层层递进形成一个整体。本文主要研究内容如下:1.系统性能优化及测试。DOT系统性能优化分为硬件性能优化和软件性能优化两部分。系统硬件性能优化部分首先是系统数据质量的优化,本文通过数据分析说明了系统噪声对测量数据质量的影响,为了优化测量数据质量提出针对噪声(暗电流)的校正方法,实验结果证明优化后系统对目标物体的恢复效果有了明显的改善;接着采用了低频调制来提高系统信噪比的方法,设计了相关实验并针对实验结果进行了定量评估,根据评估结果可知低频调制后系统的信噪比由36dB提升到了56dB,并且本文根据定量分析结果给出了实际工程中可参考的调制频率。软件性能优化部分主要是通过初始光学参数的优化来改善重建图像质量,由于DOT重建过程的病态性导致初始光学参数对重建结果的影响被加倍放大,主要体现在边界伪影和定位误差的增大。为了得到合理的光学参数,本文以系统对特异性吸收目标的定位精度为评估标准,通过微扰动的方法得到符合量化标准的光学参数,利用该光学参数得到的重建结果定位准确并且有效抑制了重建图像伪影。2.系统定量重建及多光谱成像研究。DOT重建过程的病态性使得系统的测量数据在定量恢复光学系数方面具有一定的困难,本文针对定量重建提出了基于优化系统与构建定量仿体相结合的方法。为了评估系统重建结果对特异性吸收的准确定量,本文设计了系列定量仿体实验,并通过匀质仿体校正方法验证了构建定量仿体方法的可靠性和稳定性,通过计算重建结果中感兴趣区域的(Interest of Region,ROI)均值可知定量仿体的最大恢复误差为9%;为了重建含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量,本文进行了离体血液的多光谱实验,根据不同波长的光学性质得到660nm-850nm之间含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收系数的变化曲线,并且利用多光谱结果成功分离了两类血红蛋白。3.PET-DOT同机融合成像。PET-DOT联合成像可以实现PET核素标记的外源性成像与DOT内源性成像对病变组织的精准定位与高精度诊断。本文提出基于刚性变换的双模态点配准方法,根据定量计算结果两种模态的配准误差在2mm内,并设计了双模融合的单孔和双孔仿体实验及肿瘤小鼠的生物活体实验,实验证明针对小鼠肿瘤DOT与PET成像可以实现信息的相互验证。
【图文】：

成像,方式,组织体,透射式

直接传输扩散传输图 1.1 模拟光子在组织中的传播过程及出射光分类[23].模拟光子在组织中的传输路径，近红外光通过厚组织体后遭遇多原来的方向性、偏振性、相干性，这些经过组织体多次散射才出，其中扩散光有两种出射方式：反射和透射，因此 DOT 成像方透射式两种。反射式成像指光源和探测器在同侧如图 1.2(a)所示用于浅层成像例如脑功能成像；透射测量方式是指光源和探测器，透射式成像的成像深度较反射式有所提高并且使用的更为广但是早期的光学成像深度有所受限，随着 650~950nm 近红外窗外光学成像技术的发展，光学成像深度可达 10cm 左右，满足大

空间分布,连续波,测量原理,测量模式

了确定组织的性质或获得关于其空间分布的信息，运用比较稳定个有限元节点上的光学参数a 。为了得到更优解在求解目标函数，公式 2-3 中的为正则化参数， 21021min()()NNjjNMiCiMi 2. 扩散光测量系统光学层析成像的测量方式与 CT 类似，测量过程中需要测量多点激接接触式或空间光进行光的投射和接收。目前扩散光测量系统主要分辨测量模式、连续波测量模式和频域测量模式，本文系统采用的测量模式，如图 2.1 所示为连续波的测量原理。连续波测量结果在设散射系数为已知量来重建吸收系数的值，，这点对于肿瘤检测来人体组织出现病变时最能反映病变特征的就是吸收系数的变化。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R817;TP391.41

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